采用O2探頭和Lambda探頭進行碳勢控製的原理和各自優勢之比較

采用O2探頭和Lambda探頭進行碳勢控製的原理和各自優(you) 勢之比較

 前言

氣體(ti) 滲碳在熱處理中仍然起著重要作用。氣氛的溫度和碳勢（C-Potential）是工藝控製的zui重要的參數。時至今日仍然沒有直接測量碳勢的方法能夠用於(yu) 在線工藝控製。爐內(nei) 氣氛的氧分壓測量是碳勢控製zui常用的間接方法。氧探頭有不同的類型。在這篇文章中我們(men) 將著重討論氧探頭構造上的區別以及各自的優(you) 點和缺點。

目前，滲碳工藝已為(wei) 人熟知。除溫度以外zui重要的參數就是碳勢。爐內(nei) 氣氛的碳勢即非合金奧氏體(ti) 的碳含量（以重量百分比表示），該碳含量與(yu) 相應氣氛保持均衡。比如氣氛碳勢為(wei) 0.7%，那麽(me) 奧氏體(ti) 的碳含量即為(wei) 0.7%。如果奧氏體(ti) 碳含量高於(yu) 0.7%，那麽(me) 就應該進行脫碳直至其碳含量降為(wei) 0.7%，反之，如果奧氏體(ti) 碳含量低於(yu) 0.7%，則應該進行滲碳直至其碳含量達到0.7%。另外，溫度也是決(jue) 定特定氣氛碳勢的重要因素。為(wei) 了得到工件表麵的準確滲碳深度，在熱處理工藝中必須對爐內(nei) 氣氛碳勢進行測量和控製。

碳勢間接測量

一般來說，碳勢可以直接測量也可以間接測量。但是直接測量方法不適用於(yu) 碳勢連續測量及控製。不過，在必要的時候，可以使用直接測量對間接測量結果進行檢測和修正。

下述公式就是碳勢間接測量的原理：

這些化學反應既可在爐內(nei) 氣氛中發生，也可在工件表麵發生。化學反應之後，CO釋放出C，而O2, CO2 和 H2O吸收C。如果氣氛碳勢高於(yu) 工件表麵碳含量，CO將C轉移到工件表麵，而O2, CO2 和 H2O吸收氣氛中的C。如果氣氛碳勢低於(yu) 工件表麵碳含量，CO將C轉移到氣氛中，而O2, CO2 和 H2O吸收工件中的C。在這兩(liang) 種情況下，這些化學反應都會(hui) 導致工件表麵碳含量和氣氛碳勢之間的均衡。

這些化學反應活動對於(yu) 計算碳勢也是相當重要的。它取決(jue) 於(yu) 溫度以及溶入奧氏體(ti) 的碳含量。在給定溫度值的前提下，每個(ge) 碳勢都相當於(yu) 化學反應活動的特定值ac（% C,T）。下列方程式表示了化學反應活動之間的。

KO2, KCO2 和 KH2O常數是溫度函數。因此如要計算碳勢，隻需對上述三個(ge) 方程式中的溫度和分壓進行測量。在特定氣氛中，比如吸熱式氣氛（endogas），或者氮甲醇氣氛，p（CO） 和p（H2）的分壓遠遠高於(yu) p（O2）, p（CO2） 和p（H2O）的分壓。當碳勢改變的時候，p（CO） 和p（H2）分壓的百分比變化相對於(yu) p（O2）, p（CO2） 和p（H2O）的百分比變化來說是微不足道的。這就是為(wei) 什麽(me) 在大多數情況下，對碳勢進行計算和控製都隻是把p（CO） 和p（H2）分壓視為(wei) 常數，而隻對O2, CO2 or H2O的分壓和體(ti) 積含量進行測量。

連續測量對於(yu) 過程控製是至關(guan) 重要的。市場上現有的露點傳(chuan) 感器可用於(yu) 水份分壓連續測定，但不足以在滲碳氣氛中進行測量。CO2的測量是通過紅外傳(chuan) 感器連續進行的，這一測量常用於(yu) 比較結果。與(yu) O2測量相比，CO2測量過程明顯緩慢。此外，由於(yu) 零點漂移的作用，二氧化碳傳(chuan) 感器通常需要更高的維修要求。因此，如果使用將CO2測量應用於(yu) 碳勢控製，那麽(me) 就必須每天進行零點校正。這是為(wei) 什麽(me) 越來越多的用戶使用氧探頭進行氧分壓測量來控製碳勢的主要原因。

