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ELTRA CS-800高频部分的故障分析

刘博

（河北钢铁集团邯钢公司技术中心）

摘 要：本文介绍了高频红外碳硫分析技术及ELTRA CS-800的工作原理，对高频加热部分作了详细的阐述，还列出了高频炉常见故障分析和解决对策，总结了一些维修方法。

关 键 词：红外分析；高频；碳；硫；振荡

1 引言

在国家标准中，有多种分析碳硫的方法，如：燃烧重量法、库仑法、电导法、非水滴定法等。但这些方法均属于化学方法，需要大量的化学试剂和辅助设备，不仅工作效率较低，而且会受到分析人员的经验和水平的客观影响。所以，在国外，红外分析方法早已应用在碳硫元素的分析测定中。但以上方法的试样提取部分都是采用管式炉，其最高使用温度仅达到1350℃，对于熔点高达2000℃以上的难熔金属来说，勉为其难，并且库仑仪由于故障率高、难以实现自动化，接近淘汰的边缘，现已无厂家生产。因此，必须尽快建立更新、更高水平的分析方法。高频红外碳硫仪的诞生达到了这个要求，其自动化程度高、分析速度快，在钢铁行业得到广泛应用。

2 高频红外碳硫仪分析技术

高频红外碳硫分析技术是目前国内外应用最广的分析方式，此技术是指在高频感应炉的高温下，于氧气流中，加助熔剂燃烧试样，碳生成二氧化碳和一氧化碳，硫转化成二氧化硫，以红外吸收法测定氧气流中的碳硫化合物含量，进而转化为钢铁材料中碳硫元素的百分含量。

2.1 红外碳硫仪工作原理

如图（1）中单线连接的是电路系统，双线连接的是气路系统，虚线方框内所示的是装在屏蔽恒温箱中的部件。

CO₂、SO₂等极性分子具有永久电偶极矩，因而具有振动、转动等结构。按量子力学分成分裂的能级，可与入射的特征波长红外辐射耦合产生吸收，朗伯—比尔定律反应了此吸收规律。

I＝I₀exp（－aPL）            式（1）

式中：I₀——入射光强；

I——出射光强；

a——吸收系数；

P——该气体的分压强；

L——分析池的长度。

图1 红外碳硫仪工作原理图

测量经吸收后红外光的强度便能计算出相应气体的浓度，这便是红外气体分析的理论根据。红外碳硫分析仪利用了CO₂及SO₂分别在4.26mm及7.4mm处，具有较强的特征吸收带这一特性，通过测量气体吸收光强分析CO₂及SO₂含量，间接确定被测样品中的碳、硫元素的百分含量。

分析室包括微型红外光源、反射镜、调制盘、吸收池、滤光片和探测器。微型红外光源用电加热到800℃左右产生的红外光，经吸收池被CO₂及SO₂吸收后再经过窄带滤光片，滤去除上述波长外的其它光辐射的能量，入射到探测器上，则探测器上测到的是与CO₂及SO₂浓度相对应的光强，经过探测器光电转化为电信号。再经计算机进行归一化定标处理，积分反演为碳硫元素的百分含量。在光源与吸收池之间放有马达调制器，把光信号调制成80Hz的交变辐射信号。探测器输出中心频率为80Hz。

式中的I和I₀是同一吸收池和探测器得到的。I₀值是在分析前吹氧气时入射到探测器上光强，I值是在测量过程中瞬时光强，然后由热释电器件转化为电信号经前置放大、后级放大后通过数模转换进入计算机，在计算机中经线性化运算使之转换成与CO₂及SO₂含量成比例的数值。

总之，碳硫含量的测定是先在电子天平上称得（也可以在其它天平称量后，通过键盘输入）样品的重量，并输入计算机，然后被测样品在富氧条件下由高频炉高温加热燃烧使碳、硫氧化成CO₂和SO₂气体，该气体经处理后进入相应的吸收池，对相应的红外辐射进行吸收再由探测器转化成对应的信号。此信号由计算机采样，经线性校正后转换成与CO₂和SO₂浓度成正比的数值，然后把整个分析过程的取值累加，分析结束后，此累加值在计算机中除以重量值，再乘以校正系数、扣除空白，即可获得样品中碳、硫百分含量。

