氧分析儀在熱軋加熱爐的應(yīng)用與維護(hù)

吳建光

(寶山鋼鐵股份有限公司總部熱軋廠，上海 200941)

氧分析儀在熱軋加熱爐的應(yīng)用與維護(hù)

吳建光

(寶山鋼鐵股份有限公司總部熱軋廠，上海 200941)

針對(duì)氧分析儀在熱軋加熱爐應(yīng)用中存在的問題，從測(cè)量原理、檢測(cè)方式等方面分析了熱軋加熱爐的氧分析儀的選型問題?？紤]到使用過程中易受安裝位置和工況的影響，提出了所需遵循的一系列原則和方法。選取抽取式和直插式兩種典型的氧分析儀對(duì)安裝過程和校準(zhǔn)方法進(jìn)行了仔細(xì)研究。結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提出了常見故障的診斷和處理方法。實(shí)際表明，這些方法對(duì)氧分析儀在熱軋加熱爐上的可靠使用具有重要的指導(dǎo)意義。

加熱爐 氧分析儀 氧化鋯 空燃比 定期吹掃

0 引言

目前，熱軋加熱爐普遍采用氧分析儀對(duì)加熱爐的煙氣氧含量進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)樵诩訜釥t的燃燒控制過程中，為了達(dá)到最佳的空燃比，需要檢測(cè)燃燒后煙氣中的氧氣含量，從而修正空燃比。如果煙氣中氧氣含量過多，會(huì)增加熱損失，降低熱效率;如果煙氣中氧氣含量過少，就會(huì)使燃燒情況惡化，造成環(huán)境污染和能源浪費(fèi)。實(shí)際過程中氧分析儀的使用情況并不理想。目前寶鋼股份總部的三條熱軋線共配置13套氧分析儀，其中有5套已無法正常檢測(cè)或已停止使用，其余氧分析儀在使用中存在或多或少的問題。本文在分析目前氧分析儀使用維護(hù)的基礎(chǔ)上，提出了適合熱軋加熱爐的設(shè)備選型和安裝維護(hù)方法。

1 氧分析儀的現(xiàn)有技術(shù)

1.1 測(cè)量原理

目前市場(chǎng)上的絕大部分氧分析儀產(chǎn)品采用的都是以氧化鋯(ZrO2)作為固電解質(zhì)的濃度差電池法。該方法是在固定氧化鋯中加入一定比例的CaO和MgO2等作為穩(wěn)定劑，當(dāng)溫度達(dá)到650℃以上時(shí)，氧化鋯的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，內(nèi)部出現(xiàn)了氧離子(O2－)空穴，形成了良好的氧離子固體電解質(zhì)。在氧化鋯固體電解質(zhì)的兩側(cè)，用燒結(jié)的方法制成幾微米到十幾微米厚的鉑電極［1］，再在鉑電極上焊接鉑絲作為引線，便構(gòu)成了氧濃度差電池。氧化鋯濃度差電池示意圖如圖1所示。

圖1 氧化鋯濃度差電池示意圖Fig.1 Concentration difference cell diagram of Zirconia

電池側(cè)通入?yún)⒈葰怏w(空氣)，其氧分壓為P0;電池側(cè)通入被測(cè)氣體，其氧分壓為 P1(未知)。設(shè)P0＞P1，在650℃以上高溫時(shí)，氧會(huì)從分壓大的P0一側(cè)向分壓小的P1側(cè)擴(kuò)散，這種擴(kuò)散不是氧分子透過氧化鋯從P0側(cè)到P1側(cè)，而是氧分子在P0側(cè)鉑電極上得到4個(gè)電子;這4個(gè)電子變成氧離子后進(jìn)入電解質(zhì)，在P1側(cè)鉑電極上失去4個(gè)電子并結(jié)合成氧分子。鉑電極兩側(cè)的電勢(shì)差可以用下式表示:

式中:R為理想氣體常數(shù);T為絕對(duì)溫度;F為法拉第常數(shù);P0為參比氣體分壓;P1為被測(cè)氣體分壓。

1.2 氧分析儀的分類

按檢測(cè)方式的不同，氧化鋯探頭分為兩類，一類是抽取式氧化鋯探頭，另一類是直插式氧化鋯探頭。這兩種探頭在我廠都有應(yīng)用。

抽取式氧化鋯探頭通過導(dǎo)引管，將被測(cè)氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測(cè)室，再通過加熱元件把氧化鋯加熱到工作溫度進(jìn)行檢測(cè)。這種探頭的優(yōu)點(diǎn)是不受檢測(cè)氣體溫度的影響，通過采用不同的導(dǎo)流管可以檢測(cè)各種溫度氣體的氧含量;缺點(diǎn)是反應(yīng)慢、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、導(dǎo)引管容易阻塞和加熱器壽命不長(zhǎng)等。我廠采用的仕富梅(SERVOMEX)2700C型即為低流量抽取式探頭［2］。

直插式探頭直接插入被測(cè)氣體中，直接檢測(cè)被測(cè)氣體氧含量。對(duì)于煙氣溫度低于檢測(cè)溫度的場(chǎng)合，還需配置有加熱器;對(duì)于溫度超過900℃以上的場(chǎng)合，其溫度已滿足氧化鋯探頭的工作溫度，因而不需要加熱器。這種探頭的優(yōu)點(diǎn)是氧化鋯探頭的檢測(cè)部分直接接觸氣體，檢測(cè)精度高、反應(yīng)快、維護(hù)量小等;缺點(diǎn)是探頭的壽命短，對(duì)材料密封和電極性能要求高。我廠采用的橫河(YOKOGAWA)ZR22G型即為直插式探頭，煙氣溫度為600℃左右，探頭直接從預(yù)熱段爐頂插入煙氣中［3］。

按探頭與處理器組成方式的不同，氧分析儀又分為一體式和分體式兩種。由于我廠現(xiàn)場(chǎng)爐頂熱輻射較強(qiáng)，環(huán)境溫度約為3 090℃，對(duì)于電子器件的壽命影響很大，因而我們一般采用分體式，將處理器單元放置在遠(yuǎn)離熱源的位置。

1.3 市場(chǎng)上氧分析儀產(chǎn)品

目前，市場(chǎng)上的氧分析儀產(chǎn)品很多，除了利用氧化鋯的濃度差電池法外，還有順磁式和燃料電池法氧分析儀。由于應(yīng)用場(chǎng)合不同，對(duì)于熱軋加熱爐的煙氣檢測(cè)來說，大多數(shù)產(chǎn)品還是以氧化鋯為主，探頭外殼材料為不銹鋼，多采用直插式，如ABB的AZ25型、橫河的ZR22G型。2050熱軋3#爐采用抽取式探頭仕富梅(SERVOMEX)2700C型，質(zhì)量比較可靠。近年來，國(guó)產(chǎn)氧分析儀也不斷出現(xiàn)，質(zhì)量也在不斷提高，同進(jìn)口或合資品牌形成了一定的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，如北京博望的ZOA系列、安徽天康的ZO系列等［4］。

2 氧分析儀使用時(shí)的考慮因素

2.1 安裝位置的選擇

合理的安裝位置是保證氧化鋯傳感器可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，許多實(shí)際使用問題均是由于傳感器的安裝位置不當(dāng)造成的。一般應(yīng)遵循如下三條原則。

①選擇的測(cè)量位置要求能夠正確反映所檢測(cè)的爐內(nèi)氣體，從而保證傳感器輸出信號(hào)的真實(shí)性，盡量避開死角［5］。

②測(cè)量位置不能靠近燒嘴，這些部位的氣體由于處于劇烈的反應(yīng)中，會(huì)造成傳感器的劇烈波動(dòng)而失真;同時(shí)，因?yàn)檠趸唽儆谔沾刹牧?，測(cè)量位置也不能靠近震動(dòng)的風(fēng)機(jī)、管道和閥門等，以免振動(dòng)沖擊造成損壞。

