JP2023083079A - Oxygen sensor for molten copper, oxygen sensor device for molten copper, method for detecting concentration of oxygen in molten copper, and method for manufacturing copper wire - Google Patents

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隆之 辻
Takayuki Tsuji
昌平 秦
Shohei Hata
仁志 木村
Hitoshi Kimura
智子 大島
Tomoko Oshima
敬三 荒巻
Keizo Aramaki
定和 高山
Sadakazu Takayama
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Abstract

To provide an oxygen sensor for molten copper including a solid electrolyte with high durability, an oxygen sensor device for molten copper, a method for detecting the concentration of oxygen in molten copper, and a method for manufacturing a copper wire.SOLUTION: An oxygen sensor 10 has an oxygen cell 2 that is formed of a zirconia-based solid electrolyte having oxygen ion conductivity, and outputs a detection voltage according to the potential difference generated due to the oxygen concentration difference between the concentration of oxygen in gas supplied to the inside of the oxygen cell 2 and the concentration of oxygen in molten copper with which at least part of the oxygen cell 2 is impregnated. A partially stabilized zirconia in which a zirconia crystal is partially stabilized by a stabilizer is used as the solid electrolyte. The absolute value of the coefficient of thermal expansion of the oxygen cell is 8.2×10-6/K or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、溶銅用酸素センサ、溶銅用酸素センサ装置、溶銅の酸素濃度検出方法、及び銅線の製造方法に関する。 The present invention relates to an oxygen sensor for molten copper, an oxygen sensor device for molten copper, a method for detecting oxygen concentration in molten copper, and a method for manufacturing copper wire.

従来、溶解炉で溶解した高温の溶銅の酸素濃度を測定するために、酸素センサが用いられている。特許文献1には、本出願人が過去に出願した酸素濃度測定プローブが記載されている。 Conventionally, an oxygen sensor is used to measure the oxygen concentration of high-temperature molten copper melted in a melting furnace. Patent Literature 1 describes an oxygen concentration measuring probe previously filed by the present applicant.

この酸素濃度測定プローブは、円筒状の外部電極と、外部電極の内側に配置された固体電解質管と、固体電解質管の管内に配置された基準極及び内部電極とを備えている。外部電極と内部電極との間には電位差計が接続されており、電位差信号が制御部に送られる。固体電解質管の材質は、酸化マグネシウムにより結晶構造が安定化された安定化ジルコニア(ZrO+MgO)であり、内外面間で酸素イオン(O2-)を選択的に通過させる固体電解質の性質を有する。基準極は、例えばFe/FeO粉等の金属/金属酸化物が使用された固体酸素基準極、あるいは空気等の気体が使用された空気基準極である。内部電極は、ステンレス鋼や白金等からなる金属導体線である。固体電解質管の下端部は、外部導体から下方に突出した浸漬部となっている。この浸漬部及び円筒状の外部電極の一部が溶銅に浸漬されると、酸素分圧差によって固体電解質管の内面から外面に向かって酸素イオンが移動し、内部電極と外部電極との間に電位差が発生する。制御部は、電位差計が出力する電位差信号を入力して溶銅中の酸素濃度を監視する。 This oxygen concentration measuring probe includes a cylindrical external electrode, a solid electrolyte tube placed inside the external electrode, and a reference electrode and an internal electrode placed inside the solid electrolyte tube. A potentiometer is connected between the outer electrode and the inner electrode, and a potential difference signal is sent to the controller. The material of the solid electrolyte tube is stabilized zirconia (ZrO 2 + MgO) whose crystal structure is stabilized by magnesium oxide. have. The reference electrode is, for example, a solid oxygen reference electrode using metal/metal oxide such as Fe/FeO powder, or an air reference electrode using gas such as air. The internal electrodes are metal conductor wires made of stainless steel, platinum, or the like. A lower end portion of the solid electrolyte tube serves as an immersion portion protruding downward from the outer conductor. When the immersion part and a part of the cylindrical external electrode are immersed in molten copper, oxygen ions move from the inner surface to the outer surface of the solid electrolyte tube due to the difference in oxygen partial pressure, and between the internal electrode and the external electrode. A potential difference is generated. The control unit receives the potential difference signal output from the potentiometer and monitors the oxygen concentration in the molten copper.

特開2019-132617号公報JP 2019-132617 A

上記のように安定化ジルコニアを用いた酸素センサでは、浸漬部を溶銅に浸漬する際の熱衝撃により、例えば1~2回の浸漬で固体電解質管に微小クラック(ひび割れ)が発生してしまう場合があった。このような微小クラックが発生すると、割れた部分に溶銅が入り込み、特に溶銅の酸素濃度が極めて低い場合に、溶銅中の酸素濃度の検出が正確にできなくなってしまうことが本発明者らによって確認された。そこで、本発明者は、微小クラックが発生するまでの平均浸漬回数が多い酸素センサを実現すべく鋭意研究し、本発明をなすに至った。 As described above, in the oxygen sensor using stabilized zirconia, due to the thermal shock when the immersion part is immersed in molten copper, microcracks (cracks) occur in the solid electrolyte tube after, for example, one or two immersions. there was a case. When such microcracks occur, molten copper enters the cracked portion, and especially when the oxygen concentration in the molten copper is extremely low, the oxygen concentration in the molten copper cannot be detected accurately. confirmed by et al. Therefore, the present inventors have made intensive studies to realize an oxygen sensor with a large average number of times of immersion until microcracks occur, and have completed the present invention.

すなわち、本発明の目的は、酸素イオンを選択的に通過させる固体電解質の耐久性が高い溶銅用酸素センサ、溶銅用酸素センサ装置、溶銅の酸素濃度検出方法、及び銅線の製造方法を提供することにある。 That is, an object of the present invention is to provide an oxygen sensor for molten copper, an oxygen sensor device for molten copper, a method for detecting oxygen concentration in molten copper, and a method for manufacturing a copper wire, which have a highly durable solid electrolyte that selectively allows oxygen ions to pass through. is to provide

本発明は、上記課題を解決することを目的として、酸素イオン伝導性を有するジルコニア質の固体電解質によって形成された酸素セルを備え、前記酸素セルの内部に供給される気体の酸素濃度と前記酸素セルの少なくとも一部が浸漬される溶銅の酸素濃度との酸素濃度差によって発生する電位差に応じた検出電圧を出力する溶銅用酸素センサであって、前記固体電解質として、ジルコニア結晶が安定化剤によって部分的に安定化された部分安定化ジルコニアが用いられ、前記酸素セルの熱膨張率の絶対値が8.2×10-6/K以下である、溶銅用酸素センサを提供する。 An object of the present invention is to solve the above problems by providing an oxygen cell formed of a zirconia solid electrolyte having oxygen ion conductivity, wherein the oxygen concentration of the gas supplied to the inside of the oxygen cell and the oxygen An oxygen sensor for molten copper that outputs a detection voltage corresponding to a potential difference generated by a difference in oxygen concentration from the oxygen concentration of molten copper in which at least a part of the cell is immersed, wherein a zirconia crystal is stabilized as the solid electrolyte. Provided is an oxygen sensor for molten copper, wherein partially stabilized zirconia partially stabilized with an agent is used, and the absolute value of the coefficient of thermal expansion of the oxygen cell is 8.2×10 −6 /K or less.

また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、上記の溶銅用酸素センサと、前記内部電極と前記外部電極との間の電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部の検出値に基づいて前記溶銅の酸素濃度を算出する演算部とを備える、溶銅用酸素センサ装置を提供する。 Further, in order to solve the above problems, the present invention provides the oxygen sensor for molten copper, the voltage detection unit for detecting the voltage between the internal electrode and the external electrode, and the voltage detection unit. An oxygen sensor device for molten copper, comprising a calculation unit that calculates the oxygen concentration of the molten copper based on the detected value.

また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、前記内部電極と前記外部電極とが材質が異なる異種金属によって構成された請求項6に記載の溶銅用酸素センサを用い、前記内部電極と前記外部電極との材質の違いにより発生する熱起電力を前記内部電極と前記外部電極との間の電圧から差し引いた値から前記溶銅の酸素濃度を算出する、溶銅の酸素濃度検出方法を提供する。 Further, in order to solve the above problems, the present invention uses the oxygen sensor for molten copper according to claim 6, wherein the internal electrode and the external electrode are made of different metals, and the internal Molten copper oxygen concentration detection, wherein the oxygen concentration of the molten copper is calculated from a value obtained by subtracting the thermoelectromotive force generated due to the difference in material between the electrode and the external electrode from the voltage between the internal electrode and the external electrode. provide a way.

