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用氧探頭對(duì)氣體滲碳進(jìn)行精確控制的研究和應(yīng)用已有20年的歷史。隨著氧探頭制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，近年來(lái)滲碳爐碳勢(shì)的控制越來(lái)越多的采用氧探頭作為碳傳感器。氧探頭作為碳勢(shì)控制技術(shù)關(guān)鍵的傳感器部件，通其它類型的碳傳感器，如露點(diǎn)儀、CO2紅外儀及電阻探頭等相比，具有反應(yīng)速度快（響應(yīng)時(shí)間小于等于1ms）,碳勢(shì)控制精度高（±0.05%C）、準(zhǔn)確性好、直接測(cè)量、不需要取氣等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于熱處理滲碳、碳氮共滲，光亮淬火、光亮退火和光亮正火等工藝，以及保護(hù)氣氛下的吸熱式、滴注式、氮基式、直生式氣氛，適用于多用箱式爐、連續(xù)式氣體滲碳爐及丼式氣體滲碳爐等各種爐型。
氧探頭在熱處理生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛，但氧探頭的價(jià)格相對(duì)比較貴，從國(guó)產(chǎn)的幾千元一支到進(jìn)口的上萬(wàn)元一支。國(guó)內(nèi)有天津天銘，武漢華敏，北京匯捷通，北京培特永昌公司等，國(guó)外有美國(guó)馬拉松、美國(guó)SSI、英國(guó)歐陸---EUTRHERM,及其它Johnson、Bosch等。實(shí)踐證明，通過(guò)對(duì)氧探頭的合理選擇、準(zhǔn)確安裝、正確使用，并及時(shí)進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，不僅可以大大提高氧探頭的使用壽命，而前對(duì)熱處理爐內(nèi)的碳勢(shì)精確控制十分重要，從而保證產(chǎn)品達(dá)到100%的合格率。為此，可主要從以下幾個(gè)方面采取措施。

一、氧探頭的工作原理

  氧化鋯氧探頭的工作原理：氧化鋯管是由氧化鋯材料摻以一定量的氧化釔或氧化鈣經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后形成的穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷燒結(jié)體。由于它的立方晶格中含有氧離子空穴，因此在高溫下它是良好的氧離子導(dǎo)體。因其這一特性，在一定高溫下，當(dāng)鋯管兩邊的氧含量不同時(shí)，它便是一個(gè)典型的氧濃差電池，在此電池中，空氣是參比氣，它與煙氣分別位于內(nèi)外電極。

二、氧探頭的選擇
  首先，應(yīng)選擇正規(guī)的廠家的產(chǎn)品，選擇合適的氧探頭型號(hào)與規(guī)格，并且應(yīng)具有產(chǎn)品的檢測(cè)報(bào)告或證書：其次，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的問題。

 2.1.根據(jù)爐墻的厚度選擇氧探頭的有效長(zhǎng)度，一般有500mm,600mm,750mm,900mm,1000mm和1200mm等，常用氧探頭的外徑有20mm、22mm、和25mm等。
 2.2應(yīng)考慮氧探頭與碳控儀的匹配問題。由于氧探頭的制造工藝和電極材料的不同，不同牌號(hào)氧探頭的氧勢(shì)毫伏輸出可能會(huì)有所不同，更換氧探頭時(shí)，需要重新標(biāo)定相關(guān)的碳控儀，以適應(yīng)新的氧探頭輸出。當(dāng)然目前大部分氧探頭具有兼容性，可與任何類型的碳控儀配套。
