JPH03162664A - 酸素分圧計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は酸素分圧計に係り、特に浸炭炉や焼入れ炉等の
熱処理炉における炉内雰囲気中の酸素分圧測定等に有利
に用いられ得る酸素分圧測定装置に関するものである。

（背景技術） 従来から、ジルコニア等の高温において酸素イオン伝導
性のある固体電解質を用いて、電気化学反応を利用した
酸素濃淡電池の原理により、製鋼における各種の炉、そ
の他の工業炉等における炉内雰囲気中の酸素濃度（酸素
分圧）を検知し、それら炉の操炉状態を制御する等の操
作が、実施されている。

そして、この種の操作に用いられる酸素分圧計にあって
は、例えば、特開昭５５−１５９５号公報や特開昭６０
−２３３５４２号公報等に明らかにされているように、
一般に、有底円筒形状の固体電解質体の閉塞端部の内外
両面にそれぞれ電極を設け、そしてその内側の電極を標
準比較ガスとしての大気に接触せしめて、基準酸素分圧
の基準電極とする一方、外側の電極を被測定ガスである
炉内雰囲気中に晒して測定電極としており、それら基準
電極と測定電極との間の酸素分圧の差に基づく起電力を
測定することにより、被測定ガス中の酸素分圧を測定し
ている。

また、オーストラリア特許第５１３５５２号には、この
ような電気化学反応を利用する酸素分圧計の一つとして
、被測定ガス導入口を有する有底円筒形状の金属管を用
い、この金属管内に固体電解質体と基準電極、測定電極
を収容、配置せしめると共に、かかる測定電極を金属管
内而に接触せしめることにより、該金属管を通しで測定
電極からの信号が外部に取り出されるようにした構造の
ものが明らかにされている。そして、この金属管を用い
た酸素分圧計にあっては、かかる金属管が、強度の弱い
固体電解質体に対する保護管として機能することは勿論
、炉壁等に取り付けられても、金属管はその基部におい
て外部に露出するものであるところから、測定電極のリ
ード部材として、即ち測定電極からの信号を外部ムこ取
り出す部材として、有利に用いられ得、また酸素分圧計
自体の構造も効果的に簡略化され得る特長を有している
のである。

ところで、このような金属管を測定電極のリード部材と
して利用する構造の酸素分圧計においては、高温の炉内
に挿入、配置せしめられることとなるところから、かか
る金属管は、インコネル等の耐熱鋼乃至は耐熱合金を用
いて製作されているが、その炉壁取付部近傍は比較的低
温部となり、そのためにスーティング（煤の発生）が多
くなって、周囲雰囲気が還元性の強い雰囲気となること
によって、カーボンアタックや窒化アタックが惹起され
、そして孔食が発生して、その寿命が短くなる問題を内
在しており、また金属管の材質、例えばＮｉ，Ｃｒ等の
如き合金威分自体の有する触媒能によって残存ＣＨ．や
ＣＯ等の戒分の分解に基づいて、酸素分圧計の出力特性
が影響を受け、またその触媒能変化により出力ドリフト
を惹起する問題を内在しているのであり、更にはそのよ
うな金属管の触媒能によって、酸素分圧計にスーティン
グを生し易い問題を内在している。

（解決課題） ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為さ
れたものであって、その解決すべき課題とするところは
、金属管を測定電極のリード部材として利用する構造の
酸素分圧計において、かかる金属管の耐カーボンアタッ
ク特性や耐窒化アタック特性を向上して、孔食の発生を
防止し、その延命化を図ると共に、かかる分圧計の出力
特性の改善や出力ドリフトの改善を図り、更にはスーテ
ィングを効果的に抑制せしめることにある。

（解決手段） そして、本発明は、かかる課題解決のために、有底円筒
形状の固体電解質体の閉端部の内面に基準電極を、また
その外面に測定電極を、それぞれ配すると共に、被測定
ガス導入口を有する有底円筒形状の金属管内に、該固体
電解質体を収容して、前記測定電極を該金属管内面に接
触せしめることにより、該金属管を通じて該測定電極か
らの信号が外部に取り出されるようにした酸素分圧計に
おいて、該金属管の前記測定電極に接する部位を除く他
の部位であって、前記被測定ガスに晒される部位の少な
くとも一部に対して、該被測定ガスとの実質的な接触を
避けるためのガス遮断層を設けたことにある。

