JP2021505845A - 溶融金属の化学組成を決定する浸漬型センサー - Google Patents

Abstract

浸漬型センサーが、溶融金属中の化学元素の含有量を決定するように構成される。浸漬型センサーは、サンプリングチャンバーの内面から内部体積の中に延びる補助電気化学セルを有する。サンプリングチャンバーは、センサーヘッドの中に、または分離した耐熱性構造体の中に一体に形成することができる。浸漬型センサーは、溶融金属のサンプリングチャンバーの内部体積の中への流れおよび補助電気化学セルとの接触に対して構成されてもよい。【選択図】図３

Description

液体状態で溶融金属および合金を溶融し精製する場合、様々な化学元素の含有量を速やかに決定して、精錬工、製鋼業者、またはその他の冶金技術者が、組成上の適切な補正を可能な限り速やかに進められるようにし、それにより、製造中に指定の組成品質を冶金技術者が経済的に実現できるようにすることが重要である可能性がある。溶融金属および合金内の特定の化学元素のレベルを決定することは、現状では使い捨て浸漬型センサーを使用して実行されており、このセンサーは概して、単一の電気化学セルを備える。

例えば、現状の最先端技術による使い捨て浸漬型センサーは、センサーヘッドを支持する厚紙製チューブを備えることができる。センサーヘッドは、熱電対などのセンサー（溶融金属温度を決定するのに使用される）と、単一の電気化学セル（酸素含有量を決定し、溶融物中のその他の元素の存在を相関により決定するのに使用される）とを収容していてもよい。センサーヘッドは、溶融金属の試料を収集することが意図される金属成形品も収容していてもよく、この溶融金属は、実験室内で引き続いて分析されることになる。

単一の電気化学セルを収容するセンサーを使用する化学元素レベルの決定は、鋼製造および鋳物作業に広く使用される公知の技法である。そのようなセンサーの一つは、当技術分野では「酸素プローブ」または「酸素センサー」と称されることが多いものであり、ネルンストの式に従って動作するが、この式は、金属溶融物中の酸素化学活性（例えば、溶融物中の酸素分圧）を、電気化学セルの両側の電位に定量的に関連付けるものである。

例えば、英国特許第（ＧＢ）１２８３７１２号明細書および米国特許第（ＵＳ）４，９０６，３４９号明細書などのいくつかの特許には、これらのタイプのセンサーが記載されており、溶融金属中の酸素活性を決定するのに使用されるセンサーが記載されている。酸素センサーを記載するその他の特許としては、例えば、英国特許第（ＧＢ）１２７１７４７号明細書および米国特許第（ＵＳ）３，７７２，１７７号明細書が挙げられ、これらには、溶融金属中の酸素を直接決定するために使用されるセンサーが記載されている。

電気化学セル上に補助電極を持つ酸素センサーの変形例であって、分析されることになる化学元素または化学元素の酸化物を補助電極が含有するものもまた当技術分野において公知である。そのような変形例を記載する特許としては、例えば、米国特許第（ＵＳ）４，６５７，６４１号明細書、同第７，１４１，１５１明細書、および同第７，１６９，２７４号明細書、ならびに欧州特許第（ＥＰ）０２９５１１２Ｂ１号明細書などが挙げられ、これらには、溶融金属または合金中のケイ素を決定するのに使用されるセンサーが記載されている。

本明細書に記載の発明は、溶融金属中の化学元素含有量を決定する浸漬型センサーを対象とする。本発明の一例では、浸漬型センサーは、サンプリングチャンバーの内側に位置する補助電気化学セルを備える。

本発明の別の実施例では、浸漬型センサーは、耐熱性材料の中に形成された内部体積を有するサンプリングチャンバーと、サンプリングチャンバーの内面から内部体積の中に延びる補助電気化学セルとを備える。浸漬型センサーは、溶融金属のサンプリングチャンバーの内部体積の中への流れ、および補助電気化学セルとの接触に対して構成される。

本発明の別の実施例では、浸漬型センサーは、センサーヘッドと、耐熱性材料の中に形成された内部体積を有するサンプリングチャンバーと、サンプリングチャンバーの内面から内部体積の中に延びる補助電気化学セルと、サンプリングチャンバーの内部体積と浸漬型センサーより外部の体積との間に延びる入口チャネルとを備える。浸漬型センサーは、外部体積から入口チャネルを通じてサンプリングチャンバーの内部体積の中に入り、そして補助電気化学セルと接触する溶融金属の流れに対して構成される。

本明細書に記載の発明の様々な特徴および特性は、添付図への参照によりさらに徹底的に理解されよう。図面は概略的なものであり、必ずしも実寸に比例していないこと、そして本明細書に記載の発明を理解するには必要ではない特徴および特性は、明快さのために省略されている場合があることが理解される。