2.3 由于氧探頭對(duì)于溫度非常敏感，為了避免氧探頭和熱電偶因安裝位置不同而產(chǎn)生溫度差對(duì)碳勢(shì)測(cè)量的影響，應(yīng)盡量選擇具有熱電偶的氧探頭。實(shí)踐證明，為獲得實(shí)際碳勢(shì)值，采用具有熱電偶的氧探頭是重要的。具有熱電偶的氧探頭有一整體式熱電偶，最好選用S型，因?yàn)镾型熱電偶比較耐用。
 2..4 根據(jù)溫度選擇，一般情況下選擇使用溫度在800----1000度的氧探頭。為了適應(yīng)高溫快速滲碳的需求，可以選擇使用溫度大于1000度的長(zhǎng)壽命的氧探頭。
2.5 選擇反應(yīng)更為靈敏，熱態(tài)內(nèi)阻很小（小于0.5千歐）的氧探頭，其使用壽命比高內(nèi)阻的氧探頭長(zhǎng)。
2.6 選擇可更換受損部件（如：氧化鋯球，氧化鋯片，Al2O3高鋁瓷管等）的氧探頭，可以最大限度的延長(zhǎng)使用壽命。
2.7 根據(jù)工藝所選用的碳勢(shì)進(jìn)行選擇，一般選擇≤1.5%C(碳勢(shì))的氧探頭。對(duì)于高碳勢(shì)的控制可以選擇≤1.7%C(碳勢(shì)),如丼式氣體滲碳爐的碳勢(shì)控制，當(dāng)然最好選擇具有抗碳黑的氧探頭。
2.8 選擇具有炭黑清除機(jī)構(gòu)、具有自動(dòng)清洗（燒）氧化鋯球、氧化鋯片和電極表面積炭功能的氧探頭、對(duì)提高氧探頭的使用壽命十分有利。
2.9 氣體滲氮、氮碳共滲時(shí)，應(yīng)選擇適合于氮?jiǎng)菘刂频难跆筋^及碳控儀。
2.10 在我國(guó)丼式氣體滲碳爐碳勢(shì)的控制越來(lái)越多的采用氧探頭，但由于氧探頭再在丼式爐上使用時(shí)的條件相對(duì)比較惡劣，使用壽命相對(duì)較低，因而選擇合適的氧探頭比較重要。主要應(yīng)遵循以下原則：①由于丼式爐爐蓋開啟比較頻繁，應(yīng)選擇耐激冷、激熱，即抗熱沖擊性能的氧探頭。②由于丼式爐爐蓋在工作中的振動(dòng)，應(yīng)選擇抗機(jī)械振動(dòng)性能的氧探頭③由于丼式爐一般采用滴注式，在低溫時(shí)的滴注介質(zhì)（常用煤油）l裂解還不夠充分，爐內(nèi)炭黑較多，因此應(yīng)選擇適合于較高碳勢(shì)≤1.7%C的氧探頭，當(dāng)然最好選擇抗炭黑的氧探頭，并且應(yīng)具有自動(dòng)清洗炭黑功能的氧探頭。
 三、氧探頭的安裝
首先，應(yīng)根據(jù)廠家的產(chǎn)品使用說(shuō)明書進(jìn)行準(zhǔn)確安裝，安裝不當(dāng)不僅會(huì)影響碳勢(shì)的準(zhǔn)確控制，而前大大影響氧探頭的使用壽命。
3.1 由于氧探頭的測(cè)試端的氣氛與使用周圍的氣氛有差別，氧探頭安裝位置的確定應(yīng)按能得到具有代表性的爐內(nèi)氣體成分來(lái)決定。氧探頭和熱電偶靠近工件比較好，但要避免氧探頭和熱電偶據(jù)輻射管、爐氣進(jìn)出口及爐門太近，還要考慮氧探頭和循環(huán)風(fēng)扇的位置。實(shí)踐證明，連續(xù)爐的氧探頭深度要選擇合理，插入太淺，碳控儀顯示的碳勢(shì)相對(duì)太高，插入太深，碳勢(shì)顯示相對(duì)較低，這樣對(duì)實(shí)際碳勢(shì)的控制不利，容易照成與所處理工件碳勢(shì)的誤差，甚至出現(xiàn)不合格品。同時(shí)還要注意，連續(xù)爐各區(qū)插入的氧探頭高度誤差最好控制在≤20mm。井式氣體滲碳爐的氧探頭安裝位置偏高時(shí)，由于所處溫度低，氧探頭容易積碳，將大大影響其使用壽命。
