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張國德

1  前言
隨著國際鋼鐵市場競爭的更加激烈，鋼鐵企業(yè)需不斷地提高效益，減少消耗，以獲得競爭優(yōu)勢。多數(shù)世界領先的鋼鐵公司通過采用連續(xù)、在線氣體分析裝置，獲得了顯著成功。在許多氣體分析技術中，質譜儀無疑是最佳選擇。本文介紹的英國VG公司PRIMA δB質譜儀因其具有在不同氣體流量中快速測量多組分（最多16種），及技術多功能的特性，尤其適用于鋼鐵工業(yè)。普通紅外分析只能在20~30秒完成CO與CO₂的分析，而質譜儀能在3秒內(nèi)完成多種氣體成分分析。
質譜儀在鋼鐵廠成功用于高爐爐氣分析、轉爐爐氣分析（BOS，BOF）、焦爐爐氣分析、混合站氣體分析等處。
2  質譜儀的組成及原理
質譜儀的核心部件是磁扇式分析儀。它由離子源、質量過濾器、檢測系統(tǒng)等組成。
檢測原理：該分析儀是按照不同氣體成分的離子質量與電荷之比即質荷比，對物質進行分離的。氣體分子經(jīng)過電子轟擊而被電離，隨后陽離子以速度v射入磁場，由電磁學中洛侖茲力公式知，帶電荷e的運動離子在磁場中所受的作用力為：
                             (1)
當磁感應強度B的方向與離子的運動速度方向垂直時，式(1)為：
                              (2)
當離子從無磁場空間射入均勻磁場空間后，它做圓運動，這時磁場對離子的作用力為向心力，它和離心力相平衡。離心力為：
                              (3)
簡化，得：
                                (4)
或
                                (5)
其中：m為離子質量；e為離子電荷；B為磁場強度；r為離子運動半徑；v為離子運動速度。
利用磁場對運動電荷的作用，對離子按質荷比或質量進行分離，如式(5)，這使得儀器可以選擇不同種類的氣體。得到的高穩(wěn)定的能被測量的質譜用以確定氣體混合物的成分。由于離子是從高能量的離子源（1000ev）中提取的，所以對低分子重量的化合物，例如氫和氦能獲得極好的穩(wěn)定性。
離子探測和放大信號被編碼，通過光纖電纜傳到本地處理器。濃度在10ppm~100%范圍內(nèi)時，能采用標準法拉第探測器，利用微通道盤式二次電子倍增器能測量低至10ppb的濃度。Fastscan檢測系統(tǒng)消除了增益切換，并在每次分析之后進行零點讀取，減少了校驗的頻度，降低了系統(tǒng)標定漂移，能更可靠地測量混合物中低含量的成分。
3  質譜儀在高爐監(jiān)測中應用
在國際上目前質譜儀已經(jīng)代替了紅外分析儀，它不僅可以用于監(jiān)測CO、CO₂，還可以用于監(jiān)測H₂、O₂、Ar、甲烷、乙烷及丙烷。事實上，通過質譜儀可以連續(xù)、實時地提供氣體分析數(shù)據(jù)。
(1)  CO、CO₂監(jiān)測 高爐生產(chǎn)中通過提高焦比來提高高爐的效率，在高效的高爐操作中，焦碳消耗必須控制在最少。還原過程的效率可以表示為：n=CO/(CO+CO₂)，高爐頂氣的數(shù)據(jù)反映了控制變量的效應，這是由于CO₂和CO的水平代表了高爐的還原情況。在煉鐵過程中，利用質譜儀對CO和CO₂含量進行實時的連續(xù)測量可以將焦碳消耗每噸鐵減少100公斤。
