氧探头工作原理

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1、氧探头工作原理氧探头又称氧化锆浓差电池，它的工作原理（见示意图）是：以高温氧化锆作固体电介质， 在高温下若电介质两侧氧浓度不同时，便形成氧浓差电池。 浓差电池产生的电势与两侧氧浓度有关，如一侧氧浓度固定，即可通过测量浓差电势来测量另一侧的氧含量。氧化锆固体电介质是在氧化锆（ZrO2）中掺入一定数量的氧化钙（CaO ） ， 经高温焙烧而成。在氧化锆电介质的内外壁上用高温烧结（或压紧）的方法附上不易氧化的多孔性（网状）白金电极和电极（丝）引线。 经过上述掺杂和焙烧而成的氧化锆， 其晶型为稳定的立方晶体，晶体中部分四价锆离子被二价钙离子所取代而形成氧离子空穴。由于氧离子空穴的存在，在600-1200

2、高温下 , 这种氧化锆材料就成为对氧离子有良好的传导性的固体电介质。在氧化锆两侧氧浓度不等时,浓度大的一侧的氧原子在该侧的表面电极上结合两个电子形成氧离子（2122OeO）, 然后通过氧化锆材料晶格中的氧离子空穴向氧浓度低的一侧运动 , 当到达低浓度一侧时, 便在该侧电极上释放两个电子并结合成氧分子放出(2122OOe), 于是在高氧侧和低氧侧电极上分别造成正负电荷积累, 产生电势 , 此电势阻碍这种迁移的进一步进行 , 直至达到平衡为止 , 从而形成氧浓差电池。浓差电池产生的电势与两侧氧浓度差有关，称为氧浓差电势。 氧浓差电势 E的计算公式为：224ooPRTLnFP其另外表达方式为2224

3、.96 10lgooPP或 E（mv）=0.0992T1.9950.15CPlgCPlgPCO 816.1 式中 R为气体常数7(8.314360.00038)10/ergmolt） ，F 为法拉第常数 化学制F=96487 10abs c/g equir(绝对库仑 / 克当量 )，物理制 F=96514 10abs c/g equir （绝对库仑 / 克当量） ，T为绝对温度，Po2Po2分别为参比气及炉气中的氧分压。选用空气为参比气 （基准气） 时，Po2=0.2095atm，用 CH4、C3H8或 C4H12为原料气制备吸热性渗碳气氛时的Po2通常为 110-21110-19atm。根据

4、渗碳反应机理及碳势的相关定义：Po2与碳势（ Cp）之间的关系为 CA（Wt）=3 1/2 521COcOkPkP。可见, 若气氛中 Pco 恒定, 则 CA与Po2之间便有确定关系。上式中的K3和 K5分别为渗碳反应： 2CO【C】+CO2（g）与gCOgOgCO2221的平衡常数， c 为碳在奥氏体中的活度系数亦即奥氏体的碳活度， 是一个直接与含碳量有关的系数，其值为平衡时奥氏体的实际含碳量与该温度下的饱和含碳量之比（例如，900渗碳时，根据 Fe-C平衡相图，饱和含碳量为1.33，若奥氏体实际含碳量为 1.0 ，则c=0.752） 。当奥氏体达到饱和时，活度值等于1。由定义可知，炉气的碳

5、势就是平衡状态下碳素钢箔片的实际含碳量。根据南昌航空工业学院黄亲国先生以甲醇一丙酮为渗剂建立的炉气碳势模型，CA=8.35810-4+( 3026.713+5.911E)/T 根据斯密思（ Smith） 、班一伊（ Ban-ya）作出的推导 , 3 1010 50.45772360191.550.50.0992AACEkLogLogCTPcokT考虑到合金元素的影响，根据纽门 （Neumann ）和珀森（Person）所提出的数据，修正CA值。 （修正系数的对数值Lg=0.005Si-0.013Mn-0.040Cr+0.014Ni -0.013Mo）参考文献：1. 定正昆钢铁热处理北京：机械工

6、业出版社，1985，P259-2632. 陆景贤金属学北京：机械工业出版社，1984，P1053 英.A.D.Tullett等用于热处理的计算机 国外热处理上海：上海科学技术出版社，1980，P1784 德.C.H.Luiten等. 可控气氛、真空热处理设备和工艺发展国外热处理上海 :上海科学技术文献出版社,1980,P180-1815陈特夫测温仪表与感应加热装置北京：机械工业出版社，1985，P180-1816黄亲国利用氧探头控制炉气碳势的数学模型金属热处理，1996，No.127陈仁悟等化学热处理原理北京：机械工业出版社，1988，P179-1808金荣植采用氧探头精确控制碳势的方法热处理

7、技术与装备，2006，No.4氧探头在可控气氛加热炉中使用的要点及常见故障1在可控气氛加热炉中氧探头的使用要点（1）氧探头属于一种高精度、高灵敏感的传感仪器，其核心元件氧化锆头是球状或管状结构陶瓷件，很容易受冲击破碎。 在新的氧探头使用之前，应仔细检查氧探头是否受过碰撞， 氧探头是否有弯曲，氧探头外管有无裂纹， 探头部位氧化锆是否有裂纹或破裂、或有陶瓷状碎片；轻轻摇动氧探头，听听氧探头内部是否有响声。如有响声，可能是氧探头的氧化锆头已经破裂。（2）氧探头在安装时要注意安装位置须插入炉膛50100mm ，安装在炉气较稳定的区域内。不要靠近各种渗剂的滴注口、风扇附近；不要安装在炉内口、角落、 振动

