JP6198944B2 - 遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高温液体成分のための遠距離オンラインモニタリングの技術分野に関し、特に遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置及び方法に関する。
金属及び合金の溶融プロセスでは、製品品質を制御し溶融終了を判断するために、化学成分の変化を検出することが必要である。現在、高度で効果的なオンライン測定技術の欠如のため、手動サンプリング及びサンプル作製のオフライン検出手段が、溶融プロセスにおいて一般に採用される。例えば、鋼溶融プロセスの間の、高温溶鋼の検出では、融解鋼を、サンプリング、冷却、研削、研磨などの一連のプロセス後に、測定及び分析のための分析器上へ取り出すことが必要であり、溶融時間の10分の1以上を占める全プロセスの3〜5分を必要とする。この時間のかかるオフライン検出手段は、後退した品質管理の原因となるばかりでなく、大量の資源及びエネルギ資源の浪費の原因となる。更に、検出設備は、高価かつ巨大であり、現代の所要溶融生産に適合させるのは困難である。
従来技術の欠点に応じて、本発明は、品質管理及び溶融終了のための適時かつ有効な情報を提供する冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置及び方法を提供し、これにより、検出時間が大幅に短縮され、検出距離が広範囲にわたって調節可能となり、検出装置が柔軟に取り付けかつ使用可能となり、製品品質を大幅に改良することができ、生産コストが減少し、かつエネルギ消費が低減し;更に、二重パルス法が適用されて、これにより、スペクトル品質を効果的に高め、ノイズを抑制し、測定結果の精度及び安定性を強化し;測定が困難であるC、S、Pなどの成分の測定を達成することができる。
遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
第1の反射鏡(9)は、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール(7)の出現方向の光学軸上に配置されて、出現方向の光学軸に対して45°の角度を形成し;第2の反射鏡(10)が、遠隔信号回収モジュール(11)の入射方向の光学軸上に配置されて、入射方向の光学軸に対して45°の角度を形成し;かつ、第1の反射鏡(9)及び第2の反射鏡(10)の中心を結ぶ線が、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール(7)並びに遠隔信号回収モジュール(11)の軸に対して垂直である。
分光片(20)及び光ファイバ結合モジュール(13)は、遠隔信号回収モジュール(11)の出現方向の光学軸上にそれぞれ配置され;光ファイバ結合モジュール(13)が、光ファイバ(21)により光ファイバ分光計(14)と接続され;かつ、ファイバ分光計(14)が、信号線(25)によりバックエンド制御プラットフォーム(24)と接続される。
リアルタイム撮像モジュール(12)は、分光片(20)の反射方向の光学軸上に垂直に配置されて、信号線(25)によりバックエンド制御プラットフォーム(24)と接続される。
前記1/2波長板が、レーザヘッドのレーザ出現方向の光学軸上に同軸で配置されて、光学軸に対して垂直であり;
かつ、前記偏光分光片が、1/2波長板の出現方向の光学軸上に同軸で配置されて、光学軸に対してブリュースター角を形成し、第2の偏光分光片(31)が、第1の偏光分光片(30)によって反射されたレーザビームを受けることができる。
前記第1の可動ベース(32)が、レーザ生成モジュール(6)の出現方向の光学軸上を移動することができ;
前記発散レンズが、光学軸に対して垂直に第1の可動ベース(32)に配置され;
前記収束レンズが、光学軸に対して垂直に第1の可動ベース(32)と第1の反射鏡(9)との間に配置される。
前記第2の可動ベース(32)が、第2の反射鏡(10)の出現方向の光学軸上を移動することができ;
前記双曲面反射鏡(38)が、第2の反射鏡(10)の出現方向と平行及び同軸であり、第2の可動ベース(37)に配置され;
かつ、前記放物面反射鏡(39)が、双曲面反射鏡(38)と分光片との間に配置され、中央孔が中心に確保される。
前記第2の可動ベース(32)が、第2の反射鏡(10)の出現方向の光学軸上を移動することができ;
前記球面反射鏡が、第2の反射鏡(10)の出現方向と平行及び同軸であり、第2の可動ベース(37)に配置され;
