CN105588868A - 氧探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于测量熔融金属的熔池中的活性氧含量的浸入式氧传感器，其包括适于安装在运送件一端的测量头，测量头具有支撑电化学电池的壳体部分，电池包括从壳体突出的氧离子传导固态电解质、与电解质的一个表面并列设置的固态参比材料、以及用于减小电解质在开始浸入之后所受到的温度急增的装置，该装置包括第一保护套，第一保护套与壳体配合以封装电解质，第一保护套的内周与电解质的相反表面并列和热接触，第一保护套由在低于1550℃的温度下熔化的金属构成，第一保护套能够被熔融钢液的熔池消耗掉以便将电解质暴露于熔池，还包括由壳体支撑的用于在穿过渣层期间保护第一保护套和电池的第二保护套。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定熔融金属熔液中的溶解氧含量的测量装置。用于测量熔融金属的熔池中的活性氧含量的装置包括带有可消耗的保护套的电化学电池，保护套用于在浸入期间保护电池免受温度急增(热冲击)的影响。
背景技术
在传统的熔融金属加工中，已知利用电化学电池来测量例如铁或者钢的熔融金属的熔池与由金属和金属氧化物的混合物构成的固体氧压保持参比件间的氧势之差。这些已知的装置被安装在例如纸板管或者纸板棒等运送件的一端，以便被浸入金属熔池中。
在用这些已知装置进行的大量的实用性试验过程中，申请人发现，测量结果经常是不确定的。并不能获得足够可靠的测量值。基于进一步的研究结果，申请人发现，当测量头浸入熔融金属的熔池时，源于温度急增所导致的固态电解质的故障是出现测量值不可靠的特性的原因。本发明的目的是在不显著增加装置的制造成本或制造复杂度的情况下，以实际方式解决这个困难。
美国专利No.3,619,381和3,752,753公开了不同构造的氧传感器，并且承认了温度急增的问题。申请人对此问题的解决方案和上述专利提到的解决方案有实质上的不同。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量活性氧水平高达1000ppm并且确保极大准确性和可重现性的氧传感器。
因此，为了实现以上目标，本发明针对测量熔融金属的熔池的活性氧含量的氧传感器。本装置包括适于安装在纸板运送管(未示出)一端的测量头10。测量头的一部分支撑电化学电池。测量电池包括参比材料和固态氧离子传导电解质(氧离子导体)。保护套保护电池在浸入时免受温度急增的影响，并且与测量头配合以封装氧离子导体。保护套的内周(innerperiphery)与导体的外周(outerperiphery)并列设置(juxtaposed)。保护套构造为能够在0.1至10秒内被熔融金属的熔池消耗掉，以便使所述导体暴露于熔融金属的熔池。
附图说明
图1是根据本发明的氧传感器的剖视图。
具体实施方式
详细参考附图，其中类似的附图标记表示类似的元件，图1中示出了以附图标记10表示的氧传感器。该传感器10包括壳体12，壳体12适于安装在中空运送件(未示出)的一端内，该运送件例如是纸板管(图中未示出)。运送件也可以由其他材质制成，例如木材。壳体12是由耐火材料或者陶瓷材料制成的，从而不与熔融金属的熔池发生反应。示出为圆柱形的头部的一端被接触部件14封闭，接触部件14优选地由例如聚合塑料的材料制成。壳体中填充有耐火水泥16。
电化学电池包括由例如稳定化的氧化锆等材料制成的固态电解质氧离子导体18，该固态电解质氧离子导体18优选地制成为一端封闭的管的形式。电解质18的开口端埋入水泥16中。在电解质18内部设置有氧参比电极，该参比电极沿浸入方向设置在电解质的顶部三分之一位置处。参比电极优选为铬、三氧化二铬和三氧化二铁的粉末混合物。电解质18的剩余三分之二部分由例如三氧化二铝的惰性材料填充。优选为钼的电导体24的一端埋入参比电极中。整个电解质组件被适当的耐火水泥所密封。导体24的另一端与带有接触部分26的补偿导线相连接，接触部分26由接触部件14上的圆柱形突起28的外周支撑。
保护套30与壳体12配合以封装电解质18。保护套30的内径与电解质18的外径具有紧密滑动配合的关系以便保护套30与电解质18能够并列设置。保护套30优选为金属保护套从而能够在0.1秒到10秒的时间里被消耗掉。在浸入(穿过渣层浸入钢液)的过程中，可消耗的薄壁帽25保护电池不受渣层的影响。附加的纸帽或者塑料帽26可以罩在帽25上。