8、大的的部位。如安装在井式炉炉盖等处时，应在氧探头前端加保护套并注意气氛流通良好。（3）注意氧探头安装座与炉壳保持良好的密封性，不要漏气。氧探头联线使用屏蔽信号线，屏蔽不要接地，注意接线的正负极，最好屏蔽信号线单独走线，防止信号干扰。（4）氧探头最好在室温装入炉内，随炉升温到使用温度，避免急冷、急热。安装时注意轻拿轻放。如遇特殊情况，在高温状态下需要拔出或插入氧探头时，拔出或插入速度控制在30mm/min以内，并且在氧探头拔出加热炉时，应停供可燃气氛，降低炉压，以避免高温氧探头拔出引燃气氛被火苗烫伤。（5）初次使用氧探头，需对氧探头进行预渗碳824h，建议不要在新炉刚开始预渗碳时就安装氧探头。因

9、为在新炉预渗碳时， 炉中可能还存在较多水分等杂质， 气氛不稳定， 会对氧探头的使用造成不良影响；一般在新加热炉烘炉结束， 用甲醇预渗碳 24h 以上再安装氧探头较好。（6）氧探头上的参比气管、烧炭空气管安装位置要正确，不能接反。确认参比气管、烧炭气管接头、电磁阀、流量计等密封良好，不漏气。氧探头使用的参比气、烧炭空气应保证纯洁无杂质，尽可能选用微量空气泵，在微量空气泵出气端加空气过滤装置。（7）正确设定氧探头的参比气、烧炭空气流量、烧炭时间、烧炭周期、烧炭时碳势保持时间等参数。（8）根据气氛种类选择适当的CO比率（如标准的氮甲醇气氛CO比率为 20，滴注式气氛 CO比率为 33.3） ，不同厂

10、家的氧探头对应有不同的CO双率、碳势、氧探头毫伏值以及相应的对照表。通过多次定碳，修正炉气实际碳势。在修正炉气实际碳势时，注意不要简单根据测量结果，直接偏移氧探头毫伏值或改变CO比率等修正。尤其是新渗碳设备，炉膛气氛渗入耐火材料， 达到饱和状态有个过程，实际控制碳势会略低于设定值。 一般渗碳设备需连续运行15 天以上，耐火材料方达到气氛饱和状态。建议在气氛达到饱和状态后，再做碳势的最终修正。（9）氧探头有效测量范围，应选择在气氛温度750以上，在许多碳控仪中有测量起始温度的选择。起始温度过低， 对碳势的控制已经失去实际意义。（10）注意氧探头烧炭时的烧炭时间和碳势的变化情况，一般在正常运行工艺

11、中可设置固定周期烧炭，时间在38h。也可以选择在工艺结束后，每次自动烧炭；观察烧炭时的碳势是否下降很快，是否能下降到0.01左右。如果自动烧炭时，碳势下降很慢，可能是氧探头上积炭较多，可增加一到两次手动烧炭。（11）定期用定碳片检查校正炉内碳势，正常情况下每周进行一次。一般氧探头在使用一段时间后，所测量的毫伏值会衰减，可按定碳片检查结果进行补偿。正常使用三个月左右，在820以上，检查阻抗值，通常在 0.1 50k。2氧探头常见故障及处理（1）在可控气氛加热炉中，要首先确认设备本身是否存在影响碳势控制的因素。要检查、 排除了其他因素后，再来确认氧探头是否存在故障。（2）氧探头测量的毫伏值偏高。观

12、察碳势记录曲线是否正常，正常的碳势记录曲线是锯齿状波动曲线，在碳势达到设定控制要求稳定受控时，富化气通入量基本稳定。可能是周期烧炭时，空气通入量不足，氧探头积炭较多， 影响碳势的测量。 处理方法是手动烧炭一次，时间控制在 1min 之内，使碳势降到 0.01以下。若未降到 0.01以下，可再手动烧炭一次。但切忌反复多次烧炭，因为过多的手动烧炭会缩短氧探头的使用寿命，甚至会直接烧坏氧探头。（3）氧探头测量的毫伏值偏低或不变。A 先检查可控气氛加热炉是否漏气，包括各种密封门、接头是否密封良好；B通向炉内的管路、阀门等是否通畅； C各种气体的流量是否正常；D 炉内压力是否在正常范围、是否稳定； E观

13、察废气排放火焰是否稳定、颜色是否正常等；F循环水是否泄漏到炉膛中； G气氛中是否有氧化性气氛进入；H富化气、载气中水等氧化性杂质含量是否超标，工艺氮气、氨气等的纯度是否符合要求； I 氧探头的安装位置是否正确；J 检查氧探头的阻抗，在 820以上，检查阻抗值，通常在0.150 k;K 电极短路检查，氧探头被短路 15S，测量恢复到原来的毫伏值读数的99所需的时间，如果超过60s，说明氧探头灵敏度有问题。（4）氧探头测量的毫伏值波动较大。A 富化气、载气流量不稳定造成炉内气氛不稳定； B可控气氛加热炉密封不好，存在泄漏现象；C氧探头氧化锆探头损坏。 关闭参比气流量后观察氧探头毫伏值变化，正常情况下，氧探头毫伏值下降不超过5mv 。如果在关闭或打开参比气时， 氧探头毫伏值变化很快， 基本上可以断定氧化锆探头已经损坏。摘自 热处理 （2007， No 5）氧探头的 PID 的数值应该是三个数值， 即：比例（P） ，积分（I） ，微分（D） ，氧探头的数值（ P=2.5，I=:10，D=5）一般是不会变动的，其调整的原则是：如果碳势长时间在一个方向偏离（偏低或偏高），可以适当减小 I 的参数；反之，当长时间在设定值上下大幅度震荡而久久不能稳定在设定值范围的0.05%的范围时，可加大I 的值。 P和 D 的参数一般不动，否则会造成失控。