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用氧探頭對氣體滲碳進行精確控制的研究和應用已有20年的歷史。隨著氧探頭制造技術的不斷進步，近年來滲碳爐碳勢的控制越來越多的采用氧探頭作為碳傳感器。氧探頭作為碳勢控制技術關鍵的傳感器部件，通其它類型的碳傳感器，如露點儀、CO2紅外儀及電阻探頭等相比，具有反應速度快（響應時間小于等于1ms）,碳勢控制精度高（±0.05%C）、準確性好、直接測量、不需要取氣等諸多優(yōu)點，因此被廣泛應用于熱處理滲碳、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)中的應用日益廣泛，但氧探頭的價格相對比較貴，從國產(chǎn)的幾千元一支到進口的上萬元一支。國內有天津天銘，武漢華敏，北京匯捷通，北京培特永昌公司等，國外有美國馬拉松、美國SSI、英國歐陸---EUTRHERM,及其它Johnson、Bosch等。實踐證明，通過對氧探頭的合理選擇、準確安裝、正確使用，并及時進行維護保養(yǎng)，不僅可以大大提高氧探頭的使用壽命，而前對熱處理爐內的碳勢精確控制十分重要，從而保證產(chǎn)品達到100%的合格率。為此，可主要從以下幾個方面采取措施。

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)高溫燒結后形成的穩(wěn)定的氧化鋯陶瓷燒結體。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體。因其這一特性，在一定高溫下，當鋯管兩邊的氧含量不同時，它便是一個典型的氧濃差電池，在此電池中，空氣是參比氣，它與煙氣分別位于內外電極。

二、氧探頭的選擇
  首先，應選擇正規(guī)的廠家的產(chǎn)品，選擇合適的氧探頭型號與規(guī)格，并且應具有產(chǎn)品的檢測報告或證書：其次，應考慮以下幾個方面的問題。

 2.1.根據(jù)爐墻的厚度選擇氧探頭的有效長度，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，不同牌號氧探頭的氧勢毫伏輸出可能會有所不同，更換氧探頭時，需要重新標定相關的碳控儀，以適應新的氧探頭輸出。當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)生溫度差對碳勢測量的影響，應盡量選擇具有熱電偶的氧探頭。實踐證明，為獲得實際碳勢值，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，因為S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。為了適應高溫快速滲碳的需求，可以選擇使用溫度大于1000度的長壽命的氧探頭。
2.5 選擇反應更為靈敏，熱態(tài)內阻很小（小于0.5千歐）的氧探頭，其使用壽命比高內阻的氧探頭長。
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使用壽命。
2.7 根據(jù)工藝所選用的碳勢進行選擇，一般選擇≤1.5%C(碳勢)的氧探頭。對于高碳勢的控制可以選擇≤1.7%C(碳勢),如丼式氣體滲碳爐的碳勢控制，當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構、具有自動清洗（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，應選擇適合于氮勢控制的氧探頭及碳控儀。
2.10 在我國丼式氣體滲碳爐碳勢的控制越來越多的采用氧探頭，但由于氧探頭再在丼式爐上使用時的條件相對比較惡劣，使用壽命相對較低，因而選擇合適的氧探頭比較重要。主要應遵循以下原則：①由于丼式爐爐蓋開啟比較頻繁，應選擇耐激冷、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，應選擇抗機械振動性能的氧探頭③由于丼式爐一般采用滴注式，在低溫時的滴注介質（常用煤油）l裂解還不夠充分，爐內炭黑較多，因此應選擇適合于較高碳勢≤1.7%C的氧探頭，當然最好選擇抗炭黑的氧探頭，并且應具有自動清洗炭黑功能的氧探頭。
 三、氧探頭的安裝
