采用O2探頭和Lambda探頭進行碳勢控制的原理和各自優勢之比較

 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（C-Potential）是工藝控制的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于在線工藝控制。爐內氣氛的氧分壓測量是碳勢控制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造上的區別以及各自的優點和缺點。

目前，滲碳工藝已為人熟知。除溫度以外zui重要的參數就是碳勢。爐內氣氛的碳勢即非合金奧氏體的碳含量（以重量百分比表示），該碳含量與相應氣氛保持均衡。比如氣氛碳勢為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%，那么就應該進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%，則應該進行滲碳直至其碳含量達到0.7%。另外，溫度也是決定特定氣氛碳勢的重要因素。為了得到工件表面的準確滲碳深度，在熱處理工藝中必須對爐內氣氛碳勢進行測量和控制。

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于碳勢連續測量及控制。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氣氛中發生，也可在工件表面發生。化學反應之后，CO釋放出C，而O2, CO2 和 H2O吸收C。如果氣氛碳勢高于工件表面碳含量，CO將C轉移到工件表面，而O2, CO2 和 H2O吸收氣氛中的C。如果氣氛碳勢低于工件表面碳含量，CO將C轉移到氣氛中，而O2, CO2 和 H2O吸收工件中的C。在這兩種情況下，這些化學反應都會導致工件表面碳含量和氣氛碳勢之間的均衡。

這些化學反應活動對于計算碳勢也是相當重要的。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，每個碳勢都相當于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，只需對上述三個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）的分壓遠遠高于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情況下，對碳勢進行計算和控制都只是把p（CO） 和p（H2）分壓視為常數，而只對O2, CO2 or H2O的分壓和體積含量進行測量。

連續測量對于過程控制是至關重要的。市場上現有的露點傳感器可用于水份分壓連續測定，但不足以在滲碳氣氛中進行測量。CO2的測量是通過紅外傳感器連續進行的，這一測量常用于比較結果。與O2測量相比，CO2測量過程明顯緩慢。此外，由于零點漂移的作用，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測量應用于碳勢控制，那么就必須每天進行零點校正。這是為什么越來越多的用戶使用氧探頭進行氧分壓測量來控制碳勢的主要原因。

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。這些有意而為之的晶格缺陷可以激活氧離子熱傳導性。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。陶瓷內外都與鉑金屬連接。這些就是測量元件的電極。探頭內部提供參比氣體，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以上的爐內氣氛中進行測量。在鉑電極內氧氣減少為氧離子。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，那么電壓上升。在滲碳工藝中，這意味著電壓與碳勢是成正比的。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，內部是參比氣體，外部是爐內氣氛，氧離子通過陶瓷游移。

第二種有一個氧化鋯球體

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。這是由于兩種不同陶瓷的擴展系數不同而導致的結果。由于擴展系數存在差異，兩個陶瓷的接觸點會出現極細微的裂痕。爐內氣體可以通過這些細微裂痕進入陶瓷探頭并且改變里面的參比空氣。如果探頭電壓下降，那么計算出來的碳勢比爐內碳勢的實際值要低。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，表現在兩個方面：
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，在爐內氣氛中的探頭溫度通常是通過探頭內部的熱電偶測得的。

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熱電偶可以用來計算碳勢。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），探頭成本會較低。其陶瓷設計使其可以使用較細的熱電偶。但由于陶瓷裂縫的原因，熱電偶可以接觸到爐內氣氛。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建議使用。

氧探頭測量的不確定性
在此領域內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。由于陶瓷易碎，因此探頭也會相應受到損害。特別是循環風機不平衡會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，由于導熱度高，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導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隨著探頭進入爐內。這些化學物質在爐內蒸發之后會沉淀在外部鉑電極。這會導致測量結果不準確并且會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，必須對探頭進行清洗。還有一個很重要的問題是外電極被煤煙污染，尤其是當處理工藝被控制在煤煙極限的時候。電極的熏染同樣導致測量結果不真實不準確。產生了一個偽造的測量了。在這種情況下，只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。如果使用長管會在吹掃之后產生很長的停留時間。另外，該閥必須關閉好，不應堵塞。