（作用） すなわち、このような本発明に従う構造によれば、被測
定ガスに晒される金属管の表面には、ガス遮断層が設け
られて、その少なくとも一部、好適にはその全部が、被
測定ガスと直接に接触せしめられないようになっている
ところから、被測定ガスによるカーボンアタックや窒化
アタックの作用を効果的に回避することが出来るのであ
り、また金属管自体が触媒能を有していても、ガス遮断
層の存在によって被測定ガスとの直接の接触が阻止され
ているところから、その出力特性が影響を受けることは
なく、それ故出力ドリフトが惹起されるようなこともな
く、更には金属管の触媒能に基づくところのスーティン
グの発生も効果的に抑制され得るのである。

（実施例） 以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発
明の実施例を図面に基づいて詳細に説明することとする
。

先ず、第ｌ図において、２は、酸素分圧計の主体を為す
有底円筒状の固体電解質体であって、高温において酸素
イオン伝導性のあるものである。

なお、この固体電解質体２には、従来からの電気化学反
応を利用した酸素分圧計において用いられている固体電
解質の何れもが使用可能であり、例えば、ジルコニアに
カルシア、イットリア等を固？容させたもの、トリアに
イットリアを固？容させたもの、酸化セリウムに酸化ラ
ンタンを固溶させたもの等がある。

そして、この有底円筒状の固体電解質体２の閉鎖端部の
外面には、測定電極としての外側電極４が設けられてお
り、またかかる固体電解質体２の閉鎖端部の内面には、
基準電極として内側電極６が設けられている。なお、そ
れら外側電極４、内側電極６としては、何れも従来から
の酸素分圧計に用いられているものと同様な電極構或が
そのまま採用され得、例えばかかる閉塞端部の内外面に
対して、メッキ、スパッタリング、サーメット等の手法
乃至は形態において密着、一体化せしめられたり、メッ
シュ等の形態において接触状態に配されることとなる。

また、これら外側電極４、内側電極６の材料としては、
一般に白金が好適に用いられるが、その他、白金・ロジ
ウム合金、白金・パラジウム合金、金、銀、白金・銀合
金等の材料も適宜に選択される。

また、この固体電解質体２内には、その閉塞端部の内面
に設けられた内側電極６に対して、基準ガスとしての空
気を外部から供給するためのエアー送入管８が設けられ
ており、更に内側電極６に対してリード線（十側）１０
が接続されて、かかる内側電極６の信号（起電力）がリ
ード線１０によって外部に取り出されるようになってい
る。

ところで、かかる有底円筒形状の固体電解質体２は、そ
れよりも径の大きな有底円筒形状の金属管１２内に収容
され、該金属管工２と固体電解質体２との間に所定間隙
のガス流通空間ｌ４が形威されるように保持せしめられ
ている。なお、この金属管１２は、高温の炉内に挿入さ
れ、また脆弱な固体電解質体２の保護管としても機能さ
せられるものであるところから、インコネル等の耐熱鋼
や耐熱合金より作製されている。また、この金属管ｌ２
には、その閉塞された先端部位に近接して、第２図から
も明らかなように、二つの被測定ガス導入口１６．１６
が相対向して設けられており、この被測定ガス導入口１
６を通じて外部から導き入れられる被測定ガスが、金属
管１２の閉塞端部内面と固体電解質体２の閉塞端部外面
との間に介装される外側電極４に接触せしめられ得るよ
うになっている。

また、かかる金属管１２の基部（開口部）側に近接した
外周面には、フランジ部ｌ８が一体的に設けられており
、このフランジ部１８において、熱処理炉の炉壁２０等
の取付壁に設けられた取付座２２に対して取り付けられ
、図示の如く、先端側となる閉塞端部が炉内に位置する
ように配されている。更に、金属管１２の開口する基部
と固体電解質体２の開口する基部との間には、Ｏリング
２４が設けられており、それら金属管１２と固体電解質
体２との間に形威されるガス流通空間１４の外部に対す
るシールが行なわれるようになっている。

