增加钢带表面清洁度的在线测量的灵敏度的方法和装置与流程

本发明主题

本发明涉及基于libs(laser-inducedbreakdownspectroscopy，激光诱导击穿光谱)方法提高在线测量连续移动金属带或板的表面清洁度的灵敏度的方法。

本发明还涉及用于实施所述方法的装置。

背景技术：

技术背景和现有技术

当制造钢板时，冷轧过程(coldrollingprocess)基本上在所述板材表面上产生两种类型的杂质：一方面是来自所述轧制油分解的表面碳，另一方面是铁粉(ironfine)，其源自与用于轧制的所述汽缸(cylinder)的相互作用。

这种表面污染很麻烦，因为它需要更频繁地清洁所述汽缸，并且所述汽提浴(strippingbath)污染更快。这显然会产生额外的费用。所述污的板材也必须进行更长时间退火，这也更加增加成本。此外，在后面的镀锌(galvanizing)或涂漆步骤中，这些沉积物导致粘附缺陷，这种缺陷会对最终产品的耐腐蚀性产生影响。最后，在退火炉中，特别是在镀锌之前，所述碳污染随着时间的推移产生的烟灰(soot)会沉积于所述炉壁上，这需要更频繁的清洁。同样，所述铁细粉可能随时间累积于所述炉子的辊上，这可能会在所述板材上产生缺陷。

近年来，这种污染的在线测量已经取得了一些进展。目前，有三种主要方法：

-一种相对较新的方法是基于红外辐射吸收。它主要受表面碳的影响，而受所述铁细粉的影响则相当小。所述灵敏度是有限的，并且还没有太多的工业化应用(thereisn’tmuchindustrialdistanceyet)(参见krauthp.j.,“delapropretédessurfacesd’acier”,larevuedemétallurgie–cit,june2002)；

-另一种方法基于对通过聚焦激光束在所述板表面上产生的等离子体的亮度强度的分析。最初，这种装置测量由所述等离子体产生的所述噪声(“arealtimemethodforsurfacecleanlinessmeasurement”,g.m.bilmesetal.,appl.phys.b82,643-648,2006)。然而，所述系统却测量所述等离子体的整体亮度强度(“practicalexperienceswithnovelnon-contact,online,surfacecleanlinessmeasurementsystem”,e.almquist,u.crossa,proceedingsgalvatech2015)。所述系统对所述铁细粉显著地敏感，而对碳污染却相对较少敏感；

-最后，根据发明人的知识，目前允许同时且独立地在线测量铁细粒和表面碳的唯一装置是基于所述libs方法并由申请人在欧洲研究项目的背景下开发的(lowwearproject,rfcscontractnorfsr-ct-2006-00010–1july2006to31december2009)。这种方法(应用于冷轧生产线的输出)通过比较具有不同能量的两条铁线的强度来测量所述铁细粒水平。实际上，供给所述等离子体的颗粒越细，所述蒸发越容易，并且所述激光脉冲中剩余的将所述等离子体的原子激发到高能级的能量就越多。为了测量所述表面碳，则使用较强碳线，通常是在193nm处的线。这种测量的缺点是这个线的波长处于远uv中，因此它被来自空气的氧吸收，这降低了远程测量期间的有用强度。另一条敏感线存在于247.8nm处，其吸收不多，但叠加于铁线上，这使其难以使用。

此外，在现代生产高质量钢中，特别是在镀锌之前，保证非常高水平的表面清洁度是非常重要的。为了保证这一点，通常在脱脂浴中清洁所述表面，其中化学溶液去除污垢，基本上是有机性质的，而一个或多个刷子允许除去所述板的固体污染物如铁细粉。因此，清楚地区分碳和铁粉的在线分析方法将是令人非常感兴趣的，因为它不仅可以评价脱脂的有效性，而且还可以确定清洁度的缺乏是否与所述刷洗的缺陷或所述清洁溶液的组成的缺陷有关。

申请人提出的所述方法(见上文)在冷轧后是有效的，其中碳污染水平为约数毫克碳/平方米。相反，在脱脂后，该水平降至小于数十毫克/平方米，并且使用被来自空气的所述氧部分吸收的碳线不足以保证在这些清洁度水平下的精确测量。

此外，从文献中已知的是，有机化合物中存在的所述碳可以有利地通过其在等离子体中与来自空气或所述等离子体周围的气态氮气氛的原子氮反应而进行测量。

该技术特别用于分析氮化碳的薄沉积物(“cnemissionspectroscopystudyofcarbonplasmainnitrogenenvironment”,s.abdelli-messacietal.,spectrochimicaactapartb60(2005)955–959)和用于爆炸物的区分(“newchallengesandinsightsinthedetectionandspectralidentificationoforganicexplosivesbylaserinducedbreakdownspectroscopy”,p.lucenaetal.,spectrochimicaactapartb66(2011)12-20)。