また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、溶銅用酸素センサを前記溶銅の流路に配置し、前記溶銅用酸素センサによって前記溶銅の酸素濃度を連続的に検出しながら鋳造を行う銅線の製造方法を提供する。 Further, in order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides an oxygen sensor for molten copper arranged in a flow path of the molten copper, and the oxygen concentration of the molten copper is continuously detected by the oxygen sensor for molten copper. To provide a method for manufacturing a copper wire in which casting is performed while casting.

本発明に係る溶銅用酸素センサ、溶銅用酸素センサ装置、溶銅の酸素濃度検出方法、及び銅線の製造方法によれば、酸素イオンを選択的に通過させる固体電解質の耐久性を高めることが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the oxygen sensor for molten copper, the oxygen sensor device for molten copper, the method for detecting the oxygen concentration of molten copper, and the method for manufacturing a copper wire according to the present invention, the durability of the solid electrolyte that selectively allows oxygen ions to pass through is enhanced. becomes possible.

(a)は、本発明の実施の形態に係る酸素センサを備えた酸素センサ装置の構成を示す断面図である。(b)は、(a)の部分拡大図である。1A is a cross-sectional view showing the configuration of an oxygen sensor device having an oxygen sensor according to an embodiment of the present invention; FIG. (b) is a partially enlarged view of (a). 図1のA-A線における断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1; (a)及び(b)は、酸素センサの下端部を示す斜視図である。(a) and (b) are perspective views showing the lower end of the oxygen sensor. 比較例として示す、従来から用いられている安定化ジルコニアを酸素セルの材質として用いた酸素センサの一部を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a part of an oxygen sensor using conventionally used stabilized zirconia as a material of an oxygen cell, shown as a comparative example. FIG. 銅原料から銅線を製造する製造装置の概略の構成を示す構成図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a block diagram which shows a schematic structure of the manufacturing apparatus which manufactures a copper wire from a copper raw material.

[実施の形態]
図1(a)は、本発明の実施の形態に係る酸素センサを備えた酸素センサ装置1の構成を示す断面図である。図1(b)は、図1(a)の部分拡大図である。図2は、図1のA-A線における断面図である。図3(a)及び(b)は、酸素センサの下端部を示す斜視図である。なお、本実施の形態の説明中、「上」、「下」とは、酸素センサの使用状態における鉛直方向の上下をいうものとする。また、図1(a)中、符号Mは溶銅を示し、符号Mは溶銅の表面を示している。
[Embodiment]
FIG. 1(a) is a cross-sectional view showing the configuration of an oxygen sensor device 1 having an oxygen sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 1(b) is a partially enlarged view of FIG. 1(a). FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 3(a) and 3(b) are perspective views showing the lower end of the oxygen sensor. In the description of the present embodiment, the terms "upper" and "lower" refer to vertical directions in the state of use of the oxygen sensor. Further, in FIG. 1(a), the symbol M indicates the molten copper, and the symbol M1 indicates the surface of the molten copper.

(酸素センサ及び酸素センサ装置の構成)
酸素センサ装置1は、酸素センサ10と、酸素気体供給部11と、電圧検出部12と、演算部13とを備えている。酸素センサ10は、有底円筒状の酸素セル2と、アルミナ等の電気絶縁性の材料で形成された管状の絶縁管3と、絶縁管3に収容された一対の金属導体線である第1の金属導体線41及び第2の金属導体線42を接続してなる熱電対4と、円筒状の外部電極5と、酸素セル2と外部電極5との間に配置された封止材6と、外部電極5を支持すると共に絶縁管3を酸素セル2の下端部に向かって付勢する支持機構7とを備えている。
(Configuration of oxygen sensor and oxygen sensor device)
The oxygen sensor device 1 includes an oxygen sensor 10 , an oxygen gas supply section 11 , a voltage detection section 12 and a calculation section 13 . The oxygen sensor 10 includes a bottomed cylindrical oxygen cell 2 , a tubular insulating tube 3 made of an electrically insulating material such as alumina, and a pair of metal conductor wires accommodated in the insulating tube 3 . A thermocouple 4 formed by connecting the metal conductor wire 41 and the second metal conductor wire 42, a cylindrical external electrode 5, and a sealing material 6 arranged between the oxygen cell 2 and the external electrode 5 , and a support mechanism 7 that supports the external electrode 5 and biases the insulating tube 3 toward the lower end of the oxygen cell 2 .

酸素セル2は、酸素イオン伝導性を有するジルコニア質の固体電解質によって形成されている。この固体電解質は、具体的にはジルコニア(ZrO)を安定化剤によって部分的に安定化された部分安定化ジルコニアである。この安定化剤としては、酸化マグネシウム(MgO)、酸化カルシウム(CaO)、及び酸化イットリウム(Y)などの希土類酸化物を用いることができる。 The oxygen cell 2 is formed of a zirconia solid electrolyte having oxygen ion conductivity. This solid electrolyte is specifically partially stabilized zirconia obtained by partially stabilizing zirconia (ZrO 2 ) with a stabilizing agent. Rare earth oxides such as magnesium oxide (MgO), calcium oxide (CaO), and yttrium oxide (Y 2 O 3 ) can be used as the stabilizer.

酸素セル2は、円筒部21と底部22とを一体に有しており、底部22が円筒部21の鉛直方向の下端部を閉塞している。また、底部22を含む酸素セル2の一部分は、封止材6から下方に突出して溶銅Mに浸漬される浸漬部20となっている。封止材6は、例えば耐火セメント等の耐火物からなり、酸素セル2と外部電極5との間から外部電極5の内部に溶銅Mが浸入することを抑止している。溶銅Mの温度は、例えば1083℃以上1200℃以下である。 The oxygen cell 2 integrally has a cylindrical portion 21 and a bottom portion 22 , and the bottom portion 22 closes the lower end portion of the cylindrical portion 21 in the vertical direction. A portion of the oxygen cell 2 including the bottom portion 22 forms an immersion portion 20 that protrudes downward from the sealing material 6 and is immersed in the molten copper M. As shown in FIG. The sealing material 6 is made of, for example, a refractory material such as refractory cement, and prevents molten copper M from entering the interior of the external electrode 5 from between the oxygen cell 2 and the external electrode 5 . The temperature of the molten copper M is, for example, 1083° C. or higher and 1200° C. or lower.

絶縁管3には、図2に示すように、第1乃至第4の貫通孔31~34が形成されている。第1乃至第4の貫通孔31~34は、絶縁管3を長手方向に貫通している。絶縁管3は、長手方向の一部分が酸素セル2の内部に配置され、他の部分が酸素セル2から上方に突出している。絶縁管3の外径は酸素セル2の内径よりも小さく、絶縁管3の外周面3aと酸素セル2の円筒部21における内周面21aとの間には、空気(後述する酸素気体)が流通可能な隙間が形成されている。 As shown in FIG. 2, the insulating tube 3 has first through fourth through holes 31 through 34 formed therein. The first to fourth through holes 31 to 34 penetrate the insulating tube 3 in the longitudinal direction. A part of the insulating tube 3 in the longitudinal direction is arranged inside the oxygen cell 2 , and the other part protrudes upward from the oxygen cell 2 . The outer diameter of the insulating tube 3 is smaller than the inner diameter of the oxygen cell 2, and air (oxygen gas to be described later) is present between the outer peripheral surface 3a of the insulating tube 3 and the inner peripheral surface 21a of the cylindrical portion 21 of the oxygen cell 2. A gap is formed through which the flow can flow.

第1の貫通孔31には第1の金属導体線41が挿通され、第2の貫通孔32には第2の金属導体線42が挿通されている。第1の金属導体線41と第2の金属導体線42とは、絶縁管3の下端部から下方に突出した部分が互いに接続されている。本実施の形態では、絶縁管3の下方で第1の金属導体線41及び第2の金属導体線42の端部同士が溶接されており、この溶接された部分が球状の溶接部43となっている。溶接部43は、酸素セル2の底部22における内面22aに接している。 A first metal conductor wire 41 is inserted through the first through-hole 31 , and a second metal conductor wire 42 is inserted through the second through-hole 32 . The first metal conductor wire 41 and the second metal conductor wire 42 are connected to each other at portions protruding downward from the lower end of the insulating tube 3 . In this embodiment, the ends of the first metal conductor wire 41 and the second metal conductor wire 42 are welded together below the insulating tube 3, and the welded portion becomes a spherical welded portion 43. ing. The welded portion 43 is in contact with the inner surface 22 a of the bottom portion 22 of the oxygen cell 2 .