(2)  氫氣分析 使用質譜儀的另一個好處可以對氫氣含量的突然增高快速報警，氫氣的突然升高預示著冷卻水向高爐的泄漏。冷卻水泄漏的早期監(jiān)測對于避免高爐冷卻是極其重要的。這樣也避免焦碳消耗的增加，因為需要更多的熱量來維持高爐的溫度。另外，這種早期檢測除了提高工藝效率，在高爐維護和檢查時也非常有好處。焦碳和水的化合物會導致氫氣含量達到危險的極限水平，質譜儀可以連續(xù)、精確地控制氫氣含量，從而防止易爆混合物的產(chǎn)生。
(3)  氮氣分析 鐵的產(chǎn)量主要決定于高爐熱量控制的水準，而快速的連續(xù)氣體分析可以提高鐵的產(chǎn)量。許多利用氣體分析數(shù)據(jù)計算高爐底部額外熱量的工廠，開發(fā)出自己的數(shù)學模型，從而能夠控制高爐溫度來確保連續(xù)穩(wěn)定的鐵產(chǎn)量。對于精確地計算物質平衡，氮氣測量是至關重要的。質譜儀可以直接測量氮氣，不象紅外分析儀那樣從其他氣體的測量中推算出氮氣含量。
(4)  上部爐料和下部爐料氣體分析 質譜儀的快速分析速度和多流路樣氣輸入系統(tǒng)使利用單一質譜儀監(jiān)測多個流路成為可能。質譜儀除了可以分析頂氣外，還可以分析上部爐料管和下部爐料管中氣體組分。
質譜儀用于高爐氣體分析的特性及優(yōu)點為：在3秒內(nèi)快速分析6個成分：H₂、CO₂、CO、N₂、Ar和O₂；減少焦碳消耗100公斤/噸鐵；快速的氫氣檢測優(yōu)化了高爐熱量控制；精確的氫氣含量測量提高了高爐泄露時的安全性；直接測量氮氣含量提高了質量平衡計算的精確度；更長的高爐工作周期；所有數(shù)據(jù)由一臺分析儀提供從而簡化與控制系統(tǒng)的連接。
4  精煉工藝中利用質譜儀提高低碳鋼產(chǎn)量
對于精煉鋼工藝，質譜儀應用于：真空氧化脫碳（VOD）、氬氧化脫碳（AOD）、雙管循環(huán)真空除氣（RH）等工藝過程中。在日益重要的特種鋼和超低碳鋼生產(chǎn)領域中，質譜儀在煉鋼過程中碳成分在線計算上具有顯著的優(yōu)點，并取得了很大的成功。在真空-脫碳過程中使用質譜儀能夠提高10%的生產(chǎn)能力。
沒有快速的、連續(xù)的氣體分析，脫碳過程中的任何變化只能在反映結束后檢測出來，這導致產(chǎn)品不符合規(guī)格。利用VG PRIMA δB質譜儀的系統(tǒng)，可在幾秒內(nèi)對尾氣中的組分做完整的測量并進行自動標定。氣體成分數(shù)據(jù)通過串行或模擬接口連續(xù)地傳送到控制系統(tǒng)中，通過連續(xù)測脫碳過程中的CO和CO₂水平，鋼液中的碳殘留成分可以被精確地控制。這使鋼中的碳含量能始終保持在設計值。
(1)  AOD工藝
AOD工藝是生產(chǎn)不銹鋼的工藝，也就是鋼的成分中需包含近似17%的鉻和少于0.02%的碳。AOD爐原料中碳含量為1.5%，鉻含量為18.5%，AOD工藝過程的目的是通過氧吹降低碳含量同時無鉻含量的損失。如果僅僅采用氧吹方式，當含量從1.5%降至0.02%時，鉻含量也隨之減少大約3%。氧化鉻的產(chǎn)生依賴于CO的溫度與分壓力，因此，工藝過程中必須控制CO的分壓力和溫度。
AOD工藝的關鍵是通過氬氣稀釋用做氧吹的氧氣，從而減低CO的分壓力。氧氣累進地被氬氣稀釋，控制了爐中溫度的升高，保證了原料碳含量降低到所需水平的同時無鉻含量的損失。AOD工藝的關鍵階段在表1中概述。由此可見，快速、精確的氣體分析對于每個吹氧階段終點的確定是至關重要的。

