氧分析仪在热轧加热炉的应用与维护

吴建光

(宝山钢铁股份有限公司总部热轧厂，上海 200941)

氧分析仪在热轧加热炉的应用与维护

吴建光

(宝山钢铁股份有限公司总部热轧厂，上海 200941)

针对氧分析仪在热轧加热炉应用中存在的问题，从测量原理、检测方式等方面分析了热轧加热炉的氧分析仪的选型问题。考虑到使用过程中易受安装位置和工况的影响，提出了所需遵循的一系列原则和方法。选取抽取式和直插式两种典型的氧分析仪对安装过程和校准方法进行了仔细研究。结合实际经验，提出了常见故障的诊断和处理方法。实际表明，这些方法对氧分析仪在热轧加热炉上的可靠使用具有重要的指导意义。

加热炉 氧分析仪 氧化锆 空燃比 定期吹扫

0 引言

目前，热轧加热炉普遍采用氧分析仪对加热炉的烟气氧含量进行检测。因为在加热炉的燃烧控制过程中，为了达到最佳的空燃比，需要检测燃烧后烟气中的氧气含量，从而修正空燃比。如果烟气中氧气含量过多，会增加热损失，降低热效率;如果烟气中氧气含量过少，就会使燃烧情况恶化，造成环境污染和能源浪费。实际过程中氧分析仪的使用情况并不理想。目前宝钢股份总部的三条热轧线共配置13套氧分析仪，其中有5套已无法正常检测或已停止使用，其余氧分析仪在使用中存在或多或少的问题。本文在分析目前氧分析仪使用维护的基础上，提出了适合热轧加热炉的设备选型和安装维护方法。

1 氧分析仪的现有技术

1.1 测量原理

目前市场上的绝大部分氧分析仪产品采用的都是以氧化锆(ZrO2)作为固电解质的浓度差电池法。该方法是在固定氧化锆中加入一定比例的CaO和MgO2等作为稳定剂，当温度达到650℃以上时，氧化锆的晶体结构发生变化，内部出现了氧离子(O2－)空穴，形成了良好的氧离子固体电解质。在氧化锆固体电解质的两侧，用烧结的方法制成几微米到十几微米厚的铂电极［1］，再在铂电极上焊接铂丝作为引线，便构成了氧浓度差电池。氧化锆浓度差电池示意图如图1所示。

图1 氧化锆浓度差电池示意图Fig.1 Concentration difference cell diagram of Zirconia

电池侧通入参比气体(空气)，其氧分压为P0;电池侧通入被测气体，其氧分压为 P1(未知)。设P0＞P1，在650℃以上高温时，氧会从分压大的P0一侧向分压小的P1侧扩散，这种扩散不是氧分子透过氧化锆从P0侧到P1侧，而是氧分子在P0侧铂电极上得到4个电子;这4个电子变成氧离子后进入电解质，在P1侧铂电极上失去4个电子并结合成氧分子。铂电极两侧的电势差可以用下式表示:

式中:R为理想气体常数;T为绝对温度;F为法拉第常数;P0为参比气体分压;P1为被测气体分压。

1.2 氧分析仪的分类

按检测方式的不同，氧化锆探头分为两类，一类是抽取式氧化锆探头，另一类是直插式氧化锆探头。这两种探头在我厂都有应用。

抽取式氧化锆探头通过导引管，将被测气体导入氧化锆检测室，再通过加热元件把氧化锆加热到工作温度进行检测。这种探头的优点是不受检测气体温度的影响，通过采用不同的导流管可以检测各种温度气体的氧含量;缺点是反应慢、结构较复杂、导引管容易阻塞和加热器寿命不长等。我厂采用的仕富梅(SERVOMEX)2700C型即为低流量抽取式探头［2］。

