張國德

1  前言
隨著(zhù)國際鋼鐵市場(chǎng)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。多數世界領(lǐng)先的鋼鐵公司通過(guò)采用連續、在線(xiàn)氣體分析裝置，獲得了顯著(zhù)成功。在許多氣體分析技術(shù)中，質(zhì)譜儀無(wú)疑是最佳選擇。本文介紹的英國VG公司PRIMA δB質(zhì)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(shù)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(zhì)譜儀能在3秒內完成多種氣體成分分析。
質(zhì)譜儀在鋼鐵廠(chǎng)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(zhì)譜儀的組成及原理
質(zhì)譜儀的核心部件是磁扇式分析儀。它由離子源、質(zhì)量過(guò)濾器、檢測系統等組成。
檢測原理：該分析儀是按照不同氣體成分的離子質(zhì)量與電荷之比即質(zhì)荷比，對物質(zhì)進(jìn)行分離的。氣體分子經(jīng)過(guò)電子轟擊而被電離，隨后陽(yáng)離子以速度v射入磁場(chǎng)，由電磁學(xué)中洛侖茲力公式知，帶電荷e的運動(dòng)離子在磁場(chǎng)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(dòng)速度方向垂直時(shí)，式(1)為：
                              (2)
當離子從無(wú)磁場(chǎng)空間射入均勻磁場(chǎng)空間后，它做圓運動(dòng)，這時(shí)磁場(chǎng)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(jiǎn)化，得：
                                (4)
或
                                (5)
其中：m為離子質(zhì)量；e為離子電荷；B為磁場(chǎng)強度；r為離子運動(dòng)半徑；v為離子運動(dòng)速度。
利用磁場(chǎng)對運動(dòng)電荷的作用，對離子按質(zhì)荷比或質(zhì)量進(jìn)行分離，如式(5)，這使得儀器可以選擇不同種類(lèi)的氣體。得到的高穩定的能被測量的質(zhì)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定性。
離子探測和放大信號被編碼，通過(guò)光纖電纜傳到本地處理器。濃度在10ppm~100%范圍內時(shí)，能采用標準法拉第探測器，利用微通道盤(pán)式二次電子倍增器能測量低至10ppb的濃度。Fastscan檢測系統消除了增益切換，并在每次分析之后進(jìn)行零點(diǎn)讀取，減少了校驗的頻度，降低了系統標定漂移，能更可靠地測量混合物中低含量的成分。
3  質(zhì)譜儀在高爐監測中應用
在國際上目前質(zhì)譜儀已經(jīng)代替了紅外分析儀，它不僅可以用于監測CO、CO₂，還可以用于監測H₂、O₂、Ar、甲烷、乙烷及丙烷。事實(shí)上，通過(guò)質(zhì)譜儀可以連續、實(shí)時(shí)地提供氣體分析數據。
(1)  CO、CO₂監測 高爐生產(chǎn)中通過(guò)提高焦比來(lái)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(guò)程的效率可以表示為：n=CO/(CO+CO₂)，高爐頂氣的數據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(guò)程中，利用質(zhì)譜儀對CO和CO₂含量進(jìn)行實(shí)時(shí)的連續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(zhì)譜儀的另一個(gè)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(zhù)冷卻水向高爐的泄漏。冷卻水泄漏的早期監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(lái)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(shí)也非常有好處。焦碳和水的化合物會(huì )導致氫氣含量達到危險的極限水平，質(zhì)譜儀可以連續、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，而快速的連續氣體分析可以提高鐵的產(chǎn)量。許多利用氣體分析數據計算高爐底部額外熱量的工廠(chǎng)，開(kāi)發(fā)出自己的數學(xué)模型，從而能夠控制高爐溫度來(lái)確保連續穩定的鐵產(chǎn)量。對于精確地計算物質(zhì)平衡，氮氣測量是至關(guān)重要的。質(zhì)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(zhì)譜儀的快速分析速度和多流路樣氣輸入系統使利用單一質(zhì)譜儀監測多個(gè)流路成為可能。質(zhì)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(zhì)譜儀用于高爐氣體分析的特性及優(yōu)點(diǎn)為：在3秒內快速分析6個(gè)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(shí)的安全性；直接測量氮氣含量提高了質(zhì)量平衡計算的精確度；更長(cháng)的高爐工作周期；所有數據由一臺分析儀提供從而簡(jiǎn)化與控制系統的連接。
4  精煉工藝中利用質(zhì)譜儀提高低碳鋼產(chǎn)量
對于精煉鋼工藝，質(zhì)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(guò)程中。在日益重要的特種鋼和超低碳鋼生產(chǎn)領(lǐng)域中，質(zhì)譜儀在煉鋼過(guò)程中碳成分在線(xiàn)計算上具有顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)，并取得了很大的成功。在真空-脫碳過(guò)程中使用質(zhì)譜儀能夠提高10%的生產(chǎn)能力。
沒(méi)有快速的、連續的氣體分析，脫碳過(guò)程中的任何變化只能在反映結束后檢測出來(lái)，這導致產(chǎn)品不符合規格。利用VG PRIMA δB質(zhì)譜儀的系統，可在幾秒內對尾氣中的組分做完整的測量并進(jìn)行自動(dòng)標定。氣體成分數據通過(guò)串行或模擬接口連續地傳送到控制系統中，通過(guò)連續測脫碳過(guò)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(guò)程的目的是通過(guò)氧吹降低碳含量同時(shí)無(wú)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(shí)，鉻含量也隨之減少大約3%。氧化鉻的產(chǎn)生依賴(lài)于CO的溫度與分壓力，因此，工藝過(guò)程中必須控制CO的分壓力和溫度。
AOD工藝的關(guān)鍵是通過(guò)氬氣稀釋用做氧吹的氧氣，從而減低CO的分壓力。氧氣累進(jìn)地被氬氣稀釋?zhuān)刂屏藸t中溫度的升高，保證了原料碳含量降低到所需水平的同時(shí)無(wú)鉻含量的損失。AOD工藝的關(guān)鍵階段在表1中概述。由此可見(jiàn)，快速、精確的氣體分析對于每個(gè)吹氧階段終點(diǎn)的確定是至關(guān)重要的。