図１は、冶金学的容器内の溶融金属中に浸漬された最新型の浸漬型センサーの断面での側立面図である。 図２は、冶金学的容器内の溶融金属中に浸漬された、本発明による浸漬型センサーの断面での側立面図である。 図３は、図２に示された浸漬型センサーの断面での側立面図であって、浸漬型センサーの特定の構成部分を例示するものである。 図４は、補助電気化学セルを備えるサンプリングチャンバーの外側の斜視図である。 図５は、担体チューブ内に位置する、図４に示されたサンプリングチャンバーの断面での側立面図であって、サンプリングチャンバーの遠位内面からサンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルを例示するものである。 図６は、図４に示されたサンプリングチャンバーの断面での斜視図であって、サンプリングチャンバーの遠位内面からサンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルを例示するものである。 図７は、サンプリングチャンバーの遠位内面からサンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルを備えるサンプリングチャンバーの断面での側立面図であって、補助電気化学セルは、補助電気化学セルの外面の少なくとも一部分上に位置する被膜を備える。 図８は、サンプリングチャンバーの遠位内面からサンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルを備えるサンプリングチャンバーの断面での側立面図であって、補助電気化学セルは、補助電気化学セルの外面の少なくとも一部分上に位置して熱衝撃遮蔽体として機能する金属被膜を備え、熱衝撃遮蔽体は、サンプリングチャンバー内に流れ込む溶融金属との初期接触時の熱衝撃損傷から補助電気化学セルを保護する。 図９は、サンプリングチャンバーの遠位内面からサンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルを備えるサンプリングチャンバーの断面での側立面図であって、サンプリングチャンバーは、サンプリングチャンバーの内面の少なくとも一部分上に位置するセラミック被膜をさらに備える。 図１０は、サンプリングチャンバーの遠位内面からサンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルを備えるサンプリングチャンバーの断面での側立面図であって、サンプリングチャンバーは、サンプリングチャンバーの内面の少なくとも一部分上に位置する金属被膜をさらに備える。 図１１は、サンプリングチャンバーの遠位内面からサンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルと、補助電気化学セルの外面に隣接して位置する脱酸用材料とを備えるサンプリングチャンバーの断面での側立面図である。 図１２は、サンプリングチャンバーの遠位内面からサンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルと、サンプリングチャンバーの遠位内面からサンプリングチャンバーの中に延びる電極とを備えるサンプリングチャンバーの断面での側立面図であって、電極は補助電気化学セルの正の接点として機能する。 図１３は、サンプリングチャンバーの遠位内面からサンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルを備えるサンプリングチャンバーであって、サンプリングチャンバーの内面の少なくとも一部分上に位置する金属被膜をさらに備えるものの断面での側立面図であって、金属被膜は、補助電気化学セルの正の接点として機能する。 図１４は、担体チューブ内に位置するサンプリングチャンバーであって、サンプリングチャンバーの遠位内面からサンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルを備えるものの断面での側立面図である。 図１５は、担体チューブ内に位置するサンプリングチャンバーであって、サンプリングチャンバーの近位内面からサンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルを備えるものの断面での側立面図である。 図１６は、担体チューブ内に位置するサンプリングチャンバーであって、サンプリングチャンバーの横方向内面からサンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルを備えるものの断面での側立面図である。 図１７は、担体チューブの遠位端上に位置するセンサーヘッドを備える浸漬型センサーの断面での側立面図であって、センサーヘッドは、熱電対を備える。浸漬型センサーは、センサーヘッドの近位に位置するサンプリングチャンバーをさらに備え、サンプリングチャンバーは、サンプリングチャンバーの中へ延びる補助電気化学セルを備え、サンプリングチャンバーは、センサーヘッドから分離している、またはサンプリングチャンバーと隣接していない耐熱性構造体の中に形成される。 図１８は、担体チューブの遠位端上に位置するセンサーヘッドを備える浸漬型センサーの断面での側立面図であって、センサーヘッドは、溶融金属の試料を収集するように構成された金属成形品を備える。浸漬型センサーは、センサーヘッドの近位に位置するサンプリングチャンバーをさらに備え、サンプリングチャンバーは、サンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルを備え、サンプリングチャンバーは、センサーヘッドから分離している、またはセンサーヘッドと隣接していない耐熱性構造体の中に形成される。 図１９は、担体チューブの遠位端上に位置するセンサーヘッドを備える浸漬型センサーの断面での側立面図であって、センサーヘッドは、溶融金属の試料を収集するように構成された金属成形品と、センサーヘッドの近位部分の中に一体に形成された熱分析チャンバーとを備える。浸漬型センサーは、センサーヘッドの近位に位置するサンプリングチャンバーをさらに備え、サンプリングチャンバーは、サンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルを備え、サンプリングチャンバーは、センサーヘッドから分離している、またはセンサーヘッドと隣接していない耐熱性構造体の中に形成される。 図２０は、担体チューブの遠位端上に位置するセンサーヘッドを備える浸漬型センサーの断面での側立面図であって、センサーヘッドは、熱電対と一次電気化学セルとを備える。浸漬型センサーは、センサーヘッドの近位に位置するサンプリングチャンバーをさらに備え、サンプリングチャンバーは、サンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルを備え、サンプリングチャンバーは、センサーヘッドから分離している、またはセンサーヘッドと隣接していない耐熱性構造体の中に形成される。 図２１は、担体チューブの遠位端上に位置するセンサーヘッドを備える浸漬型センサーの断面での側立面図であって、センサーヘッドは、センサーヘッドの遠位端の近位に位置する一体に形成されたサンプリングチャンバーを備え、サンプリングチャンバーは、サンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルを備え、センサーヘッドは、サンプリングチャンバーとセンサーヘッドの遠位端との間に延びる入口チャネルを備える。 図２２は、担体チューブの遠位端上に位置するセンサーヘッドを備える浸漬型センサーの断面での側立面図であって、センサーヘッドは、センサーヘッドの遠位端の近位に位置する一体に形成されたサンプリングチャンバーを備え、サンプリングチャンバーは、サンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルを備える。 図２３は、担体チューブの遠位端上に位置するセンサーヘッドを備える浸漬型センサーの断面での側立面図であって、センサーヘッドは、センサーヘッドの遠位端の近位に位置するセンサーヘッドの中間部分の中に、一体に形成された熱分析チャンバーを備え、センサーヘッドは、熱分析チャンバーの近位に位置する一体に形成されたサンプリングチャンバーをさらに備える。 図２４は、一体化したサンプリングチャンバーを備えるセンサーヘッドの相対場所を例示する、浸漬型センサーの断面図である。 図２５は、センサーヘッドと、一体化したサンプリングチャンバーを備え、センサーヘッドとはつながっていない分離した耐熱性構造体との相対場所を例示する、浸漬型センサーの断面図である。

