JPH04213050A - Sensor for measuring oxygen/metal concentration in fused metal - Google Patents
Sensor for measuring oxygen/metal concentration in fused metalInfo
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- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
Description
【0001】0001
【産業上の利用分野】本発明は、結晶構造の酸素欠損に
基づく酸素イオン伝導体であるムライトを用い溶融金属
中に存在する酸素の分圧を測定する酸素濃度測定素子お
よび脱酸材として用いられる溶融金属中のシリコンまた
はアルミニウム濃度を迅速にかつ精度よく測定する金属
濃度測定素子(以下単にセンサーと称する)に関する。[Industrial Application Field] The present invention uses mullite, which is an oxygen ion conductor based on oxygen vacancies in the crystal structure, to be used as an oxygen concentration measuring element for measuring the partial pressure of oxygen present in molten metal, and as a deoxidizing material. The present invention relates to a metal concentration measuring element (hereinafter simply referred to as a sensor) that quickly and accurately measures the silicon or aluminum concentration in molten metal.
【0002】0002
【従来の技術】ムライトは結晶構造の酸素欠損に基づく
酸素イオン伝導体であり、Al2O3 −SiO2の2
成分系において常圧下で安定に存在する唯一の化合物で
あり、3Al2O3・2SiO2 が中心組成としてよ
く知られている。しかし、ムライトは、その構成成分で
あるAl2O3 とSiO2のそれぞれの粉末を3:2
のモル比に混合し高温で焼成しても、ムライト単一相か
らなる焼結体として得ることは困難である。そのため、
従来、ムライトセラミックスは、天然の珪酸アルミニウ
ムとアルミナを用いて製造されていたが、その際、3A
l2O3・2SiO2 組成より過剰のSiO2と不純
物として含まれるアルカリ金属酸化物とから成るガラス
相を形成させ、かかるガラス相を液相とする液相焼結に
よってムライト相が主成分の焼結体としていた。[Prior Art] Mullite is an oxygen ion conductor based on oxygen vacancies in the crystal structure, and is an oxygen ion conductor based on the 2
It is the only compound in the component system that exists stably under normal pressure, and 3Al2O3.2SiO2 is well known as the central composition. However, mullite has a ratio of powders of Al2O3 and SiO2, which are its constituent components, in a ratio of 3:2.
It is difficult to obtain a sintered body consisting of a single mullite phase even if the mixture is mixed at a molar ratio of Therefore,
Conventionally, mullite ceramics were manufactured using natural aluminum silicate and alumina, but at that time, 3A
A glass phase consisting of SiO2 in excess of the composition and alkali metal oxides contained as impurities was formed, and liquid-phase sintering using this glass phase as a liquid phase produced a sintered body mainly composed of a mullite phase. .
【0003】このような多相共存のセラミックスにイオ
ン伝導性があることを見出したのはHaberら (1
906年) であるが、彼らはアルカリ不純物によるイ
オン伝導が主であるとした。Schuh ら(1968
年)はムライトとシリマナイト(Al2O3・SiO2
)の中間組成のセラミックスが酸素イオン伝導性を有す
ることを見出し、この性質は結晶中のSi原子がAl原
子で置換する際に生ずる酸素イオン空孔によるものであ
ると論じた。Haber et al. (1
(906), but they assumed that ionic conduction was mainly caused by alkali impurities. Schuh et al. (1968
) are mullite and sillimanite (Al2O3・SiO2
) was found to have oxygen ion conductivity in ceramics with an intermediate composition, and it was argued that this property was due to oxygen ion vacancies created when Si atoms in the crystal were replaced with Al atoms.
【0004】さらに、Fischer とJanke(
1969年)はムライトが高温においてほぼ完全な酸素
イオン伝導体であり、ジルコニアより優れていることを
確認した。しかし、ムライトセラミックス中に共存する
アルカリ成分によるガラス相が、高温における耐食性の
劣化の原因となって、結晶体の寿命が短いという欠点が
あり、これまでその存在は知られていたが、その特性を
利用して実用に供されることはなかった。Furthermore, Fischer and Janke (
(1969) confirmed that mullite is a nearly perfect oxygen ion conductor at high temperatures, superior to zirconia. However, the glass phase caused by alkaline components that coexist in mullite ceramics causes deterioration of corrosion resistance at high temperatures and has the drawback of shortening the lifetime of the crystalline body.Although its existence has been known until now, its characteristics It was never put into practical use.
【0005】ところで、金属の溶融精錬において、酸素
濃度ばかりでなく、金属中のシリコン濃度およびアルミ
ニウム濃度を迅速に測定することも重要である。例えば
、鉄鋼精錬において、転炉の前処理として溶銑の脱りん
、脱硫が盛んに行われているが、その処理剤の反応効率
は溶銑中のシリコンによって大きく減じられる。そのた
め、処理剤の添加量は溶銑中のシリコン濃度に応じて変
化させる必要があり、溶銑中のシリコン濃度を迅速に把
握することが不可欠となっている。By the way, in the melting and refining of metals, it is important to quickly measure not only the oxygen concentration but also the silicon concentration and aluminum concentration in the metal. For example, in steel refining, dephosphorization and desulfurization of hot metal are frequently performed as pretreatment for converters, but the reaction efficiency of the treatment agent is greatly reduced by silicon in the hot metal. Therefore, it is necessary to change the amount of the treatment agent added depending on the silicon concentration in the hot metal, and it is essential to quickly grasp the silicon concentration in the hot metal.
【0006】また、鉄鋼精錬において、転炉の後処理と
して溶鋼の脱酸が行われているが、その処理剤はアルミ
ニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金である
。多量のアルミニウムの添加は脱酸に効果的であるが、
溶鋼中のアルミニウム濃度が過度になれば、むしろ鋼の
機械的性質が劣化する。このため、脱酸処理後の溶鋼中
のアルミニウム濃度を迅速に把握することが不可欠とな
っている。従来、このシリコン濃度あるいはアルミニウ
ム濃度の測定には化学分析または機器分析が用いられて
いたが、最も速いといわれる発光分光分析によっても、
試料採取から測定結果を得るまで約10分を要しており
、迅速性を満足するものではない。Furthermore, in steel refining, molten steel is deoxidized as a post-treatment in a converter, and the treatment agent used is aluminum or an alloy containing aluminum as a main component. Addition of a large amount of aluminum is effective in deoxidizing, but
If the aluminum concentration in molten steel becomes excessive, the mechanical properties of the steel will rather deteriorate. Therefore, it is essential to quickly determine the aluminum concentration in molten steel after deoxidizing treatment. Conventionally, chemical analysis or instrumental analysis has been used to measure the silicon or aluminum concentration, but even with emission spectrometry, which is said to be the fastest method,
It takes about 10 minutes from sample collection to obtaining measurement results, which does not satisfy speed.
【0007】今日、溶融金属用酸素センサーとして実用
化されているのはジルコニア系固体電解質から成るもの
である。このジルコニア系固体電解質は、ZrO2にC
aO 、MgOまたはY2O3を加えた焼結体であり、
結晶中のZr原子がCa等の原子で置換される際に生ず
る酸素イオン空孔を介した酸素イオン伝導体として知ら
れている。高温における測定値の安定性、再現性、およ
び耐食性の面から、溶融金属用酸素センサーとして広く
用いられている。ところで、酸素イオン伝導体に発生す
る起電力Eは次式で表される。[0007] Today, oxygen sensors for molten metal that are in practical use are those made of a zirconia solid electrolyte. This zirconia-based solid electrolyte contains C in ZrO2.
It is a sintered body containing aO, MgO or Y2O3,
It is known as an oxygen ion conductor through oxygen ion vacancies created when Zr atoms in the crystal are replaced with atoms such as Ca. It is widely used as an oxygen sensor for molten metals due to its stability of measured values at high temperatures, reproducibility, and corrosion resistance. By the way, the electromotive force E generated in the oxygen ion conductor is expressed by the following equation.
【0008】[0008]
【数1】[Math 1]
【0009】ここで、R: 気体定数、T: 絶対温度
、
F: ファラデー定数、
Po2 : 標準極の酸素分圧、
Po2’: 測定する金属融体中の酸素分圧また、Pθ
は電子伝導による補正項であり、固体電解質が十分イオ
ン伝導性であれば無視できる。[0009] Here, R: Gas constant, T: Absolute temperature, F: Faraday constant, Po2: Oxygen partial pressure at the standard electrode, Po2': Oxygen partial pressure in the metal melt to be measured. Also, Pθ
is a correction term due to electron conduction, and can be ignored if the solid electrolyte has sufficient ionic conductivity.