かつ、前記非球面反射鏡が、球面反射鏡と分光片との間に配置され、中央孔が中心に確保される。
レーザ距離測定モジュール(8)によって距離測定レーザを放射し;距離測定レーザが第1の反射鏡(9)及び第2の反射鏡(10)を通過した後に、液体金属表面(23)上に距離測定レーザを照射し;液体金属表面(23)の位置情報を測定し;バックエンド制御プラットフォーム(24)に位置情報をフィードバックする工程と;
プラズマを励起するための、レーザが焦点を合わせる焦点位置、及び遠隔信号の回収位置が、液体金属表面(23)上で一致するように、レーザ距離測定モジュール(8)によってフィードバックされた液体金属表面(23)の位置情報により、バックエンド制御プラットフォーム(24)によって第1の可動ベース(32)及び第2の可動ベース(37)の焦点調節を実行する工程と;
レーザ生成モジュール(6)によりバックエンド制御プラットフォーム(24)のレーザ生成信号を受信し;レーザビームを放射し;レーザビームが遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール(7)を通過した後に、第1の反射鏡(9)上にレーザビームを照射し;反射されたレーザビームが第2の反射鏡(10)を通過することを可能にし;プラズマ信号光を生成するために、フロントエンド耐高温プローブ(18)の不活性ガス環境を通過して液体金属表面(23)にレーザを照射する工程と;
フロントエンド耐高温プローブ(18)の不活性ガス環境を通過して遠隔信号回収モジュール(11)に生成されたプラズマ信号光を送信し;遠隔信号回収モジュール(11)の放物面反射鏡(39)及び双曲面反射鏡(38)により平行なプラズマ信号光を形成し;分光片(20)により光ファイバ結合モジュール(13)に平行なプラズマ信号光を送信する工程と;
平行なプラズマ信号光が光ファイバ結合モジュール(13)を通過した後に、光信号回収及び光電変換を実行するために光ファイバ(21)により光ファイバ分光計(14)に平行なプラズマ信号光を送信し;かつ、プラズマ信号光の回収を完了するためにバックエンド制御プラットフォーム(24)にプラズマ信号光をフィードバックする工程と、
を含むことを特徴とする遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出方法。
本特許は、図面及び実施形態を組み合わせて、以下で更に説明される。
定数lとしてレーザ距離測定モジュール8から第2の反射鏡10の中心までの距離を設定し、sとして第2の反射鏡10から測定される液体金属表面23までの距離を設定してレーザ距離測定モジュール8の測定値を取得する工程:a=l+s;
第1の可動ベース32がその移動範囲内にあることができるようにし;移動位置値x1、及びレーザの焦点を合わせるための位置値s1が固有の決定値に対応する単調関数を形成することができるようにして;その間の対応する関係をx1=f1(s1)と設定する一方で、s及び一定のオフセットl1の和の形としてs1を表して、すなわちs1=s+l1として、x1=f1(s+l1)を取得する工程;
第2の可動ベース37がその移動範囲内にあることができるようにし;移動位置値x2、及び信号光の回収位置の位置値s2が固有の決定値に対応する単調関数を形成することができるようにして;その間の対応する関係をx2=f2(s2)と設定する一方で、s及び一定のオフセットl2の和の形としてs2を表して、すなわちs2=s+l2として、x2=f2(s+l2)を取得する工程;
レーザ距離測定によって取得した値により第1の可動ベース32及び第2の可動ベース37の移動のための位置値x1及びx2を取得するように、関数x1=f1(s+l1)及びx2=f2(s+l2)を検量して既知のsによりx1及びx2の値を取得することで、焦点調節を実現する工程。
Claims (12)
- フロントエンド耐高温プローブ(18)のヘッドが、液体金属(22)に配置され、フロントエンド耐高温プローブ(18)のテイルが、ミドルエンド光検知装置(19)に同軸で接続され、光学窓(15)が、接続位置に配置され;かつ、ミドルエンド光検知装置(19)が、バックエンド制御プラットフォーム(24)に信号線(25)によって接続され、
前記ミドルエンド光検知装置(19)において、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール(7)が、レーザ生成モジュール(6)がレーザビームを放射する軸方向に同軸で配置され;
