JP2000214127A - スラグ中の酸素分圧測定装置およびその測定方法 - Google Patents
スラグ中の酸素分圧測定装置およびその測定方法Info
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Abstract
測定を精度良く行うことの可能な酸素分圧測定装置およ
びその測定方法を提供する点にある。 【解決手段】 筒状本体部2の先端面に形成した凹所4
内に、標準電極を内装した酸素イオン伝導性を有する棒
状の固体電解質5を立設し、この固体電解質を囲む位置
にスラグ付着性の良好な材質の環状電極6を設けて構成
した酸素センサと、その感温部9を筒状本体部の軸方向
において前記酸素センサより先端側に位置付けた溶鋼温
度測定用の測温センサ8とからなる酸素分圧測定プロー
ブ1を備え、前記標準電極と対照電極間に生起するスラ
グ中の酸素分圧に対応する起電力と、前記測温センサか
ら出力される熱起電力に対応する溶鋼温度とに基づい
て、この溶鋼温度をスラグ温度とみなしてスラグ中の酸
素分圧を算出する演算部を備えたものである。
Description
素を吹き付ける吹錬工程において、該溶鋼の表面付近に
形成されるスラグ層の酸素分圧を測定する酸素分圧測定
装置およびその測定方法に関する。
銑鉄に含まれる炭素、燐、珪素およびマンガンなどの不
純物を除去する精錬工程に、転炉が広く使われている。
この転炉内に、溶融している銑鉄と一緒にスクラップや
石灰などを入れて、酸素を高速で吹き付けると、溶鋼中
の前記不純物が酸素と結合して熱を発して燃え、溶鋼中
から除去される。この工程を吹錬工程という。吹錬工程
においては、溶鋼の上にSiO2、CaO、Al2O3、
FeO、MnO若しくはMgOなどの酸化物を含有する
スラグ層が形成される。このスラグ層は、溶鋼が空気と
直接接触するのを防ぐものであり重要な役割を果たす。
また、このスラグ層中の酸素分圧は、前記スラグ層中の
酸化物若しくは溶鋼中の不純物の組成に影響を与えるこ
とから、その調節は極めて重要である。そして、その酸
素分圧を適宜制御することにより、種々の元素を溶鋼
相、スラグ相またはガス相へ移行させて、所定の組成を
有する鉄鋼材料を作ることができることから、スラグ層
中の酸素分圧の正確な測定手段が求められている。
ら、実操業における転炉内の溶鋼の酸素分圧測定は行わ
れてきたが、スラグ層の酸素分圧測定は難しかった。こ
れは以下の理由による。図9は、溶鋼の酸素分圧を測定
するのに用いた酸素分圧測定プローブ50の鉄製カバー
部材51の一部を切り欠いた状態を示す概略図である。
この酸素分圧測定プローブ50の先端部には、内部に熱
電対52aを配設された保護管52bからなる測温セン
サ52と、標準電極(図示せず)を内装した酸素イオン
伝導性を有する固体電解質54と、当該先端部外周を囲
む環状電極(対照電極)55と、当該先端部を覆う鉄製
カバー部材51とが設けられている。このような酸素分
圧測定プローブ50を転炉中のスラグ層を貫通させて溶
鋼中にまで浸漬すると、カバー部材51が溶解して、固
体電解質54と測温センサ52が溶鋼中に露出する。そ
のカバー部材51は、保護管52bがスラグと反応し浸
蝕するのを防ぐものである。次いで、環状電極55と標
準電極との間に、標準電極の酸素分圧と固体電解質54
に接する溶鋼中の酸素分圧との差に対応した起電力が測
定され、測温センサ52により溶鋼温度が測定されて、
これら起電力と溶鋼温度とに基づいて溶鋼の酸素分圧が
算出される。
50は、カバー部材51を除いても、スラグ層の酸素分
圧測定に直接使うことはできない。これは、(1)前記
保護管52bは、スラグと反応し浸蝕するので、スラグ
温度を直接測定することはできず、(2)前記2つのセ
ンサを用いてスラグ温度と、酸素分圧に対応する起電力
とを正確に測定するには数秒の時間を要するが、数秒
間、薄いスラグ層中にセンサを位置させるのが難しい、
という2つの理由からである。特に、近年、スラグ層を
薄くする精錬工法(スラグレス工法)が採用されつつあ