一例として、正極である第1の金属導体線41は、13%のロジウムを含有する白金ロジウム合金(PtRh)からなり、負極である第2の金属導体線42は、白金(Pt)からなる。なお、このような白金ロジウム合金と白金とを組み合わせた熱電対は、一般にR熱電対と称され、例えば1000℃を越えるような高温域での温度を測定するために用いられている。 As an example, the positive electrode first metal conductor wire 41 is made of a platinum rhodium alloy (PtRh) containing 13% rhodium, and the negative electrode second metal conductor wire 42 is made of platinum (Pt). A thermocouple in which such a platinum-rhodium alloy and platinum are combined is generally called an R-thermocouple, and is used to measure temperature in a high temperature range exceeding 1000° C., for example.

絶縁管3の第3の貫通孔33及び第4の貫通孔34には、酸素気体供給部11から酸素を所定割合で含む酸素気体が供給される。この酸素気体は、一例として酸素含有割合が100%の純酸素であるが、酸素の含有割合が既知の物であれば、酸素含有割合が約21%の大気であってもよい。第3の貫通孔33及び第4の貫通孔34には、絶縁管3の上端部から酸素気体が供給され、供給された酸素気体が絶縁管3の下端部に抜ける。絶縁管3の下端部に抜けた酸素気体は、絶縁管3と酸素セル2との間の隙間を経て酸素セル2の上方に排出される。酸素気体供給部11からの酸素気体の供給量は、酸素セル2の内部の酸素濃度が一定に保たれる程度の量である。 Oxygen gas containing a predetermined proportion of oxygen is supplied from the oxygen gas supply unit 11 to the third through hole 33 and the fourth through hole 34 of the insulating tube 3 . As an example, this oxygen gas is pure oxygen with an oxygen content of 100%, but if the oxygen content is known, it may be air with an oxygen content of about 21%. Oxygen gas is supplied to the third through-hole 33 and the fourth through-hole 34 from the upper end of the insulating tube 3 , and the supplied oxygen gas escapes to the lower end of the insulating tube 3 . The oxygen gas that escapes to the lower end of the insulating tube 3 is discharged above the oxygen cell 2 through the gap between the insulating tube 3 and the oxygen cell 2 . The amount of oxygen gas supplied from the oxygen gas supply unit 11 is such that the oxygen concentration inside the oxygen cell 2 is kept constant.

外部電極5は、上端部及び下端部が開口した円筒状であり、酸素セル2の外側に配置されている。外部電極5の下端部における内周面5aと酸素セル2の円筒部21の外周面21bとの間は、封止材6によって封止されている。外部電極5は、封止材6を介して酸素セル2を支持している。本実施の形態では、外部電極5がステンレス鋼からなる。このステンレス鋼として、より具体的には、耐熱性に優れたSUS310S(JIS G 4303)を好適に用いることができる。絶縁管3は、その一部が外部電極5の上端部から上方に突出している。 The external electrode 5 has a cylindrical shape with open upper and lower ends, and is arranged outside the oxygen cell 2 . A sealing material 6 seals between the inner peripheral surface 5 a at the lower end of the external electrode 5 and the outer peripheral surface 21 b of the cylindrical portion 21 of the oxygen cell 2 . The external electrode 5 supports the oxygen cell 2 via the sealing material 6 . In this embodiment, the external electrodes 5 are made of stainless steel. More specifically, SUS310S (JIS G 4303), which has excellent heat resistance, can be preferably used as this stainless steel. A portion of the insulating tube 3 protrudes upward from the upper end of the external electrode 5 .

支持機構7は、外部電極5の上端部を保持する保持部材71と、保持部材71に固定されて外部電極5の上端開口部の一部を覆う蓋部材72と、絶縁管3の外周面3aに固定された環状のばね受け部材73と、ばね受け部材73と蓋部材72との間に配置されたコイルばね74とを有して構成されている。保持部材71は、外部電極5の上端部が内嵌された嵌合筒部711と、複数のボルト70によって蓋部材72が固定された板部712とを一体に有している。蓋部材72には、絶縁管3が挿通される挿通孔721が形成されており、絶縁管3の上端部が挿通孔721から上方に突出している。コイルばね74は、その復元力によって絶縁管3を下方に押し付けている。これにより、熱電対4の溶接部43が酸素セル2の底部22の内面22aに押し付けられて接触している。 The support mechanism 7 includes a holding member 71 that holds the upper end of the external electrode 5 , a lid member 72 that is fixed to the holding member 71 and covers a part of the upper end opening of the external electrode 5 , and an outer peripheral surface 3 a of the insulating tube 3 . and a coil spring 74 disposed between the spring receiving member 73 and the lid member 72 . The holding member 71 integrally has a fitting cylinder portion 711 in which the upper end portion of the external electrode 5 is fitted, and a plate portion 712 to which the lid member 72 is fixed by a plurality of bolts 70 . An insertion hole 721 through which the insulating tube 3 is inserted is formed in the cover member 72 , and the upper end portion of the insulating tube 3 protrudes upward from the insertion hole 721 . The coil spring 74 presses the insulating tube 3 downward by its restoring force. As a result, the welded portion 43 of the thermocouple 4 is pressed against the inner surface 22a of the bottom portion 22 of the oxygen cell 2 and is in contact therewith.

以上のように構成された酸素センサ10は、酸素セル2の内部に供給される酸素気体の酸素濃度と、酸素セル2の少なくとも一部が浸漬される溶銅の酸素濃度との酸素濃度差によって発生する電位差に応じた検出電圧を出力する。この電位差は、酸素セル2の内部と外部との酸素分圧差によって酸素セル2の内面2a(円筒部21の内周面21a及び底部22の内面22a)から浸漬部20における酸素セル2の外面2b(円筒部21の外周面21b及び底部22の外面22b)に向かって酸素イオンが移動することにより発生するものである。 The oxygen sensor 10 configured as described above operates according to the oxygen concentration difference between the oxygen gas supplied to the inside of the oxygen cell 2 and the oxygen concentration of molten copper in which at least a part of the oxygen cell 2 is immersed. A detection voltage corresponding to the generated potential difference is output. Due to the oxygen partial pressure difference between the inside and the outside of the oxygen cell 2, this potential difference changes from the inner surface 2a of the oxygen cell 2 (the inner peripheral surface 21a of the cylindrical portion 21 and the inner surface 22a of the bottom portion 22) to the outer surface 2b of the oxygen cell 2 in the immersion portion 20. It is generated by movement of oxygen ions toward (the outer peripheral surface 21b of the cylindrical portion 21 and the outer surface 22b of the bottom portion 22).

すなわち、酸素濃度が比較的高い内面2a側では、酸素分子が電子を取り込んで酸素イオンになり(O+4e→2O2-)、酸素濃度が比較的低い外面2b側では、酸素イオンが電子を放出して酸素分子に戻る(2O2-→O+4e)。これにより、酸素分圧差に応じた起電力が発生する。この酸素分圧差による起電力は、酸素セル2の温度(絶対温度)を係数とした下記の関係式(ネルンストの式)によって表される。 That is, on the side of the inner surface 2a where the oxygen concentration is relatively high, oxygen molecules take in electrons and become oxygen ions (O 2 +4e →2O 2− ), and on the side of the outer surface 2b where the oxygen concentration is relatively low, the oxygen ions convert to electrons. and return to molecular oxygen (2O 2− →O 2 +4e ). As a result, an electromotive force corresponding to the oxygen partial pressure difference is generated. The electromotive force due to this oxygen partial pressure difference is expressed by the following relational expression (Nernst's formula) with the temperature (absolute temperature) of the oxygen cell 2 as a coefficient.

E=(R・T/(n・F))×ln(PO(A)/PO(B))
この式において、
Eは酸素分圧差により発生する起電力[V]
Rは気体定数(8.3144598[J・mol-1・K-1])
Tは絶対温度[K]
nは反応に含まれる電子数(上記反応ではn=4)
Fはファラデー定数(96485.3329[C・mol-1])
PO(A)は高濃度側(酸素セル2の内部)の酸素分圧[atm]
PO(B)は低濃度側(酸素セル2の外部)の酸素分圧[atm]
である。そして、E及びTが分かれば(PO(A)は既知)、上記の式からPO(B)を求めることができ、さらにPO(B)から溶銅Mの酸素濃度を求めることができる。
E=(RT/(nF))×ln(PO 2 (A)/PO 2 (B))
In this formula,
E is the electromotive force [V] generated by the oxygen partial pressure difference
R is the gas constant (8.3144598 [J・mol −1・K −1 ])
T is absolute temperature [K]
n is the number of electrons involved in the reaction (n = 4 in the above reaction)
F is the Faraday constant (96485.3329 [C mol -1 ])
PO 2 (A) is the oxygen partial pressure [atm] on the high concentration side (inside the oxygen cell 2)
PO 2 (B) is the oxygen partial pressure [atm] on the low concentration side (outside the oxygen cell 2)
is. Then, if E and T are known (PO 2 (A) is known), PO 2 (B) can be obtained from the above formula, and further the oxygen concentration of molten copper M can be obtained from PO 2 (B). can.

