DE3303851A1

DE3303851A1 - Schnell ansprechende sauerstoffsonde fuer geschmolzene metalle

Info

Publication number: DE3303851A1
Application number: DE19833303851
Authority: DE
Inventors: Richard J Hance
Original assignee: Leeds and Northrup Co
Current assignee: Leeds and Northrup Co
Priority date: 1982-02-05
Filing date: 1983-02-04
Publication date: 1983-08-18
Also published as: CA1208287A; BR8300568A; JPS58139060A; AU1039583A; BE895720A

Description

BESCHREIBUNG
Gegenstand der Erfindung ist eine schnell ansprechende Sauerstoff-Tauchmeßzelle oder Sauerstoffsonde zur Bestimmung von gelöstem Sauerstoff in geschmolzenem Metall.
Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Spannung, die abhängig ist von dem Gehalt an gelöstem Sauerstoff in geschmolzenen Metallen und insbesondere Einrichtungen dieser Art, welche eine Ausgangsspannung erzeugen, die von dem Gehalt des gelösten Sauerstoffes abhängen, wenn die Einrichtung in geschmolzenen Stahl eingetaucht wird.
Seit einiger Zeit werden galvanische Zellen dazu verwendet, die Konzentration von Sauerstoff in geschmolzenen Metallen zu bestimmen, wobei solche Zellen einen Feststoffelektrolyt umfassen, der mit einem Material in Kontakt steht, welches einen Sauerstoff-Bezugswert erzeugt. Die Ausgangsspannung der Zelle hängt dann von dem Sauerstoff-Partialdruckunterschied ab, der an den gegenüberliegenden Seiten des Elektrolyts vorherrscht.
Zur Bestimmung von Sauerstoff in flüssigem Stahl verwendet man als Elektrolyt im allgemeinen calciumstabilisiertes Zirkoniumoxid, wobei man als Bezugselektrode ein Metall in Kombination mit einem Oxid des Metalls verwenden kann. Die US-PS 3 723 279 lehrt, den Sauerstoff-Bezugswert mit einer Mischung aus Chrom und Chrom(III)-oxid zu bilden.
Bei der Anwendung solcher Einrichtungen wird die Zelle im allgemeinen am Ende eines Papprohres angeordnet und in den flüssigen Stahl eingetaucht. Es hat sich gezeigt, daß es bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen im allgemeinen notwendig ist, die Zelle während 10 Sekunden oder langer in den flüssigen Stahl einzutauchen. Damit die Sauerstoffsonde während einer solch langen Zeitdauer den Bedingungen des flüssigen Stahls zu widerstehen vermag, ist es notwendig geworden, Pappröhren ausreichender Dicke zu verwenden, um zu verhindern, daß der flüssige Stahl durch das Papprohr hindurchbrennt und die elektrischen Kontaktelemente der Zellen zerstört. Weiterhin ergeben die nach dem Stand der Technik hergestellten Zellen Ausgangsspannungen, die signifikant unterschiedliche Meßergebnisse liefern, was es schwierig macht, den gelösten Sauerstoff in dem geschmolzenem Stahl mit einer angemessenen Genauigkeit zu bestimmen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine für das Eintauchen in geschmolzenes Metall geeignete Zelle zu schaffen, die eine größere Ansprechgeschwindigkeit zeigt und eine stabilere Ausgangsspannung liefert.
Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der schnell ansprechenden Sauerstoff-Tauchmeßzelle gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses Erfindungsgegenstandes.
Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt die einzige FIGUR eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sauerstoff-Tauchmeßzelle oder Sauerstoffsonde.
Die Figur zeigt eine Wegwerf-Taucheinrichtung 10, die einen geformten Kunststoffkörper mit einem Becherabschnitt 11 und einem Röhrenabschnitt 13 aufweist. Der Becherabschnitt 11 enthält ein hitzebeständiges Bindemittel oder einen hitzebeständigen Zement 14, der in dem Becher 11 eine Verbindungselektrode 15 derart festlegt, daß sie aus dem Becher 11 herausragt, welche Elektrode 15 an dem in dem hitzebeständigen Bindemittel 14 eingebetteten Ende mit einem elektrischen Leiter 16 verbunden ist, dessen eines Ende 16a um eine Kerbe 13a in dem Röhrenabschnitt herumgebogen ist und einen Steckkontakt für die Verbindungselektrode 15 bildet.
In dem hitzebeständigen Bindemittel 14 ist weiterhin eine Elektrolysenzelle-Elektrodenanordnung 17 vorgesehen, die im wesentlichen parallel zu der Verbindungselektrode 15 aus dem hitzebeständigen Bindemittel herausragt. Die Elektrodenanordnung 17 umfaßt eine Hülse 18 in Form eines einseitig geschlossenen Rohres aus einem Material, welches als Feststoffelektrolyt für Sauerstoff verwendet werden kann, beispielsweise aus calciumstabilisiertem Zirkoniumoxid. Das Rohr 18 enthält eine geringe Menge eines Bezugsmaterials 20 in Form eines Pulvers. Wenn das zu bestimmende Element Sauerstoff ist, kann der Bezugs-Sauerstoffpartialdruck mit Hilfe einer Mischung aus einem pulverförmigen Metall und einem stabilen Oxid dieses Metalles erzeugt werden, beispielsweise einer Mischung aus einem pulverförmigem Chrom und pulverförmigem Chrom(III)-oxid. Es hat sich gezeigt, daß im Hinblick auf eine hohe Ansprechgeschwindigkeit der Zelle die Menge des Bezugsmaterials 20 klein gehalten werden sollte und nicht mehr als 3,2mm (1/8 Inch) des Rohres 18 ausfüllen sollte. Um weiterhin die Ansprechgeschwindigkeit zu steigern und die angestrebte Stabilität zu ergeben, hat es sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, ein kritisches Verhältnis von pulverförmigem Chrom zu pulverförmigem Chrom(III)-oxid einzuhalten, welches im wesentlichen 75% Chrom und 25% Chrom(III)-oxid unfassen sollte.