直插式探头直接插入被测气体中，直接检测被测气体氧含量。对于烟气温度低于检测温度的场合，还需配置有加热器;对于温度超过900℃以上的场合，其温度已满足氧化锆探头的工作温度，因而不需要加热器。这种探头的优点是氧化锆探头的检测部分直接接触气体，检测精度高、反应快、维护量小等;缺点是探头的寿命短，对材料密封和电极性能要求高。我厂采用的横河(YOKOGAWA)ZR22G型即为直插式探头，烟气温度为600℃左右，探头直接从预热段炉顶插入烟气中［3］。

按探头与处理器组成方式的不同，氧分析仪又分为一体式和分体式两种。由于我厂现场炉顶热辐射较强，环境温度约为3 090℃，对于电子器件的寿命影响很大，因而我们一般采用分体式，将处理器单元放置在远离热源的位置。

1.3 市场上氧分析仪产品

目前，市场上的氧分析仪产品很多，除了利用氧化锆的浓度差电池法外，还有顺磁式和燃料电池法氧分析仪。由于应用场合不同，对于热轧加热炉的烟气检测来说，大多数产品还是以氧化锆为主，探头外壳材料为不锈钢，多采用直插式，如ABB的AZ25型、横河的ZR22G型。2050热轧3#炉采用抽取式探头仕富梅(SERVOMEX)2700C型，质量比较可靠。近年来，国产氧分析仪也不断出现，质量也在不断提高，同进口或合资品牌形成了一定的竞争态势，如北京博望的ZOA系列、安徽天康的ZO系列等［4］。

2 氧分析仪使用时的考虑因素

2.1 安装位置的选择

合理的安装位置是保证氧化锆传感器可靠运行的关键，许多实际使用问题均是由于传感器的安装位置不当造成的。一般应遵循如下三条原则。

①选择的测量位置要求能够正确反映所检测的炉内气体，从而保证传感器输出信号的真实性，尽量避开死角［5］。

②测量位置不能靠近烧嘴，这些部位的气体由于处于剧烈的反应中，会造成传感器的剧烈波动而失真;同时，因为氧化锆属于陶瓷材料，测量位置也不能靠近震动的风机、管道和阀门等，以免振动冲击造成损坏。

③安装法兰处应避免吸冷风，避免探头接触到水气;同时探头的安装位置应便于设备维护。

一般氧分仪安装在烟气管道上，但对于热轧加热炉来说，由于换热器有掺冷风保护功能，所以若在烟道和换热器前后安装氧分析仪，则会受到掺冷风操作的影响，使检测值失真。因此，比较适宜的位置选择在加热炉的预热段。从炉头均热段、一加段、二加段过来的烟气都经预热段进入换热器，最后进入烟道排放到大气中。对于蓄热式加热炉来说，预热段不受烧嘴的频繁换向干扰，检测也比较稳定。氧分析仪一般安装在预热段的炉顶中部，此处气体流动速度最快，不会出现检测死角的情况［6］。

2.2 工况对检测的影响

热轧加热炉的燃料为混合煤气，主要成分为焦炉煤气COG、高炉煤气BFG和转炉煤气LDG，比例约为7 ∶13 ∶5，混合后的煤气热值为 2 450 kJ/NM3。

若炉内可燃气气体完全燃烧，过剩系数取1.1，则烟气的主要成分为 CO2(占 20.2%)、O2(占 1.6%)、N2(占 67.5%)、H2O(占 10.7%)，此外还有粉尘及少量的SO2、SO3等。但实际过程中，烟气中往往含有少量的可燃气体，如 H2、CO、CH4等［7］。当氧化锆探头在高温条件下工作时，由于铂电极的催化作用，烟气中的氧会和这些气体成分发生氧化反应而耗氧，使测得的氧含量偏低［8］。

氧化锆探头受炉内氧化铁粉等粉尘杂质的影响比较大。粉尘附着在铂电极上，阻塞抽取式探头的过滤器和导引管，造成测量的数值失真甚至无法测量。针对这种情况，一般采用定期吹扫的方式对采样管及传感器部分的积尘进行吹扫处理。