(溶銅の酸素濃度検出方法)
次に、酸素センサ装置1における溶銅Mの酸素濃度検出方法について説明する。
(Molten copper oxygen concentration detection method)
Next, a method for detecting the oxygen concentration of the molten copper M in the oxygen sensor device 1 will be described.

図1(a)に示すように、電圧検出部12には、熱電対4の第1の金属導体線41と第2の金属導体線42の電位、及び外部電極5の電位が入力される。電圧検出部12は、第1の金属導体線41と第2の金属導体線42との間の電圧(電位差)を検出すると共に、第2の金属導体線42を内部電極40とし、この内部電極40と外部電極5との間の電圧(電位差)を検出する。すなわち、本実施の形態では、第1の金属導体線41及び第2の金属導体線42のうち、第2の金属導体線42を、酸素セル2の内部と外部との酸素濃度差に応じた電圧を検出するための内部電極40として用いる。ただし、これに限らず、第1の金属導体線41を内部電極として用いてもよい。 As shown in FIG. 1( a ), the potential of the first metal conductor wire 41 and the second metal conductor wire 42 of the thermocouple 4 and the potential of the external electrode 5 are input to the voltage detector 12 . The voltage detection unit 12 detects the voltage (potential difference) between the first metal conductor wire 41 and the second metal conductor wire 42, and uses the second metal conductor wire 42 as the internal electrode 40. A voltage (potential difference) between 40 and the external electrode 5 is detected. That is, in the present embodiment, of the first metal conductor wire 41 and the second metal conductor wire 42, the second metal conductor wire 42 is adjusted according to the oxygen concentration difference between the inside and the outside of the oxygen cell 2. It is used as an internal electrode 40 for detecting voltage. However, the invention is not limited to this, and the first metal conductor wires 41 may be used as internal electrodes.

外部電極5は、その下端部を含む長手方向の一部分が酸素セル2の浸漬部20と共に溶銅Mに浸漬される。これにより、外部電極5と浸漬部20における酸素セル2の外面2bとは、溶銅Mを介して電気的に接続される。本実施の形態では、前述のように外部電極5がステンレス鋼からなるので、内部電極40(白金からなる第2の金属導体線42)と外部電極5とは、材質が異なる異種金属である。 A portion of the external electrode 5 in the longitudinal direction including the lower end is immersed in the molten copper M together with the immersion portion 20 of the oxygen cell 2 . Thereby, the external electrode 5 and the outer surface 2b of the oxygen cell 2 in the immersion portion 20 are electrically connected via the molten copper M. In this embodiment, since the external electrode 5 is made of stainless steel as described above, the internal electrode 40 (the second metal conductor wire 42 made of platinum) and the external electrode 5 are made of different metals.

以下、第1の金属導体線41と第2の金属導体線42との間の電圧を温度感応電圧といい、内部電極40と外部電極5との間の電圧を酸素濃度感応電圧という。電圧検出部12は、ADコンバータを有しており、温度感応電圧及び酸素濃度感応電圧の検出値をデジタル値に変換したデジタル信号を演算部13に出力する。演算部13は、電圧検出部12が出力する検出値に基づいて、溶銅Mの酸素濃度を算出する。 Hereinafter, the voltage between the first metal conductor wire 41 and the second metal conductor wire 42 will be referred to as the temperature sensitive voltage, and the voltage between the internal electrode 40 and the external electrode 5 will be referred to as the oxygen concentration sensitive voltage. The voltage detection unit 12 has an AD converter, and outputs to the calculation unit 13 a digital signal obtained by converting the detected values of the temperature sensitive voltage and the oxygen concentration sensitive voltage into digital values. The calculation unit 13 calculates the oxygen concentration of the molten copper M based on the detection value output by the voltage detection unit 12 .

溶銅Mの酸素濃度を算出するにあたり、演算部13はまず、温度感応電圧に基づいて、酸素セル2の温度(上記関係式のT)を求める。この酸素セル2の温度は、溶銅Mの温度に相当する。次に、演算部13は、求めた温度に基づいて、内部電極40と外部電極5との材質の違いにより発生する熱起電力を求め、求めた熱起電力を酸素濃度感応電圧から差し引いて、酸素セル2の内部と外部との酸素分圧差による起電力(上記関係式のE)を求める。そして、求めたE及びTを上記の関係式に適用し、溶銅Mの酸素濃度を求める。 In calculating the oxygen concentration of the molten copper M, the calculation unit 13 first obtains the temperature of the oxygen cell 2 (T in the above relational expression) based on the temperature sensitive voltage. The temperature of the oxygen cell 2 corresponds to the temperature of the molten copper M. Next, the calculation unit 13 obtains the thermoelectromotive force generated due to the difference in material between the internal electrode 40 and the external electrode 5 based on the obtained temperature, subtracts the obtained thermoelectromotive force from the oxygen concentration sensitive voltage, and obtains An electromotive force (E in the above relational expression) due to the oxygen partial pressure difference between the inside and outside of the oxygen cell 2 is obtained. Then, the obtained E and T are applied to the above relational expression to obtain the oxygen concentration of the molten copper M.

(酸素セルの材質)
次に、酸素セル2の材質の詳細について説明する。よく知られているように、安定化剤無添加の純粋なジルコニアは、室温では単斜晶系であるが、温度を上げていくと、単斜晶から正方晶、さらに正方晶から立方晶へと結晶構造が変化する。この相転移には体積変化を伴い、単斜晶から正方晶への相転移では体積収縮し、正方晶から立方晶への相転移では体積膨張する。この体積変化により、特に温度が急激に変化した際に、微小クラック(ひび割れ)が発生しやすくなる。一方、ジルコニアに安定化剤を添加すると、室温でも立方晶が安定して存在するようになり、安定化剤無添加のジルコニアに比較して、強度や靭性などの機械的特性が向上することが知られている。
(Material of oxygen cell)
Next, the details of the material of the oxygen cell 2 will be described. As is well known, pure zirconia without any stabilizers is monoclinic at room temperature, but changes from monoclinic to tetragonal and then from tetragonal to cubic with increasing temperature. and the crystal structure changes. This phase transition is accompanied by a volume change, and volume contraction occurs in the phase transition from monoclinic to tetragonal, and volume expansion occurs in the phase transition from tetragonal to cubic. Due to this volume change, microcracks are likely to occur, especially when the temperature changes abruptly. On the other hand, when a stabilizer is added to zirconia, cubic crystals are stable even at room temperature, and mechanical properties such as strength and toughness are improved compared to zirconia without stabilizers. Are known.

部分安定化ジルコニアは、室温においてジルコニア結晶の全てが立方晶とならず、単結晶や正方晶が分散したものである。部分安定化ジルコニアは、安定化率を100%とした安定化ジルコニアに比較して、微小クラックが発生し難いことが本発明者らによって確認されている。この理由としては、亀裂ができた際にその周辺の正方晶の結晶が応力誘起変態によって単斜晶に変わり、体積膨張するために、亀裂の伝搬を抑制する力が発生し、亀裂の進展を抑えるためであると考えられる。 In partially stabilized zirconia, not all zirconia crystals are cubic at room temperature, and single crystals and tetragonal crystals are dispersed. The present inventors have confirmed that partially stabilized zirconia is less prone to microcracks than stabilized zirconia with a stabilization rate of 100%. The reason for this is that when a crack occurs, the tetragonal crystals around it change to monoclinic crystals due to stress-induced transformation, and volume expansion occurs, which generates a force that suppresses the propagation of the crack, preventing the crack from propagating. This is thought to be for the purpose of suppressing

図4は、比較例として、従来から用いられている安定化ジルコニアを酸素セル2Aの材質として用いた酸素センサ10Aの一部を示す斜視図である。図4では、酸素セル2Aの浸漬部20Aの一部を水平面で切断して除去し、酸素セル2Aの内部を示している。この酸素センサ10Aは、酸素セル2Aの材質が異なる他は、上記の酸素センサ10と同様に構成されている。 FIG. 4 is a perspective view showing a part of an oxygen sensor 10A as a comparative example, in which conventionally used stabilized zirconia is used as the material of the oxygen cell 2A. In FIG. 4, a portion of the immersion portion 20A of the oxygen cell 2A is cut horizontally and removed to show the inside of the oxygen cell 2A. This oxygen sensor 10A is constructed in the same manner as the oxygen sensor 10 described above, except that the material of the oxygen cell 2A is different.