2.2 高频加热原理

高频加热炉的原理是通过高频振荡管，产生高频磁场，样品在此高频磁场中感应， 产生高温， 在氧气中发生氧化燃烧，一般温度可达1500～1600℃。当金属导体处在一个高频交变电场中，根据法拉第感应定律，将在金属导体内产生感应电动势，由于导体的电阻很小，从而产生强大的感应电流。由焦耳－楞次定律Q＝IRt可知，交变磁场将使导体中电流趋向导体表面流通，引起集肤效应，瞬间电流的密度与频率成正比，频率越高，感应电流密度集中于导体的表面，即集肤效应就越严重。有效的导电面积减小，电阻增大，从而使导体迅速升温。采用此方式即可将钢样在短时内迅速加热并熔化。对于高温难熔金属， 功率越高越好，因此选择100％功率。而对于低熔点易飞溅样品，如Cu﹑CuO，温度太高，样品易飞溅，污染炉膛，而且产生负峰，结果偏低，因此必须降低高频功率。高频加热可以根据调整功率来选择不同的加热温度，尤其对难熔金属的加热有很好的效果。

3 红外碳硫仪高频部分常见故障分析

3.1 高频炉不燃烧

3.1.1 故障现象

碳、硫均不出峰，无板流，无栅流，试样不燃烧。

3.1.2 故障分析

从现象分析，此类故障一般是高频炉不工作引起的。可能存在的故障点有：来自电子单元的开始高频加热的命令没有收到；振荡管；高压变压器的原边电源；高频振荡管。对这些故障点的检查见下文。

3.1.3 故障检查与处理

首先检查软件中Diagnostics诊断菜单界面，会发现除板流、栅流外其他均正常。再观察通载气后，振荡管灯丝不亮，拆开射频板，检查高频振荡管区域并无打火烧焦痕迹，进一步检查电压是否正常，再检查通往到灯丝变压器的保险时，发现保险断路，此保险应为1A可恢复保险，把它按下恢复后，通载气后灯丝重新点亮，仪器恢复正常。两天后再次出现该故障现象，这次再按下该保险，若还是断路，则该保险质量不好，会频繁熔断，其效果很差，应更换质量保证的保险，可恢复一起的正常工作。

针对高频炉不工作的问题再补充一点，首先检查高频部分总保险，发现总保险熔断，更换后一切正常。如果投用一段时间后，又出现同样的现象，则换上新保险再开机观察，做了三四个试样，若发现燃烧观察窗口处有“渍渍”打火声，则停机将炉头全部打开，会发现石英管表面有氧化层，扼流铜圈氧化严重且间距过近。更换一新的石英燃烧管，并用砂纸打磨铜圈表面，去掉氧化层，调节其旋转间距，可排除此故障。

若故障仍存在，就需要对故障一点逐一进行排查：

第一，电子单元的开始高频加热的命令没有收到：

图 2

如图2所示，测量TP9，信号约0.5伏应该转变为高频发生，信号约12伏应该转变为高频停。如果测量结果是12伏，显示屏也显示“GEN”（发生器），则电子单元有毛病。或者是HF41/42板的连接有问题，脚7不牢固。

图3

一旦在显示屏上出现“GEN”字符，或者一旦在TP9上呈现0.5伏，在TP13上应该增加1伏。尽管TP9上有0.5伏，TP13上没有电压增加时，HF41/42板有毛病。更换HF41/42后，要确认那50芯插头完全插入了。再用力推一推50芯插头。50芯插头没有完全插入是一个常常发生的问题。将插头的螺丝上紧，确保和线路板彻底接触。

第二，振荡管的检查。确保电源开关拨到了2挡。检查振荡管灯丝是否点亮：通过炉子的通风孔很容易检查，应该看见加热阴极的炽热的灯丝的反射光。如果看不到灯丝的光，则打开高频发生器的盖板，观察管子。如果振荡管的灯丝不发光，检查加热电压，在变压器次级上应该有交流10伏，原边交流220伏。