烟气中含有较多的水分以及少量的SO2和SO3等腐蚀性气体，水气一般会使检测结果偏低，所以一些氧分仪产品带有水分补偿功能。当加热炉停炉检修时，温度降低后，这些酸性物质易冷凝成酸性溶液腐蚀探头，所以当加热炉维修时应把探头取下，待加热炉炉修结束并烘炉完成后再回装。

加热炉的炉压一般控制在10 Pa左右，即保持微正压，主要目的是为了防止冷风吸入，避免带走热量和造成局部加热不均。但实际上，对于采用平焰烧嘴的常规加热炉来说问题不大;但对于蓄热式加热炉和脉冲式加热炉，由于换向燃烧的过程中会造成局部的压力变化，进而影响整体的炉压变动，氧化锆的检测会出现负压的情况［9］。针对这种情况，氧分仪一般采用压缩空气作为动力源辅助检测样气的流动。2050热轧1#和2#炉的横河ZR22G氧分仪探头配置有高温适配器和辅助排放器，辅助排放器通过压缩空气带动样气，保证探头检测的氧气是流动的。3#炉仕富梅2700C型探头内部有引射器辅助样气流动。此外，探头的环境温度也很重要，尤其是对于抽取式探头，其环境温度要求为－20～70℃，而直插式探头环境温度可以达到150℃。氧分析仪的处理器部分一般要求不超过70℃，最好放置在电气室恒温环境中，以确保电子器件的使用寿命。

3 氧分析仪的安装与校准

3.1 氧分析仪的现场安装

下文分别以直插式横河ZR22G和抽取式仕富梅2700C为例进行介绍。

①直插式横河ZR22G型

直插式探头横河ZR22G目前应用于2050热轧1#和2#加热炉，其配置为 ZR22G高温分离式探头、2021P-H高温探头适配器、ZA8F流量设定装置、高温辅助排放器(部件编号E7046EC)和ZR402G分离式变送器。横河氧分析仪安装示意图如图2所示。用垂直安装的形式。探头的法兰片通过石棉高温垫片与预置法兰固定，需保证接口处的密封，防止漏气。探头与处理器采用屏蔽信号电缆进行连接，加热器电源应与信号电缆分开布置，屏蔽确保接地良好，防止干扰。

图2 横河氧分析仪安装示意图Fig.2 Installation diagram of YOKOGAWA oxygen analyzer

为了解决负压检测的问题，系统配置了高温辅助排放器。它由一个压力计和一个针型阀组成。参照说明书中提供的抽气流量特性曲线和压力设置特性曲线，通过调节针型阀控制压力达到设置目标压力。抽气流量一般需达到5 L/min。

②抽取式仕富梅2700C型

抽取式仕富梅2700C应用于2050热轧3#炉，该炉为脉冲式加热炉。仕富梅氧分析仪由探头和处理器两部分组成，较横河部件少。探头垂直安装，处理器安装于环境较好的操作室内。对于负压烟气的检测，在探头内部设有引射器，通过压缩空气动力带动被测样气流动。

3.2 氧分析仪的现场校准

仪表校准一般采用1%左右的氧氮混合气作为零点气、仪表压缩空气作为量程气。需要注意的是，压缩空气按标准需要除油、除水，露点温度在－20℃。零点气之所以不选择纯氮气是因为标气误差对仪表的影响太大，且吹扫过程时间长，若管道比较长，则很难判断是否吹扫到位。

为了提高校准精度，横河产品提供了ZA8F流量设定装置。该装置由流量计和针型阀组成，可以控制校正气和参比气的流量。但实际上，流量变化对氧浓度的检测结果影响很小，多数情况下直接将校正气通过校准口直接通到传感器，对流量影响忽略不计。这里需要说明的是，氧分析仪除检测传感器电势外，当进行900℃以上的高温检测时，往往对传感器施加一电压，通过检测电流的变化得出氧浓度值，这时流量对检测结果的影响非常大，温度影响比较小。