【0010】しかしながら、ジルコニア固体電解質は、
高温で低酸素分圧の環境下ではイオン伝導の他に電子伝
導が生じる欠点を有し、使用に際しては(1) 式にお
いてPθを用いて補正計算を行い、酸素分圧を求める必
要があり、そのためPθ値の精度が問題となる。さらに
、ジルコニア系の場合、溶融金属中に炭素が存在すると
、固体電解質表面にジルコニウム炭化物が生成し、正し
い酸素分圧値を得ることができない。However, the zirconia solid electrolyte
It has the disadvantage that electronic conduction occurs in addition to ionic conduction in an environment of high temperature and low oxygen partial pressure, and when using it, it is necessary to perform correction calculations using Pθ in equation (1) to determine the oxygen partial pressure. Therefore, the accuracy of the Pθ value becomes a problem. Furthermore, in the case of a zirconia-based metal, if carbon is present in the molten metal, zirconium carbide is generated on the surface of the solid electrolyte, making it impossible to obtain a correct oxygen partial pressure value.
【0011】一方、近年、酸素濃淡電池を利用したシリ
コン( アルミニウム) 濃度測定用センサーが示され
ている。それらを大別すると次の三種類となる。
I) 酸素濃度測定に用いられているジルコニア系固体
電解質の表面にSiO2活量またはAl2O3 活量が
既知の酸化物または弗化物を塗布した、いわゆる副電極
型のもの (特開昭61−142455号公報、特開昭
61−260155号公報、特開昭61−260156
号公報、特開昭64−459 号公報、特開平1−20
3971号公報) 。
II) 安定化または部分安定化ジルコニアにシリケー
ト系化合物を1.5 〜25重量%混合して成型し焼結
させたもの (特開昭63−151846号公報) 。
III) 電解質としてCaO −SiO2系を主成
分とする溶融スラグを用いたもの (特開昭59−73
763 号公報) 。On the other hand, in recent years, a sensor for measuring silicon (aluminum) concentration using an oxygen concentration battery has been proposed. They can be roughly divided into the following three types. I) A so-called auxiliary electrode type in which an oxide or fluoride with a known SiO2 activity or Al2O3 activity is coated on the surface of a zirconia solid electrolyte used for oxygen concentration measurement (JP-A-61-142455) Publication, JP-A-61-260155, JP-A-61-260156
No. 1, JP-A-64-459, JP-A-1-20
Publication No. 3971). II) Stabilized or partially stabilized zirconia mixed with 1.5 to 25% by weight of a silicate compound, molded and sintered (Japanese Unexamined Patent Publication No. 151846/1984). III) Using molten slag mainly composed of CaO-SiO2 system as electrolyte (Japanese Unexamined Patent Publication No. 59-73
Publication No. 763).
【0012】従来報告されている上記のシリコン濃度(
アルミニウム濃度) 測定用センサーの中で、上記
I) の形式のものはジルコニア固体電解質による酸素
分圧測定を基本としているため、高温におけるジルコニ
ア中の電子伝導性による測定誤差が十分解決されている
とは言い難い。また、SiO2またはAl2O3 を含
む塗布膜の厚さおよび塗布の形態によって起電力値およ
びその安定性が異なる。さらに、再加熱によって電解質
に固着させるためコスト高となる等、問題が多い。[0012] The above silicon concentration (
Aluminum concentration) Among the measurement sensors, the above
Since type I) is based on oxygen partial pressure measurement using a zirconia solid electrolyte, it cannot be said that measurement errors due to electronic conductivity in zirconia at high temperatures have been sufficiently resolved. Furthermore, the electromotive force value and its stability vary depending on the thickness of the coating film containing SiO2 or Al2O3 and the form of coating. Furthermore, there are many problems such as high cost because it is fixed to the electrolyte by reheating.
【0013】一方、II) の形式のものは、化合物の
種類、SiO2量および焼成条件によって電解質中のS
iO2活量が変化し起電力が変わるため、シリコン濃度
測定値の再現性向上には、電解質中のシリケート化合物
量を厳密に管理する必要がある。また、I)と同様に高
温におけるジルコニア中の電子伝導性による測定誤差が
問題となる。On the other hand, in the type II), S in the electrolyte depends on the type of compound, the amount of SiO2, and the firing conditions.
Since the iO2 activity changes and the electromotive force changes, it is necessary to strictly control the amount of silicate compound in the electrolyte to improve the reproducibility of silicon concentration measurements. Also, similar to I), measurement errors due to the electronic conductivity in zirconia at high temperatures pose a problem.
【0014】III) の形式のものは、電解質が融体
であるため、これを溶銑と基準極の界面に保持すること
が難しい上に、溶銑との反応を無視できない。これらの
センサーでは、溶銑と接する面のSiO2活量もしくは
Al2O3 活量を一定にすることが重要となっている
。その理由を以下に述べる。センサーを溶銑に浸漬した
場合、溶銑とSiO2との間に(2) 式の平衡が成立
する。In the type III), since the electrolyte is a melt, it is difficult to maintain it at the interface between the hot metal and the reference electrode, and furthermore, the reaction with the hot metal cannot be ignored. In these sensors, it is important to keep the SiO2 activity or Al2O3 activity of the surface in contact with the hot metal constant. The reason for this is explained below. When the sensor is immersed in hot metal, the equilibrium expressed by equation (2) is established between the hot metal and SiO2.
【0015】
Si + 2 0 = SiO2 (電解質)
・・・ (2)この反応の平衡定数Kは(
3) 式で表される。
K = asio2/(asi・a02) =
asio2/(fsi[%Si]・a02)
・・・(3)ここで、a sio2は電解質表面でのS
iO2の活量、asiおよびa0 はそれぞれ溶銑中の
シリコンおよび酸素の活量、fsiおよび[%Si]
はそれぞれ溶銑中のシリコンの活量係数および重量%で
ある。[0015] Si + 2 0 = SiO2 (electrolyte)
... (2) The equilibrium constant K of this reaction is (
3) Expressed by the formula. K = asio2/(asi・a02) =
asio2/(fsi[%Si]・a02)
...(3) Here, a sio2 is S on the electrolyte surface
The activity of iO2, asi and a0 are the activities of silicon and oxygen in hot metal, fsi and [%Si], respectively.
are the activity coefficient and weight percent of silicon in hot metal, respectively.
【0016】(3) 式を変形すると(4) 式となる
。[0016] Equation (3) is transformed into equation (4).
【0017】
[%Si] = asio2/a02 ・1/(K・f
si) ≒ C・asio2/a02
・・・(4)ここで、Cは(4) 式で表される。
log C = −log K− log fsi
= −log K− Σesi(i
)[%i] ・・・(5) esi(i) はSiの
活量係数に及ぼすi成分の影響を表す相互作用助係数で
ある。SigworthとElliott によれば、
1600℃においてC、O以外のesi(i) の値の
絶対値は0.1 以下であり、[%i]が小さい領域で
はCは定数とみなすことができる。一方、esi(c)
は0.18であり、C濃度の高い溶銑と低い溶鋼とで
はCの値を使い分ける必要がある。いずれにしても、(
3) 式においてa sio2が既知ならば、電解質a
0 を測定することにより、[%Si] を求めること
ができる。[%Si] = asio2/a02 ・1/(K・f
si) ≒ C・asio2/a02
...(4) Here, C is expressed by the formula (4). log C = -log K- log fsi
= −log K− Σesi(i
)[%i] (5) esi(i) is an interaction co-efficient representing the influence of the i component on the Si activity coefficient. According to Sigworth and Elliott,
At 1600° C., the absolute value of esi(i) other than C and O is 0.1 or less, and in the region where [%i] is small, C can be regarded as a constant. On the other hand, esi(c)
is 0.18, and it is necessary to use different C values for hot metal with a high C concentration and molten steel with a low C concentration. In any case, (
3) If a sio2 is known in the formula, electrolyte a
By measuring 0, [%Si] can be determined.
【0018】一方、溶銑とAl2O3 との間にも同様
の関係が成立する。
Al + 3/2 0 = 1/2 Al2O
3 (電解質) ・・・ (6)
この反応の平衡定数Kは(2) 式で表される。
K = aAl2o31/2/(aAl・a03/2
) = aAl2o31/2/(fAl[%Al
]・a03/2) ・・・(7)
ここで、 aAl2o3 は電解質表面でのAl2O3
の活量、aAlおよびa0 はそれぞれ溶銑中のシリ
コンおよび酸素の活量、fAlおよび[%Al] はそ
れぞれ溶融金属中のアルミニウムの活性係数および重量
%である。On the other hand, a similar relationship holds true between hot metal and Al2O3. Al + 3/2 0 = 1/2 Al2O
3 (electrolyte)... (6) The equilibrium constant K of this reaction is expressed by the formula (2). K = aAl2o31/2/(aAl・a03/2
) = aAl2o31/2/(fAl[%Al
]・a03/2) ...(7) Here, aAl2o3 is Al2O3 on the electrolyte surface.
