氧探头

一种确定含碳气氛中氧分压的测量探头

氧探头是热处理控制气氛常用的传感器，是一种确定含碳气氛中氧分压的测量探头，该方法可间接测量炉内气氛的碳势，是利用氧化锆在高温时内外两侧不同的氧浓度所产生的氧电势来测量被测部位的氧含量。

工作原理

以高温氧化锆作固体电介质，在高温下若电介质两侧氧浓度不同时，便形成氧浓差电池。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。通过炉外氧P1O1和炉内氧P2O2在氧化锆两侧产生的一个氧电势，及在被测气氛的绝对温度下根据能斯特公式：E=1/NF·RT·LnP1O1/P2O2(mv)表达式。

正常的渗碳气体中，CO和H2的含量基本上是定值，如用丙烷或丁烷制备渗碳气体，其中大致含24%CO和33%H2，炉气中的CH4和O2对CO2和H2O的含量影响很大，当增加渗剂滴量或富化气体通入量，使CH4的含量增加时，CO2和H2O会迅速减少，其反应是：

CH4+H2O=CO+3H2

CH4+CO2=2CO+2H2

当O2量增加时，炉气中的CO2和H2O会迅速增多，其反应是

2H2+O2=2H2O

2CO+O2=2CO2

由此可知，只要控制炉气中的CO2、H2O、CH4和CO2中的任何一种气体的相对含量，也就能达到控制炉气成分、调整碳势的目的。根据上述原理，武汉华敏研究发现，低温状态也可以使用氧探头，金属材料在许多情况下要进行低温保护气氛热处理，在球化退火工艺中，有一种是采用氮气加丙烷，为了保持一定的炉压，要通入适量的氮气和丙烷常量，体上安装武汉华敏低温氧探头，并在线测量炉内气氛，精确控制炉内碳势。

结构特点

氧探头的种类多种多样，但从总体结构讲分两大类：导流式和直插式。

导流式

导流式氧探头：利用一根长导流管将被测气体导入氧化锆检测室，然后加热元件把氧化锆加热到工作温度（700℃以上）。氧化锆一般采用管状，电极采用多孔铂电极。因此不受检测气体温度的影响，通过采用不同的导流管可以检测各种温度气体中的氧含量。

直插式

直插式氧化锆探头：直插式检测是将氧化锆直接插入高温气体检测其中的氧含量，这种检测方式一般适宜被检测气体温度在700℃～1100℃时（特殊可到1400℃），它利用被测气体的高温使氧化锆达到工作温度。这种方法的技术关键是陶瓷材料的高温密封和电极问题。

使用及维护

1. 氧探头在炉中工作时，洁净的参比空气应该持续通入。通入量在1~2L/min。

2. 探头的核心部件时陶瓷管，使用时应尽量避免急冷、急热，防止激烈的振动及机械碰撞。如果必须要将氧探头从热炉膛中抽出，那么抽出或者插入的速度都不要超过600mm/min的速度。

3. 积炭是造成氧探头失效的重要原因。在炉罐（马弗炉）或炉砖（无马弗炉）渗碳初期，常常是积炭已经很严重了而氧探头输出电势并不高，此时一定要控制富化介质（煤油、丙酮、丙/丁烷等）通入量，不可过多。否则会使氧探头上产生严重结炭，从而造成氧探头永久性损坏。控制富化介质（煤油、丙酮、丙/丁烷等）通入量，不要设定过高的碳势，防止氧探头积炭。

4. 无马弗炉在新的或旧炉大修后炉子预渗碳时先不装氧探头，待炉子预渗结束后再装上氧探头。

5. 烧碳装置对氧探头定期烧碳操作，当氧探头在炉子上工作时，推荐的空气流量为5~9L/min，烧炭持续2min，烧碳间隔在2~4h。探头的烧碳对探头本身是无害的。

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