読者は、発明の以下の詳細な記載を考慮すると、先の特徴や特性、およびその他を理解するであろう。

特許請求の範囲を含め、本明細書において使用される場合、用語「遠位」およびその変形例は、浸漬型センサーの浸漬端部の方に向かって位置することを意味しており、用語「近位」およびその変形例は、浸漬型センサーの浸漬端部から遠ざかるように位置することを意味する。用語「遠位」と「近位」、およびその変形例は、浸漬型センサーの浸漬方向に沿った相対場所を記載する用語であり、例えば、浸漬型センサーはセンサーヘッドと担体チューブとを備える細長い浸漬型センサー組み立て体の長さ寸法に概して対応する。

特許請求の範囲を含め、本明細書において使用される場合、用語「金属」は、元素金属と、主要金属および主要金属に添加された一つまたは複数の金属性または非金属性の合金元素を含む金属合金との両方を含む。また、特許請求の範囲を含め、本明細書において使用される場合、別途指定のない限り、用語「上方」、「下方」、「上向き」、「下向き」、「上に」、「下に」、およびその変形例、ならびに同類のものは、図面に示された向きに関しており、記載を容易にするために使用されているものであって、本発明の使用をいかなる特定の向きにも限定するものではない。

従来の浸漬型センサーおよびプローブは概して、センサーヘッドの浸漬端部（すなわち、遠位端）上の外側に載置された電気化学セルを備える。この場所では、電気化学セルは、測定中に大量の溶融金属に露出され、よってセンサーの使用と測定の効率は制限される。同様に、測定中のバルク金属溶融物への露出によって、電気化学セル上に塗布された補助電極被膜を維持する能力は損なわれる。

測定の限界と効率、および補助電極被膜が従来型センサーに塗布される場合その被膜の保守性の毀損は、センサーヘッドの浸漬端部（すなわち遠位端）上の電気化学セルの位置のせいであり、この場合、電気化学セルは、そのセルが露出される激しい環境、例えば高温、溶融金属の流速、攪拌、および測定中の乱流、ならびに電気化学セルを取り巻く大量の液体金属質量にも曝される。

本発明の浸漬型センサーは、これらの課題に対処するものであり、浸漬型センサーの構造体の中に形成されたサンプリング（すなわち、試料収集）チャンバーの内側に位置する酸素測定用電気化学セルに基づき、補助電気化学セルの使用を通じて、精錬工、製鋼所従業員、またはその他の冶金技術者が対象とする化学元素の含有量を分析するのに使用することができる。サンプリングチャンバーの内側の補助電気化学セルの場所は、溶融金属がサンプリングチャンバー内に流れ込む時点から始まり、溶融金属がサンプリングチャンバーの内側で固化するまで、それほど攻撃的ではない環境における溶融金属中の酸素レベルの決定を容易にする。

サンプリングチャンバーの内側の補助電気化学セルの場所は、バルク金属溶融物の激しい環境に付随する問題（例えば、大きな溶融物体積との接触、大きな熱質量との接触、および溶融物の攪拌、乱流、流れとの接触）を低減する、または取り除く。サンプリングチャンバーは、溶融金属が流れ込み、かつ補助電気化学セルと接触する比較的小さい体積を提供し、これは、露出したセンサーヘッド上の外側遠位端位置と比較して、補助電気化学セルと接触する溶融物体積、熱質量、および溶融物流体速度の減少を提供する。加えて、比較的小さいサンプリングチャンバー体積は、流入する溶融金属の温度を急速に下げるのを容易にし、これにより、固化が加速され、電気化学セル上に位置するいかなる補助電極被膜も測定中、定位置に維持され、これによって、センサーの測定効率が最大化する。

また特許請求の範囲を含め、本明細書において使用される場合、用語「補助電気化学セル」は、電気化学セルの外面と接触している溶融金属中の化学元素の含有量を決定するように構成された電気化学セルを意味する。例えば、参照により本明細書に組み込まれる、英国特許第１２８３７１２号明細書、米国特許第４，９０６，３４９号明細書、英国特許第１２７１７４７号明細書、米国特許第３，７７２，１７７号明細書、同第４，６５７，６４１号明細書、同第７，１４１，１５１号明細書、同第７，１６９，２７４号明細書、および欧州特許第０２９５１１２Ｂ１号明細書に記載の電気化学セルを参照されたい。補助電気化学セルは、補助電気化学セルの外面の少なくとも一部分上に位置する被膜を備える必要はないが、備えてもよい。そのような「補助電極被膜」は、金属溶融物中の酸素の含有量を決定するように構成された電気化学セルの外面上に存在する場合には、金属溶融物中の非酸素の化学元素の含有量の決定を容易にすることができる。

したがって、本発明は、補助電極被膜で被覆されたまたは被覆されていない、酸素の決定用の補助電気化学セルであって、浸漬型センサーの中に形成されたサンプリングチャンバーの内部に位置する電気化学セルに関するものであり、サンプリングチャンバーは、金属溶融物中に浸漬されると溶融金属を受け取ることになる。次に、補助電気化学セルは、受け取った溶融金属中の酸素レベルを分析することができ、分析は、溶融金属がサンプリングチャンバーに入り補助電気化学セルと接触すると始まり、サンプリングチャンバー内の溶融金属が冷却し固化する間、進行する。このようにして、精錬工、製鋼所従業員、またはその他の冶金技術者は、例えば、経験的統計式を通じて、金属溶融物中の対象の化学元素の含有量を決定することが可能である。対象とするそのような化学元素としては、例えば、酸素、炭素、ケイ素、マンガン、リン、硫黄、アルミニウム、銅、クロム、モリブデン、ニッケル、ホウ素、カルシウム、鉛、スズ、チタン、ニオブ、コバルト、鉄、バナジウム、タングステン、マグネシウム、亜鉛、ジルコニウム、アンチモン、および同類のもの、ならびにこれらの元素の酸化物を挙げることができる。

