采用O2探頭和Lambda探頭進(jìn)行碳勢(shì)控制的原理和各自優(yōu)勢(shì)之比較

 前言

氣體滲碳在熱處理中仍然起著重要作用。氣氛的溫度和碳勢(shì)（C-Potential）是工藝控制的zui重要的參數(shù)。時(shí)至今日仍然沒有直接測(cè)量碳勢(shì)的方法能夠用于在線工藝控制。爐內(nèi)氣氛的氧分壓測(cè)量是碳勢(shì)控制zui常用的間接方法。氧探頭有不同的類型。在這篇文章中我們將著重討論氧探頭構(gòu)造上的區(qū)別以及各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

目前，滲碳工藝已為人熟知。除溫度以外zui重要的參數(shù)就是碳勢(shì)。爐內(nèi)氣氛的碳勢(shì)即非合金奧氏體的碳含量（以重量百分比表示），該碳含量與相應(yīng)氣氛保持均衡。比如氣氛碳勢(shì)為0.7%，那么奧氏體的碳含量即為0.7%。如果奧氏體碳含量高于0.7%，那么就應(yīng)該進(jìn)行脫碳直至其碳含量降為0.7%，反之，如果奧氏體碳含量低于0.7%，則應(yīng)該進(jìn)行滲碳直至其碳含量達(dá)到0.7%。另外，溫度也是決定特定氣氛碳勢(shì)的重要因素。為了得到工件表面的準(zhǔn)確滲碳深度，在熱處理工藝中必須對(duì)爐內(nèi)氣氛碳勢(shì)進(jìn)行測(cè)量和控制。

碳勢(shì)間接測(cè)量

一般來說，碳勢(shì)可以直接測(cè)量也可以間接測(cè)量。但是直接測(cè)量方法不適用于碳勢(shì)連續(xù)測(cè)量及控制。不過，在必要的時(shí)候，可以使用直接測(cè)量對(duì)間接測(cè)量結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)和修正。

下述公式就是碳勢(shì)間接測(cè)量的原理：

這些化學(xué)反應(yīng)既可在爐內(nèi)氣氛中發(fā)生，也可在工件表面發(fā)生。化學(xué)反應(yīng)之后，CO釋放出C，而O2, CO2 和 H2O吸收C。如果氣氛碳勢(shì)高于工件表面碳含量，CO將C轉(zhuǎn)移到工件表面，而O2, CO2 和 H2O吸收氣氛中的C。如果氣氛碳勢(shì)低于工件表面碳含量，CO將C轉(zhuǎn)移到氣氛中，而O2, CO2 和 H2O吸收工件中的C。在這兩種情況下，這些化學(xué)反應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致工件表面碳含量和氣氛碳勢(shì)之間的均衡。

這些化學(xué)反應(yīng)活動(dòng)對(duì)于計(jì)算碳勢(shì)也是相當(dāng)重要的。它取決于溫度以及溶入奧氏體的碳含量。在給定溫度值的前提下，每個(gè)碳勢(shì)都相當(dāng)于化學(xué)反應(yīng)活動(dòng)的特定值ac（% C,T）。下列方程式表示了化學(xué)反應(yīng)活動(dòng)之間的。

KO2, KCO2 和 KH2O常數(shù)是溫度函數(shù)。因此如要計(jì)算碳勢(shì)，只需對(duì)上述三個(gè)方程式中的溫度和分壓進(jìn)行測(cè)量。在特定氣氛中，比如吸熱式氣氛（endogas），或者氮甲醇?xì)夥眨琾（CO） 和p（H2）的分壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于p（O2）, p（CO2） 和p（H2O）的分壓。當(dāng)碳勢(shì)改變的時(shí)候，p（CO） 和p（H2）分壓的百分比變化相對(duì)于p（O2）, p（CO2） 和p（H2O）的百分比變化來說是微不足道的。這就是為什么在大多數(shù)情況下，對(duì)碳勢(shì)進(jìn)行計(jì)算和控制都只是把p（CO） 和p（H2）分壓視為常數(shù)，而只對(duì)O2, CO2 or H2O的分壓和體積含量進(jìn)行測(cè)量。

連續(xù)測(cè)量對(duì)于過程控制是至關(guān)重要的。市場(chǎng)上現(xiàn)有的露點(diǎn)傳感器可用于水份分壓連續(xù)測(cè)定，但不足以在滲碳?xì)夥罩羞M(jìn)行測(cè)量。CO2的測(cè)量是通過紅外傳感器連續(xù)進(jìn)行的，這一測(cè)量常用于比較結(jié)果。與O2測(cè)量相比，CO2測(cè)量過程明顯緩慢。此外，由于零點(diǎn)漂移的作用，二氧化碳傳感器通常需要更高的維修要求。因此，如果使用將CO2測(cè)量應(yīng)用于碳勢(shì)控制，那么就必須每天進(jìn)行零點(diǎn)校正。這是為什么越來越多的用戶使用氧探頭進(jìn)行氧分壓測(cè)量來控制碳勢(shì)的主要原因。