首先，應根據(jù)廠家的產(chǎn)品使用說明書進行準確安裝，安裝不當不僅會影響碳勢的準確控制，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按能得到具有代表性的爐內氣體成分來決定。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、爐氣進出口及爐門太近，還要考慮氧探頭和循環(huán)風扇的位置。實踐證明，連續(xù)爐的氧探頭深度要選擇合理，插入太淺，碳控儀顯示的碳勢相對太高，插入太深，碳勢顯示相對較低，這樣對實際碳勢的控制不利，容易照成與所處理工件碳勢的誤差，甚至出現(xiàn)不合格品。同時還要注意，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，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，在滲碳爐的插孔不易過大，盡量接近該處電極的直徑，插入孔過大，會造成爐內滲碳氣氛向爐墻內低溫區(qū)擴散，易導致氧探頭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，在丼式爐外單獨設置一小管式爐加熱氧探頭，并將爐氣導入其中。由于小管式爐溫度設定不受限制，可以設定成與滲碳爐溫接近，這就避免了碳黑沉積，提高了碳勢控制質量。其次避免激冷、激熱和機械碰撞，使用壽命也會顯著提高。
3.4 氧探頭的接線應考慮到，每一個氧探頭都有正、負極線各一根，氧探頭不得接共同線。
3.5 因為存在阻抗匹配問題，在任何情況下都不得將同一個氧探頭或熱電偶接到兩臺以上的碳控儀上去。
3.6 氧探頭的布線要求。連接氧探頭到碳控儀上的連線應走導管，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，又受到機械保護。氧探頭連線應采用銅質，屏蔽雙股膠線，屏蔽下端應接地。
四、氧探頭的使用
采用正確的使用方法，可以大大延長氧探頭的使用壽命，因此按產(chǎn)品使用說明書進行使用非常重要。
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度長期使用時，將會嚴重降低氧探頭的使用壽命。
4.2 雖然一些氧探頭的使用說明書上寫有一定的抗震性能，但氧探頭如受到長期劇烈振動會大大所縮短其使用壽命。因為使用過程中較大的劇烈碰撞沖擊會導致氧探頭內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，但是為了延長其使用壽命，在氧探頭在進行維護或更換時，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，或用保溫棉包裹好，在其達到歐室溫一定時間后方可取出，并進行拆卸維修。同樣在往高溫爐中插入氧探頭時，應進行適當?shù)念A熱，并緩慢插入爐內。
4.4 為了提高氧探頭的使用壽命，在使用過程中應對氧探頭進行自動清洗炭黑，必要時進行手動燒炭黑。為氧探頭提供燒碳黑的空氣----參比氣不應含水。燒碳黑時，空氣流量為200---300mL/min，自動燒炭黑的時間設定為1min，周期為3----6h，丼式氣體滲碳爐周期可以短些，如2---3h，手動燒炭黑時間為0.5min左右。
4.5 在使用氧探頭時，有時要求根據(jù)不同CO%含量（如：20%，23%、30%、33%等）的要求，在碳控儀上選擇相應氧探頭類型的輸入。
五 .氧探頭的維護與保養(yǎng)
對氧探頭使用過程中出現(xiàn)的故障及時排除，并進行正確的維護與保養(yǎng)，可以大大提高氧探頭的使用壽命。當然，氧探頭的維護與保養(yǎng)應選擇有經(jīng)驗的維修人員或在廠家指導下進行。
5.1 氧探頭過早的失效原因：一是炭黑；二是鋅。炭黑和鋅不僅影響氧探頭的正常碳勢控制，而且對于氧探頭鉑電極損害較大。