氧探頭的結構和功能
圖1顯示了氧探頭的主要構造。氧探頭的測量單元是有一個(ge) 一邊封閉的陶瓷探頭組成的。材質是散布氧化釔顆粒的氧化鋯。這些有意而為(wei) 之的晶格缺陷可以激活氧離子熱傳(chuan) 導性。此外，這種晶格缺陷也可以使陶瓷在熱應力和機械應力下保持穩定。陶瓷內(nei) 外都與(yu) 鉑金屬連接。這些就是測量元件的電極。探頭內(nei) 部提供參比氣體(ti) ，大部分是含20,9% 氧氣的空氣。探頭外部與(yu) 爐內(nei) 氣氛直接接觸。由於(yu) 氧離子活性是由溫度決(jue) 定的，因此氧探頭僅(jin) 適用於(yu) 在700°C以上的爐內(nei) 氣氛中進行測量。在鉑電極內(nei) 氧氣減少為(wei) 氧離子。這些氧離子通過陶瓷缺陷遊離到外部電極，從(cong) 而彌補外部較低的氧濃度。根據能斯特方程，電壓是電荷積累的結果，而電壓是可以在電極之間測到的。當測量氣氛中的氧含量減少，那麽(me) 電壓上升。在滲碳工藝中，這意味著電壓與(yu) 碳勢是成正比的。電壓高，則碳勢高；電壓低，則碳勢低。在目前的市場上，主要有三種不同類型的氧探頭。如圖2所示：

圖2

*種是一邊封閉的氧化鋯元件，被粘合或者焊接至氧化鋁陶瓷管。工作原理如上所述，內(nei) 部是參比氣體(ti) ，外部是爐內(nei) 氣氛，氧離子通過陶瓷遊移。

第二種有一個(ge) 氧化鋯球體(ti)

第三種是一種連續的，封閉的，密實的氧化鋯管。

用氧化鋯元素或氧化鋯球體(ti) 的探頭大多比連續氧化鋯管的探頭便宜，但這些探頭密閉性很低。這是由於(yu) 兩(liang) 種不同陶瓷的擴展係數不同而導致的結果。由於(yu) 擴展係數存在差異，兩(liang) 個(ge) 陶瓷的接觸點會(hui) 出現極細微的裂痕。爐內(nei) 氣體(ti) 可以通過這些細微裂痕進入陶瓷探頭並且改變裏麵的參比空氣。如果探頭電壓下降，那麽(me) 計算出來的碳勢比爐內(nei) 碳勢的實際值要低。增加參比空氣的流速可以將這些誤差減小到zui低。

通過氧氣測量及化學平衡方程來計算碳勢，溫度是是相當重要的，表現在兩(liang) 個(ge) 方麵：
首先，需要知道溫度才能測定氧含量（見下述公式（7））。
其次，需要知道溫度才能確定計算碳勢的化學平衡條件（見下述公式（4））。

因此，在爐內(nei) 氣氛中的探頭溫度通常是通過探頭內(nei) 部的熱電偶測得的。

一般我們(men) 推薦帶S型熱電偶的探頭或者不帶熱電偶的探頭。在這種情況下，裝在探頭附近的爐內(nei) 熱電偶可以用來計算碳勢。如果裝K型熱電偶，（主要是與(yu) 氧化鋯元素或氧化鋯球體(ti) 類型），探頭成本會(hui) 較低。其陶瓷設計使其可以使用較細的熱電偶。但由於(yu) 陶瓷裂縫的原因，熱電偶可以接觸到爐內(nei) 氣氛。從(cong) 而使精度降低，使用壽命縮短。因此，K型熱電偶探頭隻在特殊情況下才會(hui) 建議使用。

氧探頭測量的不確定性
在此領域內(nei) 使用氧探頭需注意以下幾點：
1）此種氧探頭直接受到機械應力和熱應力的作用。由於(yu) 陶瓷易碎，因此探頭也會(hui) 相應受到損害。特別是循環風機不平衡會(hui) 降低探頭的使用壽命。因此，應避免將探頭安裝在這些設備附近。此外，由於(yu) 導熱度高，在處理過程中更換氧探頭需要相當長的時間。

2）氧探頭陶瓷中的氣孔和裂痕增加會(hui) 導致參比氣體(ti) 流速增加。因此，如上所述，探頭電壓有可能不是真實數值，除此之外，氧探頭熱電偶的溫度值也有可能出現不真實的情況。

3）清洗劑殘留以及封膠會(hui) 隨著探頭進入爐內(nei) 。這些化學物質在爐內(nei) 蒸發之後會(hui) 沉澱在外部鉑電極。這會(hui) 導致測量結果不準確並且會(hui) 縮短探頭的使用壽命。為(wei) 了將這些清洗劑和封膠的殘留物從(cong) 探頭元件上清除，必須對探頭進行清洗。還有一個(ge) 很重要的問題是外電極被煤煙汙染，尤其是當處理工藝被控製在煤煙極限的時候。電極的熏染同樣導致測量結果不真實不準確。產(chan) 生了一個(ge) 偽(wei) 造的測量了。在這種情況下，隻能用空氣對探頭進行循環吹掃。注意！空氣吹掃的閥門必須安裝在探頭附近。如果使用長管會(hui) 在吹掃之後產(chan) 生很長的停留時間。另外，該閥必須關(guan) 閉好，不應堵塞。

