工业在线质谱仪在钢铁生产中的应用

    1　前言

    随着国际钢铁市场竞争的更加激烈,需不断地提高效益,减少消耗,以获得竞争优势。多数世界领先的钢铁公司通过采用连续、在线气体分析装置,获得了显著成功。在许多气体分析技术中,质谱仪无疑是最佳选择。本文介绍的VG PRIMA 600S质谱仪因其具有在不同气体流量中快速测量多组分(最多16种)、技术多功能的特性,尤其适用于钢铁工业。普通红外分析仪只能在20~30秒完成CO与CO2的分析,而质谱仪能在3秒内完成多种气体成分分析。

    质谱仪在钢铁厂成功用于:高炉炉气分析、转炉炉气分析(BOS,BOF)、焦炉炉气分析、混合站气体分析等部门。如图1所示。

    2　质谱仪的组成及原理

    质谱仪的核心部件是磁扇式分析仪。它由离子、质量过滤器、检测系统等组成。

    检测原理:该分析仪是按照不同气体成分的离子质量与电荷之比即质荷比,对物质进行分离的。气体分子经过电子轰击而被电离,随后阳离子以速度v射入磁场,由电磁学中洛仑兹力公式知电荷e的运动离子在磁场中所受的作用力为:

当磁场感应强度B的方向与离子的运动速度方向垂直时,式(1)为:

F_M=_evB           (2)

当离子从无磁场空间射入均匀磁场空间后,它做圆运动,这时磁场对离子的作用力为向心力,它和离心力相平衡。离心力为:

    其中m:离子质量

        e:离子电荷

        B:磁场强度

        r:离子运动半径

        v:离子运动速度

    利用磁场对运动电荷的作用,对离子按质荷比或质量进行分离,如式(5),这使得仪器可以选择不同种类的气体,得到的高稳定的能被测量的质谱用以确定气体混合物的成分。由于离子是从高能量的离子源(1000ev)中提取的,所以对低分子重量的化合物,例如氢和氯能获得极好的稳定性。

    离子探测和放大信号被编码,通过光纤电缆传到本地处理器。浓度在10ppm-100%范围内时,能采用标准法拉第探测器,利用微通道盘式二次电子倍增器能测量低至10ppb的浓度。Fastscan检测系统,消除了增益切换,并在每次分析后进行零点读取,减少了校验的频度,降低了系统标定漂移,能更可靠地测量混合物中低含量的成分。

    3　质谱仪在高炉监测中应用

    在国际上目前质谱仪已经代替了红外分析仪,它不仅可以用于测CO、CO₂,还可以用于监测H₂、O₂、A_r、甲烷、乙烷、丙烷。事实上,通过质谱仪可以连续、实时地提供气体分析数据。

    3·1　CO、CO₂监测

    高炉生产中通过提高焦比来提高高炉的效率,在高效的高炉操作中,焦碳消耗必须控制在最少。还原过程的效率可以表示为:n=CO/(CO+CO₂),高炉顶气的数据反映了控制变量的效应,这是由于CO₂和CO的水平代表了高炉的还原情况。在炼铁过程中,利用质谱仪对CO和CO₂含量进行实时的连续测量可以将焦碳消耗每吨铁减少100公斤。