炭黑的清洗，簡單地說當滲碳氣體進入正在升溫過程中比較低的爐內時就可能產(chǎn)生炭黑。滲碳爐在長時間使用的情況下，爐內就要積炭。嚴重的積炭一般是在下列條件下產(chǎn)生：在給定溫度情況下，碳勢的設定值高于奧氏體的飽和碳濃度時：滲碳爐的氣氛不根據(jù)碳傳感器所指示的碳勢而采用手動控制時產(chǎn)生的。在積炭不可避免的地方，氧探頭最長使用壽命只能通過頻繁、輕輕地燒掉炭黑來實現(xiàn)，因此最好選擇具有自動清洗炭黑功能的氧探頭或碳控儀，如英國歐陸碳控儀，通過邏輯或繼電器輸出，用壓縮空氣吹掃氧探頭的透氣孔，自動或手動清除積炭，在清洗過程中儀表會監(jiān)視氧探頭的輸出是否能在預定時間內恢復到以前的95%，如果實際的恢復時間超過了設定的恢復時間，碳控儀就會產(chǎn)生一個報警輸出，此時應考慮爐膛燒炭黑了。對于連續(xù)生產(chǎn)的滲碳爐，一般應每月停產(chǎn)一次燒爐膛炭黑。通過調節(jié)空氣流量，控制爐溫在815度左右，否則溫度過高將影響氧探頭的壽命。對于井式氣體滲碳爐，每月停爐一次，降溫，掏盡爐罐內的炭黑。
鋅對氧探頭的影響表現(xiàn)為，若鋅附著在鉑片，鉑電極將失效。鋅是以鋅的硬脂酸鹽（在機加切削油中的一種普通潤滑劑）的形式帶入爐內的。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下降，因此通過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。料框和夾具絕不能用鍍鋅鋼板、元鋼等制造。
5.2 在熱處理過程中，向爐內通入少量氨氣（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，需要取出或檢測維修。
5.4 氧探頭氧電勢輸出很低情況的處理。在正常使用過程中，爐溫在800度以上，爐內碳勢正常時，氧探頭的氧電勢很低，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。實踐證明，每一個氧探頭給與正常空氣流量為100----200L/min，通過接通氣路清理堵塞、更換氣泵即能可靠的恢復正常輸出。
5.5 氧探頭氧電勢高輸出情況的處理。持續(xù)的氧電勢高輸出是氧探頭的氧化鋯球，氧化鋯片或電極嚴重積炭的結果。這是由于在給定的溫度下，超過飽和奧氏體碳濃度的范圍運行所引起的，因為任何氣體要達到感應元件，必須穿過一層堅實的碳層，并且氧探頭顯示出很高的碳濃度，所以氧探頭對于濃氣體流量的減少無反應，可通過手動方式通入清潔空氣，燒掉氧探頭上的炭黑。炭黑嚴重時，只能去除氧探頭并拆開，進行徹底的清理炭黑，或更換氧化鋯球，氧化鋯片。爐子積炭嚴重時，應停爐進行燒炭黑，使氧探頭恢復到初始狀態(tài)，并獲得最長的工作壽命。
5.6 氧探頭氧電勢輸出基本為零的情況處理。爐溫在800度以上，爐內碳勢正常時，氧電勢輸出基本為零，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，氧探頭內部斷線等情況引起的。通過檢修或更換氧探頭即可。
5.7 氧探頭輸出的氧電勢大幅度情況的處理。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，對于可更換式的氧化鋯球、氧化鋯片氧探頭，可以進一步旋緊氧化鋯球、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，必要時更換新的氧探頭。
5.8 氧探頭在工作時，若顯示的碳勢出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，首先應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當重新開爐時，若氧探頭在一定時間內不能達到設定值，但顯示的碳勢比較穩(wěn)定時，其原因除了參比氣不正常外，可能是氧探頭內進入了潮氣，氧化鋯球、氧化鋯片被炭黑包裹，內電阻的接觸偏大（正常為小于4.0歐），新更換的氧探頭插入過深等原因造成的。
5.10定期檢查氧探頭的內阻，如DTK---08碳控儀，應定期（一般為20---30天一次）對氧探頭電阻進行檢查。氧探頭內阻正常時，一般不大于50千歐，當內阻＞100千歐時，氧探頭氧電勢毫伏值輸出就會下降。若氧探頭的內電阻在短期內大幅度上升，說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，若在一定時間內不能達到設定碳勢值，其原因可能是爐氣循環(huán)風扇軸承、介質滴注管的冷卻水套滲漏水，造成爐內碳勢的降低。
通過對氧探頭的合理選擇，準確安裝，正確使用和及時維護保養(yǎng)，不僅能大大提高氧探頭的使用壽命，而且對熱處理內碳勢精度的準確控制十分重要。

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