図4に示すように、酸素セル2Aを十分に予熱することなく溶銅に浸漬すると、急激な体積変化によって微小クラックCが発生し、この微小クラックCに溶銅Mが入り込むことがある。微小クラックCに入り込んだ溶銅Mは、酸素セル2Aの内外を短絡する電流経路となり、内部電極40(第2の金属導体線42)と外部電極5との間に発生する電圧が、酸素セル2Aの内外の酸素濃度差に応じた値から外れてしまう。このため、特に20ppm以下の低酸素濃度域では、酸素濃度を精度よく測定できないおそれがある。 As shown in FIG. 4, if the oxygen cell 2A is immersed in molten copper without being sufficiently preheated, minute cracks C may occur due to rapid volumetric changes, and molten copper M may enter these minute cracks C. The molten copper M that has entered the microcracks C forms a current path that short-circuits the inside and outside of the oxygen cell 2A, and the voltage generated between the internal electrode 40 (second metal conductor wire 42) and the external electrode 5 increases the oxygen cell It deviates from the value corresponding to the oxygen concentration difference between the inside and outside of 2A. Therefore, there is a possibility that the oxygen concentration cannot be measured with high accuracy, especially in a low oxygen concentration range of 20 ppm or less.

本発明者らは、安定化剤の添加量を加減してジルコニア結晶の安定化率を調節することで、部分安定化ジルコニアの熱膨張率を所定値以下とし、溶銅Mに浸漬した際に酸素セル2の浸漬部20に微小クラックが発生してしまうことを抑制することができるとの知見を得た。そして、安定化剤の添加量が異なる多数の試作品を溶銅Mに浸漬する実験を繰り返し、溶銅用の酸素センサ10の酸素セル2の材質として、次の(1)~(3)の条件を満たす部分安定化ジルコニアを用いれば、微小クラックの発生を従来のものと比較して大幅に抑制できることを見出した。
(1)ジルコニア結晶の安定化率が10%以上50%以下であること
(2)熱膨張率の絶対値が8.2×10-6/K以下であること
(3)安定化剤の含有量が2mol%以上9mol%以下であること
The present inventors have adjusted the stabilization rate of the zirconia crystal by adjusting the amount of the stabilizer added, so that the thermal expansion coefficient of the partially stabilized zirconia is set to a predetermined value or less, and when immersed in molten copper M, The inventors have found that it is possible to suppress the occurrence of microcracks in the immersion portion 20 of the oxygen cell 2 . Then, experiments were repeated in which a large number of prototypes with different amounts of stabilizer added were immersed in molten copper M, and the following (1) to (3) were selected as the material for the oxygen cell 2 of the oxygen sensor 10 for molten copper. It was found that the use of partially stabilized zirconia that satisfies the conditions can greatly suppress the occurrence of microcracks compared to conventional ones.
(1) The stabilization rate of zirconia crystals is 10% or more and 50% or less (2) The absolute value of the coefficient of thermal expansion is 8.2×10 −6 /K or less (3) Contains a stabilizer The amount is 2 mol% or more and 9 mol% or less

ここで、「ジルコニア結晶の安定化率が10%以上50%以下である」とは、換言すれば、室温において立方晶であるジルコニア結晶の割合が10~50%であることをいう。また、「熱膨張率の絶対値が8.2×10-6/K以下であること」とは、熱膨張率の絶対値が酸素センサ10の使用温度域(室温~溶銅の温度)の全体にわたって8.2×10-6/K以下であることをいう。特に、熱膨張率の絶対値は、20℃以上1000℃以下の温度における平均熱膨張率の絶対値が8.2×10-6/K以下であることが望ましい。 Here, "the zirconia crystal stabilization rate is 10% or more and 50% or less" means that the proportion of cubic zirconia crystals at room temperature is 10 to 50%. Further, "the absolute value of the coefficient of thermal expansion is 8.2×10 -6 /K or less" means that the absolute value of the coefficient of thermal expansion is within the operating temperature range (room temperature to molten copper temperature) of the oxygen sensor 10. It means 8.2×10 −6 /K or less over the entire area. In particular, it is desirable that the absolute value of the average coefficient of thermal expansion is 8.2×10 −6 /K or less at a temperature of 20° C. or higher and 1000° C. or lower.

また、安定化剤として酸化マグネシウム(MgO)又は酸化カルシウム(CaO)を用いる場合、部分安定化ジルコニアにおける安定化剤の含有量の下限値は、7~8mol%であることが望ましい。部分安定化ジルコニアの安定化率(安定化剤の濃度)が低すぎると、部分安定化ジルコニアの熱に対する機械的強度が劣化してしまうため、溶銅Mに含まれる酸素濃度を連続的に測定する用途には適さないためである。 Further, when magnesium oxide (MgO) or calcium oxide (CaO) is used as the stabilizer, the lower limit of the content of the stabilizer in the partially stabilized zirconia is desirably 7 to 8 mol %. If the stabilization rate (stabilizer concentration) of the partially stabilized zirconia is too low, the mechanical strength of the partially stabilized zirconia against heat deteriorates, so the oxygen concentration contained in the molten copper M is continuously measured. This is because it is not suitable for applications where

(銅線の製造装置及び製造方法)
次に、図5を参照して、銅線の製造装置及び製造方法について説明する。図5は、銅原料から銅線を製造する製造装置8の概略の構成を示す構成図である。この製造装置8は、銅合金材である銅線(銅荒引線)を連続鋳造圧延する連続鋳造圧延装置である。
(Copper wire manufacturing equipment and manufacturing method)
Next, with reference to FIG. 5, a copper wire manufacturing apparatus and manufacturing method will be described. FIG. 5 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a manufacturing apparatus 8 that manufactures a copper wire from a copper raw material. This manufacturing apparatus 8 is a continuous casting and rolling apparatus for continuously casting and rolling a copper wire (copper wire rod), which is a copper alloy material.

製造装置8は、銅原料を加熱して溶融させる溶解炉80と、溶解炉80から流れ出る溶銅を移送する上樋81と、上樋81により移送された溶銅を所定の温度で一時的に貯留する保持炉82と、溶銅に金属元素を添加する金属元素添加装置83と、金属元素添加装置83で金属元素が添加された溶銅を移送する下樋84と、下樋84により移送された溶銅を一時的に貯留するタンディッシュ85と、タンディッシュ85から溶銅を流出させる注湯ノズル86と、連続鋳造機87と、連続鋳造機87から移送される鋳造バー91を連続的に圧延する熱間圧延装置88と、熱間圧延装置88から表面清浄化処理装置を経て移送される銅線92を巻き取る巻取機(コイラー)89とを有している。 The manufacturing apparatus 8 includes a melting furnace 80 that heats and melts the copper raw material, an upper gutter 81 that transfers the molten copper flowing out of the melting furnace 80, and the molten copper transferred by the upper gutter 81, which is temporarily A holding furnace 82 for storage, a metal element adding device 83 for adding a metal element to the molten copper, a lower gutter 84 for transferring the molten copper to which the metal element has been added by the metal element adding device 83, and A tundish 85 for temporarily storing the molten copper, a pouring nozzle 86 for flowing out the molten copper from the tundish 85, a continuous casting machine 87, and a casting bar 91 transferred from the continuous casting machine 87 are continuously operated. It has a hot rolling device 88 for rolling and a winder (coiler) 89 for winding the copper wire 92 transported from the hot rolling device 88 through the surface cleaning treatment device.

金属元素添加装置83で溶銅に添加される金属元素は、例えばチタン(Ti)やインジウム(In)、錫(Sn)、マグネシウム(Mg)等である。なお、溶銅に金属元素を添加しない場合もあり、この場合には金属元素添加装置83が不要である。 The metal elements added to the molten copper by the metal element addition device 83 are, for example, titanium (Ti), indium (In), tin (Sn), magnesium (Mg), and the like. In some cases, no metal element is added to the molten copper, and in this case, the metal element addition device 83 is not required.