るので、薄いスラグ層中にセンサを位置させることは益
々困難になりつつある。
公平7−15449号公報に開示されるように、実操業
における転炉の代わりに実験炉を用い、銀などの特定金
属を用いて、実験室レベルのスラグ中の酸素分圧を測定
し、この測定値から実操業における酸素分圧を推定して
いた。しかし、実操業環境と実験室環境とは異なるの
で、その推定にも限界があった。
するところは、実操業における転炉内のスラグ層の酸素
分圧測定を精度良く行う点にある。
本発明の酸素分圧測定装置は、筒状本体部の先端面に形
成した凹所内に、標準電極を内装した酸素イオン伝導性
を有する棒状の固体電解質を立設し、この固体電解質を
囲む位置にスラグ付着性の良好な材質の対照電極を設け
て構成した酸素センサと、この酸素センサに隣接し、そ
の感温部を筒状本体部の軸方向において前記酸素センサ
より先端側に位置付けた溶鋼温度測定用の測温センサ
と、からなる酸素分圧測定プローブを備えると共に、前
記酸素センサの標準電極と対照電極間に生起するスラグ
中の酸素分圧に対応する起電力と、前記測温センサから
出力される熱起電力に対応する溶鋼温度とに基づいて、
この溶鋼温度をスラグ温度とみなしてスラグ中の酸素分
圧を算出する演算部を備えることを特徴としたものであ
る。
浸蝕するのを防ぐには、当該測温センサをカバー部材で
覆うことが好ましい。
酸素分圧測定方法は、筒状本体部の先端面に形成した凹
所内に、標準電極を内装した酸素イオン伝導性を有する
棒状の固体電解質を立設し、この固体電解質を囲む位置
にスラグ付着性の良好な材質の対照電極を設けて構成し
た酸素センサと、この酸素センサに隣接し、その感温部
を筒状本体部の軸方向において前記酸素センサより先端
側に位置づけた溶鋼温度測定用の測温センサと、からな
る酸素分圧測定プローブを用い、この酸素分圧測定プロ
ーブ先端面をスラグ層を通過させ、この通過時に凹所内
に流入したスラグを保持したまま、測温センサの感温部
を溶鋼層所定深さ位置にまで到達させて停止させ、当該
停止姿勢において凹所内のスラグを介して酸素センサの
標準電極と対照電極間に生起する起電力を測定する共
に、測温センサを用いて溶鋼温度を測定し、前記溶鋼温
度をスラグ温度とみなしてスラグ中の酸素分圧を測定し
てなるものである。
浸蝕するのを防ぐ場合は、スラグとの反応防止用カバー
部材で覆われた前記測温センサをスラグ層を通過させ、
溶鋼に浸漬させて、前記カバー部材が溶解し、露出した
測温センサにより溶鋼温度を測定するのが好ましい。
定装置の実施形態を図面を参照しながら説明する。
酸素分圧測定プローブの鉄製カバー部材の一部を切り欠
いた要部説明図である。本実施形態の酸素分圧測定プロ
ーブ1は、筒状本体部2の先端面に形成され、環状内壁
3を有する凹所4内に立設し、標準電極(図示せず)を
内装した棒状の固体電解質5と、この固体電解質5を軸
心にして配設したスラグ付着性の良好な鉄製の環状電極
(対照電極)6とからなる酸素センサと、当該先端面に
おいて、前記酸素センサと隣接して配設され、鉄製のカ
バー部材7で覆われたアーチ状の測温センサ8とから構
成される。この測温センサ8は、石英などからなるチュ
ーブ状保護管8aの内部に熱電対8bを配設したもので
あり、その頂点付近に熱電対8bの測温接点を有した感
温部9を備えている。尚、この測温センサ8の感温部9
は、後述する理由から、前記の酸素センサの頂点よりも
先端側に位置するように配設される。また、前記固体電
解質5は酸素イオン導電体であり、一般には、酸化ジル
コニウム(ジルコニア)や酸化トリウムを主体とし、必
要に応じて、二酸化珪素、アルミナ、酸化チタン若しく
は酸化鉄などを所定量(数モル程度)固溶して部分安定
化された焼結体であるが、特に部分安定化ジルコニア
は、優れた耐熱衝撃性を有すると共に酸素濃度に対する
応答速度が早いことから好ましい。このような固体電解
質5に内装される標準電極には、クロムと酸化クロム、
モリブデンと酸化モリブデン、ニッケルと酸化ニッケル
との混合物などが用いられる。
は、図2(a),(b)に示すようなものが挙げられ