3.2 氧探頭安裝時(shí)，在滲碳爐的插孔不易過(guò)大，盡量接近該處電極的直徑，插入孔過(guò)大，會(huì)造成爐內(nèi)滲碳?xì)夥障驙t墻內(nèi)低溫區(qū)擴(kuò)散，易導(dǎo)致氧探頭0Cr25Ni20和Incone600鎳合金外電極管產(chǎn)生早期腐蝕破損斷裂。
3.3 為提高氧探頭的使用壽命，在丼式爐外單獨(dú)設(shè)置一小管式爐加熱氧探頭，并將爐氣導(dǎo)入其中。由于小管式爐溫度設(shè)定不受限制，可以設(shè)定成與滲碳爐溫接近，這就避免了碳黑沉積，提高了碳勢(shì)控制質(zhì)量。其次避免激冷、激熱和機(jī)械碰撞，使用壽命也會(huì)顯著提高。
3.4 氧探頭的接線應(yīng)考慮到，每一個(gè)氧探頭都有正、負(fù)極線各一根，氧探頭不得接共同線。
3.5 因?yàn)榇嬖谧杩蛊ヅ鋯栴}，在任何情況下都不得將同一個(gè)氧探頭或熱電偶接到兩臺(tái)以上的碳控儀上去。
3.6 氧探頭的布線要求。連接氧探頭到碳控儀上的連線應(yīng)走導(dǎo)管，并和該區(qū)域中任何交流電源線路分開，這樣即可以避免電磁干擾，又受到機(jī)械保護(hù)。氧探頭連線應(yīng)采用銅質(zhì)，屏蔽雙股膠線，屏蔽下端應(yīng)接地。
四、氧探頭的使用
采用正確的使用方法，可以大大延長(zhǎng)氧探頭的使用壽命，因此按產(chǎn)品使用說(shuō)明書進(jìn)行使用非常重要。
4.1 除非使用適合＞1000度的耐高溫氧探頭外，一般氧探頭在高于1000度長(zhǎng)期使用時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重降低氧探頭的使用壽命。
4.2 雖然一些氧探頭的使用說(shuō)明書上寫有一定的抗震性能，但氧探頭如受到長(zhǎng)期劇烈振動(dòng)會(huì)大大所縮短其使用壽命。因?yàn)槭褂眠^(guò)程中較大的劇烈碰撞沖擊會(huì)導(dǎo)致氧探頭內(nèi)高鋁瓷管或氧化鋯管的斷裂。
4.3 雖然一些氧探頭具有一定的抗熱沖擊性能，并允許在任何溫度的爐中裝入或取出，但是為了延長(zhǎng)其使用壽命，在氧探頭在進(jìn)行維護(hù)或更換時(shí)，為防止氧化鋯球，氧化鋯片，高鋁瓷管或氧化鋯管產(chǎn)生裂紋，最好在較高溫度的爐中去取出氧探頭后，快速插入裝有保溫棉的桶內(nèi)，或用保溫棉包裹好，在其達(dá)到歐室溫一定時(shí)間后方可取出，并進(jìn)行拆卸維修。同樣在往高溫爐中插入氧探頭時(shí)，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，并緩慢插入爐內(nèi)。
4.4 為了提高氧探頭的使用壽命，在使用過(guò)程中應(yīng)對(duì)氧探頭進(jìn)行自動(dòng)清洗炭黑，必要時(shí)進(jìn)行手動(dòng)燒炭黑。為氧探頭提供燒碳黑的空氣----參比氣不應(yīng)含水。燒碳黑時(shí)，空氣流量為200---300mL/min，自動(dòng)燒炭黑的時(shí)間設(shè)定為1min，周期為3----6h，丼式氣體滲碳爐周期可以短些，如2---3h，手動(dòng)燒炭黑時(shí)間為0.5min左右。
4.5 在使用氧探頭時(shí)，有時(shí)要求根據(jù)不同CO%含量（如：20%，23%、30%、33%等）的要求，在碳控儀上選擇相應(yīng)氧探頭類型的輸入。
五 .氧探頭的維護(hù)與保養(yǎng)
對(duì)氧探頭使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障及時(shí)排除，并進(jìn)行正確的維護(hù)與保養(yǎng)，可以大大提高氧探頭的使用壽命。當(dāng)然，氧探頭的維護(hù)與保養(yǎng)應(yīng)選擇有經(jīng)驗(yàn)的維修人員或在廠家指導(dǎo)下進(jìn)行。