Die Mischung aus Chrom und Chrom(III)-oxid, die die geringe Menge des Bezugsmaterials 20 bildet7 wird vorzugsweise festgestampft, um einen guten mechanischen und elektrischen Kontakt mit dem Ende des Rohres 18 zu erreichen. Um sicherzustellen, daß die Chrom/Chrom(III)-oxid-Mischung mit dem Ende des Rohres 18 in Kontakt bleibt, wird eine dünne Schicht aus faserförmigem Aluminiumoxid 24 fest gegen die freiliegende Oberfläche der Pulvermasse 20 gepreßt. Zur Verringerung der Zeit, die dazu erforderlich ist, daß der durch die menge des Bezugsmaterials 20 erzeugte Sauerstoffpartialdruck einen stabilen Gleichgewichtswert erreicht und zur Sicherstellung eines schnellen Ansprechens der Zelle sollte jener Bereich des Rohrs 18, der nicht mit dem Bezugsmaterial 20 und der Schicht 24 ausgefüllt ist ein Füllmaterial 21 enthalten, um die in dem Rohr 18 enthaltene Luft im wesentlichen vollständig zu entfernen.
Wenngleich man irgendein geeignetes trockenes Füllmaterial verwenden kann, hat es sich gezeigt, daß man eine Zelle mit hoher Ansprechgeschwindigkeit dadurch erhalten kann, daß man oberhalb der Schicht 24 eine ausreichende Menge Aluminiumoxid in das Rohr 18 einführt, wobei man das als Füllmaterial 21 verwendete Aluminiumoxid vorzugsweise in Pulverform in das Rohr 18 einbringt. Wenn man als Füllmaterial zur Entfernung der Luft aus dem Rohr 18 pulverförmiyes Aluminiumoxid verwendet, sollte das Pulver ausreichend fein sein oder mindestens einen ausreichenden Prozentsatz feinteiligen Pulvers zur Eliminierung der Zwischenräume enthalten, in denen sich sonst Lufträume innerhalb des Füllmaterials 21 bilden könnten.
Die Beseitigung der Luft aus dem Rohr 18 kann auch in anderer Weise erreicht werden, beispielsweise durch Einführen anderer pulverförmiger Materialien oder durch Einbringen eines festen Materials, wie Quarz oder Vycor in das Rohr 18 oder dadurch, daß man als Füllmaterial 21 eine unterkühlte Flüssigkeit verwendet. Unabhängig von der Art des zur Ausfüllung des Hohlraums innerhalb des Rohres 18 und oberhalb des Bezugsmaterials 20 und der Schicht 24 verwendeten Materials muß eine Verbindung geschaffen werden, um einen Leiter 22 durch die gesamte Länge des Rohres 18 zu führen, der die elektrische Verbindung mit der inneren Oberfläche des Elektrolytrohres 18 bildet.
Diese elektrische Verbindung kann von dem Leiter 22 zu der inneren Oberfläche des Rohres 18 über die geringe Menge des Bezugsmaterials 20 vervollständigt werden. Dcs Ende des Rohres 18 mit dem darin angeordneten Leiter 22 wird vorzugsweise mit Hilfe eines Epoxidharzes oder eines anderen geeigneten Dichtungsmaterials 19 verschlossen, welches das pulverförmige Aluminiumoxld 21 und das Material 20 der Bezugselektrode festlegt.
De elektrische Verbindung mit der inneren OlDerflächfM des Elektrolytrohrs 18 wird mit Hilfe des I,eiters 22 und eines Leiters 23 bewirkt, welcher an einer Stelle innerhalb des hitzebeständigen Bindemittels 14 mit dem Leiter 22 verbunden ist. Der Leiter 23 erstreckt sich aufwärts in den Röhrenabschnitt 13 und besitzt ein Anschlußende 23a, welches in herkömmlicher Weise durch einen Schlitz oder eine Kerbe 13b herumgebogen ist und einen Steckkontakt für die Elektrodenanordnung 17 bildet. Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Metallkappe schützt die Elektrodenanordnung vor und während der Zeitdauer, wahrend der die Einrichtung 10 unter die Oberfläche des geschmolzenen Stahles eingetaucht wird.
Wenngleich die Erfindung anhand einer Tauchmeßzelle zur Bestimmung von Sauerstoff beschrieben worden st, ist es jedoch ersichtlich, daß eine solch Meßzelle auch ganz allgemein für andere Einrichtungen verwendet werden kann, beispielsweise für Probenmeßeinrichtungen, Temperaturmeßfühler und Thermo-Analyseneinrichtungen, die in einer einzigen einheit zum gleichzeitigen Eintauchen in das geschmolzene Metall vereinigt sind.
Die in der erfindungsgemäßen Weise ausgelegten Meßzellen zeigen ein schnelles Ansprechen beim Eintauchen in geschmolzenen Stahl und ergeben die volle Ausgangsspannung innerhalb von 4 Sekunden. Dies stellt ein dotltliche Verbesscrunc gegenüber dem Ansprechen der herkömmlichen Meßzellen d, die ein Ansprechzeit von 10 Sekunden hen(5tigen. Wegen der schnellen Ansprechzeit der erfindungsgemäßen Meßzelle ist es möglich, ein dünneres Papprohr zu verwenden, so daß die Meßeinrichtung leiter handzuhaben und billiger herzustellen ist, ohne daß im Hinblick auf die Leistung der Sauerstoffmeßeinrichtung irgendwelche Kompromisse gemacht werden müssen.