連続鋳造機87は、ベルトホイール式の連続鋳造を行う装置であり、外周に溝が形成された鋳造リング(鋳造輪)871と、ベルト(鋳造ベルト)872と、鋳造リング871を保持する円柱状の保持部873とを有している。鋳造リング871は、不図示のモータによって回転駆動される。ベルト872は、複数のプーリ874によってガイドされ、鋳造リング871の外周面の一部に接触しながら循環回転する。 The continuous casting machine 87 is a device for continuous casting of a belt-wheel type, and includes a casting ring (casting wheel) 871 having grooves formed on its outer periphery, a belt (casting belt) 872, and a cylindrical caster holding the casting ring 871. and a holding portion 873 of . The casting ring 871 is rotationally driven by a motor (not shown). The belt 872 is guided by a plurality of pulleys 874 and circulates while contacting part of the outer peripheral surface of the casting ring 871 .

鋳造リング871の溝とベルト872との間には、タンディッシュ85から注湯ノズル86を経て流れ落ちる溶銅が供給される。鋳造リング871及びベルト872は、回転しながら冷却水によって冷却される。連続鋳造機87に供給された溶銅は、鋳造リング871とベルト872との間で冷却及び固化されて、棒状の鋳造バー(鋳造材)91となる。 Molten copper flowing down from the tundish 85 through the pouring nozzle 86 is supplied between the groove of the casting ring 871 and the belt 872 . The casting ring 871 and belt 872 are cooled by cooling water while rotating. Molten copper supplied to the continuous casting machine 87 is cooled and solidified between a casting ring 871 and a belt 872 to form a rod-shaped casting bar (cast material) 91 .

酸素センサ10は、溶解炉80から連続鋳造機87に至る溶銅の流路に配置される。そして、酸素センサ10によって溶銅の酸素濃度を連続的に検出しながら鋳造を行う。ここで、「連続的に検出」とは、鋳造材(ここでは鋳造バー91)の製造の開始から終了までの間、浸漬部20を溶銅に浸漬したまま、中断することなく常に酸素濃度を検出することをいう。 The oxygen sensor 10 is arranged in the molten copper flow path from the melting furnace 80 to the continuous casting machine 87 . Casting is performed while the oxygen sensor 10 continuously detects the oxygen concentration of the molten copper. Here, "continuous detection" means that the oxygen concentration is constantly detected without interruption while the immersion portion 20 is immersed in molten copper from the start to the end of the production of the cast material (here, the cast bar 91). It means to detect.

酸素センサ10の配置位置は、上樋81でもよく、保持炉82でもよく、下樋84でもよいが、連続鋳造機87に供給される直前の、タンディッシュ85内に配置することがより望ましく、特にタンディッシュ85内における注湯ノズル86の直上に配置することがさらに望ましい。このように酸素センサ10を配置すれば、例えば上樋81や下樋84におけるシールが何らかの原因で不十分となり、流路中において酸素濃度が変化してしまった場合にも、これを検知することができるためである。また、複数の酸素センサを上記した位置の複数個所に配置することも有効である。こうすることで、操業中に例えば注湯ノズル86の直上の酸素センサが示す酸素濃度に変化があった場合、より上流のどの部位が原因で変化したのか知ることができる。 The position of the oxygen sensor 10 may be the upper gutter 81, the holding furnace 82, or the lower gutter 84, but it is more desirable to place it in the tundish 85 immediately before being supplied to the continuous casting machine 87. In particular, it is more desirable to dispose it directly above the pouring nozzle 86 inside the tundish 85 . By arranging the oxygen sensor 10 in this way, for example, even if the sealing of the upper gutter 81 or the lower gutter 84 becomes insufficient for some reason and the oxygen concentration changes in the flow path, it can be detected. This is because It is also effective to dispose a plurality of oxygen sensors at a plurality of locations as described above. In this way, if there is a change in the oxygen concentration indicated by, for example, the oxygen sensor directly above the pouring nozzle 86 during operation, it is possible to know which part upstream caused the change.

酸素センサ10によって検出される溶銅の酸素濃度は、例えば鋳造材における残存酸素量が10ppm以下の無酸素銅や20ppm以下の低酸素銅、及び純度が99.9%程度のタフピッチ銅の作り分けのなどの品質管理のために用いられる。また、酸素センサ10によって検出される溶銅の酸素濃度を、金属元素添加装置83で添加されるチタンやマグネシウム等の活性金属の添加量を管理するために用いることも可能である。チタンやマグネシウムは酸素と結びつきやすく、これらの添加量によって溶銅中の酸素濃度が変化するので、溶銅中の酸素濃度から活性金属の添加量を推定することが可能である。 The oxygen concentration of the molten copper detected by the oxygen sensor 10 varies depending on, for example, oxygen-free copper with a residual oxygen content of 10 ppm or less, low-oxygen copper with a residual oxygen content of 20 ppm or less, and tough pitch copper with a purity of about 99.9%. It is used for quality control such as Also, the oxygen concentration of the molten copper detected by the oxygen sensor 10 can be used to control the amount of active metals such as titanium and magnesium added by the metal element adding device 83 . Titanium and magnesium easily combine with oxygen, and the oxygen concentration in the molten copper changes depending on the amount of these added, so it is possible to estimate the amount of active metal added from the oxygen concentration in the molten copper.

なお、熱電対4によって検出される温度は、上記の関係式を用いた酸素濃度の演算に用いられる他、例えば酸素セル2を予熱する場合に、この予熱が適切に行われているかを確認するために用いることができる。酸素セル2を予熱すれば、より確実に微小クラックの発生を抑制することができる。予熱の具体的な方法は、特に限定されるものではないが、例えばガスバーナーによって予熱してもよく、溶銅への浸漬前に溶銅の表面に酸素セル2の浸漬部20を接近させることによっても行うことができる。 The temperature detected by the thermocouple 4 is used to calculate the oxygen concentration using the above relational expression, and is used to check whether the preheating of the oxygen cell 2 is performed properly. can be used for By preheating the oxygen cell 2, the generation of microcracks can be suppressed more reliably. A specific preheating method is not particularly limited, but preheating may be performed, for example, by a gas burner, and the immersion portion 20 of the oxygen cell 2 is brought close to the surface of the molten copper before immersion in the molten copper. can also be done by

(実験結果)
表1は、安定化剤として酸化マグネシウム(MgO)を用い、安定化剤濃度が9mol%、安定化率が30%、熱膨張率の絶対値が6.2×10-6Kである固体電解質によって形成された酸素セル[実施例1]、安定化剤として酸化イットリウム(Y)を用い、安定化剤濃度が8mol%、安定化率が100%、熱膨張率の絶対値が10.1×10-6Kである固体電解質によって形成された酸素セル[比較例1]、及び安定化剤として酸化カルシウム(CaO)を用い、安定化剤濃度が15mol%、安定化率が100%、熱膨張率の絶対値が10.2×10-6Kである固体電解質によって形成された酸素セル[比較例2]を用い、繰り返し浸漬測定可能回数の平均値を計測した結果を示す表である。
(Experimental result)
Table 1 shows solid electrolytes using magnesium oxide (MgO) as a stabilizer, a stabilizer concentration of 9 mol%, a stabilization rate of 30%, and an absolute value of the coefficient of thermal expansion of 6.2×10 −6 K. [Example 1], using yttrium oxide (Y 2 O 3 ) as a stabilizer, the stabilizer concentration is 8 mol%, the stabilization rate is 100%, and the absolute value of the thermal expansion coefficient is 10 An oxygen cell formed by a solid electrolyte of 1×10 −6 K [Comparative Example 1], and calcium oxide (CaO) as a stabilizer, with a stabilizer concentration of 15 mol % and a stabilization rate of 100%. , Using an oxygen cell [Comparative Example 2] formed of a solid electrolyte having a coefficient of thermal expansion with an absolute value of 10.2×10 −6 K, a table showing the results of measuring the average number of repeated immersion measurements. be.

Figure 2023083079000002
この表1に示す繰り返し浸漬測定可能回数の平均値の計測方向は、次のステップ1~5の通りである。
Figure 2023083079000002
The measurement direction of the average value of the possible number of repeated immersion measurements shown in Table 1 is as shown in steps 1 to 5 below.