る。同図(a),(b)は、酸素センサの概略断面図で
ある。同図(a)に示す酸素センサは、環状内壁10の
軸心に配設された固体電解質11の先端部が、凹所12
からやや突出したものであり、同図(b)に示す酸素セ
ンサは、環状内壁14が後退し且つその軸心に配設され
た固体電解質15の先端部が、凹所16内に位置したも
のとなっている。
に示す形態で用いられる。図3は、上記酸素分圧測定プ
ローブ1を用いて転炉内のスラグ層の酸素分圧を測定し
ている状態を示す模式図である。図中の符号20は転
炉、21は転炉内の溶鋼層、22はスラグ層、24はそ
の先端部に本発明に係る酸素分圧測定プローブ1を設け
たサブランス、25は先端部から下方の溶鋼へ酸素を吹
き出すメインランスを示している。サブランス24は、
昇降装置(図示せず)に保持されており、転炉20の底
部は酸素等を含むガス27を溶鋼中に上吹きさせる羽口
20a,20b,20cを備えている。
下のように行われる。先ず、駆動装置により酸素分圧測
定プローブ1を下方へ移動させ、スラグ層22を貫通さ
せて溶鋼層21の中に浸漬させ、溶鋼層の所定深さ位置
に停止させる。このとき、図7に示すように、前記のカ
バー部材7は溶鋼中に溶解して測温センサ8が露出し、
酸素センサの凹所4には溶融したスラグ28が保持さ
れ、固体電解質5の全表面と環状電極6とに付着してい
る。このように、凹所4にスラグ28を流入させて保持
しつつ、スラグ付着性の良好な環状電極6にスラグ28
を付着させることにより、固体電解質5の全表面が確実
にスラグ28で覆われて、溶鋼中に酸素分圧測定プロー
ブ1を浸漬しても、固体電解質5の表面の一部が溶鋼中
に露出することが無くなるのである。尚、図2(b)に
示したように、凹所16のより内部に固体電解質15を
配置した場合は、固体電解質の表面の一部が溶鋼に露出
するのをより確実に防ぐことができる。また、測温セン
サ8の感温部9を酸素センサよりも先端側に位置付けし
ていることで、スラグ28が感温部9に付着し、溶鋼温
度測定を阻害するのを防いでいる。
28の酸素分圧測定が終了するまでの数秒間、その停止
状態を維持される。このとき、溶融状態のスラグ28は
電気伝導性を有するので固体電解質5と環状電極6とが
電気的に接続し、固体電解質5に内装された標準電極と
環状電極6との間に、その標準電極の酸素分圧と固体電
解質5の表面に付着したスラグ中の酸素分圧との差に対
応した起電力が発生し、測温センサ8の感温部9により
溶鋼温度に対応した熱起電力が発生する。これら起電力
および熱起電力は、ホルダー26に備わる電気接点を通
して接続された後方に位置する測定器により検出され
る。尚、前記の停止状態は、酸素分圧に対応する起電力
の変化が平衡状態に移るまでの数秒間、維持されなけれ
ばならない。
よる熱起電力の値を基にして溶鋼温度が算出され、この
溶鋼温度をスラグ温度とみなし、以下の式を用いてスラ
グ中の酸素分圧(Po2)が算出される。
電力,Rはガス定数(気体定数),Fはファラディ定
数,Peは固体電解質の電子伝導パラメータ,Po2 (r
ef)は基準電極の酸素分圧,Po2 はスラグ中の酸素分
圧である。
圧を算出した後、駆動装置27を用いてホルダー26を
上昇させ、酸素分圧測定プローブ1を転炉20内から脱
却させる。尚、測定器にマイクロプロセッサを内蔵し
て、このようにして算出・測定されたスラグ中の酸素分
圧とスラグ温度とを用いて、スラグ中の酸素活量を算出
したり、予め作成された検量線を用いてスラグ中の炭素
量を推定・算出する機能(ソフトウェアなど)を付与す
ることも可能である。また、算出された値をデジタル表
示計やCRTなどに表示したり、その値を異常検出に利
用することなども、容易に実現できる。
端部に酸素分圧測定プローブ1を設けた複合プローブの
一実施形態を簡単に説明する。図4(a)は、本発明に
係る酸素分圧測定プローブ1を先端に設けた複合プロー
ブの全体側面図であり、同図(b)は、複合プローブを
左側から見た正面図であり、同図(c)は、複合プロー
ブを右側から見た背面図である。このような複合プロー