检查灯丝是否坏：在灯丝线路测量应该仅仅1欧姆。电阻很高或者电阻没法测量意味着灯丝彻底烧了；需要更换振荡管。拆下振荡管前，将电源开关拨到1挡。最好拔出电源插头，使仪器完全断电。

第三，检查高压变压器的原边电源。在高压变压器的原边应该可以测流量到210伏交流，否则可控硅坏了。

第四，高频振荡管的检查。因为存在高压（5000伏）和高频（19.2MHZ），测量很困难，更重要的是很危险。在高频发生器盖板没有拧紧前，装置应该断电，最好拔下电源插头。应该检查振荡电路中的连接，确保所有的螺丝特别是燃烧线圈上的螺帽拧紧了。电的连接和各个电阻应该用万能表检查。如果2.7KΩ/100W（3）开路，则不会振荡。这些部件，例如：振荡管和整流器，应该一个个更换。

3.2 炉头压力过高

炉头压力指示大于正常值0.08MPa，观察到分析气流量及吹氧流量过低，正常值吹氧流量为2L/min，分析气流量为3～4L/min，首先调节吹氧流量计旋钮，将其流量调节到正常值2L/min，然后打开机盖调节仪器内针阀，使分析气流量调至3～4L/min之间。气路正常后，发现炉头压力又低于正常值0.08MPa，再调节面板稳压阀（定值器2），使炉头压力恢复正常，经标样测试仪器恢复正常。

3.3 高频炉风扇处冒烟异常

先进行气路诊断，观察此时炉头压力低于0.08MPa，燃烧压力低于0.15MPa，分析气流量几乎为零，而且调节旋钮无效。打开炉头，发现石英管破裂，更换后气路基本正常。再调节针阀使分析气流量达到正常值3～4L/min，再调定值器2，使炉头压力达到0.08MPa，调节定值器1使燃烧压力达到0.15MPa，此后仪器全部正常。

3.4 样品升降器无法正常升降分析化学，论坛，化学分析，仪器分析，分析测试。

样品升降器气缸上下有两个进出气口，下气口进气，气缸活塞上升，上气口排气，反之气缸活塞下降。与上下进出气口连接的乳胶管如因老化而破裂漏气，则气缸活塞无法正常工作，更换乳胶管后仪器正常。若非乳胶管破裂，按升降开关不响应，检查后发现升降开关接触不到位，更换开关后，升降正常。

3.5 整体检漏不通过

在清理炉头过程中，易使炉头密封圈沾上灰尘，在重新安装后因密封不严而漏气，卸下炉头，清理密封圈，涂密封脂，安装后整体检漏通过；若检漏过程中压差出现较大负值，则可能炉头排气孔堵塞，用细金属丝将排气孔灰尘清理掉，安装后整体检漏通过。

3.6 金属过滤网粉尘太多

金属过滤网是由两层不锈钢筛网组成，内层筛网孔径非常小，在有效阻挡粉尘的同时也容易堵塞，且内壁极易吸附灰尘。一次在分析结束后，按开关炉头不下来，屏幕提示测量系统粉尘堵塞，卸下金属过滤网，使用超声波，将过滤网放入盛清水的烧杯中，完全浸泡清理5分钟，然后用乙醇溶液完全浸泡清理10分钟，将乙醇溶液回收下次使用，用吹风机热风吹5分钟以上，安装后即可使用。

4 总结

高频燃烧炉是红外碳硫仪的重要组成部分，产生高频磁场的高频振荡管又是高频燃烧炉的重要部分，因此在日常维护中要定时对高频部分进行清洁，同时要保证对仪器的正确操作，以降低设备的故障率。引起高频不燃烧的原因在本文中已一一列举，检测故障点时要先从最可能的地方开始，再逐一排除。做分析用的氧气和氩气也很重要，要保证分析气体的干燥，可以防止分析的拖尾。要定时对炉头清洗，以保证化验顺利进行。

参 考 文 献：

[1]   ELTRA CS-800维修手册.

[2]   奉冬文，等.冶金分析[J]，2002，22（6）：47.