铁合金冶炼中各气体成分在线检测的必要性分析

　　一、冶炼铁合金主要设备

　　冶炼铁合金的主要设备铁合金电炉分为还原电炉和精炼电炉两类。还原电炉又称埋弧电炉或矿热电炉，采用电极插入的埋弧操作，还原电炉有敞开、封闭或者半封闭，炉体分为固定旋转等形式。精炼电炉则用于精炼中碳低碳微碳的铁合金，电容量一般采用1500~6000kVA，采用敞开固定或带盖倾动形式的。前者类似还原炉，可配备连续自焙电极，后者类似电弧炼钢炉，使用石墨或碳质电极。

　　铁合金还原电炉生产过程中产生大量煤气。用敞口电炉生产时，煤气遇空气燃烧成为烟气，量大尘多，既难净化，又不利于能量回收，长期污染环境，形成公害并造成能量损失。70年代以来，为了保护环境和节约能源，铁合金还原电炉逐渐由敞口电炉改为封闭或半封闭电炉。冶炼锰铁、铬铁等铁合金用封闭电炉，冶炼需要料面操作的铁合金（硅铁、金属硅等），则用半封闭电炉。

　　封闭电炉设置密封的炉盖和泄爆装置，产生的煤气于未燃状态引出，导入煤气净化设施净化回收。煤气发生过程连续稳定，煤气体积只有敞口电炉烟气体积的1～2%。因此煤气净化设备小，组合简单，净化操作便利。煤气净化一般采用湿法。煤气含CO、H2、CH4等有效燃料成分约占气体体积的80%，主要是CO，发热值为2100~2400千卡/标米。

　　为了治理铁合金电炉的烟气，起初将敞口电炉的高烟罩改为矮烟罩，后来发展成为半封闭电炉，以控制烟气量便于净化和回收热能。装设余热锅炉时，回收的热量可达电炉总耗能量的30%或总耗电量的65%，如用于发电可回收电能约20%。烟气净化一般采用干法工艺。

　　二、铁合金电炉法生产流程

　　电炉法是冶连续铸钢/炼铁合金的主要方法，电炉铁合金产量占全部铁合金产量的70%以上。电炉主要可分为矿热炉和电弧炉两种。

图1.铁合金电炉车间生产解剖图

　　1、矿热炉

　　用碳作还原剂生产铁合金所用电炉常用矿石还原炉，简称矿热炉。矿热炉因为使用碳质还原剂(因此除硅质合金外)，只能获得高碳合金。

　　矿热炉按产品出渣量的多少不同又可分为微渣法和有渣法两种操作。

　　硅铁，高硅铬铁所用的原料纯度高，含杂质氧化物少，生产时不加熔剂，冶炼过程出渣量很少，常称微渣法。微渣法生产所用的原料主要有硅石，焦炭和钢屑、生产硅铬时用碳素铬铁。

　　碳素锰铁，碳素铬铁，硅锰合金等所用矿石含杂质氧化物多，需加熔剂造渣，因此渣量大、超过合金的重量，常称有渣法。有渣法生产所用的原料除矿石和还原剂外还常需添加熔剂。

　　2、电弧炉

　　用硅，主要是硅质合金(作还原剂)生产铁合金通常采用电弧炉，它与炼钢电弧炉相似。电弧炉生产所用的原料主要有矿石、包括精矿或较纯的氧化物(硅质还原剂和熔剂)几种。炉料从炉顶或炉门加入炉内，整个冶炼过程可分为引弧，加料，熔化，精炼和出铁个环节。依靠电弧放热和硅氧化反应热完成冶炼过程。出铁时间依合金中的含硅量而定，生产是间断进行的。

　　三、矿热炉尾气监测案例

　　1、项目概况

　　项目位于内蒙古鄂尔多斯，主要生产硅锰合金，其产品以出口为主，全厂共有4个厂房和1个煤气储气站，在从4个厂房输送煤气的8条管道中，有4条直接通往储气站，储气站汇总后通向储气柜。整个气柜站现场环境干净且规范化操作，一直是该厂的先进模范单位。

图2.项目现场

　　项目采用矿热炉生产工艺，碳在高温加热的情况下通入一定量的O2（3C+2O2=2CO+CO2），主要产生CO和少量的CO2，部分CO2也会再次还原成CO，因为煤中主要成分是碳，还有其他少量的杂质，在气化的过程中会产生其他少量的气体如CH4,H2,O2,H2等气体，在冶炼硅锰合金工艺流程中产生的每一种气体含量波动都可以间接的反映出电炉炉的工作状态。同时，电炉炉尾气中CO、CH4、H2有很高热值，可以回收利用，且CO、H2和O2事关安全，都需要在线监测系统。因此，该项目采用四方仪器在线气体分析系统Gasboard-9031(EX)用于对CO,CO2,H2,CH4含量进行监测，以此来判断冶炼硅锰合金工艺过程是否正常，煤气回收是否安全。