ブは、全長が1,500〜2,000mm、外径が75
〜100mmの筒状本体部2の先端面に前記酸素センサ
と測温センサとを有した酸素分圧測定プローブ1と、こ
の酸素分圧測定プローブ1に内嵌接合する全長が420
〜450mm、外径が54〜65mmの中軸管30と、
この中軸管30に外嵌接合し且つ後方のホルダー(図示
せず)に連結する全長が200〜400mm、外径が75
〜90mmのサブスリーブ31とを備えて構成される。
尚、図4(a)には、酸素センサと測温センサとは、筒
状本体部2の軸心を挟んで並設されているが、本発明で
はこれに限らず、図5に示すように、酸素センサ32と
カバー部材33に覆われた測温センサとが、筒状本体部
34の軸心に対してより偏心した状態で並設されていて
もよい。
す要部断面図である。筒状本体部2の構成部材である紙
製の外管40の内部には、固体電解質5を備えた酸素セ
ンサ、カバー部材7で覆われた測温センサおよびカーボ
ンセンサが設けられている。酸素センサおよび測温セン
サの構成は、上述の構成と略同じである。またカーボン
センサは、溶鋼流入口41を備えた鉄製の脱酸室42
と、この脱酸室42内に配設されたアルミニウムなどか
らなるキル材43と、鉄製の溶鋼採取室44とを備えて
おり、脱酸室42においてサポーター45により固定さ
れた棒状の熱電対46の先端部が溶鋼採取室44内に配
設されたものである。上述したように酸素分圧測定プロ
ーブ1が溶鋼中に浸漬すると、前記溶鋼流入口41から
脱酸室入口部42aを経て流入した溶鋼がキル材43で
脱酸された後に、溶鋼採取室44内に流入し、ここで熱
電対46によりその凝固温度が測定され、後方に位置す
る測定器により溶鋼中の炭素濃度が算出される。また、
中軸管30の内部には、前記のホルダーの電気接点と接
続するコネクタ47が設けられており、酸素センサ、測
温センサおよびカーボンセンサから導出したリード線4
8a,48b,48cと接続されている。
本作製し、これらサンプルを用いて同一条件下で転炉内
の溶鋼温度、凝固温度およびスラグ起電力を測定した。
本サンプルで用いた上記固体電解質5としてはZrO2を用
い、この固体電解質5に内装した標準電極としてはCr/
Cr2O3を用いた。その測定結果の一例を図8のグラフに
示す。グラフの横軸は、経過時間(秒;sec)を示して
いる。また、このグラフに基づき、上記した数式を用い
てスラグ中の酸素分圧(Po2)の対数値(log(Po2))を
算出した。その結果を以下の表1に示す。図8は、表1
中のサンプル番号4に対応するグラフである。尚、上記
した数式中、T:溶鋼温度、E:スラグ起電力(EM
F)、Po2(ref)=10(8.938-39420/T)、R(気体定数)と
F(ファラディ定数)は既知の物理定数である。
示している。また、各鋼番に対応した吹錬過程におい
て、溶鋼が脱炭される途中の「中間」時、および溶鋼が
脱炭された後に酸素吹込みを停止した「吹止」時の各測
定タイミングで、一本の複合プローブを用いてスラグ起
電力を測定し、上記酸素分圧測定プローブの測温センサ
により溶鋼温度を測定し、上記カーボンセンサの熱電対
により凝固温度を測定した。図8に示した例(サンプル
番号4)では、表1中の「溶鋼温度」は、およそ2〜6
秒、「凝固温度」は、およそ9〜14秒における温度で
ある。また表1中の「EMF(スラグ起電力)」は、図8
のグラフに例示されるようにスラグ起電力曲線のうち最
初の平衡状態にある領域(図中の領域A)でサンプリン
グされた値である。
置は、実操業における転炉内のスラグ中の酸素分圧測定
に用いるのに好適なものではあるが、実験炉や電気炉な
どにも用いることができる。
本体部先端面に形成した凹所内に棒状の固体電解質を立
設し、この固体電解質を囲む位置にスラグ付着性の良好
な材質の対照電極を設けて構成した酸素センサと、その
感温部を前記酸素センサよりも先端側に位置付けた測温
センサとからなる酸素分圧測定プローブを備えると共
に、溶鋼温度をスラグ温度とみなしてスラグ中の酸素分
圧を算出する演算部とを備えることにより、酸素分圧測
