本发明涉及冶金成分检测技术领域，尤其涉及一种冶金成分在线检测装置。
背景技术：
金属及合金在冶炼过程中需要检测化学成分的变化，以此控制产品质量，并判断冶炼终点。
目前，由于缺乏先进的在线测量技术，冶炼过程普遍采用人工取样和制样的离线检测方式。例如，在炼钢过程中，对高温钢液的检测需要通过取样、冷却、打磨、抛光等一系列过程后，再拿到分析仪器上进行测量和分析，整个过程需要花费3～5分钟时间，占去冶炼时间的十分之一以上。这种费时的离线检测方式不仅造成质量控制落后，同时也造成大量能源浪费。而我国作为冶金大国，2010年全国粗钢产量为62665万吨，钢铁行业平均吨钢综合能耗为615千克标准煤，按国家统计局每度电折0.404千克标准煤计算，我国钢铁行业每年由此消耗的能源高达429.27亿度。
综上，随着冶金行业生产模式的日益大型化、高速化和连续化，冶金行业对于在线检测液态金属成分技术的需求也日渐迫切。
技术实现要素：
本发明为解决现有技术中存在的离线检测费时费能问题，提供了一种冶金成分在线检测装置。
本发明提出一种冶金成分在线检测装置，包括真空熔炼炉、气密阀门、激光诱导光源、采集单元和光谱分析单元；所述真空熔炼炉的炉体上开设有若干个窗口，任一所述窗口与所述气密阀门对应连接；所述激光诱导光源、采集单元和光谱分析单元设置在所述真空熔炼炉外部；所述激光诱导光源和采集单元工作时，所述激光诱导光源发出的激光通过所述气密阀门和窗口诱导所述熔融金属液体，所述采集单元通过所述气密阀门和窗口采集所述等离子体光；所述光谱分析单元与所述采集单元连接，所述光谱分析单元根据所述等离子体光分析所述熔融金属液体的成分。
优选地，还包括若干个容置单元，任一所述容置单元上设置有所述激光诱导光源和/或采集单元；任一所述容置单元上还能够设置所述光谱分析单元。
优选地，还包括机柜，所述机柜内设置有所述光谱分析单元；所述机柜内还能够设置电源单元、冷却单元和同步信号单元中的至少一种。
优选地，所述机柜内还设置有所述激光诱导光源和/或采集单元；对应地，还包括激光传导单元，所述机柜内的激光诱导光源和/或采集单元与所述激光传导单元连接。
优选地，还包括移动单元，所述移动单元与所有所述容置单元连接；所述移动单元用于移动所述容置单元，并控制所述容置单元与气密阀门的对接和分离。
优选地，还包括控制单元，所述控制单元分别与所述激光诱导光源、采集单元、气密阀门、光谱分析单元和移动单元连接。
优选地，还包括测温单元和/或填料单元；所述测温单元和填料单元设置在所述容置单元上。
优选地，还包括反馈单元，所述反馈单元分别与所述光谱分析单元和填料单元电连接；所述反馈单元根据所述熔融金属液体的成分和预先设定的成分配比调整所述填料单元的填料配比。
优选地，所述光谱分析单元包括分光子单元和分析子单元，所述分光子单元和分析子单元连接；所述分光子单元用于对所述等离子体光进行分光，并输出光谱数据；所述分析子单元根据所述光谱数据分析所述熔融金属液体的成分。
本发明提供的一种冶金成分在线检测装置，在真空熔炼炉炉体窗口上设置了气密阀门，在满足激光诱导击穿光谱技术对冶金成分进行检测实现冶金成分的在线检测的同时，保证了炉内真空环境的稳定，大大节省了时间成本，避免了不必要的资源浪费，为冶金材料的精确配比提供了数据支持。
附图说明
图1为本发明具体实施例的一种冶金成分在线检测装置的结构示意图；
图2为本发明具体实施例的一种冶金成分在线检测装置的局部剖面示意图；
图3为本发明具体实施例的一种冶金成分在线检测装置的结构示意图；
图4为本发明具体实施例的一种冶金成分在线检测装置的结构示意图；
附图标记说明：
101-激光诱导光源；102-采集单元；103-气密阀门；
104-光谱分析单元；105-真空熔炼炉；106-窗口；