第1の反射鏡(9)が、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール(7)の出現方向の光学軸上に配置されて、出現方向の光学軸に対して45°の角度を形成し;第2の反射鏡(10)が、遠隔信号回収モジュール(11)の入射方向の光学軸上に配置されて、入射方向の光学軸に対して45°の角度を形成し;かつ、第1の反射鏡(9)及び第2の反射鏡(10)の中心を結ぶ線が、遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール(7)並びに遠隔信号回収モジュール(11)の軸に対して垂直であり;
分光片(20)及び光ファイバ結合モジュール(13)が、遠隔信号回収モジュール(11)の出現方向の光学軸上にそれぞれ配置され;光ファイバ結合モジュール(13)が、光ファイバ(21)により光ファイバ分光計(14)と接続され;かつ、ファイバ分光計(14)が、信号線(25)によりバックエンド制御プラットフォーム(24)と接続され;
リアルタイム撮像モジュール(12)が、分光片(20)の反射方向の光学軸上に垂直に配置されて、信号線(25)によりバックエンド制御プラットフォーム(24)と接続され、
前記遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール(7)が、レーザ生成モジュール(6)の出現方向に同軸で配置された、第1の可動ベース(32)及び発散レンズ並びに収束レンズを含み;
前記第1の可動ベース(32)が、レーザ生成モジュール(6)の出現方向の光学軸上を移動することができ;
前記発散レンズが、光学軸に対して垂直に第1の可動ベース(32)に配置され;
前記収束レンズが、光学軸に対して垂直に第1の可動ベース(32)と第1の反射鏡(9)との間に配置される、
遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。 - 前記フロントエンド耐高温プローブ(18)が、励起レーザビーム及び被回収プラズマ信号光の光路が閉鎖不活性ガス環境にあるように、不活性ガスが充填された倒円錐である、請求項1に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
- 前記バックエンド制御プラットフォーム(24)が、レーザ電源及び制御ユニット(1)、時間同期制御器(2)、空気流入制御ユニット(3)、並びに変位プラットフォーム制御ユニット(4)を含み、該ユニットが、信号線(25)によりミドルエンド光検知装置(19)と接続される、請求項1に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
- 第1の反射鏡(9)及び第2の反射鏡(10)の中心を結ぶ線の方向に配置されたレーザ距離測定モジュール(8)を更に含み、レーザ距離測定モジュール(8)が、信号線(25)によりバックエンド制御プラットフォーム(24)と接続される、請求項1に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
- 前記ミドルエンド光検知装置(19)が、温度制御モジュール(5)を更に含み、信号線(25)によりバックエンド制御プラットフォーム(24)と接続され;前記温度制御モジュール(5)が、ミドルエンド光検知装置(19)の内部温度のリアルタイムモニタリング及び調節のための温度センサ及び温度調節装置を含む、請求項1に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
- 前記レーザ生成モジュール(6)が、レーザヘッド、1/2波長板、及び偏光分光片の2つの群を含み;
前記1/2波長板が、レーザヘッドのレーザ出現方向の光学軸上に同軸で配置されて、光学軸に対して垂直であり;
かつ、前記偏光分光片が、1/2波長板の出現方向の光学軸上に同軸で配置されて、光学軸に対してブリュースター角を形成し、第2の偏光分光片(31)が、第1の偏光分光片(30)によって反射されたレーザビームを受けることができる、
請求項1に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。 - 前記遠隔信号回収モジュール(11)が、第2の可動ベース(37)、双曲面反射鏡(38)、及び放物面反射鏡(39)からなり、信号線(25)によりバックエンド制御プラットフォーム(24)と接続され;
前記第2の可動ベース(32)が、第2の反射鏡(10)の出現方向の光学軸上を移動することができ;
前記双曲面反射鏡(38)が、第2の反射鏡(10)の出現方向と平行及び同軸であり、第2の可動ベース(37)に配置され;
かつ、前記放物面反射鏡(39)が、双曲面反射鏡(38)と分光片との間に配置され、中央孔が中心に確保される、