, aAl and a0 are the activities of silicon and oxygen in the hot metal, respectively, and fAl and [%Al] are the activity coefficient and weight % of aluminum in the molten metal, respectively.
【0019】(7) 式を変形すると(8) 式となる
。
[%Al] = aAl2o31/2/a03/2 ・
1/(K・fAl) ≒ C・aAl2o
31/2/a03/2 ・・・(8) ここ
で、Cは(9) 式で表される。
log C = −log K− log fAl
= −log K− ΣeAl(i
)[%i] ・・・(9) eAl(i) はAlの
活量係数に及ぼすi成分の影響を表す相互作用助係数で
ある。前述のシリコンの場合と同様に、Sigwort
hとElliott によれば、1600℃の鉄基融体
においてC、O以外のeAl(i) の値の絶対値は0
.06以下であり、[%i]が小さい領域ではCは定数
とみなすことができる。一方、eAl(c) は0.0
9である。(8) 式においてa Al2o3 が既知
ならば、電解質a0 を測定することにより、[%Al
] を求めることができる。[0019] Equation (7) is transformed into equation (8). [%Al] = aAl2o31/2/a03/2 ・
1/(K・fAl) ≒ C・aAl2o
31/2/a03/2 (8) Here, C is represented by the formula (9). log C = -log K- log fAl
= −log K− ΣeAl(i
)[%i] (9) eAl(i) is an interaction co-factor representing the influence of the i component on the activity coefficient of Al. As in the case of silicon mentioned above, Sigwort
According to H and Elliott, the absolute value of eAl(i) other than C and O in an iron-based melt at 1600°C is 0.
.. 06 or less, and in a region where [%i] is small, C can be regarded as a constant. On the other hand, eAl(c) is 0.0
It is 9. If a Al2o3 is known in equation (8), [%Al
] can be found.
【0020】[0020]
【発明が解決しようとする課題】このように、従来広く
用いられてきたジルコニア系固体電解質は、例えば溶鋼
の真空脱ガス処理の場合のように高温で低酸素分圧ある
いは炭素共存の測定環境下において、溶融金属中の酸素
分圧を直接精度よく測定することはできない。しかしな
がら、今日非鉄金属の真空処理の分野でも直接高精度で
溶融金属中の酸素分圧を測定する必要性が高まり、その
ような環境にも適用できる酸素センサーの開発が求めら
れている。[Problems to be Solved by the Invention] As described above, zirconia-based solid electrolytes that have been widely used in the past cannot be used in measurement environments with high temperatures, low oxygen partial pressures, or carbon coexistence, such as in the case of vacuum degassing treatment of molten steel. , it is not possible to directly measure the oxygen partial pressure in the molten metal with high accuracy. However, today there is an increasing need to directly and accurately measure the oxygen partial pressure in molten metals in the field of vacuum processing of nonferrous metals, and there is a need to develop oxygen sensors that can be applied to such environments.
【0021】また、従来示されているシリコン濃度(
アルミニウム濃度) 測定用センサーは、副電極の塗布
形態、塗布厚さ、高温における剥離が重要な課題になっ
ている。また、原料の配合量に厳密さを要すること、電
子伝導の寄与を無視できないこと、高温で溶銑と反応し
易いこと等、溶銑中のシリコン、およびアルミニウム濃
度を迅速に精度よく測定することはできない。ここに、
本発明の一つの目的は、特に高温・低酸素分圧あるいは
炭素共存下において溶融金属中の酸素分圧を直接精度よ
く測定する溶融金属用の酸素センサーを提供することで
ある。本発明の別の目的は、特に高温・低酸素分圧ある
いは炭素共存下において溶融金属中の脱酸材濃度( シ
リコン濃度およびアルミニウム濃度) を直接精度よく
測定する溶融金属用の金属濃度測定用センサーを提供す
ることである。[0021] Furthermore, the silicon concentration (
For sensors for measuring aluminum concentration, important issues are the coating form of the sub-electrode, coating thickness, and peeling at high temperatures. In addition, it is not possible to quickly and precisely measure the silicon and aluminum concentrations in hot metal due to the necessity of exacting the blending amount of raw materials, the inability to ignore the contribution of electronic conduction, and the fact that they easily react with hot metal at high temperatures. . Here,
One object of the present invention is to provide an oxygen sensor for molten metal that directly and accurately measures the oxygen partial pressure in molten metal, particularly at high temperatures and low oxygen partial pressures or in the presence of carbon. Another object of the present invention is to provide a metal concentration measurement sensor for molten metal that directly and accurately measures the concentration of deoxidizing agents (silicon concentration and aluminum concentration) in molten metal, especially under high temperature, low oxygen partial pressure, or coexistence of carbon. The goal is to provide the following.
【0022】[0022]
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
ムライトの酸素イオン伝導性の点に着目して種々研究を
重ね、上述のような耐食性および浸透性の劣化に関して
は、アルカリ金属酸化物、その他低融点酸化物などの不
純物の量を低減するとともに気孔率を制限することによ
って解消されることを知見し、本発明を完成した。よっ
て、本発明によれば、熱衝撃性および高温における耐食
性、耐浸透性を改善すべく、不純物濃度を1重量%以下
、気孔率を5%以下とすることによって高温において酸
素イオン伝導性が主であり電子伝導性の影響が小さいム
ライト質固体電解質から成る酸素センサーが得られる。[Means for solving the problem] Therefore, the present inventors
Various studies have been conducted focusing on the oxygen ion conductivity of mullite, and in order to reduce the amount of impurities such as alkali metal oxides and other low melting point oxides, as well as to reduce the amount of pores in order to prevent the deterioration of corrosion resistance and permeability as mentioned above. They discovered that the problem can be solved by limiting the rate, and have completed the present invention. Therefore, according to the present invention, in order to improve thermal shock resistance, corrosion resistance, and permeation resistance at high temperatures, the impurity concentration is set to 1% by weight or less and the porosity is set to 5% or less, so that the oxygen ion conductivity is mainly maintained at high temperatures. Thus, an oxygen sensor made of a mullite solid electrolyte with little influence on electronic conductivity can be obtained.
【0023】さらに、好ましくは熱衝撃性を一層向上さ
せるためには、上記ムライト質固体電解質に、SiO2
を15重量%以下、そして耐食性を向上させるためには
Al2O3 を20重量%以下および/またはZrO2
を20重量%以下それぞれ単独であるいは複合化して添
加する。一方、ムライトはそれ自体がSiO2−Al2
O3 系化合物であり、SiO2過剰およびAl2O3
過剰の両組成域でそれぞれ一定のSiO2活量および
Al2O3 活量を有する。したがって、前述のように
本発明によれば、酸素分圧は高い精度で迅速に測定され
、しかも酸素分圧と酸素活量とがほぼ等しく、一定の比
例関係にあると考えられるから前述の(4) 式および
(8)式にしたがって、溶融金属中で酸素と平衡状態に
ある金属脱酸材成分、すなわちシリコン濃度およびアル
ミニウム濃度を高い精度で迅速に測定可能であることを
知り、本発明を完成した。Furthermore, preferably, in order to further improve thermal shock resistance, SiO2 is added to the mullite solid electrolyte.
15% by weight or less, and to improve corrosion resistance, 20% by weight or less Al2O3 and/or ZrO2
Up to 20% by weight of these are added individually or in combination. On the other hand, mullite itself is SiO2-Al2
It is an O3-based compound, with excess SiO2 and Al2O3
Both excess composition regions have constant SiO2 activity and Al2O3 activity, respectively. Therefore, as described above, according to the present invention, the oxygen partial pressure can be measured quickly with high accuracy, and since the oxygen partial pressure and the oxygen activity are almost equal and are considered to have a certain proportional relationship, the above-mentioned ( 4) We learned that the metal deoxidizer components in equilibrium with oxygen in molten metal, namely silicon concentration and aluminum concentration, can be rapidly measured with high accuracy according to equations and (8), and we developed the present invention. completed.