③安裝法蘭處應(yīng)避免吸冷風(fēng)，避免探頭接觸到水氣;同時(shí)探頭的安裝位置應(yīng)便于設(shè)備維護(hù)。

一般氧分儀安裝在煙氣管道上，但對(duì)于熱軋加熱爐來說，由于換熱器有摻冷風(fēng)保護(hù)功能，所以若在煙道和換熱器前后安裝氧分析儀，則會(huì)受到摻冷風(fēng)操作的影響，使檢測(cè)值失真。因此，比較適宜的位置選擇在加熱爐的預(yù)熱段。從爐頭均熱段、一加段、二加段過來的煙氣都經(jīng)預(yù)熱段進(jìn)入換熱器，最后進(jìn)入煙道排放到大氣中。對(duì)于蓄熱式加熱爐來說，預(yù)熱段不受燒嘴的頻繁換向干擾，檢測(cè)也比較穩(wěn)定。氧分析儀一般安裝在預(yù)熱段的爐頂中部，此處氣體流動(dòng)速度最快，不會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)死角的情況［6］。

2.2 工況對(duì)檢測(cè)的影響

熱軋加熱爐的燃料為混合煤氣，主要成分為焦?fàn)t煤氣COG、高爐煤氣BFG和轉(zhuǎn)爐煤氣LDG，比例約為7 ∶13 ∶5，混合后的煤氣熱值為 2 450 kJ/NM3。

若爐內(nèi)可燃?xì)鈿怏w完全燃燒，過剩系數(shù)取1.1，則煙氣的主要成分為 CO2(占 20.2%)、O2(占 1.6%)、N2(占 67.5%)、H2O(占 10.7%)，此外還有粉塵及少量的SO2、SO3等。但實(shí)際過程中，煙氣中往往含有少量的可燃?xì)怏w，如 H2、CO、CH4等［7］。當(dāng)氧化鋯探頭在高溫條件下工作時(shí)，由于鉑電極的催化作用，煙氣中的氧會(huì)和這些氣體成分發(fā)生氧化反應(yīng)而耗氧，使測(cè)得的氧含量偏低［8］。

氧化鋯探頭受爐內(nèi)氧化鐵粉等粉塵雜質(zhì)的影響比較大。粉塵附著在鉑電極上，阻塞抽取式探頭的過濾器和導(dǎo)引管，造成測(cè)量的數(shù)值失真甚至無法測(cè)量。針對(duì)這種情況，一般采用定期吹掃的方式對(duì)采樣管及傳感器部分的積塵進(jìn)行吹掃處理。

煙氣中含有較多的水分以及少量的SO2和SO3等腐蝕性氣體，水氣一般會(huì)使檢測(cè)結(jié)果偏低，所以一些氧分儀產(chǎn)品帶有水分補(bǔ)償功能。當(dāng)加熱爐停爐檢修時(shí)，溫度降低后，這些酸性物質(zhì)易冷凝成酸性溶液腐蝕探頭，所以當(dāng)加熱爐維修時(shí)應(yīng)把探頭取下，待加熱爐爐修結(jié)束并烘爐完成后再回裝。

加熱爐的爐壓一般控制在10 Pa左右，即保持微正壓，主要目的是為了防止冷風(fēng)吸入，避免帶走熱量和造成局部加熱不均。但實(shí)際上，對(duì)于采用平焰燒嘴的常規(guī)加熱爐來說問題不大;但對(duì)于蓄熱式加熱爐和脈沖式加熱爐，由于換向燃燒的過程中會(huì)造成局部的壓力變化，進(jìn)而影響整體的爐壓變動(dòng)，氧化鋯的檢測(cè)會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓的情況［9］。針對(duì)這種情況，氧分儀一般采用壓縮空氣作為動(dòng)力源輔助檢測(cè)樣氣的流動(dòng)。2050熱軋1#和2#爐的橫河ZR22G氧分儀探頭配置有高溫適配器和輔助排放器，輔助排放器通過壓縮空氣帶動(dòng)樣氣，保證探頭檢測(cè)的氧氣是流動(dòng)的。3#爐仕富梅2700C型探頭內(nèi)部有引射器輔助樣氣流動(dòng)。此外，探頭的環(huán)境溫度也很重要，尤其是對(duì)于抽取式探頭，其環(huán)境溫度要求為－20～70℃，而直插式探頭環(huán)境溫度可以達(dá)到150℃。氧分析儀的處理器部分一般要求不超過70℃，最好放置在電氣室恒溫環(huán)境中，以確保電子器件的使用壽命。

3 氧分析儀的安裝與校準(zhǔn)