氧探頭的結(jié)構(gòu)和功能
圖1顯示了氧探頭的主要構(gòu)造。氧探頭的測(cè)量單元是有一個(gè)一邊封閉的陶瓷探頭組成的。材質(zhì)是散布氧化釔顆粒的氧化鋯。這些有意而為之的晶格缺陷可以激活氧離子熱傳導(dǎo)性。此外，這種晶格缺陷也可以使陶瓷在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力下保持穩(wěn)定。陶瓷內(nèi)外都與鉑金屬連接。這些就是測(cè)量元件的電極。探頭內(nèi)部提供參比氣體，大部分是含20,9% 氧氣的空氣。探頭外部與爐內(nèi)氣氛直接接觸。由于氧離子活性是由溫度決定的，因此氧探頭僅適用于在700°C以上的爐內(nèi)氣氛中進(jìn)行測(cè)量。在鉑電極內(nèi)氧氣減少為氧離子。這些氧離子通過陶瓷缺陷游離到外部電極，從而彌補(bǔ)外部較低的氧濃度。根據(jù)能斯特方程，電壓是電荷積累的結(jié)果，而電壓是可以在電極之間測(cè)到的。當(dāng)測(cè)量氣氛中的氧含量減少，那么電壓上升。在滲碳工藝中，這意味著電壓與碳勢(shì)是成正比的。電壓高，則碳勢(shì)高；電壓低，則碳勢(shì)低。在目前的市場(chǎng)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(nèi)部是參比氣體，外部是爐內(nèi)氣氛，氧離子通過陶瓷游移。

第二種有一個(gè)氧化鋯球體

第三種是一種連續(xù)的，封閉的，密實(shí)的氧化鋯管。

用氧化鋯元素或氧化鋯球體的探頭大多比連續(xù)氧化鋯管的探頭便宜，但這些探頭密閉性很低。這是由于兩種不同陶瓷的擴(kuò)展系數(shù)不同而導(dǎo)致的結(jié)果。由于擴(kuò)展系數(shù)存在差異，兩個(gè)陶瓷的接觸點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)極細(xì)微的裂痕。爐內(nèi)氣體可以通過這些細(xì)微裂痕進(jìn)入陶瓷探頭并且改變里面的參比空氣。如果探頭電壓下降，那么計(jì)算出來的碳勢(shì)比爐內(nèi)碳勢(shì)的實(shí)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(cè)量及化學(xué)平衡方程來計(jì)算碳勢(shì)，溫度是是相當(dāng)重要的，表現(xiàn)在兩個(gè)方面：
首先，需要知道溫度才能測(cè)定氧含量（見下述公式（7））。
其次，需要知道溫度才能確定計(jì)算碳勢(shì)的化學(xué)平衡條件（見下述公式（4））。

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

一般我們推薦帶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(nèi)熱電偶可以用來計(jì)算碳勢(shì)。如果裝K型熱電偶，（主要是與氧化鋯元素或氧化鋯球體類型），探頭成本會(huì)較低。其陶瓷設(shè)計(jì)使其可以使用較細(xì)的熱電偶。但由于陶瓷裂縫的原因，熱電偶可以接觸到爐內(nèi)氣氛。從而使精度降低，使用壽命縮短。因此，K型熱電偶探頭只在特殊情況下才會(huì)建議使用。

氧探頭測(cè)量的不確定性
在此領(lǐng)域內(nèi)使用氧探頭需注意以下幾點(diǎn)：
1）此種氧探頭直接受到機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用。由于陶瓷易碎，因此探頭也會(huì)相應(yīng)受到損害。特別是循環(huán)風(fēng)機(jī)不平衡會(huì)降低探頭的使用壽命。因此，應(yīng)避免將探頭安裝在這些設(shè)備附近。此外，由于導(dǎo)熱度高，在處理過程中更換氧探頭需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

2）氧探頭陶瓷中的氣孔和裂痕增加會(huì)導(dǎo)致參比氣體流速增加。因此，如上所述，探頭電壓有可能不是真實(shí)數(shù)值，除此之外，氧探頭熱電偶的溫度值也有可能出現(xiàn)不真實(shí)的情況。

