热处理炉氧探頭介绍之一：氧探头的爐氣制原理

(1）原理：

氧化锆（ZrO2）式氧探頭是利用固體電解質氧化锆在高溫下氧離子能在其中產生 定向移動，形成濃差電池，產生電勢差的原理，來測量氧氣濃度，從而控制碳勢的元件。

(2）結構：氧探頭的主要結構是由固體電解質與兩铂金電極組成化學電池。

固體電解質是用氧化锆為基本材料，加入少量氧化鈣（ CaO )、氧化讫（Y2O3）等穩定劑，成形後·在高温下燒結而成。它可以通過氧離子，但不能通過氧分子。铂电極起道電作用,它用耐高温粘结剂固定在電解質上，保証有良好的接觸。由於固体電解質，很容易受到機械或熱的損傷，所以氧探頭外面有耐熱不锈鋼保護管（抗滲碳、耐氨气腐蚀）。為使被測氣體與電極金屬接觸，在保護套上開有通氣孔。氧探頭內電極充以清新空氣作為基準氣，用高铅管作導管。

(3）數學模型：

當氧探頭插入高溫爐內，兩個铂金電極上由於氧的濃度不同，產生了電動勢（ mv )，在氧濃度高的一側（基準空氣側），氧原子將得到電子形成氧離子，通過電解質進入另一電極，氧氣濃度低的一側（被測氣體側），氧離子放出電子變成分子態的氧。如下圖：

陰極（內電極）:1/2O2+2e>02-

陽極（外電極）:O2-2e>O2

氧化學電池的電動勢·由 Nernst 方程得出．如下式：

E =RT/nF ln PO2/ Pref=2.303 RT/4Flg PO2/Pref

式中 n -- 1 mol 氧參加反應的電子數目( n =4)

R ……氣體常數8.314J/( mol - k )

T ….…絕對溫度 K

F ……法拉第常数9.65x10-4J/ V

PO2……被測氣體的氧分壓（1~10-23)

Pref .…基準氣（空氣）的氧濃度（約為0.21)

E =4.96x10-2T. lg PO2/0.21

因基準空氣濃度約为0.21，比被測氣體氧濃度高得多，可以保証輸出的電動勢值較高，容易保证測量的準確度。

在高溫下，可控氣氛中，有下列主要平衡方程：

2CO= C +CO2                   (1)

CO +1/2O2==CO2               (2)

(1)-(2）得 CO = C +1/2O2        (3)

由（3）式 K = AC .PO2^1/2/PCO    (4)

因為 AC ＝與氏體中的碳濃度/奧氏體中的飽和碳濃度=CP/Csa    (5)

AC …碳在奧氏體鋼中的活度

由（4),(5）得 cp = k . csat . pCO/ PO2^1/2 （6）

由（6）可見，當溫度 T ( t +273°）一定時,因 K . Csat 均为溫度的函數，則 K · Csat 為定値，則 Cp 對應於pCO/ PO2^1/2，當爐氣穩定時，Pco 變化不大，可以把它當作一個常量，則通過測量爐氣中氧氣的濃度就可以控制碳势（ Cp )，由前可知 E →Po2，又知 Cp →Po2，則 Cp → E ，則可建立 Cp = f (Po2、 Pco 、 t °）的數學模型，這就是氧勢法的理論基礎。

(4）控制系統：

氧探頭輸出的毫伏信號和熱電偶輸出信號，一起輸入碳勢變換器·由數學模型轉扁對應於碳勢的直流信號與設定碳勢的直流信號相比較，用 on - off PID 控制方法，控制富化氣電磁閥的通斷和通新時間，從而達到控制碳勢的目的。

(5）氧探头的特性：

①可用於滲碳、碳氮共滲和光亮淬火等氣氛控制

②連續使用，保証精度的溫度範圍6750~960℃;

③碳勢控制範圍0.35~125%;

④碳势控制精度士0.05%C;

⑤响應速度2.0秒以下；

⑥使用壽命1年；

我公司常年代理销售日本新荣、美国马拉松等进口氧探头，公司常年有备库，适用于热处理多用炉、连续炉、网带炉的渗碳热处理。