采用O2探头和Lambda探头进行碳势控制的原理和各自优势之比较

采用O2探头和Lambda探头进行碳势控制的原理和各自优势之比较

 前言

气体渗碳在热处理中仍然起着重要作用。气氛的温度和碳势（C-Potential）是工艺控制的zui重要的参数。时至今日仍然没有直接测量碳势的方法能够用于在线工艺控制。炉内气氛的氧分压测量是碳势控制zui常用的间接方法。氧探头有不同的类型。在这篇文章中我们将着重讨论氧探头构造上的区别以及各自的优点和缺点。

目前，渗碳工艺已为人熟知。除温度以外zui重要的参数就是碳势。炉内气氛的碳势即非合金奥氏体的碳含量（以重量百分比表示），该碳含量与相应气氛保持均衡。比如气氛碳势为0.7%，那么奥氏体的碳含量即为0.7%。如果奥氏体碳含量高于0.7%，那么就应该进行脱碳直至其碳含量降为0.7%，反之，如果奥氏体碳含量低于0.7%，则应该进行渗碳直至其碳含量达到0.7%。另外，温度也是决定特定气氛碳势的重要因素。为了得到工件表面的准确渗碳深度，在热处理工艺中必须对炉内气氛碳势进行测量和控制。

碳势间接测量

一般来说，碳势可以直接测量也可以间接测量。但是直接测量方法不适用于碳势连续测量及控制。不过，在必要的时候，可以使用直接测量对间接测量结果进行检测和修正。

下述公式就是碳势间接测量的原理：

这些化学反应既可在炉内气氛中发生，也可在工件表面发生。化学反应之后，CO释放出C，而O2, CO2 和 H2O吸收C。如果气氛碳势高于工件表面碳含量，CO将C转移到工件表面，而O2, CO2 和 H2O吸收气氛中的C。如果气氛碳势低于工件表面碳含量，CO将C转移到气氛中，而O2, CO2 和 H2O吸收工件中的C。在这两种情况下，这些化学反应都会导致工件表面碳含量和气氛碳势之间的均衡。

这些化学反应活动对于计算碳势也是相当重要的。它取决于温度以及溶入奥氏体的碳含量。在给定温度值的前提下，每个碳势都相当于化学反应活动的特定值ac（% C,T）。下列方程式表示了化学反应活动之间的。

KO2, KCO2 和 KH2O常数是温度函数。因此如要计算碳势，只需对上述三个方程式中的温度和分压进行测量。在特定气氛中，比如吸热式气氛（endogas），或者氮甲醇气氛，p（CO） 和p（H2）的分压远远高于p（O2）, p（CO2） 和p（H2O）的分压。当碳势改变的时候，p（CO） 和p（H2）分压的百分比变化相对于p（O2）, p（CO2） 和p（H2O）的百分比变化来说是微不足道的。这就是为什么在大多数情况下，对碳势进行计算和控制都只是把p（CO） 和p（H2）分压视为常数，而只对O2, CO2 or H2O的分压和体积含量进行测量。

连续测量对于过程控制是至关重要的。市场上现有的露点传感器可用于水份分压连续测定，但不足以在渗碳气氛中进行测量。CO2的测量是通过红外传感器连续进行的，这一测量常用于比较结果。与O2测量相比，CO2测量过程明显缓慢。此外，由于零点漂移的作用，二氧化碳传感器通常需要更高的维修要求。因此，如果使用将CO2测量应用于碳势控制，那么就必须每天进行零点校正。这是为什么越来越多的用户使用氧探头进行氧分压测量来控制碳势的主要原因。

氧探头的结构和功能
图1显示了氧探头的主要构造。氧探头的测量单元是有一个一边封闭的陶瓷探头组成的。材质是散布氧化钇颗粒的氧化锆。这些有意而为之的晶格缺陷可以激活氧离子热传导性。此外，这种晶格缺陷也可以使陶瓷在热应力和机械应力下保持稳定。陶瓷内外都与铂金属连接。这些就是测量元件的电极。探头内部提供参比气体，大部分是含20,9% 氧气的空气。探头外部与炉内气氛直接接触。由于氧离子活性是由温度决定的，因此氧探头仅适用于在700°C以上的炉内气氛中进行测量。在铂电极内氧气减少为氧离子。这些氧离子通过陶瓷缺陷游离到外部电极，从而弥补外部较低的氧浓度。根据能斯特方程，电压是电荷积累的结果，而电压是可以在电极之间测到的。当测量气氛中的氧含量减少，那么电压上升。在渗碳工艺中，这意味着电压与碳势是成正比的。电压高，则碳势高；电压低，则碳势低。在目前的市场上，主要有三种不同类型的氧探头。如图2所示：

