在熱處理可控氣氛爐上的氧化鋯探頭

    氧探頭在滲碳、碳氮共滲、保護(hù)氣氛無(wú)氧化加熱等熱處理工藝上的應(yīng)用要比在工業(yè)爐、汽車上應(yīng)用復(fù)雜得多，因?yàn)闋t內(nèi)的氣氛控制與氧探頭輸出的氧量信號(hào)沒(méi)有直接的數(shù)學(xué)關(guān)系。它是通過(guò)氧探頭測(cè)量出熱處理爐內(nèi)氣氛中的氧量，再由熱處理爐內(nèi)氣氛的化學(xué)平衡原理計(jì)算出對(duì)應(yīng)的碳勢(shì)，達(dá)到監(jiān)視或控制爐內(nèi)的碳勢(shì)，這就要求在大量生產(chǎn)實(shí)踐的基礎(chǔ)上收集大量**的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立起與實(shí)際更接的數(shù)學(xué)模式。
　　滲碳爐中氣氛碳勢(shì)的測(cè)量與控制，1950年前后主要用氯化鋰露點(diǎn)儀，1970年前后大多采用紅外線氣體分析儀。七十年代中期美國(guó)**在熱處理行業(yè)引進(jìn)氧探頭進(jìn)行碳勢(shì)控制，并獲得巨大的成功。氧探頭直接插入爐內(nèi)測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，得以迅速在發(fā)達(dá)**推廣使用。到八十年代中期，歐、美、日等都已全部改用氧探頭測(cè)量和控制碳勢(shì)。

　　氧探頭的使用范圍很廣，一般說(shuō)來(lái)適用于高溫滲碳、碳氮共滲、非平衡滲碳(或高碳勢(shì))，以及氮基氣氛滲碳等。
　　使用氧探頭帶來(lái)的效益是很顯著的。首先是產(chǎn)品質(zhì)量提高，基本上消除了廢品；其次是縮短了滲碳時(shí)間，減少了滲劑的消耗，節(jié)約了能源。據(jù)使用廠家反映，利用氧探頭可縮短20%工時(shí)，減少50～70%的滲劑消耗；再次是可避免碳黑的形成，減輕了清理工作。
多數(shù)熱處理氣氛是含CO、CO2、CH4、H2、H2O等的混合氣體，目前發(fā)展起來(lái)的N2基氣氛中，N2只作為載氣并不參加反應(yīng)，這里不予考慮。
　　簡(jiǎn)單地講，平衡條件下，氣氛中CO和H2的含量是穩(wěn)定的，一般的碳勢(shì)控制都是比較容易實(shí)現(xiàn)的，但到高溫或高碳勢(shì)(＞1.2%℃)時(shí)，氣氛CO和H2O含量非常小，當(dāng)氣氛被引出爐并冷卻后，氣氛的平衡被嚴(yán)重破壞，這導(dǎo)致CO2紅外儀和露點(diǎn)法給出的碳勢(shì)與實(shí)際碳勢(shì)的偏差經(jīng)常達(dá)到100%以上，而氧探頭是直接插入爐中測(cè)量的，反映的是爐內(nèi)真實(shí)狀況，精度很高。
　　利用能斯特公式(6)可推導(dǎo)出氧電勢(shì)與碳活度、Pco、T之間的關(guān)系，它們的關(guān)系中碳活度ac=Cp／Cs,Cp為爐氣碳勢(shì)，Cs為T溫度下鋼中飽和含碳量，Pco為爐氣中CO分壓。。在平衡條件下，Pco很穩(wěn)定，利用氧電勢(shì)和溫度就可準(zhǔn)確地測(cè)出碳勢(shì)。
　　在非平衡條件下或N2基氣氛下，Pco和PH2不穩(wěn)定，紅外法和露點(diǎn)法已不適用，而加上Pco(用紅外儀測(cè)出)補(bǔ)償，進(jìn)一步修正(6)式，氧探頭仍可以準(zhǔn)確地進(jìn)行碳勢(shì)控制，這對(duì)高溫高碳滲碳是非常重要的。