張國德

1  前言
隨著國際鋼鐵市場競爭的更加激烈，鋼鐵企業需不斷地提高效益，減少消耗，以獲得競爭優勢。多數世界領先的鋼鐵公司通過采用連續、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。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  質譜儀在高爐監測中應用
在國際上目前質譜儀已經代替了紅外分析儀，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。事實上，通過質譜儀可以連續、實時地提供氣體分析數據。
(1)  CO、CO₂監測 高爐生產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。在煉鐵過程中，利用質譜儀對CO和CO₂含量進行實時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、精確地控制氫氣含量，從而防止易爆混合物的產生。
(3)  氮氣分析 鐵的產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量。許多利用氣體分析數據計算高爐底部額外熱量的工廠，開發出自己的數學模型，從而能夠控制高爐溫度來確保連續穩定的鐵產量。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使利用單一質譜儀監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點為：在3秒內快速分析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；所有數據由一臺分析儀提供從而簡化與控制系統的連接。
4  精煉工藝中利用質譜儀提高低碳鋼產量
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%的生產能力。
沒有快速的、連續的氣體分析，脫碳過程中的任何變化只能在反映結束后檢測出來，這導致產品不符合規格。利用VG PRIMA δB質譜儀的系統，可在幾秒內對尾氣中的組分做完整的測量并進行自動標定。氣體成分數據通過串行或模擬接口連續地傳送到控制系統中，通過連續測脫碳過程中的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，采集的數據計算需要幾分鐘，這樣的控制無法取得良好的效果。VG開發出一種獨特的采樣系統，可在工藝過程的真空端采樣，連續檢測不同真空壓力階段的整個反應過程，并在幾秒內得到分析結果。

表2  VOD工藝數據

在超低碳鋼生產中，[C]<=30ppm,平均誤差1.9ppm。在低碳鋼生產中，[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
質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模擬和數字式硬件輸入/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，和許多適當的網絡和數據高速公路，象Modbus、Profibus、AB數據高速公路等來實現通訊。
(1)  VG PRIMA δB具有多種通訊選擇，如圖2所示，能通過一個多協議的接口與30多個通用通訊協議兼容。可以連接到工廠主控室、PLC、外部數據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議如ASCII、西門子3964（R）、Modem（主從）與DCS進行通訊。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、配置與現場數據顯示。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出信息；另一種方式是作為一個“主機”，它可以向DCS發出信息和從DCS接收信息。作為一個“從機”，通訊信息包括：
①  儀表硬件狀態 每流監視信息，表明當前狀態（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、導出值和分析時間。
若VG PRIMA δB被配置為一個“主機”，DCS能夠執行的功能有：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。
使用通訊協議的好處是，可以經常非常方便地將氣體分析數據與過程控制活動相結合，當有許多氣體要監視時，易于實現（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的許多鋼鐵公司已經成功地應用，其具有的超穩定性和快速性，已成為鋼鐵生產中的理想分析儀器。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. 過程分析儀器[M]. 冶金工業出版社, 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.