激光诱导击穿光谱发展现状

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是近年来迅速发展的一种新型分析检测手段,它的发展备受关注。从激光诱导击穿光谱技术的发展、仪器设备的发展、应用技术3个方面进行了综述。其中,在激光诱导击穿光谱技术的发展方面,概述了激光诱导击穿光谱技术的发展历程、技术的改进以及数据处理方法的发展情况。在仪器设备发展方面,介绍了仪器设备在国内外的发展现状,主要介绍了便携式仪器的研究进展。在应用技术方面,介绍了激光诱导击穿光谱技术在各领域中的应用,特别是在工业在线分析领域中的应用。最后对激光诱导击穿光谱技术的未来发展趋势做了展望。     

应用无标定激光诱导击穿光谱法分析钢铁工业中氧化物材料

激光诱导击穿光谱技术是一种具有吸引力的快速定量表征材料的方法,可用于工业过程的在线监控。本文报告了该技术在多元氧化物材料分析上应用。 采用激光诱导击穿光谱技术分析钢工业生产的炉渣和混合氧化物试料,然后以无标定法测定其中氧化物的浓度,结果发现,对于本研究所涉及的材料,无标定激光诱导击穿光谱方法的测定浓度值与参考值一致,大部分样品和氧化物组分的绝对误差小于2 %（质量分数）, 大范围改变测定参数时浓度值保持稳定。研究结果表明激光诱导击穿光谱技术作为钢铁工业中新型的分析测试技术具有很大潜力。     

激光诱导击穿光谱在金属材料在线分析方面的应用进展

激光诱导击穿光谱(LIBS)由于具有无需样品制备、分析速度快、可远距离在线遥测以及可进行元素的二维表面分布和深度分析等特点,引起光谱化学分析领域研究者的广泛关注。在冶金过程工艺控制领域,金属材料的在线分析以及元素多维信息的获取,对于实时监控金属材料的生产工艺及准确实现金属材料的快速分类方面具有重要的意义。与传统的分析方法相比较,LIBS技术因其众多优势已成为金属材料实时在线分析的最佳手段之一,而且已有多种商品化的仪器推出。论文首先对LIBS在线仪器装置进行介绍,然后对近些年LIBS在熔融金属在线分析、连铸钢坯鉴别、炉渣在线分析、金属材料分类识别、金属材料镀层分析等方面的发展现状及挑战进行论述,最后对LIBS在线分析进行展望。     

激光诱导击穿光谱在金属材料在线分析方面的应用进展

激光诱导击穿光谱(LIBS)由于具有无需样品制备、分析速度快、可远距离在线遥测以及可进行元素的二维表面分布和深度分析等特点,引起光谱化学分析领域研究者的广泛关注。在冶金过程工艺控制领域,金属材料的在线分析以及元素多维信息的获取,对于实时监控金属材料的生产工艺及准确实现金属材料的快速分类方面具有重要的意义。与传统的分析方法相比较,LIBS技术因其众多优势已成为金属材料实时在线分析的最佳手段之一,而且已有多种商品化的仪器推出。论文首先对LIBS在线仪器装置进行介绍,然后对近些年LIBS在熔融金属在线分析、连铸钢坯鉴别、炉渣在线分析、金属材料分类识别、金属材料镀层分析等方面的发展现状及挑战进行论述,最后对LIBS在线分析进行展望。     

铝合金中锌元素的高重频火花放电增强激光诱导击穿光谱高灵敏分析

锌元素的高灵敏分析在工业生产、冶金制造等领域中均具有非常重要的意义。而传统的激光诱导击穿光谱技术(LIBS)在测定固体样品中的锌元素时灵敏度相对较低。实验采用高重频火花放电增强激光诱导击穿光谱并结合锁相放大的微弱信号检测技术实现了铝合金中锌元素的高灵敏分析。在1kHz的重复频率下,以火花放电技术增强激光等离子体的光学辐射;以门控放大器选择放大锌的原子辐射信号并降低白光背景干扰;再采用锁相放大技术来实现对微弱原子辐射信号的高灵敏检测。基于标准样品在优化的实验条件下建立了铝合金样品中锌元素的校正曲线。锌的检出限达到了3.8μg/g,比采用传统的LIBS技术检测铝合金中锌元素时的检出限改善了一个数量级。方法有助于实现合金中锌和其他元素直接的和高灵敏的定量分析,在冶金分析领域有较好的应用价值。     