107-容置单元；108-移动单元；109-机柜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明具体实施例的一种冶金成分在线检测装置的结构示意图，如图1所示，一种冶金成分在线检测装置，包括真空熔炼炉105、气密阀门103、激光诱导光源101、采集单元102和光谱分析单元104；所述真空熔炼炉105的炉体上开设有若干个窗口106，任一所述窗口106与所述气密阀门对应连接；所述激光诱导光源101、采集单元102和光谱分析单元104设置在所述真空熔炼炉外部；所述激光诱导光源101和采集单元102工作时，所述激光诱导光源101发出的激光通过所述气密阀门103和窗口106诱导所述熔融金属液体，所述采集单元102通过所述气密阀门103和窗口106采集所述等离子体光；所述光谱分析单元104与所述采集单元102连接，所述光谱分析单元104根据所述等离子体光分析所述熔融金属液体的成分。
具体地，激光诱导击穿光谱技术(laserinducedbreakdownspectroscopy，libs)是基于激光和材料相互作用产生的发射光谱的一种元素成分分析技术。激光诱导击穿光谱技术通常由激光诱导光源101产生激光，在待测样品上烧蚀产生等离子体，通过光谱仪(或分光光度计等)进行等离子的光信号采集，然后选择待分析元素特定波长的光谱信号进行处理，得到样品成分的定性定量信息。
该技术在测量过程中，对样品的破坏性小，样品消耗量极低，属于非破坏测量，并且无需对样品进行预处理即可实现对任何物理状态物质的元素分析，具有适用范围广、分析速度快、测量破坏性小、可远程非接触测量以及可实现实时检测等优点。
本发明具体实施例将激光诱导击穿光谱技术应用于冶金成分的在线检测，包括真空熔炼炉105、气密阀门103、激光诱导光源101、采集单元102和光谱分析单元104。
所述激光诱导光源101和采集单元102均为若干个，其数量与种类根据实际检测需要确定。
真空熔炼炉105用于金属或合金的熔炼，所述真空熔炼炉105的炉体上开设有若干个窗口106，用于引入激光和/或采集等离子体光。所述气密阀门103的数量与所述窗口106的数量一致，每一所述窗口106上对应安装有一个气密阀门103。
在需要对炉内熔融金属液体进行检测时，打开气密阀门103，所述激光诱导光源101发出的激光通过所述气密阀门103和窗口106进入所述真空熔炼炉105内，诱导炉内熔融金属液体产生等离子体光。
所述等离子体光通过窗口106后经由气密阀门103射出，被与所述气密阀门103对接的采集单元102采集，并发送给光谱分析单元104。
所述光谱分析单元104接收到采集单元102采集的等离子体光后，根据所述等离子体光对所述熔融金属液体的成分进行分析。
在线检测结束后，所述气密阀门103关闭，将炉内环境与所述激光诱导光源101和采样单元102隔离开，避免炉内灰尘污染激光诱导光源101和采样单元102。
本发明具体实施例中，所述气密阀门103为真空密封阀门，例如真空密封板阀、真空密封球阀。
本发明具体实施例中，真空熔炼炉炉体窗口上设置了气密阀门，在满足激光诱导击穿光谱技术对冶金成分进行检测实现冶金成分的在线检测的同时，保证了炉内真空环境的稳定，大大节省了时间成本，避免了不必要的资源浪费，为冶金材料的精确配比提供了数据支持。
基于上述具体实施例，一种冶金成分在线检测装置，还包括若干个容置单元，任一所述容置单元上设置有所述激光诱导光源和/或采集单元；任一所述容置单元上还能够设置所述光谱分析单元。
具体地，所述冶金成分在线检测装置还包括容置单元，所述容置单元上设置有激光诱导光源和/或采集单元。
进一步地，所述容置单元为一个或多个，任一所述容置单元上集成了若干个激光诱导光源、若干个采集单元或若干个激光诱导光源和采集单元的结合，即所述容置单元能够用于发射激光、采集等离子体光或同时发射激光并采集等离子体光。
例如，所述装置中包括一个容置单元，所述容置单元上集成有三个激光诱导光源和一个采集单元，所述三个激光诱导光源按照预先设定的时序发出激光。
又例如，所述装置中包括三个容置单元，第一容置单元上设置有一个激光诱导光源，第二容置单元和第三容置单元上各设置有一个激光诱导光源和一个采集单元。
对炉内熔融金属液体进行在线检测时，设置有所述激光诱导光源的容置单元与所述气密阀门对接，所述激光诱导光源发出的激光通过打开的气密阀门和窗口进行所述真空熔炼炉内，诱导所述熔融金属液体产生等离子体光。
所述等离子体光通过窗口和打开的气密阀门后经由与气密阀门对接的容置单元上的采集单元采集，并发送给光谱分析单元。