【0024】よって、本発明は、別の面からは、熱衝撃
性および高温における耐食性、耐浸透性を改善すべく、
不純物濃度を1重量%以下、気孔率を5%以下とするこ
とによって高温において酸素イオン伝導性が主であり電
子伝導性の影響が小さいムライト質固体電解質から成る
、溶融金属中の酸素、シリコン、およびアルミニウムの
少なくとも1種の濃度を測定することを特徴とするセン
サーである。このように、本発明によれば、高温におい
て酸素イオン伝導度がジルコニア系より高いため、電子
伝導の寄与による分極現象を抑えることができる。また
、副電極剤を必要とせず、電子伝導性による誤差を無視
できる上に、溶銑温度では固体で耐食性に優れているセ
ンサーが得られる。[0024] Therefore, from another aspect, the present invention aims to improve thermal shock resistance, corrosion resistance at high temperatures, and permeation resistance.
By setting the impurity concentration to 1% by weight or less and the porosity to 5% or less, oxygen, silicon, and a sensor for measuring the concentration of at least one of aluminum. As described above, according to the present invention, since the oxygen ion conductivity is higher than that of the zirconia type material at high temperatures, it is possible to suppress the polarization phenomenon due to the contribution of electron conduction. Furthermore, a sensor that does not require an auxiliary electrode material, can ignore errors due to electronic conductivity, and is solid at hot metal temperatures and has excellent corrosion resistance.
【0025】[0025]
【作用】次に、本発明において上述のように、組成限定
した理由について詳述する。まず、ムライト自体の構造
であるが、Taylor (1933年)によれば、シ
リマナイト(Al2O3・SiO2) の構造はAlO
6無限八面体鎖からなり、SiO4およびAlO4の二
重四面体鎖を介して相互に結合している。Scholz
(1955年)は、シリマナイトの各4番目のSi原子
がAl原子で置き換り、酸素原子が適当に減少すること
により、構造に歪が生じ、酸素イオン空孔を備えたムラ
イトになるとした。このような酸素イオン空孔の生成は
、ジルコニア系固体電解質において結晶中のZr原子が
Ca等の原子で置換される際に酸素イオン空孔が生じる
ことに似ている。しかし、ジルコニア中のZr−O 結
合に比べてムライト中のSi−O 結合は強いため、ジ
ルコニアにおけるより高い温度でムライトが酸素イオン
伝導体になる。[Operation] Next, the reason for limiting the composition as described above in the present invention will be explained in detail. First, regarding the structure of mullite itself, according to Taylor (1933), the structure of sillimanite (Al2O3・SiO2) is AlO
It consists of 6 infinite octahedral chains, which are interconnected through double tetrahedral chains of SiO4 and AlO4. Scholz
(1955) proposed that each fourth Si atom in sillimanite is replaced by an Al atom, and oxygen atoms are appropriately reduced, causing distortion in the structure and forming mullite with oxygen ion vacancies. The generation of such oxygen ion vacancies is similar to the generation of oxygen ion vacancies when Zr atoms in the crystal are replaced with atoms such as Ca in a zirconia-based solid electrolyte. However, because the Si-O bonds in mullite are stronger compared to the Zr-O bonds in zirconia, mullite becomes an oxygen ion conductor at higher temperatures in zirconia.
【0026】図1は、SiO2−Al2O3 系状態図
およびSiO2濃度とSiO2活量ならびに Al2O
3濃度と Al2O3活性の関係を概念的に示す。ムラ
イト組成よりSiO2過剰あるいはAl2O3 過剰で
SiO2活量および Al2O3活量はそれぞれ一定と
なるため、組成選択の自由度が大きい。ムライト単一相
領域では組成に応じてSiO2活量および Al2O3
活量が変化するため、組成を厳重に管理する必要がある
が、ムライト組成の原料粉をあらかじめ上述のような過
剰領域に来るように作製することで、問題は解決される
。FIG. 1 shows the SiO2-Al2O3 system phase diagram, SiO2 concentration, SiO2 activity, and Al2O
The relationship between Al2O3 concentration and Al2O3 activity is conceptually shown. Since the SiO2 activity and the Al2O3 activity are each constant when SiO2 or Al2O3 is in excess of the mullite composition, there is a large degree of freedom in composition selection. In the mullite single phase region, SiO2 activity and Al2O3 vary depending on the composition.
Since the activity changes, it is necessary to strictly control the composition, but the problem can be solved by preparing the raw material powder of mullite composition in advance so that it is in the excess region as described above.
【0027】ムライト固体電解質は、高純度ムライト粉
を成型し、焼結させることによって作製されるが、その
高純度ムライト粉にシリカ、アルミナを混合した物も原
料とすることができる。そこで、これらを総称して、以
下、シリコン濃度測定用もしくはアルミニウム濃度測定
用ムライト質センサーとも呼ぶ。本発明にかかる固体電
解質酸素センサーを構成するムライト質は、3Al2O
3・2SiO2 を基本組成としている。ただし、ムラ
イト中のアルカリ金属酸化物、低融点酸化物等の不純物
濃度は合計で1重量%以下とする必要がある。これより
多量の不純物濃度の場合、ムライト焼結体の熱衝撃性、
耐食性が低下することがあるからである。また、焼結体
の気孔率は、耐食性および溶融金属の浸透防止の点から
、5%以下が好ましい。The mullite solid electrolyte is produced by molding and sintering high-purity mullite powder, but a mixture of silica and alumina with the high-purity mullite powder can also be used as a raw material. Therefore, these will be collectively referred to as mullite sensors for silicon concentration measurement or aluminum concentration measurement. The mullite constituting the solid electrolyte oxygen sensor according to the present invention is 3Al2O
The basic composition is 3.2SiO2. However, the total concentration of impurities such as alkali metal oxides and low melting point oxides in mullite must be 1% by weight or less. If the impurity concentration is higher than this, the thermal shock properties of the mullite sintered body,
This is because corrosion resistance may decrease. Further, the porosity of the sintered body is preferably 5% or less from the viewpoint of corrosion resistance and prevention of penetration of molten metal.
【0028】このとき、SiO2を熱衝撃性の向上のた
めに15重量%以下、および/または、Al2O3 お
よびZrO2のうち少なくとも1種を耐食性向上のため
にそれぞれ20重量%以下、の割合で単独であるいは複
合化して加えることができる。これより多量の添加はム
ライトの酸素イオン伝導性を低下させるため好ましくな
い。ここで、本発明にかかるムライト質セラミックスの
製造方法について説明すると、まず主原料である3Al
2O3・2SiO2 は、共沈法、水熱合成法、噴霧熱
分解法、ゾルーゲル法、アルコキシド法等、いずれの方
法によるものでもよい。アルカリ金属酸化物および他の
低融点酸化物などの不純物濃度が1%以下に抑えられれ
ばよい。特に、生成物の不純物レベルを下げるには出発
原料を高純度化すればよい。At this time, SiO2 is used alone in a proportion of 15% by weight or less in order to improve thermal shock resistance, and/or at least one of Al2O3 and ZrO2 is individually contained in a proportion of 20% by weight or less in order to improve corrosion resistance. Or it can be added in combination. Addition of a larger amount than this is not preferable because it lowers the oxygen ion conductivity of mullite. Here, to explain the method for manufacturing mullite ceramics according to the present invention, first, 3Al, which is the main raw material,
2O3.2SiO2 may be produced by any method such as a coprecipitation method, a hydrothermal synthesis method, a spray pyrolysis method, a sol-gel method, or an alkoxide method. It is sufficient that the concentration of impurities such as alkali metal oxides and other low melting point oxides is suppressed to 1% or less. In particular, the starting materials may be highly purified to reduce the level of impurities in the product.
【0029】このようにして用意した原料粉末に、成型
法に応じてポリビニルアルコールなどの成型用助剤を加
え、ラバープレス、金型プレス、鋳込み、射出、HIP
等で成型した後、電気炉、ガス炉、高周波炉等を用い
て1500〜1700℃で1〜5時間焼成する。このと
き気孔率を5%以下とするためには、例えば原料粒度、
成形圧力、焼結温度を適宜調整すればよい。かくして得
られたムライト質セラミックスはそのまゝ酸素センサー
として用いてもよく、あるいは一旦さらに粉砕してから
、上記範囲内の量の追加配合剤(Al2O3 、SiO
2、ZrO2の一種以上)を加えて再び成型・焼結して
もよい。このときの焼結条件も前述のムライト質の焼結
の場合に同じでよい。本明細書においては、かかる追加
配合剤を含有する生成物を含めてムライト質と総称する
。[0029] A molding aid such as polyvinyl alcohol is added to the raw material powder prepared in this way according to the molding method, and the mixture is processed by rubber press, mold press, casting, injection, HIP.
