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氧分析仪在退火炉氧含量自动检测系统中的应用

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铜陵金威铜业有限公司于 2004年从德国 JUN-KER公司引进2台气垫炉,主要用于铜及铜合金带材的中间退火与成品退火。由于铜及合金在高温状态下极易氧化,所以在退火过程中需严格控制炉内氧含量。紫铜退火时炉内氧含量控制在 10~v01.%以下。为了实时监测炉内氧含量,该气垫炉应用德国VEMAC公司的氧分析仪对炉内氧含量进行在线检测。

1 系统组成气垫炉含有5个加热区和4个冷却区,分别采用-套氧分析仪对炉内氧含量进行在线检测.系统原理图如图1所示(以加热区为例)。从 5个加热收稿日期:2012-09-03作者简介:翟祥民(1976),男 ,安徽无为人,工程师,硕士,主要从事铜板带退火设备的技术和管理工作。

区各引出-路气体进入采样总管,5路气体由电磁阀进行切换。样气经过滤器过滤进入氧探头,产生氧电势(mV值)。氧电势送人变送器进行放大并显示。为了使采样通道内的气体压力稳定,气体由气泵送人,气体流量可通过流量计进行调节。

图 1 氧含量 自动检测系统2 氧探头检测原理在氧化锆电解质(ZrO 管)的两侧面分别烧结上多孔铂电极,在-定温度下,当两侧氧浓度不同· 96· 工业仪表与自动化装置 2012年第6期二兰三耋j - 耋E剿鲁)KS98的背板配置2个插槽用于连接电源、传感器和控制信号,除此之外,还提供4~20 mA模拟量输出和通信接口等∝制器执行以下功能:1)氧分压的计算与显示;2)温度控制;3)过程数据曲线记录;4)过程数据越限报警。

- 个嵌入的温度控制器控制测量管的加热,使之达到理想的温度。温度控制系统如图3所示∝制器根据实际温度与设定温度的偏差控制固态继电器的通断率,从而调节加热功率的大小,达到控制温度的目的。温度传感器测量的温度用于氧浓度计算。

(1) 图3 温度传感器单元和温度控制系统式中: 为输出氧电势(mV);凡为转移电子数,在此为4;尺为理想气体常数(8.314 J/mol·K );T为绝对温度(K);F为法拉第常数(96 500 C/mo1);P 为待测气体氧浓度百分数;Po为参比气体氧浓度百分数。

该公式是氧探头测氧的基础,当氧化锆管的温度被加热到600~1 400 oC时,高浓度侧气体用已知氧浓度的气体作为参比气,如用空气,则P 20.6%,将此值及公式中的常数项合并得到实际计算公式为:E0.0496Tin(0.2095/P1)±C mV (2)C为本地电势(由于实际氧化锆电池存在温差电势、接触电势、参比电势、极化电势,从而产生本地电势C,mV)。

可见,如能测出氧探头的输出电动势 E和被测气体的绝对温度 ,即可算出被测气体的氧分压(浓度)P,,这就是氧化锆氧探头的基本检测原理。

3 计算与控制系统用于计算与控制的系统位于图1中氧探头右侧的控制柜内,由-个精细过滤器、-个过程控制仪表和-个流量控制仪表组成。精细过滤器用来保证内部的真空泵不会被从氧化锆探头来的气体污染,过滤纸必须每隔半年更换-次,以保证气路的通畅。

过程控制仪表选用德国PMA公司 KS98多功能控制器。氧化锆探头采用-个 100 W 电阻丝加热,温度采用热电偶测量,氧电势信号、热电势信号和加热器通过 3个两芯 电缆分别连接到控制器。

4 仪表的初始化过程控制仪表 KS98在 220 VAC电源下工作。

在控制台上按下电源开关,KS98被激活,气泵开始工作。调节流量计上的调节阀,使样气流量达到50% 以上(60% ~80% )。

通过参数菜单设定温度值,探头开始加热,温度上升。过程参数(包括氧含量和温度)和工作状态可在显示屏和面板上的指示灯看到。

如果没有传感器厂家的另外建议,温度控制器的设定值应该被固定在735℃。

在标定时,用本地电势值来校正测量值,-旦本地电势值被确定后,没有厂家的许可不再改变。

最小氧含量和最大氧含量根据工艺过程的最佳气氛范围进行设定。如果任意-个值超过或低于设定的极限值,相应的状态指示灯点亮,继电器动作报警,并且在显示屏上显示错误消息。

氧含量用常数对数表示,输入-20”表示氧含量为 10 。vo1%。

1)selection:4表示氧含量以对数形式,范围为l0-0~10-50:2)MinWer:20%表示下限为满量程的 20%,即10-mvo1. % :2012年第6期 工业仪表与自动化装置 ·97·3)MaxWer:80%表示上限为满量程的 80%,即10-40v0. % 。

模拟量输出被氧含量驱动。氧含量越小,输出电流越大。按上面的设置,以最小电流为4 mA为例,10 。vo1.%导致-个 4 mA的电流,10~vo1.%导致-个 20 mA的电流。

5 自动检测系统为了用-套氧分析仪对5个加热区的氧含量进行检测,采用了巡回检测的方法。通过 PLC控制 5个加热区的开关阀,每隔 5 min自动切换-次。

氧分析仪输出的4-20 mA氧含量信号输入PLC的AI拈,在 CPU中通过标度变换得到工程值。根据当前的采样区域将工程值赋给不同的变量,连接变量到 HMI,便可在人机界面上对应的区域显示出来。

6 实际运行情况这套氧分析仪和自动检测系统自2006年投入运行以来,-直比较稳定可靠。最近偶尔出现显示值波动较大情况,主要有以下几个方面的原因:1)样气流量低。调节流量阀,增大流量至 50%以上:2)气泵声音异常。原因是受污染。清洗气泵,更换过滤纸。

7 结论氧分析仪属于比较精密的仪器,在工业炉窑等比较恶劣的环境工作,容易损坏,因此-定要注意维护保养,以提高使用寿命。

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