3.1 氧分析儀的現(xiàn)場(chǎng)安裝

下文分別以直插式橫河ZR22G和抽取式仕富梅2700C為例進(jìn)行介紹。

①直插式橫河ZR22G型

直插式探頭橫河ZR22G目前應(yīng)用于2050熱軋1#和2#加熱爐，其配置為 ZR22G高溫分離式探頭、2021P-H高溫探頭適配器、ZA8F流量設(shè)定裝置、高溫輔助排放器(部件編號(hào)E7046EC)和ZR402G分離式變送器。橫河氧分析儀安裝示意圖如圖2所示。用垂直安裝的形式。探頭的法蘭片通過石棉高溫墊片與預(yù)置法蘭固定，需保證接口處的密封，防止漏氣。探頭與處理器采用屏蔽信號(hào)電纜進(jìn)行連接，加熱器電源應(yīng)與信號(hào)電纜分開布置，屏蔽確保接地良好，防止干擾。

圖2 橫河氧分析儀安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of YOKOGAWA oxygen analyzer

為了解決負(fù)壓檢測(cè)的問題，系統(tǒng)配置了高溫輔助排放器。它由一個(gè)壓力計(jì)和一個(gè)針型閥組成。參照說明書中提供的抽氣流量特性曲線和壓力設(shè)置特性曲線，通過調(diào)節(jié)針型閥控制壓力達(dá)到設(shè)置目標(biāo)壓力。抽氣流量一般需達(dá)到5 L/min。

②抽取式仕富梅2700C型

抽取式仕富梅2700C應(yīng)用于2050熱軋3#爐，該爐為脈沖式加熱爐。仕富梅氧分析儀由探頭和處理器兩部分組成，較橫河部件少。探頭垂直安裝，處理器安裝于環(huán)境較好的操作室內(nèi)。對(duì)于負(fù)壓煙氣的檢測(cè)，在探頭內(nèi)部設(shè)有引射器，通過壓縮空氣動(dòng)力帶動(dòng)被測(cè)樣氣流動(dòng)。

3.2 氧分析儀的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)

儀表校準(zhǔn)一般采用1%左右的氧氮混合氣作為零點(diǎn)氣、儀表壓縮空氣作為量程氣。需要注意的是，壓縮空氣按標(biāo)準(zhǔn)需要除油、除水，露點(diǎn)溫度在－20℃。零點(diǎn)氣之所以不選擇純氮?dú)馐且驗(yàn)闃?biāo)氣誤差對(duì)儀表的影響太大，且吹掃過程時(shí)間長(zhǎng)，若管道比較長(zhǎng)，則很難判斷是否吹掃到位。

為了提高校準(zhǔn)精度，橫河產(chǎn)品提供了ZA8F流量設(shè)定裝置。該裝置由流量計(jì)和針型閥組成，可以控制校正氣和參比氣的流量。但實(shí)際上，流量變化對(duì)氧濃度的檢測(cè)結(jié)果影響很小，多數(shù)情況下直接將校正氣通過校準(zhǔn)口直接通到傳感器，對(duì)流量影響忽略不計(jì)。這里需要說明的是，氧分析儀除檢測(cè)傳感器電勢(shì)外，當(dāng)進(jìn)行900℃以上的高溫檢測(cè)時(shí)，往往對(duì)傳感器施加一電壓，通過檢測(cè)電流的變化得出氧濃度值，這時(shí)流量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響非常大，溫度影響比較小。