在线检测结束后，装设有激光诱导光源和/或采集单元的容置单元可以与所述气密阀门分离开。
本发明具体实施例中通过容置单元的应用，使得激光诱导光源和采集单元的组合应用更加灵活。
基于上述任一具体实施例，一种冶金成分在线检测装置，还包括机柜，所述机柜内设置有所述光谱分析单元；所述机柜内还能够设置电源单元、冷却单元和同步信号单元。
具体地，所述机柜内还能够设置电源单元、冷却单元和同步信号单元中的至少一种。
其中，所述冷却单元用于对机柜及机头实现恒温控制，冷却激光诱导光源；所述同步信号单元用于产生微秒精度的同步信号，精确控制激光诱导光源、采集单元、光谱分析单元和设置在真空熔炼炉的气密阀门之间的工作时序关系。
基于上述任一具体实施例，一种冶金成分在线检测装置，所述机柜内还设置有所述激光诱导光源和/或采集单元；对应地，还包括激光传导单元，所述机柜内的激光诱导光源和/或采集单元与所述激光传导单元连接。
具体地，所述激光诱导光源和/或采集单元，不仅可以安装在容置单元上，还可以安装在机柜内。当安装在机柜内部的所述激光诱导光源和/或采集单元工作时，所述激光诱导光源和/或采集单元通过激光传导单元与所述气密阀门对接。
所述激光诱导光源发出的激光通过激光传导单元后经过所述气密阀门和窗口诱导熔融金属液体产生等离子体光，所述熔融金属液体产生的等离子体光通过窗口和气密阀门后经由激光传导单元传递再由采集单元采集。
本发明具体实施例中，所述激光传导单元为导光臂，但不限于此。
本发明具体实施例中，将激光诱导光源和采集单元的安装位置拓宽到机柜内，增加了装置的灵活性，避免了部分器件不耐高温而造成的损耗。
基于上述任一具体实施例，图2为本发明具体实施例的一种冶金成分在线检测装置的局部剖面示意图，如图2所示，一种冶金成分在线检测装置，还包括移动单元108，所述移动单元108与所述容置单元107连接。
具体地，所述移动单元108可以是旋转结构，包括转轴和转臂，任一所述转臂对应连接容置单元107，通过转轴的旋转带动转臂的位移，实现容置单元107相对于气密阀门103的轮换。
所述移动单元108还可以是滑动结构，通过驱动装置带动与所述移动单元108相连的容置单元107平移，实现容置单元107与气密阀门103的对接和分离。
本发明具体实施例中，通过移动单元108的应用实现了容置单元107与气密阀门103的对接和分离，增强了装置的灵活性。
基于上述任一具体实施例，一种冶金成分在线检测装置，还包括控制单元，所述控制单元分别与所述激光诱导光源、采集单元、气密阀门、光谱分析单元和移动单元连接。
具体地，所述装置还包括控制单元，所述控制单元用于分别控制激光诱导光源发出激光的时间和时序、采集单元采集等离子体光、气密阀门的开通和关断、光谱分析单元对等离子体光的分析和分析结果的输出以及移动单元的运行等。
基于上述任一具体实施例，一种冶金成分在线检测装置，还包括测温单元和/或填料单元；所述测温单元和填料单元设置在所述容置单元上。
具体地，所述测温单元和/或填料单元设置在所述容置单元上，且所述测温单元和/或填料单元可以和所述激光诱导光源、采样单元共同设置在同一容置单元上。
所述测温单元用于通过所述气密阀门和窗口测量炉内温度，所述填料单元用于通过所述气密阀门和窗口向所述真空熔炼炉填料。
其中，所述测温单元为红外测温仪、超声波测温仪或激光测温仪，且不限于此。本发明具体实施例中，所述测温单元为测温杆。
本发明具体实施例中，测温单元的增加为监测炉内温度提供了有效途径，填料单元的增加为实现冶金成分的在线检测和闭环控制提供了条件。
基于上述任一具体实施例，一种冶金成分在线检测装置，还包括反馈单元，所述反馈单元分别与所述光谱分析单元和填料单元电连接；所述反馈单元根据所述熔融金属液体的成分和预先设定的成分配比调整所述填料单元的填料配比。
具体地，所述反馈单元根据所述光谱分析单元分析获取的熔融金属液体成分与预先设定的成分配比进行比较，根据比较结果确定当前熔融金属液体成分中缺少的成分种类和含量和超量的成分种类和含量，并基于上述数据计算获取应当补入的成分配比，将所述成分配比发送给所述填料单元，随后所述填料单元根据所述填料配比向所述真空熔炼炉填料，以调整所述真空熔炼炉中熔融金属液体成分的配比。
