液态金属成分在线分析仪对铝合金熔炼过程的影响

刘 学，辛 勇，李洪林，侯北晨，马 多

(1.辽宁忠旺集团有限公司 忠旺研究院，辽宁 辽阳 111003；2.中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110016)

铝合金产品在生产制造过程中，铸锭质量像DNA决定最终铝材制品的质量，因此，铝合金的熔炼铸造过程在铝加工整个流程中起着决定性作用。目前，铝合金在熔炼过程中，成分检测主要采用人工取样的方式，工人通过取样夹取样送至检测室检验合金成分。取样过程中，不仅需要开关炉门造成铝液热量损失，而且整个采样过程属于离线检测，不能实时反映铝液的合金成分，致使生产效率低，同时造成了铝液烧损，严重消耗了企业的原材料和天然气使用。要减少铝合金熔炼过程中的烧损和能耗，可以采用降低熔炼温度、缩短等待时间等方法来实现，使用快速准确的在线检测仪器可以有效缩短检测等待时间，从而减少金属原料和天然气的损耗。

1 工艺技术路线

在线实时成分检测技术，最早出现在炼铁行业中。蒂森克虏伯Duisburg厂2008年、柳钢烧结厂2014年、宝钢股份炼铁部烧结分厂2016年、鞍钢东鞍山烧结厂2017年均安装在线实时成分检测设备，另外在线实时成分检测在钢铁行业前端的矿山行业已经广泛应用于来料分级、料堆质量管理、原料配料、细粒、中粒、大块产品监测等[1-6]。此技术目前也应用于电力领域[7]，但对于在铝合金熔炼过程中成分检测的应用研究以及报道较少。

我公司使用的液态金属成分在线分析仪为中国科学院沈阳自动化所LIBS课题组研制的分析系统，用来专门监测冶金工业现场熔炼炉里的熔体合金成分[8]。液态金属LIBS成分在线分析仪安装在我公司熔铸厂从E2熔铝炉到5#铸井保温炉的流槽旁边，如图1所示。

图1 现场设备

当熔铝炉中的铝水达到760℃后且下一道工序需要铝水时，熔铝炉中的铝水通过流槽流到保温炉中，此时系统监测到铝水放出来，启动自动测量程序，首先探头下降插入到流槽中的铝水中，然后激光出光开始测试，采集一组数据之后停止出光，结束测试，最后探头升起来等待下一次测量。

采集到的光谱数据经处理分析后转换成所测元素的浓度数据，浓度数据实时显示在生产办公室的客户端软件界面，如图2所示。生产办公室技术人员根据在线测试结果，计算所需添加合金料的重量，最后工人根据计算结果在保温炉中添加合金料至成分合格。整个测试过程，无需取样、制样等一系列繁琐过程，无需人工参与，自动测量，检测时间可以控制在极短时间内完成。同时，对熔铝炉中的熔融铝水进行取样，送到光谱分析室进行离线分析，最后与液态金属LIBS成分在线分析仪所测的结果进行对比。

图2 客户端软件

采用传统人工取样离线检测时，采样过程以及各流程消耗时间如图3所示；采用液态金属成分在线分析仪进行在线检测时，采样过程以及各流程消耗时间如图4所示。在线检测仪器应用前所用检测时间为16min～23min，应用后检测时间约为3min。

图3 应用前检测流程及检测时间

图4 应用后检测流程及检测时间

2 应用效果

通过与光谱分析室离线分析的结果对比，该设备在线检测的结果与光谱分析室离线分析结果具有较好的一致性。图5为光谱分析室对所取样品的离线分析测试结果，图6为液态金属LIBS在线成分分析仪的在线测试结果，图7为离线分析结果和在线分析结果的绝对偏差图。长期测试结果表明，在测量重复精度上，各个元素测量结果的相对标准偏差(RSD)在5%左右；在测量准确性上，Si、Mg浓度较高的元素，绝对误差小于±0.06%，Fe、Cu、Mn、Cr、Ni、Zn、Ti等浓度较低的元素，绝对偏差小于±0.02%。

图5 光谱分析室离线测试结果

图6 液态金属LIBS成分在线分析仪在线检测结果

图7 离线数据和在线数据的绝对偏差

在我公司熔铸厂的E2熔铝炉使用液态金属LIBS在线成分分析仪后，铝水成分分析检测时间缩短了13min～20min，每吨成品铝棒可节约原材料烧损7kg左右(主要是Mg等易烧损元素)，同时可节约天然气0.5m3左右以及减少CO2排放量0.375m3左右。烧损金属平均按1.285万元/t计算，天然气每立方米按2.5元计算，熔铸厂E2炉为63t铝棒产量，每炉可节约资源费用63×7×12.85=5666.85元，每炉可节约能源费用63×0.5×2.5=78.75元。因此每炉的综合经济效益可达5745元，每炉可减少CO2排放量为63×0.375=23.625m3。按照熔铸厂年产量50万t计算，每年综合经济效益可达4500万元左右。

4 结束语

经过长时间的现场应用测试表明，液态金属LIBS在线成分分析仪的优点是，无需进行人工取样、加工制样等一系列耗时过程，可直接对熔融铝水成分进行在线测量，分析速度快，在线分析结果的测量精度能够满足企业生产要求。

采用液态金属LIBS在线成分分析仪实时、在线检测熔融铝水中各元素浓度，无需等待取样后的离线分析结果，提高了生产效率，节约了原材料烧损和能源浪费，在降低企业生产成本和节能减排方面意义重大，尤其对于企业下一步智能制造升级具有重要的意义，因此液态金属LIBS元素成分在线分析仪值得大力推广及应用。