After molding using an electric furnace, gas furnace, high frequency furnace, etc., it is fired at 1500 to 1700°C for 1 to 5 hours. At this time, in order to make the porosity 5% or less, for example, the particle size of the raw material,
The molding pressure and sintering temperature may be adjusted as appropriate. The mullite ceramic thus obtained may be used as it is as an oxygen sensor, or it may be further pulverized and then added with additional compounding agents (Al2O3, SiO3) in an amount within the above range.
2. One or more types of ZrO2) may be added and molded and sintered again. The sintering conditions at this time may be the same as in the case of sintering the mullite described above. In this specification, products containing such additional ingredients are collectively referred to as mullite.
【0030】なお、上述したように、ムライト質は3A
l2O3・2SiO2 を基本組成とするが、原料粉末
の組成は必ずしもこの割合に調整する必要はなく、Al
2O3 またはSiO2をこの割合より過剰に加えるこ
ともできる。この場合、ムライト固溶領域より過剰に加
えた成分は焼結後もそのまま残るから、上述のようにA
l2O3かSiO2を追加配合剤として加えたときと同
様の作用効果が期待される。特に、本発明にかかるセン
サーを溶融金属中のシリコンあるいはアルミニウムの濃
度測定用に使用する場合には、上述のいずれの製造方法
にあっても、Al2O3 もしくはSiO2を過剰量配
合することが好ましい。[0030] As mentioned above, the mullite quality is 3A
The basic composition is 12O3.2SiO2, but the composition of the raw material powder does not necessarily need to be adjusted to this ratio;
It is also possible to add 2O3 or SiO2 in excess of this proportion. In this case, the components added in excess from the mullite solid solution region remain as they are after sintering, so as mentioned above, A
Similar effects are expected when 12O3 or SiO2 is added as an additional compounding agent. In particular, when the sensor according to the present invention is used to measure the concentration of silicon or aluminum in molten metal, it is preferable to incorporate an excessive amount of Al2O3 or SiO2 in any of the above-mentioned manufacturing methods.
【0031】[0031]
【実施例】以下、実施例について説明する。(実施例1
)表1に示す組成のムライト質酸素センサーを作製し、
炭素飽和溶鉄に浸漬して、酸素分圧の温度依存性を測定
した。ムライト質センサーは、原料を所定組織に調合し
(Al2O3 :SiO2モル比3:2を基準とする)
、これに水を加えて泥状にしたものを石膏型に流し込み
、排泥により成型し、乾燥後、1650℃で3時間焼成
したものであった。その寸法は外径5mm、内径3.5
mm、長さ40mmで、袋管状であった。[Example] Examples will be described below. (Example 1
) A mullite oxygen sensor having the composition shown in Table 1 was prepared,
The temperature dependence of oxygen partial pressure was measured by immersing it in carbon-saturated molten iron. Mullite sensors are made by mixing raw materials into a predetermined structure (based on an Al2O3:SiO2 molar ratio of 3:2).
This was made into a slurry by adding water, poured into a plaster mold, molded by draining the slurry, dried, and then fired at 1650°C for 3 hours. Its dimensions are outer diameter 5mm and inner diameter 3.5mm.
mm, length 40 mm, and shaped like a bag tube.
【0032】比較のために、市販のジルコニア固体電解
質(ZrO2−11モル%CaO 、外径6mm、内径
4mm、長さ50mm)による測定も同時に行った。図
2は、このときの起電力の計測要領を示す。本発明にか
かる固体電解質は内部に標準極を備えており、これに対
向して電極が対極として設けられている。なお、図示例
では熱電対によって溶鉄の温度も同時に測っている。For comparison, measurements using a commercially available zirconia solid electrolyte (ZrO2-11 mol % CaO, outer diameter 6 mm, inner diameter 4 mm, length 50 mm) were also carried out at the same time. FIG. 2 shows how to measure the electromotive force at this time. The solid electrolyte according to the present invention includes a standard electrode therein, and an electrode is provided as a counter electrode in opposition to the standard electrode. In the illustrated example, the temperature of the molten iron is also measured at the same time by a thermocouple.
【0033】操作条件 標準極:MoとMoO2の混合粉末 電 極:Mo棒(固体電解質側) 黒鉛棒(炭素飽和溶鉄側) るつぼ:黒鉛 雰囲気:高純度アルゴン 温 度:1200〜1500℃ 測定結果を表1および図3に示す。[0033] Operating conditions Standard electrode: mixed powder of Mo and MoO2 Electrode: Mo rod (solid electrolyte side) Graphite rod (carbon saturated molten iron side) Crucible: graphite Atmosphere: High purity argon Temperature: 1200-1500℃ The measurement results are shown in Table 1 and FIG. 3.
【0034】不純物濃度が1重量%以下で気孔率が5%
以下の本発明にかかるムライト質酸素センサーを用いた
場合には、1500℃という高温まで測定が可能であっ
た。
また、15重量%以下のSiO2を混合した場合には熱
衝撃性に、20重量%以下のAl2O3 、ZrO2を
混合した場合には耐久性に、それぞれ優れた結果が得ら
れた。これに対して、図3に示すように、ジルコニア固
体電解質による結果は正しい温度依存性を示さなかった
。なお、図3には本発明例として試料No.1の起電力
を示す。[0034] Impurity concentration is 1% by weight or less and porosity is 5%.
When the following mullite oxygen sensor according to the present invention was used, measurement up to a high temperature of 1500°C was possible. Further, when 15% by weight or less of SiO2 was mixed, excellent results were obtained in thermal shock resistance, and when 20% by weight or less of Al2O3 and ZrO2 were mixed, excellent results were obtained in durability. On the other hand, as shown in FIG. 3, the results using the zirconia solid electrolyte did not show correct temperature dependence. In addition, FIG. 3 shows sample No. 3 as an example of the present invention. Indicates the electromotive force of 1.
【0035】[0035]
【表1】[Table 1]
【0036】(実施例2)表2に示すムライト質酸素セ
ンサーを作製し、溶銅に浸漬して、酸素分圧の経時変化
を測定した。測定要領は実施例1に同じであった。ムラ
イト質酸素センサーは、予め生成させた高純度ムライト
原料粉をラバープレスにより成型し、1650℃で3〜
5時間焼成したものであった。その寸法は外径は8mm
、内径5mm、長さ36mmで、袋管状であった。比較
のために、市販のジルコニア固体電解質(ZrO2−1
1モル%CaO 、外径6mm、内径4mm、長さ50
mm)による測定も同時に行った。(Example 2) Mullite oxygen sensors shown in Table 2 were manufactured and immersed in molten copper to measure changes in oxygen partial pressure over time. The measurement procedure was the same as in Example 1. The mullite oxygen sensor is made by molding pre-generated high-purity mullite raw material powder using a rubber press and heating it at 1650°C for 3 to 30 minutes.
It was baked for 5 hours. Its dimensions are 8mm outside diameter
, had an inner diameter of 5 mm, a length of 36 mm, and was shaped like a bag tube. For comparison, a commercially available zirconia solid electrolyte (ZrO2-1
1 mol% CaO, outer diameter 6 mm, inner diameter 4 mm, length 50
Measurements in mm) were also carried out at the same time.
【0037】操作条件
標準極:MoとMoO2の混合粉末
電 極:Mo棒
るつぼ:高純度アルミナ
雰囲気:5容量%水素を含む高純度アルゴンまたは、高
純度アルゴン
温 度:1350℃
測定結果を表2に示す。測定値の経時変化を図4に示す
。Operating conditions Standard electrode: Mixed powder of Mo and MoO2 Electrode: Mo rod Crucible: High purity alumina Atmosphere: High purity argon containing 5% by volume hydrogen or high purity argon Temperature: 1350°C Measurement results are shown in Table 2. Shown below. Figure 4 shows the changes in measured values over time.
【0038】不純物濃度が1重量%以下で気孔率が5%
以下の本発明にかかるムライト質酸素センサーを用いた
場合には、溶損もなく、長時間の測定が可能であった。
これに対して、ジルコニア固体電解質から成る温度セン
サーによる測定では、長時間後に起電力値が低下した。
また、雰囲気を5容量%水素を含む高純度アルゴンから
高純度アルゴンに変えた際の酸素分圧の変化を図5に示
す。ムライト質酸素センサーによる測定値が、雰囲気の
酸素分圧の変化、すなわち、溶銅中の酸素分圧の変化に
対応するのに対し、ジルコニア固体電解質による測定値
は正しく変化しなかった。なお、図4および図5におけ
る供試材はいずれも表2の試料No.1のものを使用し
た。[0038] Impurity concentration is 1% by weight or less and porosity is 5%.