　　2、方案实施

　　采样点分别设置在样气出电炉后端到储气站前端的8个管道及储气柜前端的总管道上，对管道内的主要气体成分（CH4,H2,CO,CO2,O2）进行实时监测和数据采集。

图3.采样点

　　CO浓度突然升高可能是电炉渣口出现堵塞情况造成CO2还原反应增加，由于水在高温条件下裂解成CH4和H2或者直接跟碳发生反应，因此CH4,H2含量的增加有可能是冷却水出现漏水情况。通过对CH4,H2,CO,CO2含量的监测来判断电炉工况。

　　该厂日产煤气量为150000m3，对煤气O2含量有着严格的控制，其O2含量不得超过1%，当O2含量超过设定的数值时，Gasboard-9031系统通过4-20mA信号输出与中控系统相连，中控系统报警后启动连锁保护，将O2超标的管道锁死，切断通向储气柜煤气，避免煤气柜O2含量过高而发生爆炸事故。

图4.储气站

　　该项目共有4个矿热炉，每一组矿热炉分别有两路出气管道，共8路管道，每路管道上均设有一套在线气体分析系统Gasboard-9031，由于矿热炉在产生煤气过程中会伴随大量的微小颗粒物，因此管道风机正压端都设有配置初级过滤功能的采样探头，目的是阻止大部分微小颗粒物进入系统采样管道内堵塞管道，以致减少系统使用寿命和增加系统维护难度。其中4路煤气输送管道出电炉后会在储气站汇集成一条总管道进入储气柜，该项目在进入储气柜的前端总管道上设有一套防爆型在线气体分析系统Gasboard-9031EX（后期安装）。

图5.在线气体分析系统

　　3、方案参数

　　4、项目运行

　　由于该厂所在区域冬天可达零下20℃，对在线气体分析系统的正常运行具有较大挑战，四方仪器工程团队经过实地考察与分析，为该厂提供了系统改造升级方案，保证了所有系统的正常运行。

　　挑战1：极寒条件下探头加热棒频繁烧坏

　　解决方案：加热棒寿命是一定的，长时间不间断加热，加热棒很快就会烧坏，而在极寒地区加热棒要热到130摄氏度很困难，所以加热不能间断，解决办法就是做好探头的保温，加热棒使用寿命即可延长。

　　挑战2：极寒条件下探头与管道结冰堵塞

　　解决方案：冬天探头容易堵塞的节点有两个，一个是探头与管道间裸露在空气中的连接处，氧气混合水汽中的固体颗粒很容易附着在探头与管道的连接处，水汽在较冷的金属管道上会很快液化结冰，致使管道封死，探头与管道间应用自限温伴热带缠好并用保温棉包好，尽量保证管道里自带的温度不受外界气温影响而出现液化结冰。另一个就是探头采样穿板处，金属导热较快，由于穿板固定在箱体上，气体的大部分温度会在这里传导到箱体并散发到冷空气中，对这个节点的处理就是从采样电磁阀出气处直接连接四氟管，并拆掉采样穿板直接连接到伴热带上，探头箱整体再做一个保温措施即可。

　　好的管理制度是仪器能够长时间正常运行的重要保证。前期安装的8套系统已经正常使用两年多，且系统运行良好，这些都得益于现场人员的日常维护，常见的的问题会根据现场的实际情况做出相关的解决方案。在保证正常生产的情况下，系统维护人员会的定期清理系统管道容易堵塞的点，每隔一个小时巡检并对系统运行状态做好相关记录，出现无法解决的故障也会及时跟设备厂家沟通交流，找到问题的解决方案，确保生产设备正常平稳运行。

　　5、方案价值

　　该项目采用四方仪器在线分析系统Gasboard-9031(EX)，同时在线监测CO,CO2,H2,CH4,O2，大大降低了人工成本，帮助操作人员实时掌握电炉的CO、CO2含量，据此判断电炉渣出口是否堵塞，并控制进风和布料工艺，保护炉体，控制硅锰比例，降低能耗；通过对H2,CH4的测量，有效判断炉膛是否存在漏水现象；通过测量主管道O2含量，确保O2含量不超过1%，保障煤气净化回收工艺安全。

（来源：工业过程气体监测技术）