4）如果溫度高于1100 ° C，氧化鋯里面的電子傳導越來越高，不能再忽略不計[2] [3]。只有當電子傳導效應得到補償的情況下，才能使用氧探頭對高溫脫碳工藝（例如鑄鐵脫碳）進行控制。

5）如果使用鉻鎳鋼作為保護管，那么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。探頭表面的煙灰會導致錯誤的測量結果，并使探頭的反應時間以及吹掃之后的弛豫時間都被延長。

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

圖3

由于現在已經可以批量生產，因此用戶可以以較低成本擁有堅固耐用的傳感器。Lambda探頭和氧探頭的功能基本相同。不過，本質區別在于其結構和測量設定。L-probe的類型也是由一端封閉的管構成的，陶瓷也與氧探頭相同。探頭陶瓷的內外表面都覆蓋有微氣孔鉑層。這兩個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。為了使氧離子通過陶瓷游移，L-probe內部有一個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。這是因為熱電偶的作用。由于加熱元件的細微差異，每個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12V，陶瓷溫度大約在500…600°C之間。為了保證得到的測氧結果，以及基于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。

 為使計算準確，對Lamdba探頭的陶瓷溫度進行控制是非常重要的。因此必須消除不同干擾，比如流量、環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的溫度曲線。在此測試中，如果Lambda探頭不受控，那么氣體組分和流量變化會導致大約40°C的溫度變化。相反，受控的探頭溫度幾乎沒有什么改變，并且在很短的時間內就能對初始值作出調整。

 因此MESA公司專門設計制造了新款電源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，停滯時間（爐內氣體通過探頭所需的時間）可以大大縮短。對于標長720mm的取樣管來說，如果氣體流速約20l/h，那么停滯時間為17秒。如果氣體流速為60l/h，那么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，那么可以更快達到工作溫度。

 圖6.電源NTV44P

還應指出，對于爐內確定的氧分壓來說，氧探頭和Lambda探頭給出的電壓信號是不同的。要使用L-probe控制碳勢，可以采用控制器（圖7）通過L-probe電壓及其校正因素來對碳勢進行計算和控制，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的其中一個功能就是就是將L-probe信號轉換為O2-probe信號。

圖7：碳控儀

圖8：用于Lambda探頭的測量變送器

帶Lambda探頭的氣體取樣器，用于碳勢控制

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

a），熱反應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），由于氣體在到達冷卻區之前的充分熱絕緣，從而可以阻止另一種平衡狀態中的逆反應。

c），由于陶瓷管寬度減小，氣體流速相應增大

d），氣體在到達爐壁外緣為止都是熱絕緣的

e），氣體到達爐壁外緣之后，由于寬度增加，流速大大降低。

f），當氣體進入冷卻區之后會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。氣體的另一種平衡狀態會導致碳勢計算不正確，并且會導致煙灰污染取樣管。

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

Lambda探頭的優勢

無論是O2探頭還是Lambda探頭，都適用于滲碳工藝控制。不過，相對于O2探頭來說，Lambda探頭有其獨到的優勢：

a），Lamdba探頭非常耐用，而且適用于某些溫度變化或者機械沖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出現信號偏差。不過，對于此種高溫測量，冷卻區必須正確設計。

d），基于氣體取樣器的設計，lambda探頭不與爐內高溫直接接觸。另外，相比O2探頭，Lambda探頭的陶瓷不受爐內溫度變化的影響。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。在某些環境中，如果O2探頭直接接觸高熱應力，那么Lambda探頭的使用壽命甚至是O2探頭的好幾倍。

Lambda探頭還有一個顯著的優勢就是其價格。如果使用Lambda探頭替換O2探頭，那么初次采購Lambda探頭的價格稍微高于O2探頭，現有的控制器不能通過Lambda探頭信號計算碳勢。因此需要另外購買測量變送器或者NTV44P電源。但是，由于Lambda探頭具有更長的使用壽命，而且之后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面表現。當然，O2探頭也是一樣。兩種探頭各有千秋。Lambda探頭的顯著優勢表現在價格更低，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，由深圳市倍拓科技有限公司翻譯整理。如需引用，請注明出處