此外，一些关于有机材料的研究可以解释所述等离子体中形成所述cn基团的机理并可以确定产生这种类型的基团所需的能量密度(“vibrationalemissionanalysisofthecnmoleculesinlaser-inducedbreakdownspectroscopyoforganiccompounds”,fernández-bravoetal.,spectrochimicaactapartb89(2013)77-83)。

在文献aguileraj.a.etal.,“determinationofcarboncontentinsteelusinglaser-inducedbreakdownspectroscopy”,appliedspectroscopy,vol.46,no.9(1992),pages1382-1387中，证明了所述libs方法能够用于测定钢中的碳含量，其精确度和检测限与通过原子发射光谱法获得的精度和检测限相当。该文献进一步表明，必须在氮气或氩气氛下工作，才能防止所述c的测量受到大气co2分解的影响。所述校准曲线通过使用193nm处的c线与201nm处的fe线的比率获得(这个fe线不会干扰其他线)。使用在248nm处的c线是不可能的，因为它会干扰相同波长下的所述fe线。

最后，文献wo2009/138262a1提供了一种用于测量钢带清洁度的在线自动化方法，其包括图像处理，以便分析通过激光或电子束在所述带表面上产生的氧化环。

技术实现要素：

本发明的目的

本发明旨在提供一种测量在脱脂线出口处通过冷轧获得的连续移动金属带或板的表面清洁度的方法。它涉及允许单独测量所述表面碳和铁细粉污染，这在现有技术中仅在离开所述冷轧线时才是可能的，其中所述污染水平是显著更高的。

本发明还旨在提供一种容许在测量离开脱脂线的钢板的表面清洁度方面达到所需的精度的装置。

本发明的主要特征要素

本发明的第一方面涉及一种自动化在线测量连续移动金属板或带在碳污染方面的差异化表面清洁度的方法，所述连续移动金属板或带具有的表面污染水平为低于100mg/m²，优选低于50mg/m²，所述方法特征在于以下步骤：

-使用源产生辐射束；

-使用所述聚焦装置聚焦所述辐射束，使得沉积于所述金属带或板上的能量密度足以产生等离子体并且如果后者含有碳和氮则在所述等离子体中产生cn基团；

-使用其流量能够防止所述等离子体中存在来自空气的氧的吹扫系统在所述等离子体周围产生氮气氛；

-使用光学收集装置分析由所述等离子体发射的光，并将其重新定向朝向光谱仪或任何用于分离所述发射光的波长的其他装置；

-测量所述cn基团的强振动线的强度并与所述氮的振动线的强度关联，以补偿与所述辐射束和所述辐射-材料相互作用相关的所述波动，所述cn基团的强振动线是在388.25nm处的振动线，而所述氮的振动线是在500.51nm处的振动线，和

-所获得的比率用于表征所述金属带或板在碳污染方面的表面清洁度。

根据本发明的所述方法的优选实施方式进一步包括一个或多个以下特征(以组合方式)：

-所述辐射束是激光束或电子束；

-由于激光束具有合适功率和焦点直径，所述光束直接地，或通过在所述光束之前由光学放大装置(opticalexpansiondevice)改进的聚焦，聚焦于所述表面上，从而在所述带或板表面上获得所需的能量密度；

-所述激光是脉冲激光，所述激光和所述聚焦装置经过选择在所述金属带或板的表面上产生10～100gw/cm²，优选30～60gw/cm²的能量密度；

-所述光学收集装置是光纤末端对所述等离子体成像的多个透镜(lenses)或反射镜(mirror)，或甚至两者的组合，其进而将所述光束重定向朝向所述光谱仪或用于分离所述发射的光的波长的另一装置；

-所述金属带或板是钢带；

-所述金属带或板(3)的移动速度大于0.5m/s；

-所述方法用于冷轧生产线的情况并在脱脂浴中通过之后。

本发明的另一方面涉及一种用于在线自动测量连续移动金属带或板的表面清洁度的装置，其特征在于所述装置包括：

-脉冲激光器，产生直径0.5～10mm的光束，以持续时间0.5～15nm的脉冲形式，能量为1～300毫焦耳每脉冲，从而在金属带或板表面上产生所述等离子体；

-聚焦装置，允许将所述光束扩展(expand)2～10倍，并允许将所述光束以10～200厘米的距离聚焦于金属带或板上；

-氮气吹扫系统，处于所述金属带或板上的等离子体附近，其流速能够防止所述等离子体中存在来自所述空气的氧；

-光学收集装置，包括多个透镜、反射镜或两者的组合，以将由所述等离子体发射的光成像于光纤上；

-光纤；

-连接至所述光纤的光谱仪；

-光谱分析仪，允许计算388.25nm处的碳振动线与500.51nm处的氮振动线的强度比率。

附图说明

图1显示了根据本发明使用的所述装置的基础图，显示了诸如所述辐射源、所述聚焦透镜、所述移动带(strip)或板、用于在所述等离子体周围或附近带来氮的所述系统、所述光收集装置和所述分析光谱仪的主要元件。

