GalvaLIBS

附件1：标准版GalvaLIBS系统技术说明书

 

 

Alexandre Nadeau 7/11/2011

 

 

什么是LIBS技术

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术可以对被测物的表面进行即时的元素分析。通过高能脉冲激光将被测物的表面极微小的部分激发至等离子态，等离子体发射的光谱经过光谱仪分析进而测得各种元素的含量。物体被激发至等离子态的过程被称为“击穿”，因为电子-原子结构能键被打破，之后进行光谱分析。

在等离子光存在期间（一般约10至50微秒），它能够发生数个不同的变化阶段，影响各个阶段的各种参数有：被测物材料，激发温度，等离子体扩散的环境（空气中/氩气/氮气保护中）。在前面的数百纳秒时间内等离子体的自由电子以恒速减速运动并释放光线。电子光线是分析元素用的谱线的背景。随着等离子体温度下降，电子重新被原子捕获并经历数个不同的阶段，正是这些阶段将原子能级从被激发的高能态到最后的低能态区别开来。这个过程会释放特殊的光波，而波长与原子动能密切相关。每种元素在此阶段释放的谱线是独特的，因此可以通过波长判断元素的种类。有时候谱线也有可能会较叉，光谱仪的作用就是对谱线进行辨别和选择。

使用LIBS技术进行定性分析非常简单，只需要对某个特定的谱线波长（进而也是某种特定的元素）设定一个阕值，超过该值即判断某元素存在。如果需要进行定量分析，元素含量与测得的波幅相关。定量分析相对来说难度更高，因为影响谱线波幅的因素比较多，如 激光能量、光学器件清洁度、器件组合、热变形等进而影响测量的精度。标线的选择、化学分析数据以及热稳定性好的器件选择等决定测量的精度和准确性。

GalvaLIBS 探测头

GalvaLIBS技术可以在熔融的锌锅内进行在线和连续的LIBS测量。其主要用于连续热镀锌锌锅内进行溶解铝和铁含量的含量测量。热镀锌过程中，铝用于调节反应速度。一般的锌锅中的铝含量应当控制在0.12%至0.24%，而铁在锌锅内总是饱和的，超过饱和含量之后就会形成锌渣，锌渣影响镀锌产品的质量。控制锌渣成为控制镀锌产品质量的关键。传统上，由操作工进行取样送至化验室分析可得总铝和总铁含量，但是这个结果需要使用经验公式将其换算成有效铝、溶解铁等。GalvaLIBS技术可以实现有效铝、溶解铁实时、在线和直接的测量，并且测量是连续的可以实现每秒钟一次测量采样。

镀锌行业从业人员大都知道，锌锅内存在Zn、Fe和Al三种元素金属，并且Al和Fe在锌锅中的溶解度与温度密切相关。Fe和Al并不是熔化状态，而是溶解在锌液中。因此，如果Fe和Al过量，就会在锌锅内形成Fe-Zn-Al三相合金，即锌渣。

GalvaLIBS技术判断测得的Fe、Al是溶解状态的或者合金渣状态的依据是光谱中AL和Fe谱线的强度。判断元素种类的谱线波长是相同的，区别在与如果测得的Fe、Al如果是包含于锌渣之中，其强度是其在溶解状态的20倍以上。由于锌锅成分在短时间内不可能发生20倍上下的差距变化，因此很容易辨别出强度高的被激发物是锌渣。

为了使测量采样能反映锌锅真实的成分，GalvaLIBS系统采用耐高温陶瓷管浸入锌液内，通过氩气吹入陶瓷管在锌液内形成气泡，从而不断地更新被测目标的表面。

GalvaLIBS系统测得的结果输出至控制室，操作工即可根据实际的情况计算需要添加何种锌锭以及添加量。

系统技术方案如下图：

下表所列即为GalvaLIBS系统的组件。关键组件的技术图纸参见附件。

序号	名称	功能描述	数量
1	冷却器	工业级冷却系统	1
2	控制柜	GALVALIBS 系统控制柜包括电脑和主控PLC	1
3	探测头	包括组合的激光发射器和谱线回收采集系统及整体冷却系统	1

 

GalvaLIBS控制柜

 

控制柜后部包含各种控制系统用的连接端口，控制柜前端为系统维护用的临时连接端口。外部尺寸如下图：

Figure 1 控制柜外部视图和尺寸

 

Figure 2 控制柜后部连接接口

 

1.      电源接口 (230V 60/50Hz )

2.      冷却水接口(20C, 3GPL )

3.      氩气入口(Argon 5.0, 0.6lpm )

4.      压缩空气入口(70-120 psi )

5.      外部安全锁

6.      以太网接口

7.      谱线回收接口

8.      激光光纤接口

9.      探测头电子以及冷却接口

 

Figure 3 控制柜前端接口

 

1.      外部计算机接口  

2.      辅助电源输出（用于辅助监视器）

3.      BNC 输出（设备维护用）

4.      USB 鼠标

5.      USB 键盘

6.      USB数据拷贝

 