表1  AOD工藝的關(guān)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(guò)真空降低壓力來(lái)實(shí)現降低碳含量同時(shí)無(wú)鉻含量的損失。
真空過(guò)程尾氣的壓力隨著(zhù)處理時(shí)間不斷變化，這使氣體的采樣和分析增加了難度。傳統的紅外技術(shù)只能在大氣壓下采樣及采取尾氣的末端氣流，采集的數據計算需要幾分鐘，這樣的控制無(wú)法取得良好的效果。VG開(kāi)發(fā)出一種獨特的采樣系統，可在工藝過(guò)程的真空端采樣，連續檢測不同真空壓力階段的整個(gè)反應過(guò)程，并在幾秒內得到分析結果。

表2  VOD工藝數據

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(zhì)譜儀后碳含量命中率的提高（與傳統尾氣分析手段比較）。對于30ppm碳含量的鋼，命中率從90.4%增加到100%。VOD工藝數據如表2所示（每次測量的分析時(shí)間不到3秒）。 

圖1  兩種鋼在使用質(zhì)譜儀后碳含量命中率的變化

精練工藝中使用在線(xiàn)質(zhì)譜儀的優(yōu)點(diǎn)為：能分析所有主要氣體：O₂、N₂、CO₂、CO、Ar、H₂、He；在過(guò)程的真空階段取樣；提高鋼產(chǎn)量及質(zhì)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(xiàn)分析；最少的氧化鉻生成；精確的末端控制避免了VOD工藝過(guò)程控制中的過(guò)吹；減少用于還原氧化鉻的還原劑的消耗。
5  通訊系統
質(zhì)譜儀與工藝設備集散控制系統（DCS）之間通訊的傳統方法是通過(guò)模擬和數字式硬件輸入/輸出（I/O）進(jìn)行通訊。目前，更多采用的通訊方法是通過(guò)RS232、RS485、以太網(wǎng)，和許多適當的網(wǎng)絡(luò )和數據高速公路，象Modbus、Profibus、AB數據高速公路等來(lái)實(shí)現通訊。
(1)  VG PRIMA δB具有多種通訊選擇，如圖2所示，能通過(guò)一個(gè)多協(xié)議的接口與30多個(gè)通用通訊協(xié)議兼容?？梢赃B接到工廠(chǎng)主控室、PLC、外部數據管理包與遙控服務(wù)中心等。
(2)  質(zhì)譜儀與控制室間通過(guò)選定的協(xié)議如ASCII、西門(mén)子3964（R）、Modem（主從）與DCS進(jìn)行通訊。提供分析數據、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(zhì)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、配置與現場(chǎng)數據顯示。當質(zhì)譜儀轉換成獨立工作模式，PC機可以離線(xiàn)。Modem支持可進(jìn)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(gè)“從機”或一個(gè)“主機”。前者的情況是當DCS要求時(shí)，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(gè)“主機”，它可以向DCS發(fā)出信息和從DCS接收信息。作為一個(gè)“從機”，通訊信息包括：
①  儀表硬件狀態(tài) 每流監視信息，表明當前狀態(tài)（就緒、報警、錯誤、致命錯誤）。
②  氣體分析數據 每流分析信息，氣體濃度數據，模擬輸入、導出值和分析時(shí)間。
若VG PRIMA δB被配置為一個(gè)“主機”，DCS能夠執行的功能有：?jiǎn)?dòng)/停止分析、啟動(dòng)/停止校驗、允許/禁止取樣點(diǎn)、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據與過(guò)程控制活動(dòng)相結合，當有許多氣體要監視時(shí)，易于實(shí)現（減少電纜接線(xiàn)）并降低成本。

6  結語(yǔ)
多年來(lái)，磁扇式的過(guò)程質(zhì)譜儀在世界范圍內的許多鋼鐵公司已經(jīng)成功地應用，其具有的超穩定性和快速性，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（RMS）及GASWORK軟件，便于靈活方便地使用。

參考文獻：
[1]  張宏勛. 過(guò)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(ài)文斯（ADVANCED）集團公司中國總代理（上海）. Http//www.Thermo-ONIX.com.