表1  AOD工藝的關鍵階段

(2)  VOD、RH工藝
VOD、RH工藝是煉制特種鋼和超低碳鋼的兩種典型工藝。與AOD工藝相似，VOD工藝通過真空降低壓力來實現(xiàn)降低碳含量同時無鉻含量的損失。
真空過程尾氣的壓力隨著處理時間不斷變化，這使氣體的采樣和分析增加了難度。傳統(tǒng)的紅外技術只能在大氣壓下采樣及采取尾氣的末端氣流，采集的數(shù)據(jù)計算需要幾分鐘，這樣的控制無法取得良好的效果。VG開發(fā)出一種獨特的采樣系統(tǒng)，可在工藝過程的真空端采樣，連續(xù)檢測不同真空壓力階段的整個反應過程，并在幾秒內(nèi)得到分析結果。

表2  VOD工藝數(shù)據(jù)

在超低碳鋼生產(chǎn)中，[C]<=30ppm,平均誤差1.9ppm。在低碳鋼生產(chǎn)中，[C]<=150~250ppm，平均誤差13.6ppm。圖1表示了兩種鋼在使用質譜儀后碳含量命中率的提高（與傳統(tǒng)尾氣分析手段比較）。對于30ppm碳含量的鋼，命中率從90.4%增加到100%。VOD工藝數(shù)據(jù)如表2所示（每次測量的分析時間不到3秒）。 

圖1  兩種鋼在使用質譜儀后碳含量命中率的變化

精練工藝中使用在線質譜儀的優(yōu)點為：能分析所有主要氣體：O₂、N₂、CO₂、CO、Ar、H₂、He；在過程的真空階段取樣；提高鋼產(chǎn)量及質量；碳成分的精確測量提高了轉換率，控制了脫碳率；從1000mbar到0.3mbar的直接在線分析；最少的氧化鉻生成；精確的末端控制避免了VOD工藝過程控制中的過吹；減少用于還原氧化鉻的還原劑的消耗。
5  通訊系統(tǒng)
質譜儀與工藝設備集散控制系統(tǒng)（DCS）之間通訊的傳統(tǒng)方法是通過模擬和數(shù)字式硬件輸入/輸出（I/O）進行通訊。目前，更多采用的通訊方法是通過RS232、RS485、以太網(wǎng)，和許多適當?shù)木W(wǎng)絡和數(shù)據(jù)高速公路，象Modbus、Profibus、AB數(shù)據(jù)高速公路等來實現(xiàn)通訊。
(1)  VG PRIMA δB具有多種通訊選擇，如圖2所示，能通過一個多協(xié)議的接口與30多個通用通訊協(xié)議兼容。可以連接到工廠主控室、PLC、外部數(shù)據(jù)管理包與遙控服務中心等。
(2)  質譜儀與控制室間通過選定的協(xié)議如ASCII、西門子3964（R）、Modem（主從）與DCS進行通訊。提供分析數(shù)據(jù)、設備狀況和所需的設備報警。模擬輸入/輸出為0~10V與4~20mA。 

圖2  VG PRIMA δB的多種通訊選擇

(3)  控制用PC機可與質譜儀一起放在分析儀室或遠處的控制室，PC機運行在Windows95/98/NT下，可設置轉換、配置與現(xiàn)場數(shù)據(jù)顯示。當質譜儀轉換成獨立工作模式，PC機可以離線。Modem支持可進行快速故障檢測，設備轉換，標定與應用支持。
(4)  通訊連接可以配置為一個“從機”或一個“主機”。前者的情況是當DCS要求時，VG PRIMA δB分析儀單純的被指示發(fā)出信息；另一種方式是作為一個“主機”，它可以向DCS發(fā)出信息和從DCS接收信息。作為一個“從機”，通訊信息包括：
①  儀表硬件狀態(tài) 每流監(jiān)視信息，表明當前狀態(tài)（就緒、報警、錯誤、致命錯誤）。
②  氣體分析數(shù)據(jù) 每流分析信息，氣體濃度數(shù)據(jù)，模擬輸入、導出值和分析時間。
若VG PRIMA δB被配置為一個“主機”，DCS能夠執(zhí)行的功能有：啟動/停止分析、啟動/停止校驗、允許/禁止取樣點、儀表遙控輸入/輸出。
使用通訊協(xié)議的好處是，可以經(jīng)常非常方便地將氣體分析數(shù)據(jù)與過程控制活動相結合，當有許多氣體要監(jiān)視時，易于實現(xiàn)（減少電纜接線）并降低成本。

6  結語
多年來，磁扇式的過程質譜儀在世界范圍內(nèi)的許多鋼鐵公司已經(jīng)成功地應用，其具有的超穩(wěn)定性和快速性，已成為鋼鐵生產(chǎn)中的理想分析儀器。獨特的快速多流路樣氣輸入系統(tǒng)（RMS）及GASWORK軟件，便于靈活方便地使用。

參考文獻：
[1]  張宏勛. 過程分析儀器[M]. 冶金工業(yè)出版社, 1987.
[2]  VG PRIMA手冊[Z]. 新加坡愛文斯（ADVANCED）集團公司中國總代理（上海）. Http//www.Thermo-ONIX.com.