請求項1に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。 - 前記遠隔信号回収モジュール(11)が、第2の可動ベース(37)、球面反射鏡、及び非球面反射鏡からなり、信号線(25)によりバックエンド制御プラットフォーム(24)と接続され;
前記第2の可動ベース(32)が、第2の反射鏡(10)の出現方向の光学軸上を移動することができ;
前記球面反射鏡が、第2の反射鏡(10)の出現方向と平行及び同軸であり、第2の可動ベース(37)に配置され;
かつ、前記非球面反射鏡が、球面反射鏡と分光片との間に配置され、中央孔が中心に確保される、
請求項1に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。 - 前記光ファイバ結合モジュール(13)が、同軸で平行に順々に配置された第3の発散レンズ(40)、第3の収束レンズ(41)、及び第4の収束レンズ(42)を含み、これらの光学軸が、遠隔信号回収モジュールの光学軸と一致する、請求項1に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
- 前記リアルタイム撮像モジュール(12)が、色消しレンズ(43)及びCCD(44)を含み;かつ、色消しレンズ(43)及びCCD(44)が、同軸で配置され;これらの軸方向が、遠隔信号回収モジュール(11)の光学軸の方向に対して垂直であり;かつ、軸が、分光片(20)の中心を通過する、請求項1に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出装置。
- フロントエンド耐高温プローブ(18)のヘッドを液体金属(22)内に配置し、閉鎖不活性ガス環境を形成するために耐高温プローブの空気流入管(16)により不活性ガスを充填する工程と;
レーザ距離測定モジュール(8)によって距離測定レーザを放射し;距離測定レーザが第1の反射鏡(9)及び第2の反射鏡(10)を通過した後に、液体金属表面(23)上に距離測定レーザを照射し;液体金属表面(23)の位置情報を測定し;バックエンド制御プラットフォーム(24)に位置情報をフィードバックする工程と;
プラズマを励起するための、レーザが焦点を合わせる焦点位置、及び遠隔信号の回収位置が、液体金属表面(23)上で一致するように、レーザ距離測定モジュール(8)によってフィードバックされた液体金属表面(23)の位置情報により、バックエンド制御プラットフォーム(24)によって第1の可動ベース(32)及び第2の可動ベース(37)の焦点調節を実行する工程と;
レーザ生成モジュール(6)によりバックエンド制御プラットフォーム(24)のレーザ生成信号を受信し;レーザビームを放射し;レーザビームが遠隔ビーム拡張及び合焦モジュール(7)を通過した後に、第1の反射鏡(9)上にレーザビームを照射し;反射されたレーザビームが第2の反射鏡(10)を通過することを可能にし;プラズマ信号光を生成するために、フロントエンド耐高温プローブ(18)の不活性ガス環境を通過して液体金属表面(23)にレーザを照射する工程と;
フロントエンド耐高温プローブ(18)の不活性ガス環境を通過して遠隔信号回収モジュール(11)に生成されたプラズマ信号光を送信し;遠隔信号回収モジュール(11)の放物面反射鏡(39)及び双曲面反射鏡(38)により平行なプラズマ信号光を形成し;分光片(20)により光ファイバ結合モジュール(13)に平行なプラズマ信号光を送信する工程と;
平行なプラズマ信号光が光ファイバ結合モジュール(13)を通過した後に、光信号回収及び光電変換を実行するために光ファイバ(21)により光ファイバ分光計(14)に平行なプラズマ信号光を送信し;かつ、プラズマ信号光の回収を完了するためにバックエンド制御プラットフォーム(24)にプラズマ信号光をフィードバックする工程と、
を含むことを特徴とする遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出方法。 - 分光片(20)によって反射された信号光及びシーン背景光の一部を受信して、バックエンド制御プラットフォーム(24)にその光をフィードバックし、液体金属表面(23)の外観及びプラズマの形成状態をリアルタイム表示して、合焦位置及び回収位置をリアルタイム調節するリアルタイム撮像モジュール(12)を更に含む、請求項11に記載の遠距離冶金液体金属成分のための現場オンライン検出方法。
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