德國(guó)MESA熱處理氣氛測(cè)量與控制技術(shù)概述

在工業(yè)熱處理領(lǐng)域，精確測(cè)量和控制爐內(nèi)氣氛是保證產(chǎn)品質(zhì)量、提升工藝穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。來(lái)自德國(guó)的MESA Electronic GmbH（常稱“MESA"）自1973年成立以來(lái)，便專(zhuān)注于這一領(lǐng)域，提供從傳感器到完整控制系統(tǒng)的系列化產(chǎn)品。其技術(shù)核心圍繞對(duì)爐內(nèi)氧含量、碳勢(shì)、氮?jiǎng)菁岸喾N氣體成分的精確分析，廣泛應(yīng)用于需要對(duì)金屬材料進(jìn)行滲碳、滲氮、保護(hù)氣氛加熱等處理的工業(yè)場(chǎng)景。

MESA的產(chǎn)品體系不僅限于單一的測(cè)量元件，更構(gòu)建了一套完整的測(cè)量與控制生態(tài)系統(tǒng)，旨在為復(fù)雜的熱處理工藝提供可靠的解決方案。

一、 產(chǎn)品類(lèi)型與主要型號(hào)

MESA的產(chǎn)品線可按其功能劃分為四大類(lèi)，每一類(lèi)下包含多種具體產(chǎn)品與型號(hào)，以滿足不同客戶和工藝的需求。

二、 核心產(chǎn)品技術(shù)介紹：以氧探頭與碳勢(shì)控制為例

在MESA的產(chǎn)品序列中，用于直接或間接測(cè)量氧含量的傳感器是整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

1. 產(chǎn)品簡(jiǎn)介與工作原理

MESA的氧探頭主要基于氧化鋯（ZrO?）技術(shù)。其核心部件是一種在高溫下能傳導(dǎo)氧離子的固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管。工作時(shí)，陶瓷管內(nèi)外兩側(cè)暴露在不同氧分壓的氣氛中（內(nèi)側(cè)通入?yún)⒈瓤諝?，外?cè)接觸爐氣），由于氧濃度的差異，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與溫度、氧濃度差相關(guān)的電動(dòng)勢(shì)，即能斯特（Nernst）電壓。通過(guò)測(cè)量這個(gè)電壓值，并結(jié)合熱電偶測(cè)得的探頭溫度，即可計(jì)算出爐氣中的氧含量。進(jìn)一步，在已知爐內(nèi)一氧化碳（CO）含量等參數(shù)的情況下，該信號(hào)可被換算為碳勢(shì)（Cp）值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滲碳等工藝的精確控制。

2. 主要技術(shù)形式與參數(shù)

MESA提供兩種主流的氧測(cè)量方案，以適應(yīng)不同的工況條件：

直插式氧探頭：將氧化鋯元件直接插入爐膛內(nèi)部，利用爐膛本身的高溫（700-1050℃）使探頭工作。這種方式響應(yīng)速度快，對(duì)氣氛變化反應(yīng)直接。

響應(yīng)時(shí)間：對(duì)于氧氣的典型響應(yīng)時(shí)間約1秒。

使用壽命：在常規(guī)工況下，使用壽命可達(dá)數(shù)年以上。

取樣式（Lambda）傳感器：通過(guò)取樣管將爐氣引出，送入一個(gè)獨(dú)立的、溫度恒定的測(cè)量室進(jìn)行分析。這種方式的優(yōu)勢(shì)在于探頭核心部件不直接暴露在爐內(nèi)高溫區(qū)域。

工作溫度范圍：測(cè)量室本身工作在穩(wěn)定溫度下，但可對(duì)高達(dá)1200℃甚至1600℃以上的爐氣進(jìn)行取樣測(cè)量。

使用壽命：由于工作環(huán)境相對(duì)溫和穩(wěn)定，其核心的Lambda探頭模塊壽命更長(zhǎng)。

三、 技術(shù)方案的特點(diǎn)

綜合其產(chǎn)品設(shè)計(jì)與應(yīng)用反饋，MESA的技術(shù)方案在以下幾個(gè)方面表現(xiàn)出一定的適用性。

1. 較長(zhǎng)的運(yùn)行周期與維護(hù)便利性：特別是取樣式Lambda傳感器設(shè)計(jì)，其測(cè)量室與高溫爐氣分離，核心部件老化速度減慢。采用模塊化設(shè)計(jì)，在需要維護(hù)時(shí)，通常只需更換頂部的探頭模塊，操作時(shí)間較短，且無(wú)需等待爐體冷卻，有助于減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間。

2. 對(duì)復(fù)雜工況的適應(yīng)性：提供直插與取樣兩種技術(shù)路徑，使用戶可以根據(jù)自家爐型（如井式爐、箱式多用爐）和工藝溫度靈活選擇。取樣式設(shè)計(jì)降低了對(duì)探頭安裝位置的限制，避免了工件碰撞或富化氣直吹的影響。

3. 系統(tǒng)的集成與兼容性：MESA不僅提供傳感器，也提供配套的碳控儀、氮控儀及分析儀。其控制系統(tǒng)（如Carbo-M， Carbomat-M）能夠直接處理Lambda探頭的原始信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，減少了信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。此外，其探頭和儀表輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)（如0-1300mV， 4-20mA），能夠與市場(chǎng)上主流的PLC或DCS系統(tǒng)以及多種品牌的熱處理爐配合工作。

4. 測(cè)量的響應(yīng)速度：基于氧化鋯原理的傳感器，其電化學(xué)反應(yīng)速度較快，能夠?qū)t內(nèi)氣氛的變化做出迅速反饋，這有利于實(shí)現(xiàn)更及時(shí)和精確的工藝控制。

四、 主要應(yīng)用領(lǐng)域

MESA的測(cè)量與控制技術(shù)主要服務(wù)于需要精確氣氛管理的工業(yè)熱處理過(guò)程，具體應(yīng)用包括：

1. 化學(xué)熱處理工藝控制：這是最核心的應(yīng)用領(lǐng)域，包括氣體滲碳、碳氮共滲的氣氛碳勢(shì)控制，以及氣體滲氮、氮碳共滲的氮?jiǎng)菘刂?。通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)氧含量或氫含量，間接或直接計(jì)算并調(diào)節(jié)碳勢(shì)/氮?jiǎng)?，確保零件表面達(dá)到預(yù)期的硬度、耐磨性和疲勞強(qiáng)度。

2. 保護(hù)性氣氛熱處理：在零件的無(wú)氧化淬火、退火、釬焊等過(guò)程中，用于監(jiān)控并維持爐內(nèi)保護(hù)性氣氛（如放熱式、吸熱式氣氛）的穩(wěn)定，防止工件表面氧化脫碳。

3. 工業(yè)爐燃燒效率監(jiān)測(cè)與優(yōu)化：通過(guò)對(duì)鍋爐、加熱爐等排放煙氣中氧含量的連續(xù)監(jiān)測(cè)，幫助操作人員調(diào)整空燃比，實(shí)現(xiàn)更充分、更經(jīng)濟(jì)的燃燒，達(dá)到節(jié)能和降低排放的目的