GalvaLIBS 探测头

 

探测头以10度角度插入锌锅约400mm深，插入深度必须保持恒定因为其影响测量结果。

 

Figure 4探测头外部尺寸

Figure 5 探测头安装支架（后视图）

 

Figure 6探测头安装支架（前视图）

 

Figure 7 探测头安装示意图

Figure 8 GalvaLIBS 实际安装图

在线测量系统的使用能够极大地改变生产管理。GalvaLIBS技术目前在热镀锌仍然是一项非常新的技术，它正一步一步取代化验室取样分析。GalvaLIBS 系统开发最初的目的是用于在线监测锌锅内有效铝、溶解铁以及锌渣的含量。这使镀锌生产企业更好地控制生产工艺过程。同时它也可以用于进行锌锅成分研究以及新的镀锌工艺的开发。

成本优势

GalvaLIBS 技术的投资收益时间（ROI）对于新镀锌线是3个月，而对于旧的镀锌线大约是3个月至1年。

降低实验室化验费用

镀锌线如果使用GalvaLIBS每周仅需取样化验一次用于检验和校对。

降低废品率

有效铝和锌渣含量的在线监测可大大降低废品率。

减少员工培训

取样和分析需要相当的经验和培训，GalvaLIBS取代了化验室分析。操作工无需掌握相关的经验和技巧。

 

生产操作优势

改善工艺过程控制

镀锌行业一直在进行着如何提高质量和效率的研究，如有效铝含量、锌锅温度、锌锭添加、带钢入锅温度以及带钢速度等对产品质量的影响，以及锌锅更换锌液的时间。使用在线连续精确测量系统之后，有效铝、溶解铁以及锌锅中渣的含量得以准确测量，这是进行锌锅成分精确控制的前提。

锌锭添加工作精细化

由于GalvaLIBS系统可以实时在线测量铝含量和溶解铁含量，系统可以用来监控锌锭添加效果并可指导锌锭搭配添加，实现锌锭添加工作精细化控制。

产品质量提升

实时在线测量

实时在线测量可以帮助实现锌锅工作条件的实时调整。由于带钢钢种等级，速度及锌锅温度等关键因素在两次取样之间经常可能发生变化而导致化验室结果与实际锌锅状态不符。实时在线测量可以帮助实现高品质镀锌产品的连续生产。

锌锅成分管理

GalvaLIBS可以监控锌锅内悬浮的锌渣，这项技术可以用于减少锌渣对镀锌产品表面质量的影响。在线测量的结果可以非常精确地监测到锌渣与带钢速度和锌锅温度的密切关系。实时的锌锅内锌渣含量的测量也很容易帮助镀锌工程师发现由带钢钢种等级差、表面清洗不良等造成的严重的Fe夹杂。

 

测量准确度和精度更高

GalvaLIBS 技术是直接测量有效铝含量，而不是像ICP分析之后进行经验公式计算或者电化学方式测量需要使用温度进行修正，因此该技术的可靠性和精度更高。

更好的 GA-GI-GA 转化管理

GalvaLIBS技术对于GI-GA转换过程的监控优势更加明显。其直接监控有效铝含量和锌锅内锌渣的含量，对于缩短工艺转化过程减少镀锌产品的等外品数量有非常明显的效果。

提高生产安全性

在线连续测量设备不需要进行取样，降低了工人靠近和直接接触高温锌液的可能性，提高了生产安全性。

 

检测镀锌生产中锌锅内其它合金成分

Mg、Mn、 Si

GalvaLIBS系统可以通过增加测量通道的方式测量锌锅内更多的合金元素，如镁、锰、硅等，而增加通道的成本非常低。

痕量元素

高分辨率GalvaLIBS系统可以实现锌锅内痕量元素的测量，精度达到ppm级，几乎所有合金元素都可测量。

有效铝含量测量

GalvaLIBS系统测量锌锅内有效铝含量可在200——3000ppm 范围内精度可达到± 10ppm。

溶解铁

GalvaLIBS系统可测量锌锅内溶解铁，在20——500ppm范围内精度可达± 2ppm。

悬浮锌渣

GalvaLIBS系统每秒钟进行一次测量采样，以测量到有效铝和锌渣的测量采样比率的方式显示锌锅内悬浮渣的数量，测量的相对误差同样可达到测量值的1%。

Pot level

GalvaLIBS系统用以确保探头在锌锅内锌液面以下的压力传感器也可以用于探测锌液面的高度，即液位。

GalvaLIBS系统采用四级激光器，其发射的激光束在空气中对人的眼睛有害。因此系统采取各项安全措施保证其不会在空气中发射，而仅仅在锌锅页面以下才可发射。保证操作的绝对安全性。

