陸柯杰
威睿電動(dòng)汽車技術(shù)(寧波)有限公司 浙江寧波 315336
為監(jiān)控?zé)崽幚砜煽貧夥斩_發(fā)的氧探頭又稱氧化鋯濃差電池,它是以高溫氧化鋯作固體電介質(zhì),在高溫下電介質(zhì)兩側(cè)氧濃度不同時(shí),形成氧濃差電池,氧探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。濃差電池產(chǎn)生的電勢(shì)與兩側(cè)氧濃度有關(guān),如一側(cè)氧濃度固定,即可通過(guò)測(cè)量濃差電勢(shì)來(lái)測(cè)量另一側(cè)的氧含量,輸出氧電勢(shì)。
圖1 氧探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)
嚴(yán)格來(lái)講,氧探頭不能測(cè)量碳含量,而是只能輸出電壓的氧傳感器。因?yàn)檠鮿?shì)與碳勢(shì)之間存在線性關(guān)系,所以可以通過(guò)一個(gè)數(shù)學(xué)式計(jì)算出爐內(nèi)的碳勢(shì),進(jìn)而達(dá)到控制碳勢(shì)的目的。碳勢(shì)計(jì)算式為
式中Φ——函數(shù);
EC——氧探頭輸出的毫伏值(mV);
CO—— 一氧化碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%);
TR——絕對(duì)溫度(K)。
從上式可看出,影響碳勢(shì)的三個(gè)可變量為氧勢(shì)、一氧化碳含量和溫度。
在水平安裝氧探頭的情況下,探頭插入爐膛的距離控制在50~100mm,如圖2所示。超過(guò)100mm時(shí),不僅探頭在高溫下會(huì)下垂變形,導(dǎo)致氧化鋯破裂,而且需要在外面加裝瓷套管。反之,插入較淺時(shí),會(huì)使氣氛交換不良,影響測(cè)量精度。把氧探頭插入爐膛時(shí),氧碳頭測(cè)量端面至爐膛外殼深度100mm以內(nèi)可以快速插入,繼續(xù)插入要以 <50mm/min的速度,以防熱沖擊導(dǎo)致氧化鋯開裂[1]。
圖2 氧探頭安裝
氧探頭的測(cè)量點(diǎn)要求能正確反映爐內(nèi)氣氛和溫度,以保證傳感器輸出信號(hào)的真實(shí)性,避開回風(fēng)死角。測(cè)量點(diǎn)不可靠近滲劑入口,應(yīng)位于滴注孔的上風(fēng)位置,特別是采用滴注式氣氛時(shí),否則會(huì)造成碳勢(shì)傳感器失真或波動(dòng),且容易在碳勢(shì)傳感器表面形成炭黑,影響氧探頭壽命。另外,也不要過(guò)于靠近攪拌風(fēng)扇,以免因風(fēng)扇振動(dòng)和氣流沖刷而影響氧探頭壽命。
參比氣應(yīng)是干凈和干燥的,若參比氣中含水,則會(huì)影響內(nèi)外電極的絕緣電阻,使傳感器氧勢(shì)測(cè)量值偏低,使產(chǎn)品增碳。
氧探頭的工作溫度一般為800~1093℃,在這個(gè)溫度范圍內(nèi),氧勢(shì)與溫度呈線性關(guān)系。
若產(chǎn)品表面有低熔點(diǎn)金屬,如鍍鋅件,在調(diào)質(zhì)工藝溫度下,鋅蒸發(fā)并迅速地使氧探頭外部電極品質(zhì)下降,氧探頭的壽命將大大縮短,并影響測(cè)量精度。另外,零件表面油污、油漆、污垢和其他臟物需要清潔,通常用工業(yè)清洗劑或10%的碳酸鈉水溶液、汽油、四氯化碳等作為清洗介質(zhì)除油[2]。
氧探頭的炭黑污染和氣氛的滲碳都會(huì)使探頭的毫伏電壓產(chǎn)生誤差。氧探頭的氧化鋯在高溫工作爐內(nèi),如有積炭時(shí),會(huì)使氧探頭附近的氧含量減少。此時(shí)氧探頭反映的是附近的氣氛,而沒(méi)有反映實(shí)際的氣氛,碳控儀自動(dòng)控制下的富化氣減少,以至爐內(nèi)實(shí)際碳勢(shì)下降,這就需要定期燒炭維護(hù)。