本发明具体实施例中，通过光谱分析单元和反馈单元的配合实现了冶金成分的在线检测和闭环调控，大大降低了时间成本和资源成本，提供了金属冶炼的质量。
基于上述任一具体实施例，一种冶金成分在线检测装置，所述光谱分析单元包括分光子单元和分析子单元，所述分光子单元和分析子单元电连接；所述分光子单元用于对所述等离子体光进行分光，并输出光谱数据；所述分析子单元根据所述光谱数据分析所述熔融金属液体的成分。
具体地，所述分光子单元将所述等离子光按照波长进行分光处理，并输出分光后的光谱数据。所述分析子单元接收所述分光子单元发送的光谱数据，并根据所述光谱数据获取定性定量的熔融金属液体的成分分析结果。
其中，所述分光子单元包括若干个光谱信号探测设备，所述光谱信号探测设备包括但不限于光谱仪、分光光度计、ccd/cmos感光器件与分光器件结构的分光模块，例如线阵光谱仪、中阶梯光栅光谱仪、ccd或cmos感光器件与线光栅、闪耀光栅或二次分光光栅结合的分光模块。所述分光单元能够输出一维或二维分光后的光谱数据。
基于上述任一具体实施例，一种冶金成分在线检测装置，所述容置单元与机柜通过电缆、光纤或无线的方式连接。
基于上述任一具体实施例，一种冶金成分在线检测装置，所述激光诱导光管包括但不限于半导体激光器、固体激光器、气体激光器中的至少一种，例如nd:yag激光器、通过光纤耦合输出的半导体激光器以及二氧化碳激光器。
所述激光诱导光源包括但不限于脉冲输出激光器和/或连续输出激光器。
所述激光诱导光源还能够通过电源或者光学调制的方法，实现间隔时间可调节的多个脉冲输出。
所述激光诱导光源还包括由统一时序的输出设备控制的多个激光器的组合结构，以及根据等离子的激发需要能够输出多波长激光的激光器或激光器组合结构。
基于上述任一具体实施例，一种冶金成分在线检测装置，所述采集单元由若干个光学汇聚元件组成，能够实现宽光谱范围内的信号光收集，所述光学汇聚元件包括但不限于微透镜阵列、非球面透镜、球面透镜、非球面反射镜和抛物面反射镜中的至少一种。
所述采集单元采集的光谱范围通常在100至600nm范围内。也可以根据具体的需要，在某个具体应用的范围上进行光谱收集，例如仅针对c元素进行探测时，可以在193至193.5nm的范围内进行光谱收集；针对c、s、si、p几种元素进行测试时，可以在190至350nm的范围内进行光谱收集。
为了更好地理解与应用本发明提出的一种冶金成分在线检测装置，本发明进行以下示例，且本发明不仅局限于以下示例。
示例一：
一种冶金成分在线检测装置，包括一个探头、一个机柜、三个容置单元、一个真空熔炼炉、一个移动单元和一个气密阀门，同时包括合金熔炼炉通常测试所用的一个测温杆和一个填料单元。
探头与机柜中集成了激光诱导光源、采集单元和光谱分析单元。其中激光诱导光源和光谱分析单元集成在机柜中，采集单元及传输光纤、耦合透镜等辅助部件集成在1个探头中。探头与机柜通过导光臂相连。
所述激光诱导光源为一台灯泵浦的脉冲激光器，能够形成波长1064nm、单脉冲能量300mj、重复频率10hz、脉冲宽度20ns的激光输出；光谱分析单元为罗兰圆与pmt结合构成的光谱探测系统，分辨率0.01nm@200nm，光谱探测范围300nm至450nm，罗兰圆半径750cm，能够针对n，p，s，c，si，mn，cr，ni，cu，al，mo，v，co，ti，nb，w，fe等元素进行成分的定性定量分析；采集单元为变焦距、同轴收发的反卡塞格林系统，能够实现2至3m范围内的动态调焦探测。容置单元直径50cm，内部通光孔径20cm，通过转臂与移动机构7相连。真空熔炼炉为德国iehk公司的中频真空感应炉，最大熔炼量1.5吨。移动单元为安置在炉盖附近的转轴机构，连有4个转臂，能通过电动或手动控制，操纵转臂进行旋转。气密阀门为vat公司的真空板阀，孔径30cm。探头、测温杆、填料装置安置在容置单元上，通过移动单元控制旋转和升降。