符合IEC/EN 60825-1安全要求

根据IEC 60825-1激光安全规定，系统配备如下安全措施：

-控制柜上贴有激光产品标签。

- 任何移动即可使激光束暴露的盖板上均贴有激光警告标签。

- 一个紧急停机按钮 。

- 一个系统工作指示灯

- 控制柜上一个安全锁

- 外部控制软件界面上设置一个紧急停机按钮

- GalvaLIBS用户使用说明书详列激光束的位置等。

由于系统采用水冷，系统控制柜和探测头上均有泄漏传感器，一旦发现漏水即停止激光器工作和冷却水循环。

 

外部尺寸	长	宽	高	重
探测头	23.6 in / 600 mm	13.4 in / 340 mm	8.3 in / 210 mm	120 pds/ 55 kg
冷却器	36 in / 900 mm	12 in / 300 mm	28 in / 700 mm	75 pds/ 34 kg
控制柜	31.5 in / 800 mm	23.5 in / 600 mm	57 in /1450 mm	450 pds/ 200 kg
气/电/光缆	21 feet / 7 m	3 in / 75 mm dia.	-

运输

GalvaLIBS 系统主要包含三大部件： 控制柜、探测头和冷却器。使用木箱包装，总重约200Kg。

安装

安装由GalvaLIBS 技术专家指导，时间约2天。工作包括：  

1.      系统组件包装开箱；

2.      系统组件的检查；

3.      系统安全性检查；

4.      工厂安全确认；

5.      电气连接安全确认；

6.      激光器冷却水接入；

7.      氩气连接

8.      冷却器冷却水接入

9.      系统启动；

10.  探测头组装；

11.  系统标定；

12.  氩气质量确认；

13.  探测头现场安装；

14.  系统配置调整；

15.  GalvaLIBS系统与外部TCP/IP连接

系统调试

系统调试包括三部分：培训、标定和系统稳定性确认。

培训

培训包括两部分：操作部分和维护部分。操作主要涉及软件界面及应用；而维护部分包括系统整体维护。培训时间约需要1整天。

系统标定

GalvaLIBS本身自带有标定系统，仅在需要的时候与ICP化验的结果进行对比来确认是否存在系统漂移。

系统稳定性确认

系统36小时连续无故障工作即判断系统稳定。36小时后取样ICP分析的结果与测量结果偏差小于50ppm即判定系统调试正常，用户验收合格。

GalvaLIBS 可以通过TCP/IP与工厂自动化系统连接。操作人员可以通过镀锌操作室内的专门的计算机控制系统工作并显示实时测量结果。

 

软件界面

GalvaLIBS 系统设计为连续运行。下图显示的是测试版软件界面。界面上启动/停止键用于启动和停止测量。系统运行状态界面显示系统运行状态的关键参数。

Figure 9 GalvaLIBS系统主要的软件界面

 

除此以外，GalvaLIBS软件另外还有2个界面，仅工艺工程师可凭密码进入。一个用于系统标定和硬件参数设置；另一个用于监控系统运行状态参数如温度、激光能量、氩气压力和流量等。

用户操作

系统冷启动

系统彻底停机以后重新启动需要依以下步骤进行操作：

·         确认氩气压力表与氩气瓶连接完好且有一定压力；

·         确认探测头未浸入锌液面以下；

·         按下系统启动按钮；

·         等待系统计算机启动，软件自动运行，系统初始化自动进行；

·         等待系统预热30分钟；

·         当软件界面显示系统可以启动时按下启动按钮，氩气开始充入探测头的保护套管内；

·         将探测头放置在规定的位置；

·         激光器需要预热10分钟才可进入正常工作温度；

·         激光器开始工作后，系统自动显示测量结果，测量开始。

调取测量历史记录

·         无论系统是否正在测量，任何时候用户都可以调取72小时的测量历史记录；

·         用户需要点击软件界面上的“历史数据”

·         对话窗口自动弹出要求用户选择数据文件；

·         双击选择的测量数据文件即可打开测量历史记录

·         测量结果可以以曲线方式显示

将探测头放置入锌锅

·         将探测头放入锌锅之前必须确保氩气开始吹入前端的保护套管以避免锌液凝固堵塞保护管。

·         用户在将探测头放入锌锅前必须确保系统软件已经启动并准备好可以运行。

重新标定（需要时）

·         用户在进行锌锅取样时按下软件界面的“取样”键以截取系统在取样时的瞬时测量值。

·         当化验室分析结果出来以后，按下“标定”键。

·         系统软件弹出对话窗口要求确定取样时间和输入化验室分析结果。详细步骤参见用户手册内标定章节内容。

·         系统会对比测量结果。

 

系统完全停止

·         按下用户控制面板上的“停止”键

·         等待系统“空闲”界面

·         将探测头从锌锅中取出

·         关闭应用软件

·         关闭计算机电源

·         将系统安全锁旋至关闭位置。

 

 

 每年消耗材料成本 ≈  3,500.00 $US.

 

 

消耗品	规格
工业级氩气	0.5 l/min - 0.0005  m3 /min
工业级压缩空气	140 l/min  -  5 scfm
电力	220 V/15 A
激光灯	Purchased through Tecnar
激光器冷却器过滤器	Purchased through Tecnar