保护套30厚度的选择主要依据熔融金属熔池的温度范围以及所用电化学电池的特性。保护套30相当大程度的抑制了传感器10浸入熔融金属熔池期间所产生的温度急增，从而降低了故障的风险。已确定，当在从开始浸入起大约0.3到大约5秒的时间里护套30有效地保护电解质18不与熔池的金属直接热接触时，获得了该保护效果。已通过使用由低碳钢制成的具有厚度为0.008到0.010英寸的厚壁的保护套30获得了令人满意的效果。为了在可接受时间范围内获得精确的测量，重要的是在保护套30被消耗掉后，氧化锆电解质18与熔池直接接触。
如果需要，壳体12可以包括由石英等制成的U形管32，该U形管32由与接触部件14连接的杆支撑。管32包括顶端具有热接点的热电偶。热电偶线以附图标记36、38表示。热电偶线36与补偿导线相连接，补偿导线具有从连接部分66的内周暴露出的接触部分37。热电偶线38与导体26相连接。因此，热电偶可以通过接触部分26、37与记录设备相连接。
为了能够测量熔融金属的熔池与氧参比电极间的活性氧势之差，壳体12可由作为电池的正极接触件的金属电极40环绕。一个或多个导体42的一端与电极40相连接。导体42的另一端是由接触部件14上的圆柱形突起68所支撑的接触部分45。接触部件26、37和45提供了与远程仪器(未示出)的可断开式连接。
在浸入过程中，纸帽64和金属帽62随着传感器浸入熔融金属的熔池而被消耗掉。随后，保护套30被熔化到水泥16的暴露表面上。熔池接触环40保持为将其浸入表面暴露于熔池。导体18此时暴露于熔池。电池生成正比于熔池中的活性氧含量与参比件的氧压力的比例的电势(emf)，与此同时，热电偶测量熔池中的温度。
在不脱离本发明所体现的精神或本质属性的前提下，本发明可以以其它的特定形式体现，相应地，本发明的范围应参照所附的权利要求而不是上述说明书来确定。
Claims (8)
1.一种用于测量熔融金属的熔池中的活性氧含量的浸入式氧传感器，所述传感器包括适于安装在运送件一端的测量头，所述测量头具有支撑电化学电池的壳体部分，所述电池包括从所述壳体突出的氧离子传导固态电解质、与所述氧离子传导固态电解质的一个表面并列设置的固态参比材料、以及用于减小所述氧离子传导固态电解质在开始浸入之后所受到的温度急增的装置，所述装置包括第一保护套，所述第一保护套与所述壳体配合以封装所述氧离子传导固态电解质，所述第一保护套的内周与所述氧离子传导固态电解质的与所述一个表面相反的表面并列和热接触，所述第一保护套由在低于1550摄氏度的温度下熔化的金属构成，其中所述第一保护套能够被熔融钢液的熔池消耗掉以便将所述氧离子传导固态电解质暴露于所述熔池，还包括由所述壳体支撑的第二保护套，所述第二保护套用于在穿过渣层期间保护所述第一保护套和所述电池。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述氧离子导体是稳定化的氧化锆。
3.根据权利要求1所述的传感器，其中所述氧离子导体是具有封闭端的管，并且含有以下参比材料：铬、三氧化二铬和三氧化二铁。
4.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第一保护套是低碳钢钢管，所述第一保护套围绕着所述氧离子导体并且一端埋入所述的壳体中。
5.根据权利要求1所述的传感器，其中所述电池包括包围所述的导体的金属环。
6.根据权利要求1所述的传感器，包括接触部件，所述接触部件连接至所述壳体的与所述电池相反的一端，所述接触部件支撑电导体的第一接触部分和第二接触部分，所述第一接触部分和所述第二接触部分与所述电池接合，热电偶在所述电池旁边从所述壳体伸出，第三接触部分与所述热电偶的一条腿相连接并由所述接触部件支撑，所述热电偶的另一条腿与所述第一接触部分相连接。
7.根据权利要求6所述的传感器，其中所述接触部分彼此周向地间隔开，并且沿着所述接触部件位于不同的位置。
8.一种氧传感器，具有：氧离子传导固态电解质，其作为从壳体伸出的电化学电池的一部分；管状金属保护套，其封装所述电解质并且一端埋入所述壳体中，所述保护套的另一端是封闭的，所述保护套的内周与所述固态电解质的外周并列设置，并且两者之间以彼此热接触的方式配合，所述保护套是在低于1550摄氏度的温度下熔化的金属，其中所述保护套能够在浸入熔融钢液的熔池之后被所述熔池消耗掉，以便使所述固态电解质暴露于所述熔池。
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