《冶金分析》5篇稿件入选2019年度领跑者5000(F5000)顶尖学术论文

正根据中信所"2020年中国科技论文统计结果发布会"结果,《冶金分析》有5篇稿件入选领跑者5000—中国精品科技期刊顶尖学术论文。入选2019年度F5000论文的信息如下。1.论文标题:激光诱导击穿光谱液态金属成分在线分析仪在线监测熔融铝液中元素成分;     

矿山土壤重金属垂直分布快速检测研究

矿山活动常常导致土壤中重金属含量的增加,对环境和人类健康带来潜在危害。因此,快速检测矿山土壤中重金属的垂直分布情况变得至关重要。传统检测方法无法实现矿山土壤重金属垂直分布的快速检测,激光诱导击穿光谱技术作为一种新兴元素分析技术,在矿山土壤重金属检测领域具有显著优势。文章基于激光诱导击穿光谱技术,搭建了激光诱导击穿光谱检测系统,研究了土壤现场取样、检测、定量方法,实现了土壤中铅和铜等典型重金属垂直空间分布的快速检测。以河南省济源市矿山现场采集的矿区土壤样品为例,直接采集了0～60cm深度的土壤样品,并直接进行了检测,结果表明激光诱导击穿光谱与ICP-OES检测结果之间具有较好的一致性,对铜元素的检测平均误差为10.7%,对铅元素的检测平均误差为14.6%。研究结果为判断矿山土壤是否遭受重金属污染、污染程度以及重金属分布与浓度信息提供了技术支撑。     

基于LIBS技术的AOD炉硅含量在线分析

利用激光诱导击穿光谱技术实现氩氧精炼炉内硅元素含量的在线分析,通过大量实验和现场测试确定硅元素的测量谱线,并建立定标模型实现硅含量的定量分析。实验表明,该分析方法分析速度快,准确度及灵敏度能够满足过程控制及终点控制要求。     

磁约束激光诱导煤粉次量元素定量分析的研究

在有无磁约束的激光诱导击穿光谱技术下,对煤粉次量元素等离子体光谱强度以及定量分析精度进行对比研究。在采用激光诱导击穿光谱技术的基础上加入磁约束的方式,比较煤粉次量元素中Fe368.2nm、Ca393.4nm元素光谱谱线在加入磁场前后光谱强度的变化,在有无磁约束下利用偏最小二乘法对煤粉中Fe含量进行定量分析。实验结果表明:磁约束下的激光诱导击穿光谱技术可以有效提高等离子体的光谱强度,并且磁约束下采用偏最小二乘法得到的定标曲线拟合系数更高,效果更佳。     

《冶金分析》5篇稿件入选2019年度领跑者5000(F5000)顶尖学术论文

正根据中信所"2020年中国科技论文统计结果发布会"结果,《冶金分析》有5篇稿件入选领跑者5000—中国精品科技期刊顶尖学术论文。入选2019年度F5000论文的信息如下。1.论文标题:激光诱导击穿光谱液态金属成分在线分析仪在线监测熔融铝液中元素成分;文献来源:冶金分析,2019,39(1):15-20;作者:辛勇,李洋,蔡振荣,杨铭,杨志家,孙兰香;机构:中国科学院沈阳自动化研究所工业控制网络与系统研究室。     

涂层材料激光剥蚀电感耦合等离子体质谱深度剖析进展

不同组成和厚度的涂层材料能够满足使用均质材料不能满足的关键需求,因而受到了越来越多的关注,因此需要发展一种快速准确的深度剖析技术以对涂层材料的元素组成和分布情况进行表征。文章主要介绍了激光剥蚀电感耦合等离子体质谱(Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry,LA-ICP-MS)深度剖析技术,详细阐述了LA-ICP-MS深度剖析技术的基本原理、相较于其他分析技术的优势和深度分辨率的计算方法,总结了激光剥蚀参数、涂层材料厚度和剥蚀池的几何形状这3个方面对多层涂层材料深度剖析和深度分辨率的影响,介绍了LA-ICP-MS深度剖析技术在陶瓷涂层、金属镀层材料、玻璃和聚合物涂层分析中的应用实效。     