4 氧分析仪的故障分析

4.1 探头状态的判断

探头的状态可以根据零点电势、内阻和响应时间来判断。在横河的氧分析仪中，通过处理器显示上述值(零点电势通过零点校正系数和量程校正系数体现)，并评估当前传感器的寿命。引起零点电势增大的因素有以下两种:一种属于永存因素，如SO2和SO3的腐蚀作用、电池不对称因素;另一种属于暂存因素，如电极积灰、空气对流差等因素，一旦条件改善，零点电势便可降低。新的探头零点电势一般为正负几个毫伏信号，随着时间的延长，零点电势逐渐增大。零点电势的变大，往往反映了探头的老化程度，若横河零点校准得出的零点校正系数超过原始值的30%，则无法完成校准，需更换探头。新探头的电阻约为50 Ω，但经过一年使用后可能会增加到310 kΩ，当超过10 kΩ且吹扫无效时，说明探头寿命已到。探头的响应时间是指从探头检测到变化并输出模拟量值10%～90%的时间间隔，响应时间越长，说明探头劣化程度越严重。

4.2 探头的常见故障

探头常见的故障原因如下。

①接线处接触不良

接触不良可导致氧化锆传感器电压故障，传感器的输出电压一般为正负几个毫伏到几十上百毫伏信号。当电压超出合理范围，传感器就会引发报警，仪表停止工作。由于目前热轧的两种氧分析仪都采用了内部加热器，接触不良会导致加热器不工作，也可能导致热电偶和冷端电阻检测异常。一般加热器的电阻为60 100 Ω，热电偶阻值为520 Ω，冷端温度电阻为 11.6 kΩ［10］。

②数值显示异常

数值显示异常常见的情况是显示值比真实值大、显示值比真实值小、数值波动很大。除传感器本身的老化外，造成数值异常的主要原因有以下几种情况:①法兰处漏气、校正气阀门处泄漏、系统长时间未标定，这会导致显示值偏高;②水气干扰、样气中含有较多的可燃气体成分、长时间未标定，这可能导致显示值比真实值小;③因水汽干扰、工艺气体波动造成信号波动明显。

5 结束语

综上所述，在探头的选择上，若工艺对响应时间不高，探头应尽量选择抽取式;而对于高温区域检测，应选择高温型。在探头安装位置上，应选择在加热炉预热段炉顶垂直安装，且处理器配置在环境较好的电气室或操作台。参比气宜选择经过过滤减压后的仪表压缩空气。加热炉在维护上需执行定期吹扫工作，以消除积灰造成的探头老化和检测失真问题。只有这样，才能保证氧分析仪在加热炉上持续可靠地投入使用。

［1］余鑫萌，徐宝奎，袁发得.二氧化锆的稳定化及其应用［J］.稀有金属快报，2007(1):28－32.

［2］高志强，肖立，高新华，等.氧化锆测氧原理及维护使用［J］.传感器世界，2006(3):21－24.

［3］王仁旺.在线氧含量分析仪的选型和使用［J］.化工自动化及仪表，2004，31(2):73－75.

［4］王海婴，龚建军，赵玮.应用氧含量分析仪的意义及使用经验总结［J］.甘肃科技纵横，2006，35(6):29－30.

［5］陈丽娜.氧化锆氧分析仪的安装及常见故障处理［C］//全国冶金自动化信息网2011年年会，北京，2011:148－152.

［6］王春生，王自亭，刘景春，等.首钢炼铁厂热风炉烟气残氧分析仪的应用［J］.首钢科技，2006(6):38－40.

［7］张颖.加热炉低温烟气余热利用的探讨［J］.上海节能宝钢专刊，2002(2):32－35.

［8］吴慧.可燃性气体对氧化锆氧分析仪测量误差影响的分析［J］.计测技术，2005，26(5):19－20.

［9］陈新，刘常鹏，徐大勇，等.蓄热式加热炉炉压控制研究［J］.冶金能源，2010，9(4):31－33.

［10］梁昭湖.氧分析仪故障原因分析与改进［J］.机械工程与自动化，2012(2):156－157.

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。

作者吴建光(1980－)，男，2004年毕业于武汉大学测控技术与仪器专业，获学士学位，工程师;主要从事自动化仪表设备的维护工作。