4）如果溫度高於(yu) 1100 ° C，氧化鋯裏麵的電子傳(chuan) 導越來越高，不能再忽略不計[2] [3]。隻有當電子傳(chuan) 導效應得到補償(chang) 的情況下，才能使用氧探頭對高溫脫碳工藝（例如鑄鐵脫碳）進行控製。

5）如果使用鉻鎳鋼作為(wei) 保護管，那麽(me) 可以在顯微鏡下檢測到，靠近氧化鋯頂端的鉻部件很快就在爐內(nei) 熔解消失。煤煙顆粒和氧氣吸附在氣孔表麵。探頭表麵的煙灰會(hui) 導致錯誤的測量結果，並使探頭的反應時間以及吹掃之後的弛豫時間都被延長。

Lambda探頭的構造和功能。
基於(yu) 上述問題，我們(men) 嚐試在爐外放置一個(ge) 相對較小的測氧元件。
將氧傳(chuan) 導的固體(ti) 電解質比如氧化鋯陶瓷，用於(yu) 汽車工業(ye) 的燃燒控製，可使氧探頭體(ti) 積變小，我們(men) 這裏稱之為(wei) Lambda探頭（以下稱：L-probe）。如圖3所示。

圖3

由於(yu) 現在已經可以批量生產(chan) ，因此用戶可以以較低成本擁有堅固耐用的傳(chuan) 感器。Lambda探頭和氧探頭的功能基本相同。不過，本質區別在於(yu) 其結構和測量設定。L-probe的類型也是由一端封閉的管構成的，陶瓷也與(yu) 氧探頭相同。探頭陶瓷的內(nei) 外表麵都覆蓋有微氣孔鉑層。這兩(liang) 個(ge) 鉑層就是測量元件的電極。外部鉑層由高度氣滲型陶瓷層保護。為(wei) 了使氧離子通過陶瓷遊移，L-probe內(nei) 部有一個(ge) 鎳加熱元件可以將陶瓷加熱。由於(yu) PTC特性，探頭可以被快速加熱。 

Lambda探頭的特性

操作Lambda探頭的時候有幾點需要注意。使用Lamda探頭在空氣中測量的時候，顯示電壓不是0mV，而是-8…-15mV。這是因為(wei) 熱電偶的作用。由於(yu) 加熱元件的細微差異，每個(ge) Lambda探頭所受到的加熱是不同的。加熱探頭的時候，供電電壓為(wei) 12V，陶瓷溫度大約在500…600°C之間。為(wei) 了保證得到的測氧結果，以及基於(yu) 此結果進行的碳勢計算，必須考慮到上述因素的影響。

圖5。在工藝條件改變的情況下，Lambda探頭的溫度變化曲線。紫色線表示溫度受控的Lambda探頭，藍色線表示溫度不受控的lamdba探頭。

 為(wei) 使計算準確，對Lamdba探頭的陶瓷溫度進行控製是非常重要的。因此必須消除不同幹擾，比如流量、環境溫度或氣體(ti) 組分的改變。圖5顯示了在工藝條件同等變化的情況下，Lambda探頭分別在受控和不受控時的溫度曲線。在此測試中，如果Lambda探頭不受控，那麽(me) 氣體(ti) 組分和流量變化會(hui) 導致大約40°C的溫度變化。相反，受控的探頭溫度幾乎沒有什麽(me) 改變，並且在很短的時間內(nei) 就能對初始值作出調整。

 因此MESA公司專(zhuan) 門設計製造了新款電源NTV44P（圖6），用於(yu) 控製Lamdba探頭陶瓷溫度使其保持在穩定值。使用該電源，即使氣體(ti) 流速高於(yu) 50l/h也沒有問題。因此，停滯時間（爐內(nei) 氣體(ti) 通過探頭所需的時間）可以大大縮短。對於(yu) 標長720mm的取樣管來說，如果氣體(ti) 流速約20l/h，那麽(me) 停滯時間為(wei) 17秒。如果氣體(ti) 流速為(wei) 60l/h，那麽(me) 停滯時間可以縮短至6秒以下。另外，如果探頭陶瓷溫度受控，而不是使用常壓對探頭加熱的方式，那麽(me) 可以更快達到工作溫度。

 圖6.電源NTV44P

還應指出，對於(yu) 爐內(nei) 確定的氧分壓來說，氧探頭和Lambda探頭給出的電壓信號是不同的。要使用L-probe控製碳勢，可以采用控製器（圖7）通過L-probe電壓及其校正因素來對碳勢進行計算和控製，也可以采用測量變送器（如圖8所示）進行相同計算或者將L-probe信號轉換成氧探頭信號。NTV44P的其中一個(ge) 功能就是就是將L-probe信號轉換為(wei) O2-probe信號。