图2显示了用于测定所述表面碳污染的具有特定的cn和n线的示例光谱。

图3显示了，在一个实例中，根据本发明的所述方法和使用本发明的所述装置的测定结果和使用参考方法(燃烧法)在实验室中的测量结果之间的比较。

具体实施方式

根据本发明提出的所述方法和装置改进了现有技术中描述的用于通过libs分析表面碳清洁度的方法和装置(关于例如，由钢制成的移动金属带和板的碳)。所描述的方法是基于cn基团的线的测量，这在文献中是已知的，但是，据本发明人所知，从未实施用以改进金属带或板的表面清洁度的测量。

所述改进原理以下用一个示例性实施方式描述。

正如图1所示，激光器1的所述光束，优选脉冲型，使用合适的光学装置2聚焦于移动的金属带或板3的表面上。所述激光的功率和焦点直径经过有利地选择从而使所述板上获得的所述功率密度足以在所述板的表面上产生等离子体。此外，并且除了通常的惯例之外，来自所述激光脉冲的能量和聚焦装置经过选择从而产生10～100gw/cm²，理想的是30～60gw/cm²的能量密度，从而在氮和碳存在下产生cn基团。

作为一个实例，这种能量密度能够通过激光获得，产生直径3mm的光束，以脉冲持续8ns和能量为50mj/脉冲的形式，与光学装置相关联(该光学装置导致光束扩展8倍)，然后将所述光束在30厘米的距离处聚焦。在这些条件下，使用150μm直径，和约35gw/cm²功率密度获得焦点。

在产生所述等离子体的所述板附近的区域用氮气4吹扫，从而在表面碳污染存在下获得cn基团，同时防止一部分所述碳与来自空气的氧反应。

接着由所述等离子体发射的光通过一组透镜5收集，所述透镜5将所述等离子体成像于光纤6的端部上，所述光纤6进而将所述光重新定向朝向分析装置如光谱仪7。

然后，根据本发明的所述方法利用了通过选择上述装置最佳生成的所述cn基团的所述振动线(0-0)或任何其它合适的线。这种线的强度有利地与氮线(因为获得它们各自强度的比率)，优选500.51nm处的线(该线强度足够强并具有很少的其他元素的干扰)关联。这个比率可以消除例如，与所述激光束强度或所述辐射材料耦合的变化相关的所述等离子体的总光强度的波动。通常而言，铁线用于钢的参考。然而，在表面清洁度测量的情况下，铁细粉的存在基于产生它们所需的能量会导致所述铁线强度的相关变化。因此，由于使用用氮4吹扫的装置，使用铁线比氮线更不可靠，鉴于所述等离子体周围氮的饱和度，氮是更稳定的。

图2提供了在脱脂之前的板上选择的示例性光谱，清楚地显示出用于实施根据本发明的所述方法的线。

图3提供了一方面使用根据本发明的方法和装置的所述测量结果与通过实验室参考方法(燃烧法)的分析结果之间的示例性比较。所述不同的情况对应于在以下条件下分析的三种不同的钢(在图3中从右到左是三个点的三组)：

-在离开轧机(rollingmill)时；

-在申请人的连续脱脂的中试生产线上进行部分脱脂之后；

-在更强烈的脱脂之后，根据所测试的钢材而变化，通过在相同的中试脱脂生产线上两次连续通过而获得。

因此可以看出，根据本发明的所述方法可以区分从离开冷轧时的状态最高至非常低的污染水平的表面污染水平。

本发明方法的优点

这种方法具有使用cn线测定表面碳污染的优点，其测量条件(与所述聚焦装置耦合的激光能量，氮吹扫)优化了所述强度。

使用位于所述近紫外的所述cn线可以从被来自空气的氧吸收中解放出来(emancipate)，这与193nm处的较强碳线不同。

在所述等离子体周围产生的所述氮气氛防止了在所述等离子体消失后在所述激光的撞击区域周围形成氧化物层。这种氧化物的形成可能不利地局部改变所述板的热发射率(thermalemissivity)，并且，例如，在镀锌之前，会非常局部地改变在所述炉中通过期间的热能吸收。

所有这些本身是很重要的优点导致金属带和板的表面碳污染分析的灵敏度增加。因此，这允许不仅在离开冷轧时，而且在离开所述脱脂浴时都能够进行重要的测量。