21世纪冶金分析的若干问题

２１ 世纪冶金分析面临复杂体系痕量元素分析、原位状态定量分析（ＯＰＡ）以及在线实时分析等三大问题。而炼钢过程熔融金属在线分析更是其中最具意义的难点。在展望其可能的研究方向的同时,评述了钢液直接分析技术。     

Investigation of the Parameters Influencing the Accuracy of Rapid Steelmaking Slag Analysis with Laser‐Induced Breakdown Spectroscopy

Laser‐Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is used for the analysis of steelmaking slags (EAF, Ladle Furnace (LF) and Vacuum Ladle Degasser (VLD)). In view of the potential industrial application of LIBS for rapid slag analysis, relatively simple criteria were employed in order to obtain calibration curves for the elements of interest. The LIBS experiments were performed on samples prepared after crushing and milling to a size less than 0.2 mm and on as delivered solidified slag samples. In general, the analysis of the solidified as delivered slag samples exhibited better results than the corresponding analysis of the pressed slag, mainly for the elements distributed in the matrix. Thus, for LIBS application, the time consuming sample preparation of the slag can be avoided. According to the results obtained, the potential of LIBS technique for in‐situ, multi‐element analysis of slag was examined at the 60t‐ EAF of Helliniki Halyvourgia SA (HH‐Greece). The most important parameters that influence slag analysis are the laser pulse energy, the number of accumulated laser shots, the laser beam focusing conditions and the gating conditions of the detector. LIBS accuracy was found to depend on both the distribution of elements in the slag and on their environment (i.e. if they are embedded in the matrix or in a specific crystallized phase) as well. LIBS limitations for quantitative slag analysis are also discussed. The accuracy of FeO_n LIBS analysis for as delivered solidified EAF and VLD slags of the steel plant of Georgsmarienhütte was satisfactory showing a Regression Coefficient (RC) of 0.93 and 0.95 respectively. The accuracy of SiO₂ and MgO analysis of VLD slags with RCs of 0.94 and 0.86 respectively was also satisfactory. In contrast, for the EAF slags the RC for MgO and SiO₂, due to the observed non‐homogeneous crystallized phases have shown insufficient values, with 0.55 and 0.43 respectively. Similar results were gained for the FeO_n, MgO and SiO₂ analysis of the HH slags. Due to the higher intensity of scattering, the analysis of CaO, Al₂O₃ and Cr₂O₃ was of lower accuracy than for FeO_n, MgO and SiO₂.     

用于BOF过程中动态终点控制的新取样方式和分析方法(英文)

为了实现缩短出钢时间从而提高碱性氧气转炉(BOF)的生产效率,与熔融分析控制相关的过程如停吹、提枪或倾炉都要避免。为了达到这个目标,建立了一种用于控制BOF过程的新方法。该方法采用了一种新颖的、可在吹炼过程中进行炉渣和钢同时收集的非均相取样器,并应用了为此专门设计的激光分析方法(LIBS)。使用该方法,目标是尽可能快地完成非均相取样器收集的炉渣和钢的分析(Fe,C,P,S等元素)。除了建立非均相临线取样方法外,还建立了一种基于LIBS的特殊分析程序,当分析过程中移动非均相样品时,用于识别来自炉渣和钢的激光     

激光诱导击穿光谱设备在线冰铜成分检测应用进展

利用自主研发的基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术的激光成分分析仪对铜冶炼现场冰铜固体和熔体成分进行了在线检测,并与取样制样后实验室的X射线荧光光谱(XRF)检测结果进行了对比。分析数据为研发设备现场投用后具备对比数据的1 294炉次,包括878炉次固体冰铜和416炉次熔体冰铜。LIBS设备在线检测与取样制样后固体XRF检测结果相比,检测平均绝对误差为0.61%,平均相对误差为1.1%。针对熔体在线检测性能进行验证测试,其同一炉次出铜过程中检测结果极差平均值为0.64%,与XRF取样检测结果最小误差平均值为0.32%。结果表明,LIBS技术可实现不同状态冰铜的可靠在线测量,其性能满足生产工艺对元素检测的实时性和可靠性需求。设备应用实现了冶金行业冶炼过程熔体成分的稳定可靠在线检测,可为冶炼生产过程精细化控制、金属平衡完善和信息化管理提供必要基础。     

