氧探头测量碳势原理

氧势法控制碳势原理
氧势法是利用ZrO2固体电解质，铂金丝氧电极组成的氧浓差电池（即氧探头）， 在高温下输出电压与炉气氧分压有一定的函数关系， 的方法。

1。

氧势法控制碳势的原理：
在可控渗碳气氛中，微量氧有以下的平衡关系:
CO C 2°2
(1-1) CO 2 C
(1-2)
H 2O H 2
1。

2
(1-3)
式中K （1 1）——（ 1-1）式的平衡常数，是温度的函数 P C O ，P O 2
――炉气中的CO,O2的分压
由上式公式可知，在一定温度下，碳势 C p 可用p c O /F O 22比值求得，这就
是通过测试和控制P CO /F O ：2的比值来控制碳势的理论基础。

当炉气中
F C O 变化不
大时，可认为是一种常量时，碳势就可以通过测量炉气中的氧分压来控制碳势, 这就是氧势法理论基础。

间接控制炉气的碳势，氮势 平衡时，式（1-1）的平衡常数表达式:
1
K
里a
K （1 1）
P a c
■（CO
F C O
P O
2
所以：a c K （1 1）
(1-3) (1-4)
a c ——碳在奥氏体钢中的活度，其数值可近似用 a
c
C p / C sat 来表示。

C sat ――奥氏体钢中饱和碳浓度
C P ――炉气碳势
T ――绝对温度K
式（1-3），（ 1-4）有以下关
系:
C P K （1 1）C sat pp °2 (1-5)
lg K (1 1) -5870
4.539
(1-6)
当式（1-2）, （1-3）反应达到平衡时，则:
由式（1-13），（ 1-14）可见，当温度一定时，P O 2与P CO / F C O 2或P H 2 / P H 2O 有一定的 函数关系。

因此，用氧势法控制碳势有可能比红外线 更为合理，更为准确。

根据氧势定义，氧势与氧分压得关系由下式表示：
O 2
RTl nP °2 （ 1-15） 即：
O 2
2.303RT lg P O ,
（ 1-16）
式中：R ——气体常数，
8.314J/（mol*K ）
02
——氧势
当氧势单位为KJ/mol 时，其表达式为：
O 2
0.019159T lg F 02
( KJ/mol )
K (1 2)
(1-7)
所以:
(1-8)
P H
2
lg K (1 2)
lg K (1 3)
14740 12914 T
4.521 2.871
将（1-9）, （1-10）两边取对数的下式:
lg F O 2
F Co
2lg
P CO
2
29480 T
9.042
lg F O 2
F H 2时 H ' H 2
O
25828
T 5.742 (1-9)
(1-10)
(1-11) (1-12)
(1-13)
(1-14)
CO2法或露点法（P H 2O ）
(1-17)
1
P co| P ：2
Ft 。

？
1
P H 2。

K
(1 3)
F H 2
O K (1 3)
由式（1-17）可以看到，在一定温度下，通过测量氧势，可以得到氧分压（P O 2
）
将式（1-17）分别代入式（1-13），式（1-14）贝U 有下列表达式:
O
0.110T 494.6 0.0383Tlg 电
F H 2
O
2。

氧探头测量氧势基本原理
氧探头是一种高温化学电池，或称之为氧电池。

主要结构是由固体电解 质与两
只贵金属一一氧电极组成的化学电池。

固体电解质使用氧化锆为基本材 料，加入少量的氧化钍，氧化钙等稳定剂，成形后在高温烧结而成。

固体电解质 要求不漏气，而具有氧离子导电的性能，也就是只允许氧离子通过，不许氧分子 通过。

贵金属一一氧电极的金属要求化学稳定， 近期导电作用，通常采用铂金或 铂铑合金，用耐热粘结剂进金属机械的固定在电解质上， 保证有良好的接触。

氧 探头的寿命主要取决于电极的寿命。

由于固体电解质很容易受到机械或热的损伤， 所以氧探头的外面需用金属或 碳化硅外
套加以保护。

为使被测气体与电极金属接触，在保护套上还要家通气孔。

氧探头的内电极充以参考气，空气是常用的参考气。

其优点是，当氧探头放 在空气中就可以进行校准。

另外，空气中的氧分压约为 0.21比被测气体的氧分 压高得多，可以保证输出的电势值较高，容易保证测量的准确度。

当氧探头插入高温炉内，两个铂金电极上由于氧的浓度不同而产生了电动 势，在氧分压高的一侧（空气），氧原子将得到电子形式形成氧离子，通过电解 质进入另一电极。

氧气分子的一侧（被测气），氧离子放出电子变成分子态的氧。

氧探头结构示意图:
1
阴极（内电极）:汙2e
O '
阳极（外电极）：O 2 2e O 2
氧化学电池的电动势，由Nernst 方程得出，如下式:
0.173T 564.5 0.0383T lg
(KJ/mol ) (1-18)
(KJ/mol ) (1-19)
申金屯尿前血电股
/ / 内电貫 ZrO
F C
E ^In 邑（1-20）
nF P ref
RT P O
E 2.303 Ig 丄（1-21）
4F P ref
式中：n ------ 1mol氧气参加反应得电子数目（n=4）
R——气体常数8.314J/（ mol* K）
T ――绝对温度K
F——发拉第常数9.65 104J/V
R O?――被测气体的氧分压
P ef ――参考气（空气）的氧分压（约为0.21）
将以上参数值代入式（6-24），得下式：
2F O
E 4.96 10 2T Ig 竺（mv）（1-22）
Ref
由式（6-22）可知，在一定温度下，通过测量氧探头的输出电势E,就可以知道炉气中的氧分压F O2，由式（1-22）可得下式：
E 4.96 10 2T Ig
F O24.96 10 2TIg F ref
2 2
4.96 10 T Ig P O2 4.96 10 TIg0.21
3.36 10 2T
4.96 10 2T Ig F O2
将式（1-17）代入上式
E 2.589 O3.36 10 2T（mV）（1-23）。