氧探頭的工作原理及使用與維護

陸柯杰

威睿電動汽車技術(寧波)有限公司 浙江寧波 315336

1 氧探頭工作原理

為監控熱處理可控氣氛而開發的氧探頭又稱氧化鋯濃差電池，它是以高溫氧化鋯作固體電介質，在高溫下電介質兩側氧濃度不同時，形成氧濃差電池，氧探頭內部結構如圖1所示。濃差電池產生的電勢與兩側氧濃度有關，如一側氧濃度固定，即可通過測量濃差電勢來測量另一側的氧含量，輸出氧電勢。

圖1 氧探頭內部結構

嚴格來講，氧探頭不能測量碳含量，而是只能輸出電壓的氧傳感器。因為氧勢與碳勢之間存在線性關系，所以可以通過一個數學式計算出爐內的碳勢，進而達到控制碳勢的目的。碳勢計算式為

式中Φ——函數；

EC——氧探頭輸出的毫伏值（mV）；

CO—— 一氧化碳含量（質量分數，%）；

TR——絕對溫度（K）。

從上式可看出，影響碳勢的三個可變量為氧勢、一氧化碳含量和溫度。

2 氧探頭的安裝

在水平安裝氧探頭的情況下，探頭插入爐膛的距離控制在50～100mm，如圖2所示。超過100mm時，不僅探頭在高溫下會下垂變形，導致氧化鋯破裂，而且需要在外面加裝瓷套管。反之，插入較淺時，會使氣氛交換不良，影響測量精度。把氧探頭插入爐膛時，氧碳頭測量端面至爐膛外殼深度100mm以內可以快速插入，繼續插入要以 ＜50mm/min的速度，以防熱沖擊導致氧化鋯開裂[1]。

圖2 氧探頭安裝

氧探頭的測量點要求能正確反映爐內氣氛和溫度，以保證傳感器輸出信號的真實性，避開回風死角。測量點不可靠近滲劑入口，應位于滴注孔的上風位置，特別是采用滴注式氣氛時，否則會造成碳勢傳感器失真或波動，且容易在碳勢傳感器表面形成炭黑，影響氧探頭壽命。另外，也不要過于靠近攪拌風扇，以免因風扇振動和氣流沖刷而影響氧探頭壽命。

參比氣應是干凈和干燥的，若參比氣中含水，則會影響內外電極的絕緣電阻，使傳感器氧勢測量值偏低，使產品增碳。

3 氧探頭的使用

3.1 氧探頭的使用溫度

氧探頭的工作溫度一般為800～1093℃，在這個溫度范圍內，氧勢與溫度呈線性關系。

3.2 熱處理時產品表面狀況

若產品表面有低熔點金屬，如鍍鋅件，在調質工藝溫度下，鋅蒸發并迅速地使氧探頭外部電極品質下降，氧探頭的壽命將大大縮短，并影響測量精度。另外，零件表面油污、油漆、污垢和其他臟物需要清潔，通常用工業清洗劑或10%的碳酸鈉水溶液、汽油、四氯化碳等作為清洗介質除油[2]。

3.3 氧探頭的積炭

氧探頭的炭黑污染和氣氛的滲碳都會使探頭的毫伏電壓產生誤差。氧探頭的氧化鋯在高溫工作爐內，如有積炭時，會使氧探頭附近的氧含量減少。此時氧探頭反映的是附近的氣氛，而沒有反映實際的氣氛，碳控儀自動控制下的富化氣減少，以至爐內實際碳勢下降，這就需要定期燒炭維護。

3.4 預防對氧探頭的碰撞

在網帶爐正常運行過程中，由于網帶會偏移，從而觸發偏移報警，因此若不及時處理，則網帶上的產品可能會與氧探頭刮擦，損壞氧探頭。圖3所示為折彎的氧探頭網帶爐網帶產生偏移，刮擦氧探頭后發現碳勢異常，而從爐膛取出時又發生二次折彎。

圖3 折彎的氧探頭

4 氧探頭的維護

氧探頭的積炭會加快氧化鋯的劣化，影響測量精度。為去除積炭，一般設備具有自動燒炭裝置。自動燒炭裝置應控制好空氣流量，參考流量為4.7～7L/min，避免流量過大使氧探頭的溫度升高超過38℃。燒炭后氧勢值應降低至800mV以下，最好是200mV以下，燒炭持續時間以90～120s為宜，批處理爐可以在生產前或生產后進行，連續爐可以按每6～12h一次的頻率進行。如果碳勢設定較高，比如1%以上，則需要增加燒炭次數。

5 常見故障排查

在故障排查過程中，首先要確認外部條件是否符合要求。在未確定氧探頭故障的情況下，不要試圖把氧探頭從爐內取出。

5.1 常見故障

常見故障見表1。

表1 常見故障

5.2 CO系數

碳控儀的CO系數設定值是否正常，CO系數應根據氣氛種類和氧探頭的壽命設定，配合使用三氣分析儀、定碳片等進行修正。

5.3 儀表設置

儀表測量的氧勢值和溫度信號是否與萬用表測量的值一致，如果不一致，儀表就需要調整。

5.4 氧探頭的阻值

843℃溫度下氧探頭的內阻應＜50kΩ。當內阻超過25kΩ時，應該加強監控。內阻測量可使用一根超過50kΩ的已知電阻，電阻值為RS，氧探頭接線端內未接入電阻前測量氧探頭毫伏值EC，如圖4所示。接入電阻后測量氧探頭毫伏值EM，如圖5所示。

圖4 EC測量

圖5 EM測量

按下式計算出氧探頭電阻RP，即

如內阻超過50kΩ，建議對氧探頭進行燒炭，然后重復檢測。內阻超過50kΩ時，說明氧探頭的電極已經衰減到需要維修或更換的程度。

5.5 靈敏度檢測

使用一根導線，連接氧探頭毫伏輸出接口，連接前記錄毫伏值，連接5s后觀察毫伏值是否能在20s內恢復到連接前的99%，如不能，則對氧探頭進行燒炭，然后重復檢測。

5.6 氧化鋯泄漏檢測

關閉參比氣1min，記錄氧探頭氧勢毫伏值，打開參比氣，再記錄氧探頭氧勢毫伏值，如果這兩個值差在25mV以上，說明氧化鋯已開裂。

5.7 參比氣、燒炭空氣管道漏氣

參比氣、燒炭空氣管道如果漏氣，將使空氣無法到達氧探頭前端。對此可將氧探頭上的氣管卸下，用手堵住管子的一端，檢查流量計上的浮標，如果下降，可以判定為不漏氣；如果不下降，說明管道上有漏氣。

對氧探頭的阻值和靈敏度進行檢測時，若在氧探頭燒炭后仍不能改善，則需要對爐子進行全面燒炭，把炭黑等雜質從爐內去除。爐子燒炭溫度應在1093℃以內，以免對氧探頭造成損壞。

6 結束語

氧探頭和碳控儀在熱處理可控氣氛中進行碳勢控制，具有高精度（±1%）、快速反應（0.5～2s），以及能直接與被測氣氛接觸的特點[3]，提高了過程質量，使熱處理產品質量上了一個臺階。氧探頭在熱處理行業的技術應用和所起的作用，也越來越被業內人士所認可。