氧探头的工作原理及使用与维护

陆柯杰

威睿电动汽车技术(宁波)有限公司 浙江宁波 315336

1 氧探头工作原理

为监控热处理可控气氛而开发的氧探头又称氧化锆浓差电池，它是以高温氧化锆作固体电介质，在高温下电介质两侧氧浓度不同时，形成氧浓差电池，氧探头内部结构如图1所示。浓差电池产生的电势与两侧氧浓度有关，如一侧氧浓度固定，即可通过测量浓差电势来测量另一侧的氧含量，输出氧电势。

图1 氧探头内部结构

严格来讲，氧探头不能测量碳含量，而是只能输出电压的氧传感器。因为氧势与碳势之间存在线性关系，所以可以通过一个数学式计算出炉内的碳势，进而达到控制碳势的目的。碳势计算式为

式中Φ——函数；

EC——氧探头输出的毫伏值（mV）；

CO—— 一氧化碳含量（质量分数，%）；

TR——绝对温度（K）。

从上式可看出，影响碳势的三个可变量为氧势、一氧化碳含量和温度。

2 氧探头的安装

在水平安装氧探头的情况下，探头插入炉膛的距离控制在50～100mm，如图2所示。超过100mm时，不仅探头在高温下会下垂变形，导致氧化锆破裂，而且需要在外面加装瓷套管。反之，插入较浅时，会使气氛交换不良，影响测量精度。把氧探头插入炉膛时，氧碳头测量端面至炉膛外壳深度100mm以内可以快速插入，继续插入要以 ＜50mm/min的速度，以防热冲击导致氧化锆开裂[1]。

图2 氧探头安装

氧探头的测量点要求能正确反映炉内气氛和温度，以保证传感器输出信号的真实性，避开回风死角。测量点不可靠近渗剂入口，应位于滴注孔的上风位置，特别是采用滴注式气氛时，否则会造成碳势传感器失真或波动，且容易在碳势传感器表面形成炭黑，影响氧探头寿命。另外，也不要过于靠近搅拌风扇，以免因风扇振动和气流冲刷而影响氧探头寿命。

参比气应是干净和干燥的，若参比气中含水，则会影响内外电极的绝缘电阻，使传感器氧势测量值偏低，使产品增碳。

3 氧探头的使用

3.1 氧探头的使用温度

氧探头的工作温度一般为800～1093℃，在这个温度范围内，氧势与温度呈线性关系。

3.2 热处理时产品表面状况

若产品表面有低熔点金属，如镀锌件，在调质工艺温度下，锌蒸发并迅速地使氧探头外部电极品质下降，氧探头的寿命将大大缩短，并影响测量精度。另外，零件表面油污、油漆、污垢和其他脏物需要清洁，通常用工业清洗剂或10%的碳酸钠水溶液、汽油、四氯化碳等作为清洗介质除油[2]。

3.3 氧探头的积炭

氧探头的炭黑污染和气氛的渗碳都会使探头的毫伏电压产生误差。氧探头的氧化锆在高温工作炉内，如有积炭时，会使氧探头附近的氧含量减少。此时氧探头反映的是附近的气氛，而没有反映实际的气氛，碳控仪自动控制下的富化气减少，以至炉内实际碳势下降，这就需要定期烧炭维护。

3.4 预防对氧探头的碰撞

在网带炉正常运行过程中，由于网带会偏移，从而触发偏移报警，因此若不及时处理，则网带上的产品可能会与氧探头刮擦，损坏氧探头。图3所示为折弯的氧探头网带炉网带产生偏移，刮擦氧探头后发现碳势异常，而从炉膛取出时又发生二次折弯。

图3 折弯的氧探头

4 氧探头的维护

氧探头的积炭会加快氧化锆的劣化，影响测量精度。为去除积炭，一般设备具有自动烧炭装置。自动烧炭装置应控制好空气流量，参考流量为4.7～7L/min，避免流量过大使氧探头的温度升高超过38℃。烧炭后氧势值应降低至800mV以下，最好是200mV以下，烧炭持续时间以90～120s为宜，批处理炉可以在生产前或生产后进行，连续炉可以按每6～12h一次的频率进行。如果碳势设定较高，比如1%以上，则需要增加烧炭次数。

5 常见故障排查

在故障排查过程中，首先要确认外部条件是否符合要求。在未确定氧探头故障的情况下，不要试图把氧探头从炉内取出。

5.1 常见故障

常见故障见表1。

表1 常见故障

5.2 CO系数

碳控仪的CO系数设定值是否正常，CO系数应根据气氛种类和氧探头的寿命设定，配合使用三气分析仪、定碳片等进行修正。

5.3 仪表设置

仪表测量的氧势值和温度信号是否与万用表测量的值一致，如果不一致，仪表就需要调整。

5.4 氧探头的阻值

843℃温度下氧探头的内阻应＜50kΩ。当内阻超过25kΩ时，应该加强监控。内阻测量可使用一根超过50kΩ的已知电阻，电阻值为RS，氧探头接线端内未接入电阻前测量氧探头毫伏值EC，如图4所示。接入电阻后测量氧探头毫伏值EM，如图5所示。

图4 EC测量

图5 EM测量

按下式计算出氧探头电阻RP，即

如内阻超过50kΩ，建议对氧探头进行烧炭，然后重复检测。内阻超过50kΩ时，说明氧探头的电极已经衰减到需要维修或更换的程度。

5.5 灵敏度检测

使用一根导线，连接氧探头毫伏输出接口，连接前记录毫伏值，连接5s后观察毫伏值是否能在20s内恢复到连接前的99%，如不能，则对氧探头进行烧炭，然后重复检测。

5.6 氧化锆泄漏检测

关闭参比气1min，记录氧探头氧势毫伏值，打开参比气，再记录氧探头氧势毫伏值，如果这两个值差在25mV以上，说明氧化锆已开裂。

5.7 参比气、烧炭空气管道漏气

参比气、烧炭空气管道如果漏气，将使空气无法到达氧探头前端。对此可将氧探头上的气管卸下，用手堵住管子的一端，检查流量计上的浮标，如果下降，可以判定为不漏气；如果不下降，说明管道上有漏气。

对氧探头的阻值和灵敏度进行检测时，若在氧探头烧炭后仍不能改善，则需要对炉子进行全面烧炭，把炭黑等杂质从炉内去除。炉子烧炭温度应在1093℃以内，以免对氧探头造成损坏。

6 结束语

氧探头和碳控仪在热处理可控气氛中进行碳势控制，具有高精度（±1%）、快速反应（0.5～2s），以及能直接与被测气氛接触的特点[3]，提高了过程质量，使热处理产品质量上了一个台阶。氧探头在热处理行业的技术应用和所起的作用，也越来越被业内人士所认可。