さらに、金属管１２の基部に螺着された取付金具２６と
固体電解質体２の端部との間に配されたスプリング２８
の付勢力によって、有底円筒形状の固体電解質体２は、
その閉塞端部が金属管１２の閉塞端側に押し付けられ、
それらの閉塞端部間において、外側電極４が挟圧される
ようになっている。なお、かかる取付金具２６には、リ
ード線（一例）３０が接続されており、外側電極４に対
して電気的に接続せしめられた金属管１２、取付金具２
６を通じて、かかる外側電極４の信号（起電力）が外部
に取り出されるようになっている。

また、かかる取付金具２６とエアー送入管８の基部に設
けられたフランジ部３２との間にもスプリング３４が介
装されており、このスプリング３４の付勢力によって、
エアー送入管８が固体電解質体２の閉塞端部側に押圧せ
しめられるようになっている一方、かかるエアー送入管
８の基部に設けられた空気導入パイプ３６を通して、基
準ガスとしての空気がエアー送入管８に導かれ、そして
先端部に位置する内側電極６に接触せしめられるように
なっている。

そして、このような構造の酸素分圧計における金属管ｌ
２の表面には、第１図に示されるように、炉内に配され
て、炉内ガス（被測定ガス）に晒される部位の全面に亘
って、但し外側電極４に接触せしめられる表面部位は除
いて、炉内ガスとの実質的な接触を避けるべく、ガス遮
断層３８が所定厚さにおいて設けられているのである。

即ち、かかるガス遮断層３８は、外側電極４に接する金
属管１２の閉塞端部内面部位を除いて、かかる金属管ｌ
２の内外面を覆っており、被測定ガスとしての炉内ガス
が直接に金属管１２に接触せず、従ってその材質によっ
て影響を受けないようになっている。なお、金属管１２
の基部側内面も、ガス流通空間１４を通して導かれる炉
内ガスと接触するようになるが、そこには、ガス遮断層
は設けられていない。けだし、そのような部位は、炉外
に位置しているため、そこに前記の如きガス遮断層を設
けなくても、それ程の悪影響はもたらされないからであ
る。

何れにしても、かかる金属管１２の表面を覆うガス遮断
層は、被測定ガスとしての炉内ガスと金属管１２との間
の相互の作用を避けるために、かかる金属管１２を炉内
ガスから実質的に隔離しようとするものであって、好適
には、上記実施例の如く、金属管１２の内外面の略全面
に亘って設けられることが望ましいものであるが、かか
るガス遮断層が金属管ｌ２の表面部位の少なくとも一部
に設けられておれば、少なくともその部位においては、
本発明に従う効果を享受することが可能である。

なお、かかるガス遮断層３８は、ここでは、公知のカロ
ライジング法（アルミニウム浸透法）によって金属管１
２を力ロライズ処理して形成されたアルミニウム拡散被
覆層であるが、またそのようなカロライジング法とは別
の公知の手法によって、炉内ガスとの直接的な接触を避
け得るような被覆層を形或することも可能であり、また
セラミックスの如き耐熱性のコーティング層を、ガス遮
断層として金属管１２の所定部位に形威することも可能
である。

従って、このような構造の酸素分圧計にあっては、金属
管１２に設けられた被測定ガス導入口１６を通じて、炉
内ガス等の被測定ガスが導き入れられて、金属管１２と
固体電解質体２との閉鎖端部間に介装されている外側電
極４に接触せしめられるようになるところから、基準ガ
スとしての空気に接触せしめられている内側電極６との
間において、それらの酸素分圧の差に基づく起電力が発
生することとなり、これによって、従来と同様にして被
測定ガスとしての炉内ガス中の酸素分圧を求めることが
出来るのであり、そしてそれによってカーボン・ポテン
シャル値等を求めて、炉内雰囲気の制御が行なわれるこ
ととなるのであるが、その際、有底円筒形状の固体電解
質体２を収容した金属管の内外表面がガス遮断層３８に
て被覆されて、金属管１２が実質的に被測定ガスとして
の炉内ガスに接触しないようになっているところから、
かかる金属管ｌ２の材質自体の触媒能によるスーティン
グが効果的に抑制され得、またそのような触媒能によっ
て炉内ガス（被測定ガス）が変化して、外側電極４と内
側電極６により検出される起電力の出力特性が影響を受
けるようなこともなく、しかもその触媒能変化によって
、出力ドリフトが惹起される問題も効果的に改善され得
ることとなったのであり、そしてまた、そのようなガス
遮断Ｊｉ３Ｂが金属管１２の表面に存在することによっ
て、カーボンアタックや窒化アタックに対して有効な耐
性を確保し得たのであり、以て酸素分圧計としての寿命
の改善を図り得ることとなったのである。