Claims

Schnell ansprechende Sauerstoffsonde für geschmolzene Metalle Priorität: 5. Februar 1982, V.St.A., No. 06/346,347 PATENTANSPRÜCHE 1. Schnell ansprechende Sauerstoff-Tauchmeßzelle zur Be-Bestimmung von gelöstem Sauerstoff in geschmolzenem Metall, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h - eine Hülse (18) aus calciumstabilisiertem Zirkoniumoxid, die an einem Ende geschlossen und am anderen Ende offen ist; - eine geringe Menge eines Sauerstoff-Bezugsmaterials (20), welches nicht mehr als 3,2mm in dem geschlossenen Ende der ülse besetzt; - einen elektrischen Leiter (22), der sich von der geringen Menge des Sauerstoff-Bezugsmaterials (20) durch die Hülse (18) hindurch und über das offene Ende der Hülse (18) hinaus erstreckt; - ein Füllmaterial (21) innerhalb der Hülse (18) zur Ausfüllung des freien Raumes innerhalb der Hülse (18) und zur im wesentlichen vollständigen Beseitigung der Luft aus dem Raum innerhalb der Hülse (18); und - ein an dem geöffneten Ende der Hülse (18) angeordnetes Dichtungsmaterial (19) zum Zurückhalten des Füllmaterials (21) in der Hülse (18).
2. Schnell ansprechende Sauerstoff-Tauchmeßzelle zur Bestimmung von gelöstem Sauerstoff in geschmolzenem Metall, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h - eine Hülse (18) aus einem Feststoffelektrolyt, die an einem Ende geschlossen und am anderen Ende offen ist; - ein Sauerstoff-Bezugsmaterial (20) in Form einer pulverförmigen Chrom/Chrom(III)-oxid-llischung die 75% Chrom und 25% Chrom-(III)-oxid enthält; - einen elektrischen Leiter (22), der sich von dem Sauerstoff-Bezugsmaterial (20) durch die Hülse (18) hindurch und über das offene Ende der Hülse (18) hinaus erstreckt; und - ein Füllmaterial (21) innerhalb der Hülse (18) zur Ausfüllung des freien Raumes innerhalb der Hülse (18) und zum im wesentlichen vollständigen Ausschluß der Luft aus der Hülse (18).
3. Vorrichtung nacht Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sich das Sauerstoff-Bezugsmaterial (20) weniger als 3,2mm von dem geschlossenen Ende der Hülse (18) erstreckt, und daß zusätzlich eine Halteeinrichtung (24) vorgesehen ist, mit der das Bezugsmaterial (20) in innigem Kontakt mit dem geschlossenen Ende der Hülse (18) gehalten wird.