科技新进展：冶金流程光谱智能质量控制系统
一、研究的背景与问题
火花直读光谱仪自1965年钢铁研究总院率先引进中国，长期依赖进口。铁钢炉水质量控制是冶金流程中最重要的环节，传统的人工取样、送样、铣磨、光谱仪检测时间通常按小时计，远不能满足冶金流程要求。1990年代宝钢率先引进德国光谱自动化检测系统，实现了送样、单工位样品加工、光谱分析等自动测量。但进口系统也存在加工效率仍不满足用户期望、装备稳定性不足、人机交互作业仍大量留存、设备价格昂贵等不足，阻碍了冶金成分自动分析系统在冶金工业普及。
钢研纳克公司2005年成功研制出国产能分析钢中碳磷硫元素的精密火花光谱仪，上海美诺福公司2005年成功研制出国产自动光谱样品加工中心，加速推动了火花光谱仪及智能快速分析系统在中国冶金行业的应用步伐。但由于光谱仪和自动样品加工中心核心部件精密光栅、高档CCD、电控芯片、软件操作系统等长期依赖进口，核心部件及技术不能自主可控，不但设备价格居高不下，很难拿到进口核心部件A级品，使国产仪器设备的测量精密度、稳定性、耐用性、可靠性都难以提升。因此开发自主可控的冶金流程光谱智能质量控制系统势在必行。
二、解决问题的思路与技术方案
本项目依托1个科技支撑计划项目和2个国家重大科学仪器开发专项，攻克了全数字高稳定性光源、单脉冲时间分辨高速光谱信号采集、高分辨大色散潮汐冲洗光学系统、宽光谱紫外高灵敏CCD及低噪声信号处理、重叠稀土谱线干扰消除等关键技术，实现高精密火花光谱仪高端光栅和CCD检测器及其它器件及软件的全面国产化，不但在钢铁、铸造、有色领域实现普及应用，也成功将该技术拓展到稀土金属检测领域，彻底摆脱对进口器件的依赖，仪器性能指标达到国际领先水平。
项目实现冶金流程光谱智能质量控制系统的国产化，包括火花光谱仪硬软件和智能样品自动加工中心软硬件国产自主可控。实现核心部件火花数字激发光源、高端全息光栅、科学仪器专用CCD国产化、其他光谱仪零部件国产化以及软件国产化。项目研发的基本内容见图1。
图1 项目总体思路
三、主要创新性成果
1. 开发高稳定固态火花数字激发光源技术、单脉冲时间分辨高速光谱信号采集技术，研制高端全息光栅，研制宽光谱紫外高灵敏CCD等关键核心部件，大幅提高了光谱仪精密度与稳定性，实现了操作系统及软件国产化，自主可控的火花直读光谱仪完全摆脱进口依赖。
项目依托国家科技支撑计划项目“新型固态火花数字激发光源的研制”（2009BAK60B04）研制了全数字能量可调的高稳定固态火花激发光源。实现了激发频率及放电能量数字连续可调，固态火花数字激发光源的光谱仪稳定性优异。单脉冲时间分辨高速光谱信号采集技术，获取的时间分辨数据得到最佳仪器灵敏度和精度。
项目依托国家重大科学仪器设备开发专项“高端全息光栅研发”（2011YQ12002303），研制了均胶机、全息曝光系统、反应离子刻蚀机、曲面离子束刻蚀机、衍射波前测试仪、杂散光测试仪等多台套覆盖全工艺过程的高端全息光栅制造及检测关键设备，研制了多种高端全息光栅，实现了20万块/年的生产能力，突破了国外的技术壁垒。研制的罗兰光栅衍射性能超过美国Newport及日本Horiba J-Y的产品，达到国际领先水平，成功应用于钢研纳克光谱仪系列产品。
项目依托国家重大科学仪器设备开发专项中“科学仪器专用 CCD 的研制及仪器开发”（2012YQ200182），攻克光谱仪用特种CCD紫外响应增强结构设计及工艺技术、近红外响应增强结构设计及工艺、高频响应、制冷封装等技术，突破科学仪器专用CCD结构设计、氧化、光刻、腐蚀、离子注入等关键技术，特别是采用原子层沉积工艺制作了紫外增透膜，同时形成优化的平带电压促进良好的光信号收集，研制出具有自主知识产权的科学仪器专用CCD检测器GL7160Z，性能达到了日本滨松及美国TELEDYNE旗下EEV公司产品的国际先进水平，在宽光谱响应、大动态方面处于国际领先水平。以科学仪器专用CCD自主创新引领高端光谱仪器自主创新。产品成功应用于钢研纳克光谱系列产品。
软件国产化选长城计算机为上位机，以麒麟系统为运行环境。软件开发依托开源的Python与Qt框架开发上位机软件，利用Python的虚拟机运行机制兼顾了跨平台的兼容性。实现了计算机、操作系统及配套专用软件国产化。除光源、光栅、CCD检测器之外，其它光谱仪器件实现了国产化替代。