4 氧分析儀的故障分析

4.1 探頭狀態(tài)的判斷

探頭的狀態(tài)可以根據(jù)零點(diǎn)電勢(shì)、內(nèi)阻和響應(yīng)時(shí)間來判斷。在橫河的氧分析儀中，通過處理器顯示上述值(零點(diǎn)電勢(shì)通過零點(diǎn)校正系數(shù)和量程校正系數(shù)體現(xiàn))，并評(píng)估當(dāng)前傳感器的壽命。引起零點(diǎn)電勢(shì)增大的因素有以下兩種:一種屬于永存因素，如SO2和SO3的腐蝕作用、電池不對(duì)稱因素;另一種屬于暫存因素，如電極積灰、空氣對(duì)流差等因素，一旦條件改善，零點(diǎn)電勢(shì)便可降低。新的探頭零點(diǎn)電勢(shì)一般為正負(fù)幾個(gè)毫伏信號(hào)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，零點(diǎn)電勢(shì)逐漸增大。零點(diǎn)電勢(shì)的變大，往往反映了探頭的老化程度，若橫河零點(diǎn)校準(zhǔn)得出的零點(diǎn)校正系數(shù)超過原始值的30%，則無法完成校準(zhǔn)，需更換探頭。新探頭的電阻約為50 Ω，但經(jīng)過一年使用后可能會(huì)增加到310 kΩ，當(dāng)超過10 kΩ且吹掃無效時(shí)，說明探頭壽命已到。探頭的響應(yīng)時(shí)間是指從探頭檢測(cè)到變化并輸出模擬量值10%～90%的時(shí)間間隔，響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，說明探頭劣化程度越嚴(yán)重。

4.2 探頭的常見故障

探頭常見的故障原因如下。

①接線處接觸不良

接觸不良可導(dǎo)致氧化鋯傳感器電壓故障，傳感器的輸出電壓一般為正負(fù)幾個(gè)毫伏到幾十上百毫伏信號(hào)。當(dāng)電壓超出合理范圍，傳感器就會(huì)引發(fā)報(bào)警，儀表停止工作。由于目前熱軋的兩種氧分析儀都采用了內(nèi)部加熱器，接觸不良會(huì)導(dǎo)致加熱器不工作，也可能導(dǎo)致熱電偶和冷端電阻檢測(cè)異常。一般加熱器的電阻為60 100 Ω，熱電偶阻值為520 Ω，冷端溫度電阻為 11.6 kΩ［10］。

②數(shù)值顯示異常

數(shù)值顯示異常常見的情況是顯示值比真實(shí)值大、顯示值比真實(shí)值小、數(shù)值波動(dòng)很大。除傳感器本身的老化外，造成數(shù)值異常的主要原因有以下幾種情況:①法蘭處漏氣、校正氣閥門處泄漏、系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間未標(biāo)定，這會(huì)導(dǎo)致顯示值偏高;②水氣干擾、樣氣中含有較多的可燃?xì)怏w成分、長(zhǎng)時(shí)間未標(biāo)定，這可能導(dǎo)致顯示值比真實(shí)值小;③因水汽干擾、工藝氣體波動(dòng)造成信號(hào)波動(dòng)明顯。

5 結(jié)束語

綜上所述，在探頭的選擇上，若工藝對(duì)響應(yīng)時(shí)間不高，探頭應(yīng)盡量選擇抽取式;而對(duì)于高溫區(qū)域檢測(cè)，應(yīng)選擇高溫型。在探頭安裝位置上，應(yīng)選擇在加熱爐預(yù)熱段爐頂垂直安裝，且處理器配置在環(huán)境較好的電氣室或操作臺(tái)。參比氣宜選擇經(jīng)過過濾減壓后的儀表壓縮空氣。加熱爐在維護(hù)上需執(zhí)行定期吹掃工作，以消除積灰造成的探頭老化和檢測(cè)失真問題。只有這樣，才能保證氧分析儀在加熱爐上持續(xù)可靠地投入使用。

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Application and Maintenance of the Oxygen Analyzer in Hot-rolling Furnace

Aiming at the problems existing in application of oxygen analyzer in hot rolling furnace，the model selection of the oxygen analyzers used for hot rolling furnace are analyzed from measuring principles and detection modes.Considering the influence of installation locations，and operating conditions，a series of principles and methods need to follow are proposed.Two type which are extraction and in-line of typical oxygen analyzers are selected for researching their installing procedures and calibration methods in detail.Combining with practical experiences，the diagnosis and handling methods of the commonly seen faults are proposed.The practice indicates that these methods possess important guiding significance for reliable application of oxygen analyzers in hot rolling furnaces.

Furnace Oxygen analyzer Zirconia Air-fuel ratio Periodic purge

TP212

A

修改稿收到日期:2013－05－13。

作者吳建光(1980－)，男，2004年畢業(yè)于武漢大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，工程師;主要從事自動(dòng)化儀表設(shè)備的維護(hù)工作。