(ステップ1)実施例1、比較例1、及び比較例2に示す酸素セルを用いた3種類の溶銅用酸素センサを、試験サンプルとしてそれぞれ3本ずつ準備する。
(ステップ2)
3種類の溶銅用酸素センサのそれぞれの1本目の試験サンプルに対して「予熱⇒約1200℃に保持した純銅からなる溶銅中に浸漬(1時間)⇒溶銅から引き上げて徐冷」を1サイクル(1回、約1.5時間)行う。
(ステップ3)
1サイクル内の浸漬時に酸素濃度が測定できているか否か、及び1サイクルにおける徐冷が終わった時点で試験サンプルに割れが発生しているか否かを判定する。
(ステップ4)
ステップ3の判定結果において、溶銅への浸漬中に酸素濃度の測定ができており、かつ試験サンプルに割れも発生していない場合は、当該試験サンプルに対してステップ2と同じサイクルを再度行い、その後ステップ3の判定を行う。一方、溶銅への浸漬中に酸素濃度の測定ができていない場合、もしくは試験サンプルに割れが発生している場合は、同種類の次の試験サンプルに交換し、交換した試験サンプルに対してステップ2と同じサイクルを行い、その後ステップ3の判定を行う。
(ステップ5)
3種類の試験サンプルのそれぞれについて、3本目の試験サンプルにおいてステップ3の判定で異常が発見された場合には、当該種類の試験サンプルに対する試験を終了する。そして、3本の試験サンプルでステップ3の判定結果が合格であったサイクル数の平均値を算出する。
(Step 1) Three types of oxygen sensors for molten copper using the oxygen cells shown in Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 are prepared as test samples.
(Step 2)
For the first test sample of each of the three types of oxygen sensors for molten copper, "preheat ⇒ immerse in molten copper made of pure copper kept at about 1200 ° C (1 hour) ⇒ pull out from molten copper and slowly cool". One cycle (once, about 1.5 hours) is performed.
(Step 3)
It is determined whether or not the oxygen concentration can be measured during immersion in one cycle, and whether or not cracks have occurred in the test sample at the end of slow cooling in one cycle.
(Step 4)
If the determination result in step 3 shows that the oxygen concentration can be measured during immersion in molten copper and no cracks have occurred in the test sample, repeat the same cycle as in step 2 for the test sample. , and then step 3 is determined. On the other hand, if the oxygen concentration cannot be measured during immersion in molten copper, or if cracks occur in the test sample, replace it with the next test sample of the same type and The same cycle as in step 2 is performed, and then the determination of step 3 is performed.
(Step 5)
For each of the three types of test samples, if an abnormality is found in the determination of step 3 in the third test sample, the test for that type of test sample is terminated. Then, the average value of the number of cycles in which the judgment result of step 3 was passed in the three test samples is calculated.

上記ステップ1~5の測定において、実施例1に係る酸素セルを用いた溶銅用酸素センサでは、ステップ5で求めた平均値が、比較例1,2に係る酸素セルを用いた溶銅用酸素センサについてステップ5で求めた平均値よりも大きかった。また、実施例1に係る酸素セルを用いた溶銅用酸素センサでは、3本ともに、ステップ3の判定結果が合格であったサイクル数が、比較例1~2に係る酸素セルを用いた溶銅用酸素センサにおいてステップ3の判定結果が合格であったサイクル数よりも多かった。すなわち、実施例1に係る酸素セルを用いた溶銅用酸素センサでは、安定して高い耐久性が発揮された。 In the measurements in steps 1 to 5 above, with the oxygen sensor for molten copper using the oxygen cell according to Example 1, the average value obtained in step 5 was It was greater than the average value determined in step 5 for the oxygen sensor. Further, in the oxygen sensor for molten copper using the oxygen cell according to Example 1, the number of cycles at which the determination result of step 3 was acceptable for all three oxygen cells was the same as that for melting using the oxygen cells according to Comparative Examples 1 and 2. It was more than the number of cycles in which the judgment result of step 3 was passed in the oxygen sensor for copper. That is, the oxygen sensor for molten copper using the oxygen cell according to Example 1 exhibited stable and high durability.

(実施の形態の作用及び効果)
以上説明した実施の形態によれば、酸素セル2に微小クラックが発生することを抑制し、酸素センサ10の耐久性を高めることができる。また、熱電対4を構成する第2の金属導体線42を内部電極40としても用いることにより、酸素センサ10の部品点数を抑制し、コストを低減することが可能となる。
(Actions and effects of the embodiment)
According to the embodiment described above, it is possible to suppress the occurrence of microcracks in the oxygen cell 2 and improve the durability of the oxygen sensor 10 . Further, by using the second metal conductor wire 42 that constitutes the thermocouple 4 as the internal electrode 40, the number of parts of the oxygen sensor 10 can be suppressed and the cost can be reduced.

(実施の形態のまとめ)
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
(Summary of embodiment)
Next, technical ideas understood from the embodiments described above will be described with reference to the reference numerals and the like in the embodiments. However, each reference numeral in the following description does not limit the constituent elements in the claims to the members and the like specifically shown in the embodiment.

[1]酸素イオン伝導性を有するジルコニア質の固体電解質によって形成された酸素セル(2)を備え、前記酸素セル(2)の内部に供給される気体の酸素濃度と前記酸素セル(2)の少なくとも一部が浸漬される溶銅(M)の酸素濃度との酸素濃度差によって発生する電位差に応じた検出電圧を出力する溶銅用酸素センサ(10)であって、前記固体電解質として、ジルコニア結晶が安定化剤によって部分的に安定化された部分安定化ジルコニアが用いられ、前記酸素セル(2)の熱膨張率の絶対値が8.2×10-6/K以下である、溶銅用酸素センサ(10)。 [1] Provided with an oxygen cell (2) formed of a zirconia solid electrolyte having oxygen ion conductivity, the oxygen concentration of the gas supplied to the inside of the oxygen cell (2) and the oxygen cell (2) An oxygen sensor for molten copper (10) that outputs a detection voltage corresponding to a potential difference generated by a difference in oxygen concentration from the oxygen concentration of molten copper (M) in which at least a portion is immersed, wherein the solid electrolyte is zirconia Partially stabilized zirconia whose crystals are partially stabilized by a stabilizer is used, and the absolute value of the coefficient of thermal expansion of the oxygen cell (2) is 8.2×10 −6 /K or less. oxygen sensor (10).

[2]前記部分安定化ジルコニアにおける前記安定化剤の含有量が2mol%以上9mol%以下である、上記[1]に記載の溶銅用酸素センサ(10)。 [2] The oxygen sensor for molten copper according to [1] above, wherein the content of the stabilizer in the partially stabilized zirconia is 2 mol % or more and 9 mol % or less.

[3]前記酸素セル(2)における前記ジルコニア結晶の安定化率が10%以上50%以下である、上記[1]又は[2]に記載の溶銅用酸素センサ(10)。 [3] The oxygen sensor for molten copper (10) according to the above [1] or [2], wherein the zirconia crystal in the oxygen cell (2) has a stabilization rate of 10% or more and 50% or less.

[4]一対の金属導体線(41,42)を接続してなる熱電対(4)が、当該一対の金属導体線(41,42)の接続点(43)が前記酸素セル(2)の内面に接するように配置されており、前記一対の金属導体線(41,42)のうち何れかの金属導体線(42)を、前記電位差を検出するための内部電極(40)として用いる、上記[1]乃至[3]の何れかに記載の溶銅用酸素センサ(10)。 [4] A thermocouple (4) formed by connecting a pair of metal conductor wires (41, 42), wherein a connection point (43) of the pair of metal conductor wires (41, 42) is the oxygen cell (2) One of the pair of metal conductor wires (41, 42) arranged to contact the inner surface is used as an internal electrode (40) for detecting the potential difference. The oxygen sensor for molten copper (10) according to any one of [1] to [3].

[5]前記酸素セル(2)の外部に配置されて当該酸素セル(2)を支持する金属導体を備え、当該金属導体を前記内部電極(40)との間で前記電位差を検出するための外部電極(5)として用いる、上記[4]に記載の溶銅用酸素センサ(10)。 [5] A metal conductor arranged outside the oxygen cell (2) to support the oxygen cell (2), and for detecting the potential difference between the metal conductor and the internal electrode (40) The oxygen sensor for molten copper (10) according to the above [4], which is used as an external electrode (5).

[6]上記[5]に記載の溶銅用酸素センサ(10)と、前記内部電極(40)と前記外部電極(5)との間の電圧を検出する電圧検出部(12)と、前記電圧検出部(12)の検出値に基づいて前記溶銅(M)の酸素濃度を算出する演算部(13)とを備える、溶銅用酸素センサ装置(1) [6] The molten copper oxygen sensor (10) according to [5] above, a voltage detection section (12) for detecting a voltage between the internal electrode (40) and the external electrode (5), and An oxygen sensor device for molten copper (1), comprising a calculation unit (13) for calculating the oxygen concentration of the molten copper (M) based on the detected value of the voltage detection unit (12).