图2中自主可控的SparkCCD 7000全谱直读光谱仪，实现多元素测量精密度（RSD）达0.2%～1%，仪器测量长期稳定性大于6小时。SparkCCD 7000光谱仪与国内外同类产品性能对比，测试精度与美国热电相当并优于美国阿美特克集团德国SPECTRO产品，测量稳定性远优于二者。
图2 SparkCCD 7000精密火花直读光谱仪
2. 开发钢铁流程光谱智能质量控制系统，高灵敏钢铁试样表面质量视觉识别系统，使检测有效性超过99%。智能全自动高精度双工位光谱样品加工中心使加工效率提高3倍，并配备独创的用于碳硫氮仲裁分析的铁屑自动倒角收集功能。
项目研发的基于视觉识别的智能全自动高精度双工位光谱样品加工中心，攻克了光谱智能质量控制系统的试样加工装备、光谱仪、综合控制等关键装备及软件系统的技术难题，摆脱了进口依赖。依托于智能全自动高精度双工位光谱样品加工中心的智能质量控制系统（见图3），是铁钢快速检测中创新的技术装备，填补了国内外空白，单体试样铣磨时间小于20s，实现双工位系统与机器人、光谱检测仪器智能化联动，样品制备与检测可同时进行，全流程无人化，加工效率较传统单工位加工效率提高3倍。每个工位配两个独立可操作的高精密铣头，根据钢种配置不同铣刀。在高低合金钢转换或同时生产时，无需更换刀头。研发了碳、硫、氮分析的铁屑自动倒角收集技术及设备，收屑颗粒尺寸≤5mm，样品自动倒角收屑≥2g，替代了人工铣磨制备流程，检测稳定性和效率大大提高；自动测温和样品冷却系统根据样品温度智能调节样品冷却时间，确保加工后样品表面温度低于35℃。智能视觉识别系统实现样品加工表面缺陷识别率≥99%；钢铁光谱智能质量控制系统检测时间较传统人工取送制备效率提高10倍以上。
图3 冶金流程光谱智能质量控制系统流程图
3. 攻克稀土谱线重叠干扰消除、高分辨大色散潮汐冲洗光学系统、制样惰气保护、整体双层恒温及屏蔽等关键技术，国际首创稀土金属快速分析仪及稀土金属智能自动分析系统，使成分检测时间由2小时缩短至分钟，大幅提升了稀土金属质量控制难题。
采用全数字高稳定性光源、单脉冲时间分辨高速光谱信号采集技术、高分辨大色散潮汐冲洗光学系统、优化升级0.5米焦距罗兰圆充氩光学系统保证谱线高分辨率、配CCD检测器精选元素最佳谱线减少干扰、稀土金属制样惰气保护、光谱仪整体双层恒温及屏蔽等多项关键技术，国际首创稀土金属快速分析仪（HSRE-1000），解决了稀土金属快速准确分析难题，推动了稀土金属检测由湿法分析进入光谱快速分析新时代，检测时间由小时缩至分钟，大幅提高了检测效率，降低了检测成本。可直接分析镨钕、镧铈、镧、铈等稀土金属。目前仪器在山西国营金阳器材厂、包头市三隆稀有金属公司、包头市中鑫安泰磁业公司、内蒙古涌鑫新材料公司、包头市圣友稀土公司、包头市玺骏稀土公司、包头市华星稀土公司、乐山有研稀土新材料公司、桂林电子科技大学等获得了良好应用。
开发的稀土金属智能自动分析系统(见图4)，攻克了稀土金属惰气保护加工、不规则铸块稳定夹持、系统可靠性等关键技术，无人值守的稀土智能质量控制系统，通过中央服务器控制图像智能识别、夹持运动、加工、检测、称重、激光打标、样品分级等单元，实现了稀土金属块100%全分析，整套流程单块金属平均耗时90秒，24小时可高通量检测800余块样品。全自动智能分析系统减少样品分析过程中人为干预。稀土金属智能自动分析系统在甘肃稀土新材料公司、包头市三隆稀有金属材料公司、包头瑞鑫稀土金属材料公司等单位获得良好应用。
图4 稀土金属智能高速分析系统示意图
4. 制定的GB/T4336-2016等多项系列火花光谱分析标准，国内外首次给出“十次独立测量标准偏差不大于1/2重复性限”的光谱仪精密度临界准则。标准T/CSTM 00277.1-2022、和T/CSTM 00277.2-2022在国内外首次给出准确评判光谱仪是否处于稳定状态的五个公式判据。研制了64种多系列国家光谱标准物质/标准样品。出版了《火花源原子发射光谱分析技术》专著，发表论文9篇。系列高水平标准的制定和系列光谱标准物质的研制，为高质量光谱分析技术迅速普及打下了基础。
