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，间接控制炉气的碳势，氮势的方法。

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：
[]21
2CO C O =+ （1-1）
[]221
2CO C O =+ （1-2）
2221
2
H O H O =+ （1-3）
平衡时， 式（1-1）的平衡常数表达式： 2
12(11)o c CO
p
K a P -=
（1-3）
所以：2
(11)
12CO c o P a K p
-= （1-4）
式中 (11)K -——（1-1）式的平衡常数，是温度的函数
CO P ，2O P ——炉气中的CO,O2的分压
c a ——碳在奥氏体钢中的活度，其数值可近似用/c p sat a C C =来表示。

sat C ——奥氏体钢中饱和碳浓度 p C ——炉气碳势 T ——绝对温度K 式（1-3），（1-4）有以下关系：
2
(11)1/2
CO
P sat
O P C K C P -= （1-5） (11)5870
lg 4.539K T
--=
- （1-6） 由上式公式可知，在一定温度下，碳势p C 可用21/2
/CO O P P 比值求得，这就是通过测试和控制21/2/CO O P P 的比值来控制碳势的理论基础。

当炉气中CO P
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。

当式（1-2），（1-3）反应达到平衡时，则： 2
2
1
2(12)CO o CO p p K P -=
（1-7）
22
212(13)H o H O
p p K P -=
（1-8）
所以： 22
1/2
(12)CO O CO
P P K P -= (1-9)
22
2
1/2(13)H O O H P P K P -= (1-10)
(12)14740
lg 4.521K T --=
+ (1-11) (13)12914
lg 2.871K T
--=+ (1-12)
将（1-9），（1-10）两边取对数的下式：
2229480
lg 2lg
9.042CO O CO P P P T =--+ （1-13） 22225828
lg 2lg
5.742H O H O
P P P T
=--
+ (1-14) 由式（1-13），（1-14）可见，当温度一定时，2O P 与2/CO CO P P 或22/H H O P P 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CO2法或露点法（2H O P ）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： 22ln O O RT P μ= （1-15） 即： 222.303lg O O RT P μ= （1-16） 式中： R ——气体常数， 8.314J/(mol*K) 2O μ——氧势
当氧势单位为KJ/mol 时，其表达式为：
220.019159lg O O T P μ= （KJ/mol ） （1-17）
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（2O P ）。

将式（1-17）分别代入式（1-13），式（1-14）则有下列表达式：
2
2
0.173564.50.0383lg
CO
O CO P T T P μ=-- （KJ/mol ） （1-18） 22
20.110494.60.0383lg
H O H O
P T T P μ=-- （KJ/mol ） （1-19）
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——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——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：
阴极（内电极）：221
22O e O -+→
阳极（外电极）：222O e O --→
氧化学电池的电动势，由Nernst 方程得出，如下式：
2
ln
O ref
P RT E nF P =
（1-20） 2
2.303lg
4O ref P RT E F P = （1-21） 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49.6510/J V ⨯ 2O P ——被测气体的氧分压
ref P ——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： 22
4.9610lg
()O ref
P E T mv P -=⨯ （1-22）
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2O P ，由式（1-22）可得下式：
222
2222224.9610lg 4.9610lg P 4.9610lg 4.9610lg 0.213.3610 4.9610lg O ref
O O E T P T T P T T T P ------=⨯-⨯=⨯-⨯=⨯+⨯
将式（1-17）代入上式
222.589 3.3610()O E T mV μ-=+⨯ （1-23）。