因みに、金属管に５０〜８０μｍのガス遮断層を設けた
酸素分圧計（本発明）と設けない酸素分圧計を、同一炉
の同一条件（炉温８８０゜Ｃ、力一ボンポテンシャル１
．０％Ｃの浸炭窒化雰囲気）に取り付けたところ、ガス
遮断層を設けない酸素分圧計は、約６ケ月で孔食が発生
したのに対し、ガス遮断層を設けた酸素分圧計（本発明
）は、ｌ８ヶ月経過しても孔食は発生しなかった。

また第３図には、浸炭炉におけるカーボン・ポテンシャ
ル（ＣＰ）値に関して、従来の酸素分圧計を用いた場合
と本発明に従う酸素分圧計を用いた場合における初期特
性の比較が為されている。

そこにおいて、縦軸には、酸素分圧計にて検出される検
出値から換算されるＣＰ値が示され、方横軸には、浸炭
炉内に載置された鋼箔を分析して、実際に鋼箔が浸炭さ
れているＣＰ値を求めた値が示されている。理論値は、
実際のｔ８Ｉ箔分析ＣＰ値と酸素分圧計換算ＣＰ値が等
しい場合を示すものであるが、この理論値に対して、従
来の酸素分圧計を用いた場合には、その差が大きく、こ
れに対して、本発明に従う酸素分圧計を用いた場合には
、理論値に近い値が求められており、この結果からして
も、本発明に従う酸素分圧計においては、その出力特性
の著しい改善が実現されることは明らかである。

？お、本発明は、かかる例示の具体例にのみ限定して解
釈されるものでは決してなく、本発明の趣旨を逸脱しな
い限りにおいて、当業者の知識に基づいて種々なる変更
、修正、改良等を加えた形態において実施され得るもの
であって、本発明は、そのような各種の実施形態のもの
をも、その範囲内に含むものであること、言うまでもな
いところである。

（発明の効果） 以上の説明から■らかなように、本発明に従う酸素分圧
計は、その固体電解質体を収容する金属管の表面部位に
所定のガス遮断層が形威されていることによって、耐カ
ーボンアタック特性や耐窒化アタック特性が有利に向上
され、以て酸素分圧計としての延命化を図り得たもので
あり、また酸素分圧計としての出力特性の改善やドリフ
トの改善も達威され、更にはスーティングも効果的に抑
制し得たものであって、そこに本発明の大きな工業的意
義を見い出すことが出来るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に従う酸素分圧計の一例を示す断面説
明図であり、第２図は、そのような酸素分圧計の先端部
を示す斜視図であり、第３図は、従来の酸素分圧計と本
発明に従う酸素分圧計における換算ＣＰ値と鋼箔分折Ｃ
Ｐ｛Ｉ１！との関係を示すグラフである。 ２：固体電解質体 ６；内側電極 １０：内側電極リード線 １２：金属管 ｌ６：被測定ガス導入口 ２０：炉壁 ２６：取付金具 ３０：外側電極リード線 ３６：空気導入パイプ ４：外側電極 ８：エアー送入管 １ ４ ：ガス流通空間 ２４：Ｏリング ２８，３４：スプリング ３８ ：ガス遮断層

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　有底円筒形状の固体電解質体の閉端部の内面に基準電
   極を、またその外面に測定電極を、それぞれ配すると共
   に、被測定ガス導入口を有する有底円筒形状の金属管内
   に、該固体電解質体を収容して、前記測定電極を該金属
   管内面に接触せしめることにより、該金属管を通じて該
   測定電極からの信号が外部に取り出されるようにした酸
   素分圧計において、 該金属管の前記測定電極に接する部位を除く他の部位で
   あって、前記被測定ガスに晒される部位の少なくとも一
   部に対して、該被測定ガスとの実質的な接触を避けるた
   めのガス遮断層を設けたことを特徴とする酸素分圧計。