金属材料分析的光谱仪正常使用，检测标准和标准物质是必需基础支撑条件。项目制定了《GB/T 14203-2016 火花放电原子发射光谱法通则》、《GB/T 24234-2009 铸铁多元素测定火花放电原子发射光谱法》、《GB/T4336-2016 碳素钢和中低合金钢多元素含量测定-火花放电原子发射光谱法》等8项系列光谱分析国家及团体标准。GB/T14203-2016 在国际上首次给出光谱仪在95%置信度下，10次测量标准偏差上限值r/2。GB/T 4336-2016火花光谱分析标准，在国际上首次给出判断光谱测量结果是否正确的临界差上限式，与美国、日本同类标准比较，附录B给出了19个元素各含量段光谱仪必须满足的标准偏差上限数值以及测量结果正确性检验上限值。本项目制定的《T/CSTM 00277.1-2022 化学分析仪器稳定性评价 第1部分：基于标准方法的评价》以及《T/CSTM 00277.2-2022 分析仪器稳定性评价 第2部分：基于实验室内测定结果精密度的评价》团体标准，这是国内外首次给出系统准确评判光谱仪是否处于稳定状态的五个公式判据。
冶金流程光谱智能控制系统或单机使用的火花光谱仪，高度依赖光谱标准物质。为配合国内外光谱仪器应用，2009年～2020年共研制铸铁、微合金钢、高锰钢、不锈钢、硅钢、铝合金等多系列国家级光谱标准物质/标准样品64种。相较于化学湿法分析用标准物质/标准样品，光谱分析类标准物质/标准样品因不经过破碎、混匀过程，并且光谱测试激发斑点的样品量较小，均匀性的要求更高。本项目研制的系列标准物质/标准样品，为中国冶金行业高质量发展奠定了基础。由于在冶金标准物质研制方面的长期深耕，钢研纳克公司目前是国际市场最大冶金标准物质供应商。
以上这些高水准的系列标准实施及多系列国家光谱标准物质/标准样品的成功研制，随着高性能自主可控的火花光谱仪的大量推广普及，显著快速提升了中国冶金产品质量水平。
四、应用情况与效果
冶金流程光谱智能质量控制系统项目获得授权专利30项，起草相关标准8项，研制国家系列光谱标准物质/标准样品64种，出版专著1部，发表文章9篇。本项目的研发生产，打破了国外在金属材料的元素成分检测分析设备的垄断，实现了高水平的国产替代。该项目核心成果技术创新性突出，技术水平国际领先，经济效益重大，为经济社会发展做出了突出贡献。中国金属学会项目成果评价中干勇、金国藩、毛新平院士等评价项目总体达到国际领先水平。
采用国产光源、光栅、CCD的精密火花直读光谱仪以及基于视觉识别全自动高精度双工位光谱样品加工中心，技术指标达到国际领先水平，实现了国产分析仪器装备对欧美同类产品的超越，推动了国产火花光谱仪的市场快速普及。火花光谱仪配套全自动高精度双工位光谱样品加工中心组成的金属智能自动分析系统，国产产品市场占有率从0上升至目前约90%，完全实现了进口设备的替代，全流程设备成本降低了50%，已经在宝钢等全国30余钢铁企业实现了成熟应用。项目研制的“冷轧智能化制样检验设备”，2022年进入第二批安徽省首台套重大技术装备名单。
研制的稀土金属快速分析光谱仪及“稀土金属高速全自动分析系统”，大幅提高了稀土金属火法冶金行业的质量水平。实现了镨钕金属智能自动加工、避开表面缺陷、检测、称重、激光打标、样品分级等功能,稀土金属块100%全分析。2022年“稀土金属高速全自动分析系统”项目获北京市首创产品支持企业名单，2024年3月进入工信部第一批智能检测装备创新产品目录。
项目团队开发的火花直读光谱仪、稀土金属快速分析仪以及稀土金属自动分析系统、钢铁智能自动给分析系统等，2021-2023近三年推广1300余台套，实现销售收入9.2681亿元，应用在冶金、航空航天、核电、高铁、材料等各个行业。国内市场占有率第一，成为继美国阿美特克集团斯派克公司之后的国际第二大火花直读光谱仪生产商。项目研发的光谱仪获2021年中国仪器仪表行业协会“自主创新金奖”，2021年中国分析测试协会“BCEIA金奖”。2024年3月被工信部评为第八批单项冠军产品。
信息来源：钢研纳克检测技术股份有限公司