图2

*种是一边封闭的氧化锆元件，被粘合或者焊接至氧化铝陶瓷管。工作原理如上所述，内部是参比气体，外部是炉内气氛，氧离子通过陶瓷游移。

第二种有一个氧化锆球体

第三种是一种连续的，封闭的，密实的氧化锆管。

用氧化锆元素或氧化锆球体的探头大多比连续氧化锆管的探头便宜，但这些探头密闭性很低。这是由于两种不同陶瓷的扩展系数不同而导致的结果。由于扩展系数存在差异，两个陶瓷的接触点会出现极细微的裂痕。炉内气体可以通过这些细微裂痕进入陶瓷探头并且改变里面的参比空气。如果探头电压下降，那么计算出来的碳势比炉内碳势的实际值要低。增加参比空气的流速可以将这些误差减小到zui低。

通过氧气测量及化学平衡方程来计算碳势，温度是是相当重要的，表现在两个方面：
首先，需要知道温度才能测定氧含量（见下述公式（7））。
其次，需要知道温度才能确定计算碳势的化学平衡条件（见下述公式（4））。

因此，在炉内气氛中的探头温度通常是通过探头内部的热电偶测得的。

一般我们推荐带S型热电偶的探头或者不带热电偶的探头。在这种情况下，装在探头附近的炉内热电偶可以用来计算碳势。如果装K型热电偶，（主要是与氧化锆元素或氧化锆球体类型），探头成本会较低。其陶瓷设计使其可以使用较细的热电偶。但由于陶瓷裂缝的原因，热电偶可以接触到炉内气氛。从而使精度降低，使用寿命缩短。因此，K型热电偶探头只在特殊情况下才会建议使用。

氧探头测量的不确定性
在此领域内使用氧探头需注意以下几点：
1）此种氧探头直接受到机械应力和热应力的作用。由于陶瓷易碎，因此探头也会相应受到损害。特别是循环风机不平衡会降低探头的使用寿命。因此，应避免将探头安装在这些设备附近。此外，由于导热度高，在处理过程中更换氧探头需要相当长的时间。

2）氧探头陶瓷中的气孔和裂痕增加会导致参比气体流速增加。因此，如上所述，探头电压有可能不是真实数值，除此之外，氧探头热电偶的温度值也有可能出现不真实的情况。

3）清洗剂残留以及封胶会随着探头进入炉内。这些化学物质在炉内蒸发之后会沉淀在外部铂电极。这会导致测量结果不准确并且会缩短探头的使用寿命。为了将这些清洗剂和封胶的残留物从探头元件上清除，必须对探头进行清洗。还有一个很重要的问题是外电极被煤烟污染，尤其是当处理工艺被控制在煤烟极限的时候。电极的熏染同样导致测量结果不真实不准确。产生了一个伪造的测量了。在这种情况下，只能用空气对探头进行循环吹扫。注意！空气吹扫的阀门必须安装在探头附近。如果使用长管会在吹扫之后产生很长的停留时间。另外，该阀必须关闭好，不应堵塞。

4）如果温度高于1100 ° C，氧化锆里面的电子传导越来越高，不能再忽略不计[2] [3]。只有当电子传导效应得到补偿的情况下，才能使用氧探头对高温脱碳工艺（例如铸铁脱碳）进行控制。

5）如果使用铬镍钢作为保护管，那么可以在显微镜下检测到，靠近氧化锆顶端的铬部件很快就在炉内熔解消失。煤烟颗粒和氧气吸附在气孔表面。探头表面的烟灰会导致错误的测量结果，并使探头的反应时间以及吹扫之后的弛豫时间都被延长。

Lambda探头的构造和功能。
基于上述问题，我们尝试在炉外放置一个相对较小的测氧元件。
将氧传导的固体电解质比如氧化锆陶瓷，用于汽车工业的燃烧控制，可使氧探头体积变小，我们这里称之为Lambda探头（以下称：L-probe）。如图3所示。

图3

由于现在已经可以批量生产，因此用户可以以较低成本拥有坚固耐用的传感器。Lambda探头和氧探头的功能基本相同。不过，本质区别在于其结构和测量设定。L-probe的类型也是由一端封闭的管构成的，陶瓷也与氧探头相同。探头陶瓷的内外表面都覆盖有微气孔铂层。这两个铂层就是测量元件的电极。外部铂层由高度气渗型陶瓷层保护。为了使氧离子通过陶瓷游移，L-probe内部有一个镍加热元件可以将陶瓷加热。由于PTC特性，探头可以被快速加热。 

Lambda探头的特性

操作Lambda探头的时候有几点需要注意。使用Lamda探头在空气中测量的时候，显示电压不是0mV，而是-8…-15mV。这是因为热电偶的作用。由于加热元件的细微差异，每个Lambda探头所受到的加热是不同的。加热探头的时候，供电电压为12V，陶瓷温度大约在500…600°C之间。为了保证得到的测氧结果，以及基于此结果进行的碳势计算，必须考虑到上述因素的影响。