定プローブをスラグを通過させる際に、凹所にスラグが
保持され且つ対照電極にスラグが付着して、固体電解質
全表面が確実にスラグで覆われるので、このような酸素
分圧測定プローブを溶鋼中に浸漬しても、固体電解質の
表面の一部が溶鋼に露出することなく、標準電極の酸素
分圧とそのスラグ中の酸素分圧との差に対応した起電力
を安定して得ることが可能となり、また、測温センサの
感温部を酸素センサよりも先端側に位置付けているの
で、凹部に保持したスラグが感温部に付着せずに、正確
な溶鋼温度を測定することができる。従って、前記演算
部を用いてスラグ中の酸素分圧を正確に算出し測定する
ことが可能となる。
プローブの鉄製カバー部材の一部を切り欠いた要部説明
図である。
る。
溶鋼に浸漬した状態を示す概略断面図である。
側面図であり、(b)は(a)に示す複合プローブの正
面図であり、(c)は(a)に示す複合プローブの背面
図である。
ある。
サにスラグを保持し、熱電対測温センサが溶鋼中に露出
した状態を示す概略断面図である。
フである。
切り欠いた状態を示す概略図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 筒状本体部の先端面に形成した凹所内
に、標準電極を内装した酸素イオン伝導性を有する棒状
の固体電解質を立設し、この固体電解質を囲む位置にス
ラグ付着性の良好な材質の対照電極を設けて構成した酸
素センサと、この酸素センサに隣接し、その感温部を筒
状本体部の軸方向において前記酸素センサより先端側に
位置付けた溶鋼温度測定用の測温センサと、からなる酸
素分圧測定プローブを備えると共に、前記酸素センサの
標準電極と対照電極間に生起するスラグ中の酸素分圧に
対応する起電力と、前記測温センサから出力される熱起
電力に対応する溶鋼温度とに基づいて、この溶鋼温度を
スラグ温度とみなしてスラグ中の酸素分圧を算出する演
算部を備えることを特徴とする酸素分圧測定装置。 - 【請求項2】 前記測温センサがスラグとの反応防止用
カバー部材で覆われてなる請求項1記載の酸素分圧測定
装置。 - 【請求項3】 筒状本体部の先端面に形成した凹所内
に、標準電極を内装した酸素イオン伝導性を有する棒状
の固体電解質を立設し、この固体電解質を囲む位置にス
ラグ付着性の良好な材質の対照電極を設けて構成した酸
素センサと、この酸素センサに隣接し、その感温部を筒
状本体部の軸方向において前記酸素センサより先端側に
位置づけた溶鋼温度測定用の測温センサと、からなる酸
素分圧測定プローブを用い、この酸素分圧測定プローブ
先端面をスラグ層を通過させ、この通過時に凹所内に流
入したスラグを保持したまま、測温センサの感温部を溶
鋼層所定深さ位置にまで到達させて停止させ、当該停止
姿勢において凹所内のスラグを介して酸素センサの標準
電極と対照電極間に生起する起電力を測定すると共に測
温センサを用いて溶鋼温度を測定し、前記溶鋼温度をス
ラグ温度とみなしてスラグ中の酸素分圧を測定してなる
スラグ中の酸素分圧測定方法。 - 【請求項4】 スラグとの反応防止用カバー部材で覆わ
れた前記測温センサをスラグ層を通過させ、溶鋼に浸漬
させて、前記カバー部材が溶解し、露出した測温センサ
により溶鋼温度を測定する請求項3記載のスラグ中の酸
素分圧測定方法。
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JP32533299A JP4399927B2 (ja) | 1998-11-17 | 1999-11-16 | スラグ中の酸素分圧測定装置およびその測定方法 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP10-327298 | 1998-11-17 | ||
JP32533299A JP4399927B2 (ja) | 1998-11-17 | 1999-11-16 | スラグ中の酸素分圧測定装置およびその測定方法 |
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