在網(wǎng)帶爐正常運(yùn)行過(guò)程中,由于網(wǎng)帶會(huì)偏移,從而觸發(fā)偏移報(bào)警,因此若不及時(shí)處理,則網(wǎng)帶上的產(chǎn)品可能會(huì)與氧探頭刮擦,損壞氧探頭。圖3所示為折彎的氧探頭網(wǎng)帶爐網(wǎng)帶產(chǎn)生偏移,刮擦氧探頭后發(fā)現(xiàn)碳勢(shì)異常,而從爐膛取出時(shí)又發(fā)生二次折彎。
圖3 折彎的氧探頭
氧探頭的積炭會(huì)加快氧化鋯的劣化,影響測(cè)量精度。為去除積炭,一般設(shè)備具有自動(dòng)燒炭裝置。自動(dòng)燒炭裝置應(yīng)控制好空氣流量,參考流量為4.7~7L/min,避免流量過(guò)大使氧探頭的溫度升高超過(guò)38℃。燒炭后氧勢(shì)值應(yīng)降低至800mV以下,最好是200mV以下,燒炭持續(xù)時(shí)間以90~120s為宜,批處理爐可以在生產(chǎn)前或生產(chǎn)后進(jìn)行,連續(xù)爐可以按每6~12h一次的頻率進(jìn)行。如果碳勢(shì)設(shè)定較高,比如1%以上,則需要增加燒炭次數(shù)。
在故障排查過(guò)程中,首先要確認(rèn)外部條件是否符合要求。在未確定氧探頭故障的情況下,不要試圖把氧探頭從爐內(nèi)取出。
常見故障見表1。
表1 常見故障
碳控儀的CO系數(shù)設(shè)定值是否正常,CO系數(shù)應(yīng)根據(jù)氣氛種類和氧探頭的壽命設(shè)定,配合使用三氣分析儀、定碳片等進(jìn)行修正。
儀表測(cè)量的氧勢(shì)值和溫度信號(hào)是否與萬(wàn)用表測(cè)量的值一致,如果不一致,儀表就需要調(diào)整。
843℃溫度下氧探頭的內(nèi)阻應(yīng)<50kΩ。當(dāng)內(nèi)阻超過(guò)25kΩ時(shí),應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)控。內(nèi)阻測(cè)量可使用一根超過(guò)50kΩ的已知電阻,電阻值為RS,氧探頭接線端內(nèi)未接入電阻前測(cè)量氧探頭毫伏值EC,如圖4所示。接入電阻后測(cè)量氧探頭毫伏值EM,如圖5所示。
圖4 EC測(cè)量
圖5 EM測(cè)量
按下式計(jì)算出氧探頭電阻RP,即
如內(nèi)阻超過(guò)50kΩ,建議對(duì)氧探頭進(jìn)行燒炭,然后重復(fù)檢測(cè)。內(nèi)阻超過(guò)50kΩ時(shí),說(shuō)明氧探頭的電極已經(jīng)衰減到需要維修或更換的程度。
使用一根導(dǎo)線,連接氧探頭毫伏輸出接口,連接前記錄毫伏值,連接5s后觀察毫伏值是否能在20s內(nèi)恢復(fù)到連接前的99%,如不能,則對(duì)氧探頭進(jìn)行燒炭,然后重復(fù)檢測(cè)。
關(guān)閉參比氣1min,記錄氧探頭氧勢(shì)毫伏值,打開參比氣,再記錄氧探頭氧勢(shì)毫伏值,如果這兩個(gè)值差在25mV以上,說(shuō)明氧化鋯已開裂。
參比氣、燒炭空氣管道如果漏氣,將使空氣無(wú)法到達(dá)氧探頭前端。對(duì)此可將氧探頭上的氣管卸下,用手堵住管子的一端,檢查流量計(jì)上的浮標(biāo),如果下降,可以判定為不漏氣;如果不下降,說(shuō)明管道上有漏氣。
對(duì)氧探頭的阻值和靈敏度進(jìn)行檢測(cè)時(shí),若在氧探頭燒炭后仍不能改善,則需要對(duì)爐子進(jìn)行全面燒炭,把炭黑等雜質(zhì)從爐內(nèi)去除。爐子燒炭溫度應(yīng)在1093℃以內(nèi),以免對(duì)氧探頭造成損壞。
氧探頭和碳控儀在熱處理可控氣氛中進(jìn)行碳勢(shì)控制,具有高精度(±1%)、快速反應(yīng)(0.5~2s),以及能直接與被測(cè)氣氛接觸的特點(diǎn)[3],提高了過(guò)程質(zhì)量,使熱處理產(chǎn)品質(zhì)量上了一個(gè)臺(tái)階。氧探頭在熱處理行業(yè)的技術(shù)應(yīng)用和所起的作用,也越來(lái)越被業(yè)內(nèi)人士所認(rèn)可。