图5。在工艺条件改变的情况下，Lambda探头的温度变化曲线。紫色线表示温度受控的Lambda探头，蓝色线表示温度不受控的lamdba探头。

 为使计算准确，对Lamdba探头的陶瓷温度进行控制是非常重要的。因此必须消除不同干扰，比如流量、环境温度或气体组分的改变。图5显示了在工艺条件同等变化的情况下，Lambda探头分别在受控和不受控时的温度曲线。在此测试中，如果Lambda探头不受控，那么气体组分和流量变化会导致大约40°C的温度变化。相反，受控的探头温度几乎没有什么改变，并且在很短的时间内就能对初始值作出调整。

 因此MESA公司专门设计制造了新款电源NTV44P（图6），用于控制Lamdba探头陶瓷温度使其保持在稳定值。使用该电源，即使气体流速高于50l/h也没有问题。因此，停滞时间（炉内气体通过探头所需的时间）可以大大缩短。对于标长720mm的取样管来说，如果气体流速约20l/h，那么停滞时间为17秒。如果气体流速为60l/h，那么停滞时间可以缩短至6秒以下。另外，如果探头陶瓷温度受控，而不是使用常压对探头加热的方式，那么可以更快达到工作温度。

 图6.电源NTV44P

还应指出，对于炉内确定的氧分压来说，氧探头和Lambda探头给出的电压信号是不同的。要使用L-probe控制碳势，可以采用控制器（图7）通过L-probe电压及其校正因素来对碳势进行计算和控制，也可以采用测量变送器（如图8所示）进行相同计算或者将L-probe信号转换成氧探头信号。NTV44P的其中一个功能就是就是将L-probe信号转换为O2-probe信号。

图7：碳控仪

图8：用于Lambda探头的测量变送器

带Lambda探头的气体取样器，用于碳势控制

正确操作Lambda探头测量炉内气氛，很重要的一点在于气体取样器的结构。取样器必须能够跟氧探头一样安装而无需改孔。陶瓷管将炉内气体导至炉壁外部。在取样器的钢保护管上显示内部陶瓷管的截止部位。钢保护管的剩余部分可以作为冷却区。通过此构造，可以实现：

a），热反应气体不与钢管部分直接接触，温度下降，并且避免了烟灰污染。

b），由于气体在到达冷却区之前的充分热绝缘，从而可以阻止另一种平衡状态中的逆反应。

c），由于陶瓷管宽度减小，气体流速相应增大

d），气体在到达炉壁外缘为止都是热绝缘的

e），气体到达炉壁外缘之后，由于宽度增加，流速大大降低。

f），当气体进入冷却区之后会发生快速冷却及再凝现象。因此要阻止平衡状态下的逆反应。气体的另一种平衡状态会导致碳势计算不正确，并且会导致烟灰污染取样管。

L-probe测量是在炉外进行的。大部分L-probe的内部温度大约在550…600°C。这些温度仍然很高，足以保持氧化锆的氧离子活动。而对于氧探头来说，较低的温度就够了。这是由于构造不同所导致的。由于测量室内温度已非常低，被测气体不可能再出现逆反应。

Lambda探头的优势

无论是O2探头还是Lambda探头，都适用于渗碳工艺控制。不过，相对于O2探头来说，Lambda探头有其独到的优势：

a），Lamdba探头非常耐用，而且适用于某些温度变化或者机械冲击比较大的操作环境，比如汽车中的排气管。Lambda探头*不受机械震动的影响。因此，相比O2探头来说，它可以安装在更靠近风扇的地方。

b），由于Lambda探头安装在炉外，因此即使在热处理过程中也可以很便捷的进行更换。

c），相比O2探头来说，Lambda探头可以用于1600°C以上高温的热处理工艺而且不会出现信号偏差。不过，对于此种高温测量，冷却区必须正确设计。

d），基于气体取样器的设计，lambda探头不与炉内高温直接接触。另外，相比O2探头，Lambda探头的陶瓷不受炉内温度变化的影响。这就是Lambda探头具有比O2探头更长的使用寿命的根本原因。通过过去二十年在渗碳工艺中采用Lambda探头的经验，我们可以说，在同等工艺条件下，Lambda探头的使用寿命是O2探头的两倍。在某些环境中，如果O2探头直接接触高热应力，那么Lambda探头的使用寿命甚至是O2探头的好几倍。

Lambda探头还有一个显著的优势就是其价格。如果使用Lambda探头替换O2探头，那么初次采购Lambda探头的价格稍微高于O2探头，现有的控制器不能通过Lambda探头信号计算碳势。因此需要另外购买测量变送器或者NTV44P电源。但是，由于Lambda探头具有更长的使用寿命，而且之后更换或者维修的成本都相对低得多。

总结

过去二十年使用Lambda探头的经验表明这种探头在碳控方面表现。当然，O2探头也是一样。两种探头各有千秋。Lambda探头的显著优势表现在价格更低，使用寿命更长。因此，使用Lamdba探头可以在保持品质不变的前提下节省成本。