3）清洗劑殘留以及封膠會(huì)隨著探頭進(jìn)入爐內(nèi)。這些化學(xué)物質(zhì)在爐內(nèi)蒸發(fā)之后會(huì)沉淀在外部鉑電極。這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確并且會(huì)縮短探頭的使用壽命。為了將這些清洗劑和封膠的殘留物從探頭元件上清除，必須對(duì)探頭進(jìn)行清洗。還有一個(gè)很重要的問題是外電極被煤煙污染，尤其是當(dāng)處理工藝被控制在煤煙極限的時(shí)候。電極的熏染同樣導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不真實(shí)不準(zhǔn)確。產(chǎn)生了一個(gè)偽造的測(cè)量了。在這種情況下，只能用空氣對(duì)探頭進(jìn)行循環(huán)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(zhǎng)管會(huì)在吹掃之后產(chǎn)生很長(zhǎng)的停留時(shí)間。另外，該閥必須關(guān)閉好，不應(yīng)堵塞。

4）如果溫度高于1100 ° C，氧化鋯里面的電子傳導(dǎo)越來越高，不能再忽略不計(jì)[2] [3]。只有當(dāng)電子傳導(dǎo)效應(yīng)得到補(bǔ)償?shù)那闆r下，才能使用氧探頭對(duì)高溫脫碳工藝（例如鑄鐵脫碳）進(jìn)行控制。

5）如果使用鉻鎳鋼作為保護(hù)管，那么可以在顯微鏡下檢測(cè)到，靠近氧化鋯頂端的鉻部件很快就在爐內(nèi)熔解消失。煤煙顆粒和氧氣吸附在氣孔表面。探頭表面的煙灰會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果，并使探頭的反應(yīng)時(shí)間以及吹掃之后的弛豫時(shí)間都被延長(zhǎng)。

Lambda探頭的構(gòu)造和功能。
基于上述問題，我們嘗試在爐外放置一個(gè)相對(duì)較小的測(cè)氧元件。
將氧傳導(dǎo)的固體電解質(zhì)比如氧化鋯陶瓷，用于汽車工業(yè)的燃燒控制，可使氧探頭體積變小，我們這里稱之為L(zhǎng)ambda探頭（以下稱：L-probe）。如圖3所示。

圖3

由于現(xiàn)在已經(jīng)可以批量生產(chǎn)，因此用戶可以以較低成本擁有堅(jiān)固耐用的傳感器。Lambda探頭和氧探頭的功能基本相同。不過，本質(zhì)區(qū)別在于其結(jié)構(gòu)和測(cè)量設(shè)定。L-probe的類型也是由一端封閉的管構(gòu)成的，陶瓷也與氧探頭相同。探頭陶瓷的內(nèi)外表面都覆蓋有微氣孔鉑層。這兩個(gè)鉑層就是測(cè)量元件的電極。外部鉑層由高度氣滲型陶瓷層保護(hù)。為了使氧離子通過陶瓷游移，L-probe內(nèi)部有一個(gè)鎳加熱元件可以將陶瓷加熱。由于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(shí)候有幾點(diǎn)需要注意。使用Lamda探頭在空氣中測(cè)量的時(shí)候，顯示電壓不是0mV，而是-8…-15mV。這是因?yàn)闊犭娕嫉淖饔谩Ｓ捎诩訜嵩募?xì)微差異，每個(gè)Lambda探頭所受到的加熱是不同的。加熱探頭的時(shí)候，供電電壓為12V，陶瓷溫度大約在500…600°C之間。為了保證得到的測(cè)氧結(jié)果，以及基于此結(jié)果進(jìn)行的碳勢(shì)計(jì)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(lán)色線表示溫度不受控的lamdba探頭。

 為使計(jì)算準(zhǔn)確，對(duì)Lamdba探頭的陶瓷溫度進(jìn)行控制是非常重要的。因此必須消除不同干擾，比如流量、環(huán)境溫度或氣體組分的改變。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(shí)的溫度曲線。在此測(cè)試中，如果Lambda探頭不受控，那么氣體組分和流量變化會(huì)導(dǎo)致大約40°C的溫度變化。相反，受控的探頭溫度幾乎沒有什么改變，并且在很短的時(shí)間內(nèi)就能對(duì)初始值作出調(diào)整。

 因此MESA公司專門設(shè)計(jì)制造了新款電源NTV44P（圖6），用于控制Lamdba探頭陶瓷溫度使其保持在穩(wěn)定值。使用該電源，即使氣體流速高于50l/h也沒有問題。因此，停滯時(shí)間（爐內(nèi)氣體通過探頭所需的時(shí)間）可以大大縮短。對(duì)于標(biāo)長(zhǎng)720mm的取樣管來說，如果氣體流速約20l/h，那么停滯時(shí)間為17秒。如果氣體流速為60l/h，那么停滯時(shí)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(duì)探頭加熱的方式，那么可以更快達(dá)到工作溫度。