本発明の浸漬型センサーは、例えば、鉄およびその合金（鋼を含む）、アルミニウムおよびその合金、銅およびその合金、クロムおよびその合金、モリブデンおよびその合金、ニッケルおよびその合金、鉛およびその合金、スズおよびその合金、チタンおよびその合金、ニオブおよびその合金、コバルトおよびその合金、バナジウムおよびその合金、タングステンおよびその合金、マグネシウムおよびその合金、ジルコニウムおよびその合金、亜鉛およびその合金、アンチモンおよびその合金、マンガンおよびその合金、ならびに同類のものなどの任意のタイプの溶融金属における対象の元素の含有量を決定するのにも使用することができる。

図２４および２５を参照すると、浸漬型センサー１００は、担体チューブ１０１の遠位端１１２上に位置するセンサーヘッド１０２を備える。センサーヘッド１０２は、耐熱性材料、例えば、成型された鋳物／鋳造用の砂、アルミナ、または同類のものなどから作られた構造体を備えることができる。担体チューブ１０１は、単一の構造体として示されており、これは、例えば、厚紙、プラスチック、金属、または同類のものなどの、製造用材料を含むことができる。担体チューブ１０１は、複数の構成部分、例えば、厚紙製または紙製のスリーブ管で取り巻かれた金属製またはプラスチック製のチューブなどを含む可能性があることもまた理解される。センサーヘッド１０２は、遠位（下側の／浸漬）端１２２と近位（上側の）端１２４とを含む。センサーヘッド１０２の近位端１２４は、担体チューブ１０１の遠位端１１２を通じて担体チューブ１０１の内腔内に挿入される。センサーヘッド１０２の遠位端１２２は、使用中に溶融金属に露出されこれに接触する。電気化学セル、熱電対、またはその他のセンサー、ならびにセンサー電極、接点、および結線は、明瞭化のために図２４および２５から省略されている。

図２４を参照すると、センサーヘッド１０２は、一体に形成されたサンプリングチャンバー１０５を備える。サンプリングチャンバー１０５は、センサーヘッド１０２の遠位端１２２の近位に位置しており、サンプリングチャンバー１０５は、センサーヘッド１０２の近位端１２４の遠位に位置している。図２５を参照すると、浸漬型センサー１００は、センサーヘッド１０２と、分離した耐熱性構造体１５０とを備える。耐熱性構造体１５０は、製造用の耐熱性材料、例えば、成型された鋳物／鋳造用の砂、アルミナ、または同類のものなどを備えることができる。耐熱性構造体１５０は、センサーヘッド１０２の近位端１２４の近位の、担体チューブ１０１の内腔内に位置している。耐熱性構造体１５０は、遠位（下側の）端１５７と近位（上側の）端１５９とを備える。耐熱性構造体１５０はまた、一体に形成されたサンプリングチャンバー１０５も備える。サンプリングチャンバー１０５は、耐熱性構造体１５０の遠位端１５７の近位に位置しており、サンプリングチャンバー１０５は、耐熱性構造体１５０の近位端１５７の遠位に位置している。

図２４および２５を再び参照すると、サンプリングチャンバー１０５は、遠位（下側の）内面１５２と、近位（上側の）内面１５４と、横方向内面１５６とを備える。サンプリングチャンバー１０５の内部体積は、入口チャネル１１０を通じて浸漬型センサー１００の外部の体積と流体連通している。入口チャネル１１０は、サンプリングチャンバー１０５の横方向内面１５６から、センサーヘッド１０２または耐熱性構造体１５０（該当する場合）の横方向外面まで延びる。担体チューブ１０１における開口が入口チャネル１１０と整列して、サンプリングチャンバー１０５の内部体積と浸漬型センサー１００の外部の体積との間に流体連通を提供する。

図１は、使用中の浸漬型センサーを例示する。浸漬型センサーは、担体チューブ１の遠位端上に位置するセンサーヘッド２を備える。浸漬型センサーは、冶金学的容器３（例えば、ひしゃく、転換炉、または溶融金属を受け取り、かつ／または加工するように構成された任意の他のタイプの冶金学的容器）内の溶融金属４中に浸漬される。センサーヘッド２は、センサー（例えば、熱電対および／または電気化学セルなど）、および／または金属試料を収集するように構成された金属成形品を備え、引き続いて金属試料を、例えば、実験室内で分析することができる。センサーは、センサーヘッドの遠位端２上に位置している。

図２に、本発明による使用中の浸漬型センサーＡを例示する。浸漬型センサーＡは、担体チューブ１の遠位端上に位置するセンサーヘッド２を備える。浸漬型センサーＡは、冶金学的容器３（例えば、ひしゃく、転換炉、または溶融金属を受け取り、かつ／または加工するように構成された任意の他のタイプの冶金学的容器）内の溶融金属４中に浸漬されている。センサーヘッド２は、センサー（例えば、熱電対および／または電気化学セルなど）、および／または金属試料を収集するように構成された金属成形品を備え、引き続いて金属試料を、例えば、実験室内で分析することができる。センサーは、センサーヘッドの遠位端２上に位置している。担体チューブ１は、単一の構造体として示されており、この構造体は、例えば、厚紙、プラスチック、金属、または同類のものなどの、製造用材料を含むことができる。担体チューブ１は、複数の構成要素、例えば、厚紙製または紙製のスリーブ管で取り巻かれた金属製またはプラスチック製のチューブなどを含む可能性があることもまた理解される。

浸漬型センサーＡはまた、内部のサンプリングチャンバー５を備える、センサーヘッド２と隣接していない、分離した耐熱性構造体も備える。内部のサンプリングチャンバー５を収容する分離した耐熱性構造体は、センサーヘッド２の近位に位置している。サンプリングチャンバー５は、サンプリングチャンバーの内面からサンプリングチャンバーの中に延びる補助電気化学セルを備える。センサーヘッド２と、サンプリングチャンバー５を収容する耐熱性構造体とは、製造用の耐熱性材料、例えば、成型された鋳物／鋳造用の砂、アルミナ、または同類のものなどを独立して備えることができる。加えて、サンプリングチャンバーは、金属材料、セラミック材料、およびサーメット材料、ならびにそれらいずれかの組み合わせから成る群から選択される製造用材料を備えることができる。例えば、サンプリングチャンバーは、金属材料、セラミック材料、またはサーメット材料、または組み合わせ材料から作られた耐熱性構造体の中に形成することができる。