When the following mullite oxygen sensor according to the present invention was used, there was no erosion loss and long-term measurement was possible. On the other hand, when measured using a temperature sensor made of a zirconia solid electrolyte, the electromotive force value decreased after a long period of time. Further, FIG. 5 shows the change in oxygen partial pressure when the atmosphere was changed from high purity argon containing 5% hydrogen by volume to high purity argon. While the values measured by the mullite oxygen sensor corresponded to changes in the partial pressure of oxygen in the atmosphere, that is, the partial pressure of oxygen in the molten copper, the values measured by the zirconia solid electrolyte did not change correctly. The test materials in FIGS. 4 and 5 are all sample No. 2 in Table 2. 1 was used.
【0039】[0039]
【表2】[Table 2]
【0040】
(実施例3)
表3に示すムライト質酸素センサーを作製し、炭素を含
まない溶鉄に浸漬して、酸素分圧を測定した。ムライト
質酸素センサーは、原料を所定組成に調合し、これをラ
バープレスにより成型し、1650℃で3〜5時間焼成
したものであった。その寸法は外径8mm、内径5mm
、長さ36mmで、袋管状であった。比較のために、市
販のジルコニア固体電解質(ZrO2−11モル%Ca
O 、外径6mm、内径4mm、長さ50mm)による
測定も同時に行った。測定要領は実施例1に同じであっ
た。(Example 3) Mullite oxygen sensors shown in Table 3 were produced and immersed in carbon-free molten iron to measure oxygen partial pressure. The mullite oxygen sensor was prepared by mixing raw materials to a predetermined composition, molding the molded material using a rubber press, and firing it at 1650° C. for 3 to 5 hours. Its dimensions are outer diameter 8mm and inner diameter 5mm.
It had a length of 36 mm and a bag tube shape. For comparison, a commercially available zirconia solid electrolyte (ZrO2-11 mol% Ca
Measurements were also made at the same time. The measurement procedure was the same as in Example 1.
【0041】操作条件
標準極:MoとMoO2の混合粉末またはCrとCr2
O3 の混合粉末
電 極:Mo棒
るつぼ:高純度アルミナ
雰囲気:5容量%水素を含む高純度アルゴンまたは、高
純度アルゴン
温 度:1600℃
測定結果を表3に示す。Operating conditions Standard electrode: Mixed powder of Mo and MoO2 or Cr and Cr2
O3 mixed powder electrode: Mo bar Crucible: High purity alumina Atmosphere: High purity argon containing 5% by volume hydrogen or high purity argon Temperature: 1600°C The measurement results are shown in Table 3.
【0042】不純物濃度が1重量%以下で気孔率が5%
以下の本発明にかかるムライト質酸素センサーを用いた
場合には、溶損が少なく、連続測定が可能であった。ま
た、20重量%以下のAl2O3 、ZrO2を混合し
た場合には、さらに耐食性に優れた結果が得られた。雰
囲気を5容量%水素を含む高純度アルゴンから高純度ア
ルゴンに変えた際の起電力値の変化を図6に示す。ジル
コニア固体電解質を用いた場合、耐食性はムライト質の
ものよりも優れているものの、酸素分圧の変化による起
電力値の変化は本発明にかかるムライト質酸素センサー
の場合より小さかった。[0042] Impurity concentration is 1% by weight or less and porosity is 5%
When the following mullite oxygen sensor according to the present invention was used, there was little erosion loss and continuous measurement was possible. Further, when 20% by weight or less of Al2O3 and ZrO2 were mixed, even better corrosion resistance was obtained. FIG. 6 shows the change in the electromotive force value when the atmosphere was changed from high-purity argon containing 5% hydrogen by volume to high-purity argon. When a zirconia solid electrolyte was used, the corrosion resistance was superior to that of a mullite type electrolyte, but the change in electromotive force value due to a change in oxygen partial pressure was smaller than in the case of the mullite type oxygen sensor according to the present invention.
【0043】[0043]
【表3】[Table 3]
【0044】(実施例4)表4に示すムライト質シリコ
ン濃度測定用センサーを作製し、シリコン濃度を種々変
化させた炭素飽和溶鉄に浸漬して、起電力のシリコン濃
度依存性を測定した。また、同一のセンサーを室温から
直ちに上記炭素飽和溶鉄中に浸漬することを繰り返し、
起電力値を基に耐熱衝撃性を判定した。ムライト質セン
サーは、原料を所定組成に調合し(Al2O3:SiO
2 モル比3:2 を基準組成とした) 、これに水を
加えて泥状にしたものを石膏型に流し込み、排泥により
成型し、乾燥後、1650℃で3時間焼成したものであ
る。その寸法は外径5mm、内径3.5 mm、長さ4
0mmで、袋管状であった。比較のために、市販のジル
コニア固体電解質(ZrO2−11mol %CaO
、外径6mm、内径4mm、長さ50mm)による測定
も同時に行った。(Example 4) Mullite silicon concentration measurement sensors shown in Table 4 were prepared and immersed in carbon-saturated molten iron with various silicon concentrations to measure the dependence of electromotive force on silicon concentration. In addition, the same sensor was immediately immersed in the carbon-saturated molten iron from room temperature repeatedly.
Thermal shock resistance was determined based on the electromotive force value. Mullite sensors are manufactured by mixing raw materials into a predetermined composition (Al2O3:SiO
The standard composition was a molar ratio of 3:2), which was made into a slurry by adding water to it, poured into a plaster mold, molded by draining the slurry, dried, and then fired at 1650°C for 3 hours. Its dimensions are outer diameter 5mm, inner diameter 3.5mm, length 4
It was 0 mm and had a bag-tubular shape. For comparison, a commercially available zirconia solid electrolyte (ZrO2-11mol%CaO
, outer diameter 6 mm, inner diameter 4 mm, and length 50 mm) were also measured at the same time.
【0045】操作条件
標準極:MoとMoO2またはCrとCr2O3 の混
合粉末電 極:Mo棒(固体電解質側)
黒鉛棒(炭素飽和溶鉄側)
るつぼ:黒鉛またはアルミナ
雰囲気:高純度アルゴン
温 度:1200〜1500℃
測定結果を表4に示す。不純物濃度が1重量%以下で気
孔率が5%以下のムライト質センサーを用いた場合には
、溶損もなく、高温まで測定が可能であった。また、1
5重量%以下のSiO2を混合した場合には耐熱衝撃性
に、20重量%以下のAl2O3 を混合した場合には
耐久性に、それぞれ優れた結果が得られた。Operating conditions Standard electrode: Mixed powder of Mo and MoO2 or Cr and Cr2O3 Electrode: Mo rod (solid electrolyte side) Graphite rod (carbon saturated molten iron side) Crucible: graphite or alumina Atmosphere: High purity argon Temperature: 1200 ~1500°C The measurement results are shown in Table 4. When a mullite sensor with an impurity concentration of 1% by weight or less and a porosity of 5% or less was used, there was no melting loss and measurement was possible up to high temperatures. Also, 1
When 5% by weight or less of SiO2 was mixed, excellent results were obtained in thermal shock resistance, and when 20% by weight or less of Al2O3 was mixed, excellent results were obtained in durability.
【0046】標準極にMoとMoO2の混合粉末を用い
、1500℃、アルミナるつぼ中でFe−Si−4.5
%C合金を溶解して、シリコン濃度と起電力の関係を
調べた結果を図7に示す。これに対して、ジルコニア固
体電解質による測定では起電力が安定するまで30秒以
上を要し、その値は正しいシリコン濃度依存性を示さな
かった。なお、本発明例として表4のNo.5、No.
6の試料を使用した。A mixed powder of Mo and MoO2 was used as a standard electrode, and Fe-Si-4.5 was heated in an alumina crucible at 1500°C.
%C alloy was melted and the relationship between silicon concentration and electromotive force was investigated. The results are shown in FIG. On the other hand, in measurements using a zirconia solid electrolyte, it took more than 30 seconds for the electromotive force to stabilize, and the value did not show correct dependence on silicon concentration. Note that No. 4 in Table 4 is an example of the present invention. 5, No.
6 samples were used.
【0047】[0047]
【表4】[Table 4]
【0048】
(実施例5)
表5に示すムライト質シリコン濃度測定用センサーを作
製し、溶銅に浸漬して、酸素分圧の経時変化およびシリ
コン濃度依存性を測定した。ムライト質酸素センサーは
、実施例4と同様に原料を所定組成に調合し、これをラ
バープレスにより成型し、1650℃で3〜5時間焼成
したものである。その寸法は外径は8mm、内径5mm
、長さ36mmで、袋管状であった。比較のために、市
販のジルコニア固体電解質(ZrO2−11mol%C
aO 、外径6mm、内径4mm、長さ50mm)によ
る測定も同時に行った。(Example 5) A sensor for measuring mullite silicon concentration shown in Table 5 was produced and immersed in molten copper to measure the temporal change in oxygen partial pressure and silicon concentration dependence. The mullite oxygen sensor was prepared by mixing raw materials to a predetermined composition in the same manner as in Example 4, molding this using a rubber press, and baking it at 1650° C. for 3 to 5 hours. Its dimensions are outer diameter 8mm and inner diameter 5mm.