 圖6.電源NTV44P

還應(yīng)指出，對(duì)于爐內(nèi)確定的氧分壓來說，氧探頭和Lambda探頭給出的電壓信號(hào)是不同的。要使用L-probe控制碳勢(shì)，可以采用控制器（圖7）通過L-probe電壓及其校正因素來對(duì)碳勢(shì)進(jìn)行計(jì)算和控制，也可以采用測(cè)量變送器（如圖8所示）進(jìn)行相同計(jì)算或者將L-probe信號(hào)轉(zhuǎn)換成氧探頭信號(hào)。NTV44P的其中一個(gè)功能就是就是將L-probe信號(hào)轉(zhuǎn)換為O2-probe信號(hào)。

圖7：碳控儀

圖8：用于Lambda探頭的測(cè)量變送器

帶Lambda探頭的氣體取樣器，用于碳勢(shì)控制

正確操作Lambda探頭測(cè)量爐內(nèi)氣氛，很重要的一點(diǎn)在于氣體取樣器的結(jié)構(gòu)。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(nèi)氣體導(dǎo)至爐壁外部。在取樣器的鋼保護(hù)管上顯示內(nèi)部陶瓷管的截止部位。鋼保護(hù)管的剩余部分可以作為冷卻區(qū)。通過此構(gòu)造，可以實(shí)現(xiàn)：

a），熱反應(yīng)氣體不與鋼管部分直接接觸，溫度下降，并且避免了煙灰污染。

b），由于氣體在到達(dá)冷卻區(qū)之前的充分熱絕緣，從而可以阻止另一種平衡狀態(tài)中的逆反應(yīng)。

c），由于陶瓷管寬度減小，氣體流速相應(yīng)增大

d），氣體在到達(dá)爐壁外緣為止都是熱絕緣的

e），氣體到達(dá)爐壁外緣之后，由于寬度增加，流速大大降低。

f），當(dāng)氣體進(jìn)入冷卻區(qū)之后會(huì)發(fā)生快速冷卻及再凝現(xiàn)象。因此要阻止平衡狀態(tài)下的逆反應(yīng)。氣體的另一種平衡狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致碳勢(shì)計(jì)算不正確，并且會(huì)導(dǎo)致煙灰污染取樣管。

L-probe測(cè)量是在爐外進(jìn)行的。大部分L-probe的內(nèi)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(dòng)。而對(duì)于氧探頭來說，較低的溫度就夠了。這是由于構(gòu)造不同所導(dǎo)致的。由于測(cè)量室內(nèi)溫度已非常低，被測(cè)氣體不可能再出現(xiàn)逆反應(yīng)。

Lambda探頭的優(yōu)勢(shì)

無論是O2探頭還是Lambda探頭，都適用于滲碳工藝控制。不過，相對(duì)于O2探頭來說，Lambda探頭有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)：

a），Lamdba探頭非常耐用，而且適用于某些溫度變化或者機(jī)械沖擊比較大的操作環(huán)境，比如汽車中的排氣管。Lambda探頭*不受機(jī)械震動(dòng)的影響。因此，相比O2探頭來說，它可以安裝在更靠近風(fēng)扇的地方。

b），由于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(jìn)行更換。

c），相比O2探頭來說，Lambda探頭可以用于1600°C以上高溫的熱處理工藝而且不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)偏差。不過，對(duì)于此種高溫測(cè)量，冷卻區(qū)必須正確設(shè)計(jì)。

d），基于氣體取樣器的設(shè)計(jì)，lambda探頭不與爐內(nèi)高溫直接接觸。另外，相比O2探頭，Lambda探頭的陶瓷不受爐內(nèi)溫度變化的影響。這就是Lambda探頭具有比O2探頭更長(zhǎng)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(jīng)驗(yàn)，我們可以說，在同等工藝條件下，Lambda探頭的使用壽命是O2探頭的兩倍。在某些環(huán)境中，如果O2探頭直接接觸高熱應(yīng)力，那么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(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)就是其價(jià)格。如果使用Lambda探頭替換O2探頭，那么初次采購(gòu)Lambda探頭的價(jià)格稍微高于O2探頭，現(xiàn)有的控制器不能通過Lambda探頭信號(hào)計(jì)算碳勢(shì)。因此需要另外購(gòu)買測(cè)量變送器或者NTV44P電源。但是，由于Lambda探頭具有更長(zhǎng)的使用壽命，而且之后更換或者維修的成本都相對(duì)低得多。

總結(jié)

過去二十年使用Lambda探頭的經(jīng)驗(yàn)表明這種探頭在碳控方面表現(xiàn)。當(dāng)然，O2探頭也是一樣。兩種探頭各有千秋。Lambda探頭的顯著優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在價(jià)格更低，使用壽命更長(zhǎng)。因此，使用Lamdba探頭可以在保持品質(zhì)不變的前提下節(jié)省成本。

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