図３にさらに、本発明による浸漬型センサーＡを例示する。センサーヘッド２は、主要な電気化学セル８と、センサーヘッド２の遠位端上に位置する熱電対９とを備えて示される。センサーヘッド２はまた、センサーヘッド２の中に形成された金属成形品７も備える。金属成形品７は、実験室で引き続き分析されることになる溶融金属４（図２を参照されたい）の試料を収集するように構成されている。補助電気化学セル６は、サンプリングチャンバー５の中に位置しており、サンプリングチャンバー５の内部体積の中に延びる。補助電気化学セルは、サンプリングチャンバーへの別の電気的接触に対して負であってもよく、また負接点と連通していてもよく、または負接点として機能してもよい。サンプリングチャンバーの中に延びる金属電極（図示せず）、サンプリングチャンバーの内面の少なくとも一部分の上の金属被膜（図示せず）、または金属成形品は、補助電気化学セルの正接点と連通してもよく、または正接点として機能してもよい。

図４に、耐熱性構造体の中に形成されたサンプリングチャンバー５を備える分離した耐熱性構造体の外面を示す。図示はしないが、補助電気化学セル６は、内部のサンプリングチャンバー５の中に位置している。

図５に、浸漬型センサーＡのサンプリングチャンバー５を備える耐熱性構造体をさらに例示する。補助電気化学セル６は、遠位内面からサンプリングチャンバー５の内部体積１２の中に延びる。サンプリングチャンバー５の内部体積１２は、５ｃｍ^３から５０ｃｍ^３までの範囲、またはその中に包摂される任意の部分範囲、例えば、５〜２５ｃｍ^３、１０〜５０ｃｍ^３、または１５〜４５ｃｍ^３などの範囲とすることができる。入口チャネル１０は、サンプリングチャンバー５の内部体積１２の横方向内面から浸漬型センサーＡの外面まで延びる。入口チャネル１０は、サンプリングチャンバー５の内部体積１２と浸漬型センサーＡの外部の体積との間の流体連通を提供している。使用時には、溶融金属は、外部体積から、入口チャネル１０を通じ、サンプリングチャンバー５の内部体積１２の中に流れ、ここで、溶融金属は補助電気化学セル６と接触し、溶融金属中の化学元素の含有量が決定される。

保護キャップまたはその他の一時的な障壁構造体１１が、入口チャネル１０の中に位置しており、金属溶融物の中への浸漬型センサーＡの浸漬中に入口チャネル１０を一時的に遮断することにより、サンプリングチャンバー５の内部体積１２の中にスラグが入るのを防止するように機能する。入口チャネル１０の外側の開口がスラグ層を通過して溶融金属に接触した後、紙、厚紙、プラスチック、金属／合金、または、別の逃散性材料、または、材料の組み合わせを含むことのできる保護キャップ、またはその他の一時的な障壁構造体１１は、燃焼、溶融、または別の方法で除去され、これにより、入口チャネル１０の遮断が解除されて、サンプリングチャンバー５の内部体積１２の中へと溶融金属が流れることができるようになる。

図６にさらに、浸漬型センサーＡのサンプリングチャンバー５を備える耐熱性構造体を例示する。補助電気化学セル６は、遠位内面からサンプリングチャンバー５の内部体積１２の中に延びる。入口チャネル１０は、サンプリングチャンバー５の内部体積１２の横方向内面から耐熱性構造体の外面まで延びる。使用時には、溶融金属は、入口チャネル１０を通じ、サンプリングチャンバー５の内部体積１２の中に流れ、ここで、溶融物は補助電気化学セル６と接触し、溶融金属中の化学元素の含有量が決定される。

図７に、補助電気化学セル６の外面の少なくとも一部分上に位置する補助電極被膜１３を示す。上記のとおり、補助電極被膜１３は、サンプリングチャンバー５に入り、かつ補助電気化学セル６上の補助電極被膜１３に接触する溶融金属中の対象の化学元素の含有量を決定する能力を提供する、任意の金属または金属化合物、例えば金属酸化物も含むことができる。

図８に、補助電気化学セル６の外面の少なくとも一部分上に位置する金属被膜１４を示す。金属被膜１４は、サンプリングチャンバー５の中に流れ溶融金属との初期接触時での熱衝撃損傷から補助電気化学セル６を保護する熱衝撃遮蔽体として機能する。使用時には、溶融金属がサンプリングチャンバー５に入ると、金属被膜１４が溶融し、溶融金属は続いて、下にある補助電気化学セル６の外面と接触するが、このセルは、図７に示すような、補助電極被膜１３を随意に備えることができ、この場合には溶融金属は、補助電極被膜１３と接触する。

図９に、サンプリングチャンバー５の内面の少なくとも一部分上に位置するセラミック被膜またはグレージング１５を示す。セラミック被膜またはグレージング１５は、内部のサンプリングチャンバー５を備える耐熱性構造体を形成する耐熱性材料からの、分析されることになる溶融金属の汚染を低減するまたは取り除くように機能する。

図１０に、サンプリングチャンバー５の内面の少なくとも一部分上に位置する金属被膜１６を示す。金属被膜１６は、サンプリングチャンバー５に入る溶融金属から熱を吸収する冷却用構成要素として機能することができる。金属被膜１６は、接触すると溶融することができ、サンプリングチャンバー５に入る溶融金属の冷却速度および固化を加速させることができる。

