德国METROTEC氧探头在气垫炉中的应用技术交流

德国METROTEC氧探头在气垫炉中的应用技术交流

在铝材加工等领域，气垫炉是进行均匀化热处理、退火等工艺的关键设备。炉内气氛的精确控制，特别是氧含量的稳定，对于保证铝材表面质量、防止过氧化至关重要。德国METROTEC公司基于氧化锆技术的氧探头，为这类高温、需精确控氧的工业过程提供了有效的测量解决方案。

一、 品牌与产品概述

德国METROTEC公司（Metrotec GmbH）是一家长期致力于工业气体分析，特别是氧气测量技术研发与生产的企业。公司位于德国Kirchheim/Teck，其产品系列围绕氧化锆固体电解质原理构建，涵盖从直接插入式传感器到成套分析系统的多种产品形态，适用于多种工业场合的气氛监控。

主要产品类型包括：

Ø 直接插入式氧探头（如CMM, CSM系列）

Ø 加热抽取式氧传感器（如A15-N, A19-N系列）

Ø 氧气分析仪/变送器（如GSM系列）

Ø 氧探头信号转换与供电模块（如Z15模块）

Ø 便携式氧气分析仪

Ø 氧探头安装法兰与连接附件

Ø 参比空气发生器与净化单元

Ø 校准用标准气体模块

Ø 传感器防护套管（陶瓷/金属材质）

Ø 系统集成机柜与采样预处理单元

二、 主要型号与技术参数

METROTEC提供了多种型号以适应不同的安装方式、温度范围和应用需求。

部分主要型号列举：

Ø CMM系列：金属保护套管直插式氧探头，适用于高温氧化性或中性气氛。

Ø CSM系列：陶瓷保护套管直插式氧探头，适用于高温及某些腐蚀性气氛。

Ø A15-N系列：紧凑型管装式加热氧传感器，适用于较低温度或抽取式测量。

Ø A19-N系列：通用型加热氧传感器，测量范围宽。

Ø GSM系列：壁挂式或盘装式氧气分析仪，集成显示、报警与控制输出。

Ø A20系列：适用于中低温范围的直插式氧探头。

Ø OM系列：经济型氧气变送器，用于简单监控。

Ø Z15模块：专为A15-N等传感器设计的供电与信号转换器。

Ø FLM系列附件：用于探头安装的多种法兰组件。

Ø CalGas模块：用于现场校准的集成气路单元。

产品介绍与工作原理（以适用于气垫炉的CMM/CSM直插式探头为例）：

Ø 这类探头设计用于直接插入炉墙，其处于工艺气氛中。核心测量元件是氧化锆陶瓷管，其内外表面涂覆有铂电极，形成一种固态电化学电池。

Ø 工作原理：氧化锆在高温下（通常由炉内温度或内置加热器维持）成为氧离子的导体。当探头内侧通入已知氧含量的参比空气（通常为空气，氧含量20.95%），外侧接触炉内工艺气氛时，由于两侧氧分压不同，氧离子会通过电解质迁移，从而在两个电极间产生一个电动势（EMF），即能斯特电压。该电压值与两侧氧浓度比的对数成正比，通过测量此电压并结合探头温度（由内置热电偶测得），即可计算出炉气中的氧含量（通常以ppm或%表示）。

技术参数示例（CMM系列典型值）：

Ø 测量原理：氧化锆固体电解质

Ø 氧含量测量范围：0.1 ppm 至 100% O₂（量程取决于配套变送器）

Ø 工作温度范围：探头耐受温度可达1400°C（视具体型号而定）

Ø 输出信号：探头本身输出毫伏级EMF信号及热电偶信号，需连接变送器处理。

Ø 参比气需求：洁净压缩空气，流量通常建议约30-50升/小时。

Ø 安装长度：常见有700mm, 900mm, 1200mm等多种规格，以适应不同炉墙厚度。

三、 核心特点

结合气垫炉的应用环境，METROTEC此类氧探头的一些特点显得比较突出：

Ø 高温适应性：CMM/CSM等系列探头的设计使其能够长期工作在气垫炉的典型工艺温度区间内（如500-600°C），无需额外冷却，结构相对简洁。

Ø 直接测量与响应速度：探头直接接触工艺气体，避免了取样管路带来的延迟和可能的气体成分变化，对炉内气氛变化的响应速度较快，有利于实时控制。

Ø 宽量程测量能力：基于能斯特原理，其信号特性使其能够测量从百分比到ppm级别的宽范围氧含量，能够覆盖气垫炉从启动吹扫到工艺运行的氧控需求。

Ø 结构相对坚固：金属或陶瓷保护套管能够在一定程度上承受炉内气流的冲刷和热冲击，具备较长的机械使用寿命。

Ø 模块化系统设计：传感器与变送器（如GSM）分离。当传感器因寿命到期需要更换时，通常可以独立进行，而无需更换整个测量系统，降低了维护复杂度和成本。

四、 应用领域

METROTEC氧化锆氧探头主要应用于需要连续、在线监测和控制气氛中氧含量的工业热工设备，具体包括：

Ø 有色金属热处理：气垫炉是核心应用场景之一，用于监测和控制炉内保护性气氛（如氮气）中的残余氧含量，防止铝材表面氧化，保证热处理质量。

Ø 钢铁冶金行业：用于烧结炉、退火炉、镀锌线等的气氛控制，优化燃烧过程或保证还原性气氛。

Ø 陶瓷与玻璃工业：在烧结炉、熔炉中监测气氛，以控制产品色泽、提高成品率。

Ø 化工与材料加工：用于惰性气体保护下的粉末冶金、稀土烧结等工艺过程。

Ø 环保与燃烧优化：用于监测锅炉、焚烧炉的烟气氧含量，作为优化空燃比、提高能效的参考。

在气垫炉中的具体应用要点：

在气垫炉中，氧探头通常安装在加热段或均热段。通过连续测量并输出信号至炉控系统（DCS/PLC），参与对氮气（或氮氢混合气）流量、放散阀等的连锁控制，将炉内氧含量稳定在工艺要求的设定点（例如几十个ppm）。定期使用标准气体进行校准，并按照设备维护规程检查探头的响应情况和机械完整性，是保证测量可靠的关键。