圖7：碳控儀(yi)

圖8：用於(yu) Lambda探頭的測量變送器

帶Lambda探頭的氣體(ti) 取樣器，用於(yu) 碳勢控製

正確操作Lambda探頭測量爐內(nei) 氣氛，很重要的一點在於(yu) 氣體(ti) 取樣器的結構。取樣器必須能夠跟氧探頭一樣安裝而無需改孔。陶瓷管將爐內(nei) 氣體(ti) 導至爐壁外部。在取樣器的鋼保護管上顯示內(nei) 部陶瓷管的截止部位。鋼保護管的剩餘(yu) 部分可以作為(wei) 冷卻區。通過此構造，可以實現：

a），熱反應氣體(ti) 不與(yu) 鋼管部分直接接觸，溫度下降，並且避免了煙灰汙染。

b），由於(yu) 氣體(ti) 在到達冷卻區之前的充分熱絕緣，從(cong) 而可以阻止另一種平衡狀態中的逆反應。

c），由於(yu) 陶瓷管寬度減小，氣體(ti) 流速相應增大

d），氣體(ti) 在到達爐壁外緣為(wei) 止都是熱絕緣的

e），氣體(ti) 到達爐壁外緣之後，由於(yu) 寬度增加，流速大大降低。

f），當氣體(ti) 進入冷卻區之後會(hui) 發生快速冷卻及再凝現象。因此要阻止平衡狀態下的逆反應。氣體(ti) 的另一種平衡狀態會(hui) 導致碳勢計算不正確，並且會(hui) 導致煙灰汙染取樣管。

L-probe測量是在爐外進行的。大部分L-probe的內(nei) 部溫度大約在550…600°C。這些溫度仍然很高，足以保持氧化鋯的氧離子活動。而對於(yu) 氧探頭來說，較低的溫度就夠了。這是由於(yu) 構造不同所導致的。由於(yu) 測量室內(nei) 溫度已非常低，被測氣體(ti) 不可能再出現逆反應。

Lambda探頭的優(you) 勢

無論是O2探頭還是Lambda探頭，都適用於(yu) 滲碳工藝控製。不過，相對於(yu) O2探頭來說，Lambda探頭有其獨到的優(you) 勢：

a），Lamdba探頭非常耐用，而且適用於(yu) 某些溫度變化或者機械衝(chong) 擊比較大的操作環境，比如汽車中的排氣管。Lambda探頭*不受機械震動的影響。因此，相比O2探頭來說，它可以安裝在更靠近風扇的地方。

b），由於(yu) Lambda探頭安裝在爐外，因此即使在熱處理過程中也可以很便捷的進行更換。

c），相比O2探頭來說，Lambda探頭可以用於(yu) 1600°C以上高溫的熱處理工藝而且不會(hui) 出現信號偏差。不過，對於(yu) 此種高溫測量，冷卻區必須正確設計。

d），基於(yu) 氣體(ti) 取樣器的設計，lambda探頭不與(yu) 爐內(nei) 高溫直接接觸。另外，相比O2探頭，Lambda探頭的陶瓷不受爐內(nei) 溫度變化的影響。這就是Lambda探頭具有比O2探頭更長的使用壽命的根本原因。通過過去二十年在滲碳工藝中采用Lambda探頭的經驗，我們(men) 可以說，在同等工藝條件下，Lambda探頭的使用壽命是O2探頭的兩(liang) 倍。在某些環境中，如果O2探頭直接接觸高熱應力，那麽(me) Lambda探頭的使用壽命甚至是O2探頭的好幾倍。

Lambda探頭還有一個(ge) 顯著的優(you) 勢就是其價(jia) 格。如果使用Lambda探頭替換O2探頭，那麽(me) 初次采購Lambda探頭的價(jia) 格稍微高於(yu) O2探頭，現有的控製器不能通過Lambda探頭信號計算碳勢。因此需要另外購買(mai) 測量變送器或者NTV44P電源。但是，由於(yu) Lambda探頭具有更長的使用壽命，而且之後更換或者維修的成本都相對低得多。

總結

過去二十年使用Lambda探頭的經驗表明這種探頭在碳控方麵表現。當然，O2探頭也是一樣。兩(liang) 種探頭各有千秋。Lambda探頭的顯著優(you) 勢表現在價(jia) 格更低，使用壽命更長。因此，使用Lamdba探頭可以在保持品質不變的前提下節省成本。

注：此文由德國MESA ELECTRONIC GMBH發表，由betway体育官方翻譯整理。如需引用，請注明出處