测试过程的步骤如下：(1)通过移动单元控制容置单元移动位置，对准真空熔炼炉上气密阀门的接口；(2)压紧容置单元，与气密阀门形成密封；(3)通过控制单元打开气密阀门；(4)机柜中的激光诱导光源发射出激光，通过导光臂传递到探头发出，在熔融钢液表面诱导，并通过探头上集成的采集单元进行等离子体光的采集；(5)由置于机柜中的光谱分析单元，根据所述等离子体光进行元素成分的定性判断和定量分析；(6)通过控制单元关闭气密阀门；(7)在气密阀门与容置单元之间的真空区域充入空气，升起容置单元；(8)将容置单元旋转移出。
示例二：
一种冶金成分在线检测装置，包括一个探头、一个机柜和一个真空熔炼炉。
所述探头与机柜中集成了激光诱导光源、采集单元和光谱分析单元。其中电源和控制单元集成在机柜中，激光诱导光源、光谱分析单元和光谱分析单元集成在探头中。探头与机柜通过无线网络相连进行信号传输。
激光诱导光源为一台半导体激光器，能够形成单脉冲能量20mj、重复频率5hz的激光输出；光谱分析单元为avantes公司线阵ccd采集信号的光谱仪，分辨率0.1nm@200nm，光谱探测范围200nm至300nm。能够针对镍基合金中常见的35种等元素进行定量分析；采集单元为2.2m固定焦距的透射式光学系统；真空熔炼炉为锦州电炉厂生产的中频真空感应炉，最大熔炼量200公斤，上面开有一个窗口与探头直接相连。
测试过程的步骤如下：(1)集成在探头上的激光诱导光源发射出激光，在熔融钢液表面诱导，并通过集成在探头上的采集单元进行光谱信号的采集；(2)由置于机柜中的光谱分析单元，根据光谱信号进行元素成分的定性判断和定量分析。
示例三：
图3为本发明具体实施例的一种冶金成分在线检测装置的结构示意图，参考图3，一种冶金成分在线检测装置，包括两个探头、一个机柜、一个容置单元107、一个真空熔炼炉105、一个移动单元和两个气密阀门103。
探头与机柜中集成了激光诱导光源101、采集单元和光谱分析单元。其中所述激光诱导光源101和光谱分析单元集成在机柜中，采集单元及传输光纤、耦合透镜等辅助部件集成在所述探头中。探头与机柜通过光纤、电缆和柔性水管道相连。
激光诱导光源101为一台光纤激光器，能够形成波长1.03μm、平均功率1000w的激光输出，输出激光经过分光后进入两个探头；光谱分析单元由分光光度计构成，分辨率0.5nm@1μm，光谱探测范围0.8μm至1.5μm，能够针对元素及化合物进行成分定性定量分析；采集单元为变焦距的多透镜组系统，能够实现2至3m范围内的动态调焦探测；两个探头均发射激光，但只用一个探头集成有采集单元，能够接收光谱信号，通过控制单元实现共焦点控制；容置单元107直径30cm，内部通光孔径20cm，通过平移式的移动单元控制平移，能通过电动控制操纵平移；真空熔炼炉105为商业高频感应炉；气密阀门103为球阀，孔径30cm，置于熔炼炉上的窗口与气密阀门103之间。
测试过程的步骤如下：(1)通过移动单元控制容置单元107移动50cm，对准炉体窗口处；(2)压紧容置单元107，与气密阀门103形成密封环境；(3)通过控制单元打开气密阀门103；(4)探头发射出激光，在取样装置从坩埚中取出的熔融钢液上进行激光诱导，并通过探头进行光谱信号的采集；(5)由置于机柜中的光谱分析单元，根据光谱信号进行元素成分的定性判断和定量分析；(6)通过控制单元关闭气密阀门103；(7)松开容置单元107；(8)通过异动单元控制容置单元107移动复位；(9)将其他探测机构，或者密封盖移至窗口，压紧密封。
本示例在实施过程中，两路激光通过延时控制实现双脉冲的激光诱导。也可以选用两台或多台激光诱导光源101来实现双脉冲或多脉冲诱导光谱分析技术。
示例四：
图4为本发明具体实施例的一种冶金成分在线检测装置的结构示意图，参考图4，一种冶金成分在线检测装置，包括两个探头、一个机柜109、一个真空熔炼炉105和两个气密阀门103。
与示例三不同在于，两个个探头直接固定在真空熔炼炉105侧壁上，通过两个气密阀门103和窗口与真空熔炼炉105连通；诱导光源为两台不同波长的光源，通过libs-lif技术，在第一个光源输出激光诱导产生等离子体后，通过第二个激光选择性的发射特定波长的激光，实现针对某一元素的共振激发。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。