It had a length of 36 mm and a bag tube shape. For comparison, commercially available zirconia solid electrolyte (ZrO2-11mol%C
aO, outer diameter 6 mm, inner diameter 4 mm, length 50 mm) was also measured at the same time.
【0049】
操作条件
標準極:MoとMoO2またはCrとCr2O3 の混
合粉末電 極:Mo棒
るつぼ:高純度アルミナ
雰囲気:5容量%水素を含む高純度アルゴン温 度:
1350℃
測定結果を表5に示す。Operating conditions Standard electrode: Mixed powder of Mo and MoO2 or Cr and Cr2O3 Electrode: Mo rod Crucible: High purity alumina Atmosphere: High purity argon containing 5% by volume hydrogen Temperature:
Table 5 shows the measurement results at 1350°C.
【0050】次に、標準極にMoとMoO2の混合粉末
を用い、シリコン濃度0.1 %の溶銅に浸漬した場合
の測定値の経時変化を図8に示す。不純物濃度が1重量
%以下で気孔率が5%以下のムライト質酸素センサーを
用いた場合には、溶損もなく、長時間の測定が可能であ
った。また、15重量%以下のSiO2を混合した場合
には耐熱衝撃性に、20重量%以下のAl2O3 を混
合した場合には耐久性に、それぞれ優れた結果が得られ
た。これに対して、ジルコニア固体電解質による測定で
は、シリコン濃度依存性が得られない上に、長時間後に
起電力値が低下した。Next, FIG. 8 shows the change in measured values over time when the standard electrode was immersed in molten copper with a silicon concentration of 0.1% using a mixed powder of Mo and MoO2. When a mullite oxygen sensor with an impurity concentration of 1% by weight or less and a porosity of 5% or less was used, there was no melting damage and long-term measurement was possible. Furthermore, when 15% by weight or less of SiO2 was mixed, excellent results were obtained in thermal shock resistance, and when 20% by weight or less of Al2O3 was mixed, excellent results were obtained in durability. On the other hand, in measurements using a zirconia solid electrolyte, silicon concentration dependence was not obtained and the electromotive force value decreased after a long period of time.
【0051】[0051]
【表5】[Table 5]
【0052】
(実施例6)
表6に示すムライト質アルミニウム濃度測定用センサー
を作製し、アルミニウム濃度を種々変化させた炭素飽和
溶鉄に浸漬して、起電力のアルミニウム濃度依存性を測
定した。また、同一のセンサーを室温から直ちに炭素飽
和溶鉄中に浸漬することを繰り返し、起電力値を基に耐
熱衝撃性を判定した。ムライト質センサーは、原料を所
定組成に調合し(Al2O3:SiO2 モル比3:2
を基準組成とした) 、これに水を加えて泥状にした
ものを石膏型に流し込み、排泥により成型し、乾燥後、
1650℃で3時間焼成したものである。その寸法は外
径5mm、内径3.5mm 、長さ40mmで、袋管状
であった。比較のために、市販のジルコニア固体電解質
(ZrO2−11mol %CaO 、外径6mm、内
径4mm、長さ50mm)による測定も同時に行った。(Example 6) Mullite aluminum concentration measurement sensors shown in Table 6 were produced and immersed in carbon-saturated molten iron with various aluminum concentrations to measure the dependence of electromotive force on aluminum concentration. In addition, the same sensor was repeatedly immersed in carbon-saturated molten iron immediately from room temperature, and the thermal shock resistance was determined based on the electromotive force value. Mullite sensors are manufactured by mixing raw materials into a predetermined composition (Al2O3:SiO2 molar ratio 3:2).
(standard composition), water was added to this to form a slurry, which was then poured into a plaster mold, molded by removing mud, and after drying,
It was fired at 1650°C for 3 hours. Its dimensions were an outer diameter of 5 mm, an inner diameter of 3.5 mm, and a length of 40 mm, and was shaped like a bag tube. For comparison, measurements using a commercially available zirconia solid electrolyte (ZrO2-11 mol % CaO, outer diameter 6 mm, inner diameter 4 mm, length 50 mm) were also conducted at the same time.
【0053】
操作条件
標準極:MoとMoO2またはCrとCr2O3 の混
合粉末電 極:Mo棒 (固体電解質側)
黒鉛棒 (炭素飽和溶鉄側)
るつぼ:黒鉛またはアルミナ
雰囲気:高純度アルゴン
温 度:1200〜1500℃測定結果を表6に示す
。不純物濃度が1重量%以下で気孔率が5%以下のムラ
イト質センサーを用いた場合には、溶損もなく、高温ま
で測定が可能であった。また、15重量%以下のSiO
2を混合した場合には耐熱衝撃性に、20重量%以下の
Al2O3 を混合した場合には耐久性に、それぞれ優
れた結果が得られた。Operating conditions Standard electrode: Mixed powder of Mo and MoO2 or Cr and Cr2O3 Electrode: Mo rod (solid electrolyte side) Graphite rod (carbon saturated molten iron side) Crucible: graphite or alumina Atmosphere: High purity argon Temperature: 1200 Table 6 shows the measurement results at ~1500°C. When a mullite sensor with an impurity concentration of 1% by weight or less and a porosity of 5% or less was used, there was no melting loss and measurement was possible up to high temperatures. In addition, SiO of 15% by weight or less
When 2 was mixed, excellent results were obtained in thermal shock resistance, and when 20% by weight or less of Al2O3 was mixed, excellent results were obtained in durability.
【0054】次いで、標準極にMoとMoO2の混合粉
末、1500℃、アルミナるつぼ中でFe−Al−4.
5 %C合金を溶解し、アルミニウム濃度と起電力の関
係を調べた結果を図9に示す。これに対して、ジルコニ
ア固体電解質による測定では起電力が安定するまで30
秒以上を要し、その値は正しいアルミニウム濃度依存性
を示さなかった。なお、本発明例として表6のNo.8
、No.9に試料を使用した。Next, a mixed powder of Mo and MoO2 was used as a standard electrode, and Fe-Al-4.
Figure 9 shows the results of melting a 5% C alloy and examining the relationship between aluminum concentration and electromotive force. On the other hand, in measurements using a zirconia solid electrolyte, it takes 30 minutes until the electromotive force stabilizes.
It took more than a second, and the value did not show correct dependence on aluminum concentration. Note that No. 6 in Table 6 is an example of the present invention. 8
, No. Sample No. 9 was used.
【0055】[0055]
【表6】[Table 6]
【0056】
(実施例7)
表7に示すムライト質アルミニウム濃度測定用センサー
を作製し、溶銅に浸漬して、酸素分圧の経時変化および
アルミニウム濃度依存性を測定した。ムライト質酸素セ
ンサーは、実施例6と同様に原料を所定組成に調合し、
これをラバープレスにより成型し、1650℃で3〜5
時間焼成したものである。その寸法は外径は8mm、内
径5mm、長さ36mmで、袋管状であった。比較のた
めに、市販のジルコニア固体電解質(ZrO2−11m
ol %CaO 、外径6mm、内径4mm、長さ50
mm)による測定も同時に行った。(Example 7) A sensor for measuring mullite aluminum concentration shown in Table 7 was produced and immersed in molten copper to measure the temporal change in oxygen partial pressure and the dependence on aluminum concentration. The mullite oxygen sensor is prepared by mixing raw materials to a predetermined composition in the same manner as in Example 6,
This was molded using a rubber press and heated to 1650°C for 3 to 5 minutes.
It is baked for hours. Its dimensions were an outer diameter of 8 mm, an inner diameter of 5 mm, and a length of 36 mm, and was shaped like a bag tube. For comparison, a commercially available zirconia solid electrolyte (ZrO2-11m
ol%CaO, outer diameter 6mm, inner diameter 4mm, length 50
Measurements in mm) were also carried out at the same time.