5.1 氧探頭過(guò)早的失效原因：一是炭黑；二是鋅。炭黑和鋅不僅影響氧探頭的正常碳勢(shì)控制，而且對(duì)于氧探頭鉑電極損害較大。
炭黑的清洗，簡(jiǎn)單地說(shuō)當(dāng)滲碳?xì)怏w進(jìn)入正在升溫過(guò)程中比較低的爐內(nèi)時(shí)就可能產(chǎn)生炭黑。滲碳爐在長(zhǎng)時(shí)間使用的情況下，爐內(nèi)就要積炭。嚴(yán)重的積炭一般是在下列條件下產(chǎn)生：在給定溫度情況下，碳勢(shì)的設(shè)定值高于奧氏體的飽和碳濃度時(shí)：滲碳爐的氣氛不根據(jù)碳傳感器所指示的碳勢(shì)而采用手動(dòng)控制時(shí)產(chǎn)生的。在積炭不可避免的地方，氧探頭最長(zhǎng)使用壽命只能通過(guò)頻繁、輕輕地?zé)籼亢趤?lái)實(shí)現(xiàn)，因此最好選擇具有自動(dòng)清洗炭黑功能的氧探頭或碳控儀，如英國(guó)歐陸碳控儀，通過(guò)邏輯或繼電器輸出，用壓縮空氣吹掃氧探頭的透氣孔，自動(dòng)或手動(dòng)清除積炭，在清洗過(guò)程中儀表會(huì)監(jiān)視氧探頭的輸出是否能在預(yù)定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到以前的95%，如果實(shí)際的恢復(fù)時(shí)間超過(guò)了設(shè)定的恢復(fù)時(shí)間，碳控儀就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)報(bào)警輸出，此時(shí)應(yīng)考慮爐膛燒炭黑了。對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)的滲碳爐，一般應(yīng)每月停產(chǎn)一次燒爐膛炭黑。通過(guò)調(diào)節(jié)空氣流量，控制爐溫在815度左右，否則溫度過(guò)高將影響氧探頭的壽命。對(duì)于井式氣體滲碳爐，每月停爐一次，降溫，掏盡爐罐內(nèi)的炭黑。
鋅對(duì)氧探頭的影響表現(xiàn)為，若鋅附著在鉑片，鉑電極將失效。鋅是以鋅的硬脂酸鹽（在機(jī)加切削油中的一種普通潤(rùn)滑劑）的形式帶入爐內(nèi)的。在熱處理工藝溫度下，鋅蒸發(fā)并迅速的使氧探頭外部電極品質(zhì)下降，因此通過(guò)熱處理前的清洗和脫脂爐的加熱，可以防止鋅帶入滲碳爐內(nèi)。料框和夾具絕不能用鍍鋅鋼板、元鋼等制造。
5.2 在熱處理過(guò)程中，向爐內(nèi)通入少量氨氣（2%---5%），可阻止炭黑析出并加速滲碳。
5.3 如果某一同道裝有氧探頭，在碳控儀（如DTK---08型多路碳控儀）實(shí)際值顯示屏上顯示“ERR”,則表明這一通道氧探頭可能已經(jīng)完全失效，需要取出或檢測(cè)維修。
5.4 氧探頭氧電勢(shì)輸出很低情況的處理。在正常使用過(guò)程中，爐溫在800度以上，爐內(nèi)碳勢(shì)正常時(shí)，氧探頭的氧電勢(shì)很低，在幾十到100mv之間，這往往是缺乏參比空氣引起的。在正常情況下，參比氣是由爐子的空氣系統(tǒng)（小氣泵）不斷供給的，但是如果流量計(jì)或空氣管路被堵塞、斷開或氣泵皮碗破裂等，就沒有足夠的新鮮空氣進(jìn)入到電極的參比端，氧的濃度就變得大大低于20.9%，并且輸出的毫伏電壓降低。實(shí)踐證明，每一個(gè)氧探頭給與正?？諝饬髁繛?00----200L/min，通過(guò)接通氣路清理堵塞、更換氣泵即能可靠的恢復(fù)正常輸出。