図１１に、サンプリングチャンバー５内の補助電気化学セル６の外面に隣接して位置する脱酸用材料１７を示す。脱酸用材料１７は、補助電気化学セル６により分析されることになる溶融金属からの遊離酸素を除去するように機能する。脱酸用材料は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、ジルコニウム、およびジルコニウム合金、ならびにそれらのいずれかの組み合わせから成る群から選択することができる。

図１２に、補助電気化学セル６と、遠位内面からサンプリングチャンバー５の中に延びる金属電極１９とを示す。金属電極１９は、補助電気化学セル６の正接点１８として機能する。

図１３に、サンプリングチャンバー５の内面の少なくとも一部分上に位置する金属被膜１６を示す。金属被膜１６は、補助電気化学セル６の正接点１８として機能する。

図１４に、遠位内面からサンプリングチャンバー５の中に延びる補助電気化学セル６を示す。図１５に、近位内面からサンプリングチャンバー５の中に延びる補助電気化学セル６を示す。図１６に、横方向内面からサンプリングチャンバー５の中に延びる補助電気化学セル６を示す。したがって、図１４〜１６は、それぞれ下側の位置、上側の位置、および横方向位置にある補助電気化学セル６を示す。

図１７に、担体チューブの遠位端上に位置するセンサーヘッドを備える浸漬型センサーＡを示し、センサーヘッドは熱電対９を備える。浸漬型センサーＡはまた、センサーヘッドとは隣接していない、サンプリングチャンバー５を備える分離した耐熱性構造体も備える。サンプリングチャンバー５を備える分離した耐熱性は、センサーヘッドの近位に位置している。補助電気化学セル６は、上記のようにサンプリングチャンバー５の中に延びている。センサーヘッド遠位端キャップは、キャップが燃焼、溶融、または別の方法で除去されるまで、熱電対９を遮蔽する。センサーヘッド遠位端キャップの外側の部分は厚紙を含んでいてもよく、センサーヘッド遠位端キャップの内側部分は鋼を含んでいてもよい。

図１８に、担体チューブの遠位端上に位置するセンサーヘッドを備える浸漬型センサーＡを示し、センサーヘッドは金属成形品７を備える。浸漬型センサーＡはまた、センサーヘッドとは隣接していない、サンプリングチャンバー５を備える分離した耐熱性構造体も備える。サンプリングチャンバー５を備える分離した耐熱性構造体は、センサーヘッドの近位に位置している。金属成形品７は、溶融金属の試料を収集するように構成される。補助電気化学セル６は、上記のように、サンプリングチャンバー５の中に延びる。センサーヘッド遠位端キャップは、キャップが燃焼、溶融、または別の方法で除去されるまで、金属成形品７を遮蔽する。センサーヘッド遠位端キャップの外側の部分は厚紙を含んでもよく、センサーヘッド遠位端キャップの内側部分は鋼を含んでもよい。

図１９に、担体チューブの遠位端上に位置するセンサーヘッドを備える浸漬型センサーＡを示し、センサーヘッドは、溶融金属の試料を収集するように構成された金属成形品を備え、また金属成形品の近位に位置するセンサーヘッドの中に一体に形成された熱分析チャンバー２０も備える。浸漬型センサーＡはまた、センサーヘッドと隣接していない、サンプリングチャンバー５を備える分離した耐熱性構造体も備える。サンプリングチャンバー５を備える分離した耐熱性構造体は、熱分析チャンバーを備えるセンサーヘッド２０の近位に位置している。補助電気化学セル６は、上記のように、サンプリングチャンバー５の中に延びている。センサーヘッド遠位端キャップは、キャップが燃焼、溶融、または別の方法で除去されるまで、金属成形品を遮蔽する。センサーヘッド遠位端キャップは、鋼を含んでいてもよい。

図２０に、担体チューブの遠位端上に位置するセンサーヘッドを備える浸漬型センサーＡを示し、センサーヘッドは熱電対を備え、また一次電気化学セル８も備える。熱電対および一次電気化学セル８は、センサーヘッドの遠位端上に位置し、かつ遠位端から延びる。浸漬型センサーＡはまた、センサーヘッドと隣接していない、サンプリングチャンバー５を備える分離した耐熱性構造体も備える。サンプリングチャンバー５を備える分離した耐熱性構造体は、熱電対と一次電気化学セル８とを備えるセンサーヘッドの近位に位置している。補助電気化学セル６は、上記のように、サンプリングチャンバー５の中に延びる。センサーヘッド遠位端キャップは、キャップが燃焼、溶融、または別の方法で除去されるまで、熱電対および一次電気化学セル８を遮蔽する。センサーヘッド遠位端キャップの外側の部分は厚紙を含んでいてもよく、センサーヘッド遠位端キャップの内側部分は鋼を含んでいてもよい。

図２１に、担体チューブの遠位端上に位置するセンサーヘッドを備える浸漬型センサーＡを示し、センサーヘッドは、センサーヘッドの遠位端の近位に位置する一体に形成されたサンプリングチャンバー５を備える。補助電気化学セル６は、上記のように、サンプリングチャンバー５の中に延びる。センサーヘッドはまた、サンプリングチャンバー５とセンサーヘッドの遠位端との間に延びる一体に形成された入口チャネル１０も備える。センサーヘッド遠位端キャップは、キャップが燃焼、溶融、または別の方法で除去されるまで、入口チャネル１０を遮蔽する。センサーヘッド遠位端キャップの外側の部分は厚紙を含んでいてもよく、センサーヘッド遠位端キャップの内側部分は鋼を含んでいてもよい。

