飞行时间质谱在转炉炉气分析中的应用

　　1 前言

　　20 世纪 80 年代以来，俄罗斯、日本、奥地利和韩国等钢厂开始在转炉上使用质谱分析系统，通过在线、连续监测转炉排放气体的成分和流量，结合相应的控制模型，实现转炉生产的动态控制。与副枪相比，炉气分析动态控制在终点碳含量预报、成渣过程控制、提高锰降低磷、喷溅和漏水预报、提高金属收得率、节约合金消耗以及延长炉衬寿命方面具有综合优势，并且投入和操作费用较低，因此在国外转炉中应用普遍。在国外的大型转炉上，多采用副枪和炉气相结合的方式，碳温命中率可达 90%以上。

　　国内转炉以中小型居多，容量多小于 100t，使用副枪技术难度较大且吨钢成本增加较多，因而近年来炉气分析动态控制技术得到了普遍的关注。陆续有钢厂在转炉上安装质谱炉气分析设备并建立动态控制模型。其中莱钢4#转炉引进俄罗斯飞行时间质谱炉气分析系统，由钢铁研究总院承担分析系统安装和模型调试工作。质谱系统于 2004 年 2 月投入在线运行，在避免出现氧枪漏水爆炸事故和减少补吹次数方面取得初步成效，使一次命中率有所提高，同时也为动态控制模型的建立与调试积累经验参数和调试依据。

　　2 飞行时间质谱仪的工作原理和性能特点

　　飞行时间质谱技术是在 1990 年前后，随着快速信号采集和处理技术的发展而迅速发展起来的新型质谱分析技术。飞行时间质谱仪分析原理如图 1 所示。

　　样品气体从质谱进样系统进入离子源，在高真空条件下被电子轰击离子化。带电荷的离子在离子源加速电场区获得动能和初速度，等电荷的离子获得的动能相同。加速后的离子被瞬间导入一个真空无场漂移区，按惯性匀速飞行。在漂移区飞行的时间 t 与离子质量数 m, 带电荷数 Z 以及飞行区长度 D 之间的数学关系：

　　加速电压 V 和飞行区长度 D 恒定时，离子到达检测器的时间与质荷比有单值函数关系：

　　莱钢4#转炉应用 EMG-20-1 反射型飞行时间质谱仪，与图 1 中传统结构的 TOFMS 相比，分辨率得到进一步提高。

　　3 飞行时间质谱炉气分析系统的组成

　　飞行时间质谱炉气分析系统由取样系统、质谱仪、自动控制系统和数据传输系统 4 部分组成。取样系统包括采样头、反吹单元、样品预处理系统、输样管线及采样泵等;自动控制系统包括控制器及执行元件如继电器、电磁阀和各类传感器等;数据传输系统指以计算机网络为基础的数据和信号传输软硬件。

　　系统在 4#转炉上的安装布局如图 2 所示。

　　两个采样头从26.6m高烟道人孔法兰的两边插入，反吹采样头和气路管线的高压氮接到 28.2m 平台上。预处理系统、飞行时间质谱仪及工作站计算机的分析间建在烟道弯头附近的 23.8m 平台上。样品连续、快速地被系统末端的采样泵抽取，经过取样系统的净化处理后，进入质谱仪分析。从反吹单元到质谱仪的加热脉冲管线为 20m。分析间的质谱仪和 13m 平台上转炉控制室的模型机和图形站计算机通过网络连接传输数据。地面配电室 PLC 发出的冶炼“开始”和“终止”信号通过信号线传给分析系统的控制器。