激光诱导击穿光谱分析中钛合金样品制备方法研究

Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr钛合金具有高温延展性好、高温强度大的特点,有用于铸造涡轮、涡流器、叶片等高温部件的潜力。在用激光诱导击穿光谱(LIBS)对合金或部件内部定量分析前,需预先将被分析钛合金样品和钛合金标准样品用相同的方法制备以去除表面氧化层、铸造反应层和污染物。鉴于该钛合金为室温脆性材料,不适于切削制备样品,宜采用磨抛方法制备样品,而磨抛制备样品时因发热粘滞会造成样品表面污染,影响LIBS分析钛合金中成分。实验用LIBS评价光谱磨样机磨制、金相磨样机磨制、手工磨制、手工抛光、辉光氩离子轰击等几种方法去除不同组织钛合金标样表面氧化层、污染物的效果。通过LIBS分析发现,样品制备过程中污染来源于制造砂纸的胶接剂,磨制线速度、磨料粒度、抛光方向影响制备效果,且样品的组织也影响污染物去除效果。用碳化硅砂纸光谱磨样机高速磨制钛合金表面碳污染层深度大,达15μm,高于水冷金相磨样机中速磨制的碳污染层深度,说明温度高促进碳在钛合金中的扩散;中低速磨制时,使用的砂纸标号越高,含碳、钙的污染物在样品表面附着增加。中速磨制时,与α相亲和力强的钙、铝等元素在α组织的钛合金扩散深度较α+β、α_2+γ组织钛合金大,钙污染深度达10μm,而碳在不同组织的钛合金表面扩散没有明显差别。手工低速磨制时,在钛合金表面上的碳、钙污染层较浅,深度为1~3μm,与磨痕深度一致。双向或沿磨削纹理抛光效果优于垂直纹理抛光效果,残留污染物深度不超过1μm,与辉光氩离子轰击效果相近。实验研究解决了钛合金样品制备易受污染的问题,LIBS分析碳等元素的校准曲线得到改善,测量精度得到提高。对于Ti-47.5Al-2.5V-1.0Cr钛合金样品分析的结果同其他方法的对照结果一致性较好。     

激光诱导击穿光谱液态金属成分在线分析仪在线监测熔融铝液中元素成分

目前在冶金及压铸行业,产品成分检测属于实验室离线分析,不能实时指导生产过程,而基于激光诱导击穿光谱(LIBS)技术自主研制的液态金属成分在线分析仪,可在线监测冶金工业现场中熔融金属的组分含量,实时指导生产过程,对提高产品质量和降低能源消耗起到重要作用。首先在研究实验室,利用固体LF6铝合金标准样品系列对LIBS液态金属成分在线分析仪进行了测试,验证了仪器的各项性能指标;随后在压铸车间现场,利用在光谱实验室通过火花放电原子发射光谱仪(Spark-OES)定值得到的现场样品的Si、Fe、Cu、Mn、Ti、Mg元素含量值对LIBS液态金属成分在线分析仪进行了标定;最后现场随机选取10个载有熔融铝液的铝包,采用LIBS进行在线分析,同时取样在光谱实验室进行离线对比分析。分析结果表明:10个熔融铝液样品中,Si、Fe、Cu、Mn、Ti在线分析结果的相对标准偏差(RSD)以2%左右居多,Mg的RSD值波动较大,且以10%左右为主;Si的相对偏差绝对值基本都小于2%,Fe、Cu、Mn、Ti的相对偏差绝对值也基本以小于5%为主,但Mg的相对偏差绝对值以大于20%居多。可见,除Mg元素外,LIBS液态金属成分在线分析仪的测量精密度、准确度都能满足工业现场要求,完全可以实现在线监测熔融铝液的成分,在提高生产效率的同时,降低了能源消耗。但Mg元素的精密度和准确度相对较差,有待进一步研究改进。