図２２に、担体チューブの遠位端上に位置するセンサーヘッドを備える浸漬型センサーＡを示し、センサーヘッドは、センサーヘッドの遠位端の近位に位置する一体に形成されたサンプリングチャンバー５を備える。補助電気化学セル６は、上記のように、サンプリングチャンバー５の中に延びる。センサーヘッドはまた、サンプリングチャンバー５と浸漬型センサーＡの横方向外面との間に延びる一体に形成された入口チャネル１０を備える。センサーヘッドはまたは、センサーヘッドの遠位端上に位置し、かつ遠位端から延びる熱電対と一次電気化学セルとを備える。センサーヘッド遠位端キャップは、キャップが燃焼、溶融、または別の方法で除去されるまで、熱電対および一次電気化学セルを遮蔽する。センサーヘッド遠位端キャップの外側の部分は厚紙を含んでいてもよく、センサーヘッド遠位端キャップの内側部分は鋼を含んでいてもよい。

図２３に、担体チューブの遠位端上に位置するセンサーヘッドを備える浸漬型センサーＡを示し、センサーヘッドは、センサーヘッドの中間部分の中に一体に形成された熱分析チャンバー２０を備える。センサーヘッドさらに、熱分析チャンバー２０の近位に位置する一体に形成されたサンプリングチャンバー５を備える。補助電気化学セル６は、上記のようにサンプリングチャンバー５の中に延びる。センサーヘッドはまた、溶融金属の試料を収集するように構成された金属成形品も備える。金属成形品は、熱分析チャンバー２０の遠位に位置する。センサーヘッド遠位端キャップは、キャップが燃焼、溶融、または別の方法で除去されるまで、金属成形品を遮蔽する。センサーヘッド遠位端キャップは、鋼を含んでいてもよい。

本発明の全体的な理解が得られるよう、様々な特徴および特性を本明細書に記載し、かつ図面に例示している。本明細書に記載の、そして図面に例示の様々な特徴および特性を、そのような特徴および特性が、本明細書に明示的に記載されているか、組み合わせで例示されているにかかわらず、任意の実行可能な様式で組み合わせることができることが理解される。本発明者らおよび出願人は、機能および特徴のそうした組み合わせが本明細書の範囲内に含まれることを明示的に意図しており、そしてさらには、本出願に新規主題を追加することなく特徴および特性のそうした組み合わせを特許請求することを意図している。このように特許請求の範囲は、本明細書に明示的にもしくは本質的に記載された、または別の方法で本明細書によって明示的にもしくは本質的に裏付けられた任意の特徴および特性を任意の組み合わせで記述するように補正することができる。さらには、本出願人は、従来技術に存在する場合がある機能および特徴を肯定的に放棄するよう特許請求の範囲を補正する権利を、それらの特徴および特性が本明細書に明示的には記載されていない場合であっても留保している。したがって、そのようないかなる補正も、本明細書または特許請求の範囲に新規主題を加えることにはならず、記述、記述の充分性、および追加事項の要件（例えば、米国特許法１１２条（ａ）およびＥＰＣ１２３条（２））に従うことになる。本発明は、本明細書に記載の様々な特徴および特性を備えることができ、それらから成ることができる、またはそれらから実質的に成ることができる。

また、本明細書に記述された任意の数値的範囲は、記述された終点を含んでおり、そして記述された範囲内に包摂される同一の数値的な精度の（すなわち、同一の指定された桁数を有する）すべての部分範囲を記載する。例えば、「１．０から１０．０」と記述された範囲は、記述された最小値１．０と記述された最大値１０．０との間の（そしてそれらを含む）すべての部分範囲、例えば「２．４から７．６」などを、たとえ「２．４から７．６」と記述された範囲が本明細書の本文に明示的に記述されていなくとも記載する。したがって、本出願人は、本明細書に明示的に記述された範囲内に包摂される同一の数値的精度のいかなる部分範囲も明示的に記述するよう、特許請求の範囲を含め、本明細書を補正する権利を留保している。すべてのそのような範囲は、いかなるそのような部分範囲であっても、その明示的な補正が、記述、記述の充分性、および追加事項の要件（例えば、米国特許法１１２条（ａ）およびＥＰＣ１２３条（２））に従うことになるように、本明細書に本質的に記載される。

本明細書において使用される場合、文法上の冠詞「一つの（ｏｎｅ）」、「一つの（ａ）」、「一つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、別途表示されているまたは文脈から要求されているのでない限り、「少なくとも一つの（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」または「一つまたは複数の（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」を含むことが意図されている。よって、冠詞は、本明細書では、冠詞の文法上の目的語の一つ以上を（すなわち、「少なくとも一つ」を）指すのに使用される。例としては、「一つの構成要素（ａ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）」は、一つまたは複数の構成部分を意味し、よって本発明の実施では、場合によっては一つより多い構成要素が想起されて、これを採用または使用することができる。さらには、使用上の文脈から別途要求されるのでない限り、単数形の名詞の使用は複数を含み、複数形の名詞の使用は単数を含む。

１． 担体チューブ
２． センサーヘッド
３． 冶金学的容器
４． 溶融金属
５． 内部のサンプリングチャンバー
６． 補助電気化学セル
７． 金属成形品
８． 電気化学セル
９． 熱電対
１０． サンプリングチャンバー５の入口チャネル
１１． 保護キャップまたはその他の一時的な障壁構造体
１２． サンプリングチャンバー５の内部体積
１３． 補助電極被膜
１４． 金属被膜（補助電気化学セル６の外面の少なくとも一部分上の）
１５． セラミック被膜またはグレージング
１６． 金属被膜（サンプリングチャンバー５の内面の少なくとも一部分上の）
１７． 脱酸用材料
１８． 補助電気化学セル６の正接点
１９． 金属電極
２０． センサーヘッドの中に一体に形成された熱分析チャンバー

１００． 浸漬型センサー
１０１． 担体チューブ。
１０２． センサーヘッド。
１０５． センサーヘッドの一体に形成されたサンプリングチャンバー
１１０． 入口チャネル
１１２． 担体チューブ１０１の遠位端
１２２． センサーヘッドの遠位端。
１２４． センサーヘッドの近位端
１５０． 分離した耐熱性構造体
１５２． サンプリングチャンバー１０５の遠位（下側）内面
１５４． サンプリングチャンバー１０５の近位（上側）内面
１５６． サンプリングチャンバー１０５の横方向内面
１５７． 耐熱性構造体１５０の遠位（下側）端
１５９． 耐熱性構造体１５０の近位（上側）端