[7]前記内部電極(40)と前記外部電極(5)とは材質が異なる異種金属であり、前記演算部(13)は、前記内部電極(40)と前記外部電極(5)との材質の違いにより発生する熱起電力を前記電圧検出部(12)の検出値から差し引いた値から前記溶銅(M)の酸素濃度を算出する、上記[6]に記載の溶銅用酸素センサ装置(1)。 [7] The internal electrode (40) and the external electrode (5) are made of different metals, and the computing unit (13) is configured to The oxygen sensor device for molten copper according to the above [6], wherein the oxygen concentration of the molten copper (M) is calculated from the value obtained by subtracting the thermoelectromotive force generated due to the difference in the voltage detection unit (12) from the value detected by the voltage detection unit (12). (1).

[8]前記内部電極(40)と前記外部電極(5)とが材質が異なる異種金属によって構成された上記[5]に記載の溶銅用酸素センサ(10)を用い、前記内部電極(40)と前記外部電極(5)との材質の違いにより発生する熱起電力を前記内部電極(40)と前記外部電極(5)との間の電圧から差し引いた値から前記溶銅(M)の酸素濃度を算出する、溶銅(M)の酸素濃度検出方法。 [8] Using the oxygen sensor (10) for molten copper according to [5], wherein the internal electrode (40) and the external electrode (5) are made of dissimilar metals of different materials, the internal electrode (40 ) and the external electrode (5) by subtracting the thermoelectromotive force generated by the difference in material from the voltage between the internal electrode (40) and the external electrode (5). A molten copper (M) oxygen concentration detection method for calculating the oxygen concentration.

[9]上記[1]乃至[5]の何れかに記載の溶銅用酸素センサ(10)を前記溶銅(M)の流路に配置し、前記溶銅用酸素センサ(10)によって前記溶銅(M)の酸素濃度を連続的に検出しながら鋳造を行う銅線(91)の製造方法。 [9] The oxygen sensor for molten copper (10) according to any one of [1] to [5] above is arranged in the flow path of the molten copper (M), and the oxygen sensor for molten copper (10) A method for producing a copper wire (91) in which casting is performed while continuously detecting the oxygen concentration of molten copper (M).

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments described above do not limit the invention according to the scope of claims. Also, it should be noted that not all combinations of features described in the embodiments are essential to the means for solving the problems of the invention.

1…酸素センサ装置 10,10A…酸素センサ
2,2A…酸素セル 20,20A…浸漬部
3…絶縁管 4…熱電対
40…内部電極 41…第1の金属導体線
42…第2の金属導体線 43…溶接部
5…外部電極 6…封止材
7…支持機構 8…製造装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Oxygen sensor apparatus 10, 10A... Oxygen sensors 2, 2A... Oxygen cell 20, 20A... Immersion part 3... Insulating tube 4... Thermocouple 40... Internal electrode 41... First metal conductor wire 42... Second metal conductor Wire 43 Welded portion 5 External electrode 6 Sealing material 7 Support mechanism 8 Manufacturing apparatus

Claims (9)

酸素イオン伝導性を有するジルコニア質の固体電解質によって形成された酸素セルを備え、前記酸素セルの内部に供給される気体の酸素濃度と前記酸素セルの少なくとも一部が浸漬される溶銅の酸素濃度との酸素濃度差によって発生する電位差に応じた検出電圧を出力する溶銅用酸素センサであって、
前記固体電解質として、ジルコニア結晶が安定化剤によって部分的に安定化された部分安定化ジルコニアが用いられ、
前記酸素セルの熱膨張率の絶対値が8.2×10-6/K以下である、
溶銅用酸素センサ。
An oxygen cell comprising a zirconia solid electrolyte having oxygen ion conductivity, the oxygen concentration of a gas supplied to the inside of the oxygen cell and the oxygen concentration of molten copper in which at least part of the oxygen cell is immersed. An oxygen sensor for molten copper that outputs a detection voltage according to the potential difference generated by the oxygen concentration difference between
Partially stabilized zirconia in which zirconia crystals are partially stabilized by a stabilizer is used as the solid electrolyte,
The absolute value of the coefficient of thermal expansion of the oxygen cell is 8.2×10 −6 /K or less,
Oxygen sensor for molten copper.
前記部分安定化ジルコニアにおける前記安定化剤の含有量が2mol%以上9mol%以下である、
請求項1に記載の溶銅用酸素センサ。
The content of the stabilizer in the partially stabilized zirconia is 2 mol% or more and 9 mol% or less,
The oxygen sensor for molten copper according to claim 1.
前記酸素セルにおける前記ジルコニア結晶の安定化率が10%以上50%以下である、
請求項1又は2に記載の溶銅用酸素センサ。
The stabilization rate of the zirconia crystal in the oxygen cell is 10% or more and 50% or less,
The oxygen sensor for molten copper according to claim 1 or 2.
一対の金属導体線を接続してなる熱電対が、当該一対の金属導体線の接続点が前記酸素セルの内面に接するように配置されており、
前記一対の金属導体線のうち何れかの金属導体線を、前記電位差を検出するための内部電極として用いる、
請求項1乃至3の何れか1項に記載の溶銅用酸素センサ。
A thermocouple formed by connecting a pair of metal conductor wires is arranged so that a connection point of the pair of metal conductor wires is in contact with the inner surface of the oxygen cell,
using one of the pair of metal conductor wires as an internal electrode for detecting the potential difference;
The oxygen sensor for molten copper according to any one of claims 1 to 3.
前記酸素セルの外部に配置されて当該酸素セルを支持する金属導体を備え、当該金属導体を前記内部電極との間で前記電位差を検出するための外部電極として用いる、
請求項4に記載の溶銅用酸素センサ。
a metal conductor disposed outside the oxygen cell to support the oxygen cell, the metal conductor being used as an external electrode for detecting the potential difference with the internal electrode;
The oxygen sensor for molten copper according to claim 4.
請求項5に記載の溶銅用酸素センサと、前記内部電極と前記外部電極との間の電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部の検出値に基づいて前記溶銅の酸素濃度を算出する演算部とを備える、
溶銅用酸素センサ装置。
6. The oxygen sensor for molten copper according to claim 5, a voltage detection unit that detects the voltage between the internal electrode and the external electrode, and the oxygen concentration of the molten copper based on the detected value of the voltage detection unit. A computing unit that calculates
Oxygen sensor device for molten copper.
前記内部電極と前記外部電極とは材質が異なる異種金属であり、
前記演算部は、前記内部電極と前記外部電極との材質の違いにより発生する熱起電力を前記電圧検出部の検出値から差し引いた値から前記溶銅の酸素濃度を算出する、
請求項6に記載の溶銅用酸素センサ装置。
the internal electrode and the external electrode are made of different metals,
The calculation unit calculates the oxygen concentration of the molten copper from the value obtained by subtracting the thermoelectromotive force generated by the difference in material between the internal electrode and the external electrode from the value detected by the voltage detection unit.
The oxygen sensor device for molten copper according to claim 6.
前記内部電極と前記外部電極とが材質が異なる異種金属によって構成された請求項5に記載の溶銅用酸素センサを用い、
前記内部電極と前記外部電極との材質の違いにより発生する熱起電力を前記内部電極と前記外部電極との間の電圧から差し引いた値から前記溶銅の酸素濃度を算出する、
溶銅の酸素濃度検出方法。
Using the oxygen sensor for molten copper according to claim 5, wherein the internal electrode and the external electrode are made of dissimilar metals of different materials,
calculating the oxygen concentration of the molten copper from the value obtained by subtracting the thermoelectromotive force generated due to the difference in material between the internal electrode and the external electrode from the voltage between the internal electrode and the external electrode;
Method for detecting oxygen concentration in molten copper.
請求項1乃至5の何れか1項に記載の溶銅用酸素センサを前記溶銅の流路に配置し、前記溶銅用酸素センサによって前記溶銅の酸素濃度を連続的に検出しながら鋳造を行う銅線の製造方法。 The molten copper oxygen sensor according to any one of claims 1 to 5 is arranged in the molten copper flow path, and the molten copper oxygen sensor continuously detects the oxygen concentration of the molten copper while casting. A method of manufacturing a copper wire.
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