5.5 氧探頭氧電勢(shì)高輸出情況的處理。持續(xù)的氧電勢(shì)高輸出是氧探頭的氧化鋯球，氧化鋯片或電極嚴(yán)重積炭的結(jié)果。這是由于在給定的溫度下，超過(guò)飽和奧氏體碳濃度的范圍運(yùn)行所引起的，因?yàn)槿魏螝怏w要達(dá)到感應(yīng)元件，必須穿過(guò)一層堅(jiān)實(shí)的碳層，并且氧探頭顯示出很高的碳濃度，所以氧探頭對(duì)于濃氣體流量的減少無(wú)反應(yīng)，可通過(guò)手動(dòng)方式通入清潔空氣，燒掉氧探頭上的炭黑。炭黑嚴(yán)重時(shí)，只能去除氧探頭并拆開，進(jìn)行徹底的清理炭黑，或更換氧化鋯球，氧化鋯片。爐子積炭嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)停爐進(jìn)行燒炭黑，使氧探頭恢復(fù)到初始狀態(tài)，并獲得最長(zhǎng)的工作壽命。
5.6 氧探頭氧電勢(shì)輸出基本為零的情況處理。爐溫在800度以上，爐內(nèi)碳勢(shì)正常時(shí)，氧電勢(shì)輸出基本為零，這是由于電極引出線路斷開，Al2O3高瓷管，氧化鋯等出現(xiàn)裂紋，可更換式的氧化鋯球、氧化鋯片有松動(dòng)，氧探頭內(nèi)部斷線等情況引起的。通過(guò)檢修或更換氧探頭即可。
5.7 氧探頭輸出的氧電勢(shì)大幅度情況的處理。這是由于氧探頭漏氣，氧化鋯球、氧化鋯片與Al2O3（支承面）管，氧化高管之間的密封破壞，Al2O3管、氧化鋯管頭出現(xiàn)小裂紋等引起的，可以取下氧探頭，對(duì)于可更換式的氧化鋯球、氧化鋯片氧探頭，可以進(jìn)一步旋緊氧化鋯球、氧化鋯片與氧探頭的Al2O3（支承面）管，氧化鋯管之間的密封螺紋，必要時(shí)更換新的氧探頭。
5.8 氧探頭在工作時(shí)，若顯示的碳勢(shì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，首先應(yīng)檢查氧探頭上的參比氣管連接是否良好，然后檢查參比起流量和壓力是否正常。
5.9當(dāng)重新開爐時(shí)，若氧探頭在一定時(shí)間內(nèi)不能達(dá)到設(shè)定值，但顯示的碳勢(shì)比較穩(wěn)定時(shí)，其原因除了參比氣不正常外，可能是氧探頭內(nèi)進(jìn)入了潮氣，氧化鋯球、氧化鋯片被炭黑包裹，內(nèi)電阻的接觸偏大（正常為小于4.0歐），新更換的氧探頭插入過(guò)深等原因造成的。
5.10定期檢查氧探頭的內(nèi)阻，如DTK---08碳控儀，應(yīng)定期（一般為20---30天一次）對(duì)氧探頭電阻進(jìn)行檢查。氧探頭內(nèi)阻正常時(shí)，一般不大于50千歐，當(dāng)內(nèi)阻＞100千歐時(shí)，氧探頭氧電勢(shì)毫伏值輸出就會(huì)下降。若氧探頭的內(nèi)電阻在短期內(nèi)大幅度上升，說(shuō)明氧探頭壽命即將到期，需要更換新的氧探頭。
5.11氧探頭正常工作時(shí)，若在一定時(shí)間內(nèi)不能達(dá)到設(shè)定碳勢(shì)值，其原因可能是爐氣循環(huán)風(fēng)扇軸承、介質(zhì)滴注管的冷卻水套滲漏水，造成爐內(nèi)碳勢(shì)的降低。
通過(guò)對(duì)氧探頭的合理選擇，準(zhǔn)確安裝，正確使用和及時(shí)維護(hù)保養(yǎng)，不僅能大大提高氧探頭的使用壽命，而且對(duì)熱處理內(nèi)碳勢(shì)精度的準(zhǔn)確控制十分重要。

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