図６にさらに、浸漬型センサーＡのサンプリングチャンバー５を備える耐熱性構造体を例示する。補助電気化学セル６は、遠位内面からサンプリングチャンバー５の内部体積１２の中に延びる。入口チャネル１０は、サンプリングチャンバー５の内部体積１２の横方向内面から耐熱性構造体の外面まで延びる。使用時には、溶融金属は、入口チャネル１０を通じ、サンプリングチャンバー５の内部体積１２の中に流れ、ここで、溶融金属は補助電気化学セル６と接触し、溶融金属中の化学元素の含有量が決定される。

Claims (24)

1. 溶融金属中の化学元素の含有量を決定するための浸漬型センサーであって、
   センサーヘッドと、
   耐熱性材料の中に形成された内部体積を有するサンプリングチャンバーと、
   前記サンプリングチャンバーの前記内部体積と前記浸漬型センサーに対して外部の体積との間に延びる入口チャネルと、
   前記サンプリングチャンバーの内面から前記内部体積の中に延びる補助電気化学セルと、を備え、
   前記外部体積から前記入口チャネルを通じて前記サンプリングチャンバーの前記内部体積の中に流れ、かつ前記補助電気化学セルと接触する溶融金属の流れに対して構成される、浸漬型センサー。
2. 前記センサーヘッドが、製造用の耐熱性材料を含み、かつ前記サンプリングチャンバーが、前記センサーヘッドの中に一体に形成されて、前記センサーヘッドの遠位端の近位に位置する、請求項１に記載の浸漬型センサー。
3. 前記センサーヘッドと隣接しておらず、かつ前記センサーヘッドの近位に位置する耐熱性構造体の中に、前記サンプリングチャンバーが一体に形成される、請求項１に記載の浸漬型センサー。
4. 前記補助電気化学セルが、前記補助電気化学セルの外面の少なくとも一部分上に補助電極被膜を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の浸漬型センサー。
5. 前記補助電極被膜が、化学元素に対応する金属または金属酸化物化合物を含み、前記浸漬型センサーが、前記サンプリングチャンバーの前記内部体積における溶融金属中の前記化学元素の含有量を決定するように構成される、請求項４に記載の浸漬型センサー。
6. 前記補助電気化学セルが、前記補助電気化学セルの外面の少なくとも一部分上に金属被膜を備える、請求項１に記載の浸漬型センサー。
7. 前記金属被膜が、前記補助電気化学セルの外面の少なくとも一部分上の下にある補助電極被膜の少なくとも一部分を覆う、請求項６に記載の浸漬型センサー。
8. 前記サンプリングチャンバーが、成型された鋳物／鋳造用の砂を含む耐熱性材料の中に形成される、請求項１に記載の浸漬型センサー。
9. 前記サンプリングチャンバーが、金属材料、セラミック材料、およびサーメット材料、およびそれらいずれかの組み合わせから成る群から選択される製造用材料を含む、請求項１に記載の浸漬型センサー。
10. 前記サンプリングチャンバーが、前記サンプリングチャンバーの内面の少なくとも一部分上に内部のセラミック被膜を備える、請求項１に記載の浸漬型センサー。
11. 前記サンプリングチャンバーが、前記サンプリングチャンバーの内面の少なくとも一部分上に内部の金属被膜を備える、請求項１に記載の浸漬型センサー。
12. 前記サンプリングチャンバーの前記内部体積が５ｃｍ^３〜５０ｃｍ^３の範囲である、請求項１に記載の浸漬型センサー。
13. 前記サンプリングチャンバーが、脱酸用材料を含む、請求項１に記載の浸漬型センサー。
14. 前記脱酸用材料が、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、ジルコニウム、およびジルコニウム合金、ならびにそれらのいずれかの組み合わせから成る群から選択される、請求項１３に記載の浸漬型センサー。
15. 前記入口チャネルの中に位置する一時的な障壁構造体をさらに備える、請求項１に記載の浸漬型センサー。
16. 前記一時的な障壁構造体が、紙、厚紙、プラスチック、および金属、ならびにそれらのいずれかの組み合わせから成る群から選択される材料を含む、請求項１５に記載の浸漬型センサー。
17. 前記サンプリングチャンバーが、前記サンプリングチャンバーの内面の少なくとも一部分上に内部の金属被膜を備え、前記内部の金属被膜が前記補助電気化学セルに電気的に接続されて、前記補助電気化学セルの動作のための正接点として機能する、請求項１に記載の浸漬型センサー。
18. 前記サンプリングチャンバーの内面から前記内部体積の中に延びる金属電極をさらに備える浸漬型センサーであって、前記金属電極が前記補助電気化学セルに電気的に接続されて、前記補助電気化学セルの動作のための正接点として機能する、請求項１に記載の浸漬型センサー。
19. 熱分析チャンバーをさらに備える、請求項１に記載の浸漬型センサー。
20. 前記熱分析チャンバーおよび前記サンプリングチャンバーが、同一の耐熱性材料の中に一体に形成された、請求項１９に記載の浸漬型センサー。
21. 前記熱分析チャンバーおよび前記サンプリングチャンバーが、前記センサーヘッドの中に一体に形成された、請求項２０に記載の浸漬型センサー。
22. 前記補助電気化学セルが、前記サンプリングチャンバーの内側遠位面から前記内部体積の中に延びる、請求項１に記載の浸漬型センサー。
23. 前記補助電気化学セルが、前記サンプリングチャンバーの内側近位面から前記内部体積の中に延びる、請求項１に記載の浸漬型センサー。
24. 前記補助電気化学セルが、前記サンプリングチャンバーの内側横方向面から前記内部体積の中に延びる、請求項１に記載の浸漬型センサー。

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