【0057】操作条件
標準極:MoとMoO2またはCrとCr2O3 の混
合粉末電 極:Mo棒
るつぼ:高純度アルミナ
雰囲気:5容量%水素を含む高純度アルゴン温 度:
1350℃
測定結果を表7に示す。特に試料No.1およびジルコ
ニア固体電解質については、標準極MoとMoO2の混
合粉末を用いた場合の測定値の経時変化を図10に示す
。Operating conditions Standard electrode: Mixed powder of Mo and MoO2 or Cr and Cr2O3 Electrode: Mo rod Crucible: High purity alumina Atmosphere: High purity argon containing 5% by volume hydrogen Temperature:
Table 7 shows the measurement results at 1350°C. Especially sample no. Regarding No. 1 and the zirconia solid electrolyte, FIG. 10 shows the changes over time in the measured values when a mixed powder of standard electrode Mo and MoO2 was used.
【0058】これらの結果からも分かるように、不純物
濃度が1重量%以下で気孔率が5%以下のムライト質酸
素センサーを用いた場合には、溶損もなく、長時間の測
定が可能であった。また、15重量%以下のSiO2を
混合した場合には耐熱衝撃性に、20重量%以下のAl
2O3 を混合した場合には耐久性に、それぞれ優れた
結果が得られた。これに対して、ジルコニア固体電解質
による測定では、アルミニウム濃度依存性が得られない
上に、長時間後に起電力値が低下した。[0058] As can be seen from these results, when a mullite oxygen sensor with an impurity concentration of 1% by weight or less and a porosity of 5% or less is used, long-term measurement is possible without erosion loss. there were. In addition, when 15% by weight or less of SiO2 is mixed, the thermal shock resistance is improved, and when 20% by weight or less of Al is mixed.
When 2O3 was mixed, excellent results in durability were obtained. In contrast, in measurements using a zirconia solid electrolyte, no dependence on aluminum concentration was obtained, and the electromotive force value decreased after a long period of time.
【0059】[0059]
【表7】[Table 7]
【0060】(実施例8)表8に示すムライト質アルミ
ニウム濃度測定センサーを作製し、炭素を含まない溶鉄
に浸漬して、アルミニウム濃度を測定した。ムライト質
酸素センサーは、実施例6と同様にして原料を所定組成
に調合し、これをラバープレスにより成型し、1650
℃で3〜5時間焼成したものである。その寸法は外径は
8mm、内径5mm、長さ36mmで、袋管状であった
。比較のために、市販のジルコニア固体電解質(ZrO
2−11mol %CaO 、外径6mm、内径4mm
、長さ50mm)による測定も同時に行った。(Example 8) A mullite aluminum concentration measuring sensor shown in Table 8 was prepared and immersed in carbon-free molten iron to measure the aluminum concentration. The mullite oxygen sensor was prepared by mixing raw materials to a predetermined composition in the same manner as in Example 6, and molding this using a rubber press.
It was baked at ℃ for 3 to 5 hours. Its dimensions were an outer diameter of 8 mm, an inner diameter of 5 mm, and a length of 36 mm, and was shaped like a bag tube. For comparison, a commercially available zirconia solid electrolyte (ZrO
2-11mol%CaO, outer diameter 6mm, inner diameter 4mm
, length 50 mm) was also measured at the same time.
【0061】操作条件
標準極:MoとMoO2またはCrとCr2O3 の混
合粉末電 極:Mo棒
るつぼ:高純度アルミナ
雰囲気:5容量%水素を含む高純度アルゴンまたは、高
純度アルゴン
温 度:1600℃
測定結果を表8に示す。Operating conditions Standard electrode: Mixed powder of Mo and MoO2 or Cr and Cr2O3 Electrode: Mo rod Crucible: High purity alumina Atmosphere: High purity argon containing 5% by volume hydrogen or high purity argon Temperature: 1600°C Measurement The results are shown in Table 8.
【0062】不純物濃度が1重量%以下で気孔率が5%
以下のムライト質センサーを用いた場合には、溶損が少
なく、連続測定が可能であった。また、15重量%以下
のSiO2を混合した場合には耐熱衝撃性に、20重量
%以下のAl2O3 を混合した場合には耐久性に、そ
れぞれ優れた結果が得られた。次に、標準極にCrとC
r2O3 の混合粉末を用いた場合の起電力値のアルミ
ニウム濃度依存性を図11に示す。本発明例としては表
8の試料No.1、No.2を使用した。ジルコニア固
体電解質を用いた場合、耐食性はムライト質のものより
も優れているものの、アルミニウム濃度の変化による起
電力値の変化はムライト質酸素センサーより小さかった
。[0062] Impurity concentration is 1% by weight or less and porosity is 5%.
When the following mullite sensor was used, there was little erosion and continuous measurement was possible. Furthermore, when 15% by weight or less of SiO2 was mixed, excellent results were obtained in thermal shock resistance, and when 20% by weight or less of Al2O3 was mixed, excellent results were obtained in durability. Next, add Cr and C to the standard electrode.
FIG. 11 shows the aluminum concentration dependence of the electromotive force value when a mixed powder of r2O3 is used. As an example of the present invention, sample No. in Table 8 is used. 1.No. 2 was used. When a zirconia solid electrolyte was used, the corrosion resistance was superior to that of a mullite type sensor, but the change in electromotive force value due to changes in aluminum concentration was smaller than that of a mullite type oxygen sensor.
【0063】[0063]
【表8】[Table 8]
【0064】[0064]
【発明の効果】以上の通り、本発明のムライト質酸素セ
ンサーは、ジルコニア系センサーに比べ、高温あるいは
炭素共存下において、溶融金属中の酸素分圧、シリコン
濃度さらにはアルミニウム濃度を正しく測定できるため
、広く溶融金属用酸素・金属濃度測定用センサーとして
利用できる。[Effects of the Invention] As described above, the mullite oxygen sensor of the present invention can accurately measure oxygen partial pressure, silicon concentration, and aluminum concentration in molten metal at high temperatures or in the presence of carbon, compared to zirconia-based sensors. It can be widely used as a sensor for measuring oxygen and metal concentration in molten metal.
【図1】SiO2− Al2O3系状態図およびSiO
2と Al2O3との濃度および活量の関係を示すグラ
フである。[Figure 1] SiO2-Al2O3 system phase diagram and SiO
2 is a graph showing the relationship between concentration and activity of Al2O3 and Al2O3.
【図2】実施例における起電力Eの計測要領の説明図で
ある。FIG. 2 is an explanatory diagram of a procedure for measuring electromotive force E in an example.
【図3】炭素飽和溶鉄中の酸素分圧測定時における、ム
ライトおよびジルコニアセンサーによる起電力値の温度
依存性を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the temperature dependence of electromotive force values by mullite and zirconia sensors when measuring oxygen partial pressure in carbon-saturated molten iron.
【図4】溶銅に浸漬したムライトおよびジルコニアセン
サーによる起電力値の経時変化を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing changes over time in electromotive force values of mullite and zirconia sensors immersed in molten copper.
【図5】雰囲気を変化させた時の、溶銅中に浸漬したム
ライトおよびジルコニアセンサーによる起電力値の変化
を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing changes in electromotive force values of mullite and zirconia sensors immersed in molten copper when the atmosphere is changed.
【図6】雰囲気を変化させた時の、溶鉄中に浸漬したム
ライトおよびジルコニアセンサーによる起電力値の変化
を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing changes in electromotive force values of mullite and zirconia sensors immersed in molten iron when the atmosphere is changed.
【図7】炭素飽和溶鉄中のシリコン濃度測定時における
、ムライトおよびジルコニアセンサーによる起電力値の
シリコン濃度依存性を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the dependence of electromotive force values on silicon concentration by mullite and zirconia sensors when measuring silicon concentration in carbon-saturated molten iron.
【図8】溶銅に浸漬したムライトおよびジルコニアセン
サーによる起電力値の経時変化を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing changes over time in electromotive force values of mullite and zirconia sensors immersed in molten copper.
【図9】炭素飽和溶鉄中のアルミニウム濃度測定時にお
ける、ムライトおよびジルコニアセンサーによる起電力
値のアルミニウム濃度依存性を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the dependence of electromotive force values on aluminum concentration using mullite and zirconia sensors when measuring aluminum concentration in carbon-saturated molten iron.
【図10】溶銅中に浸漬したムライトおよびジルコニア
センサーによる起電力値の経時変化を示すグラフである
。FIG. 10 is a graph showing changes over time in electromotive force values of mullite and zirconia sensors immersed in molten copper.
【図11】炭素を含まない溶鉄中のアルミニウム濃度測
定時における、ムライトおよびジルコニアセンサーによ
る起電力値のアルミニウム濃度依存性を示すグラフであ
る。FIG. 11 is a graph showing the dependence of electromotive force values on aluminum concentration using mullite and zirconia sensors when measuring aluminum concentration in molten iron that does not contain carbon.
Claims (4)
体電解質からなり、不純物が1重量%以下、気孔率が5
%以下の焼結体であることを特徴とする溶融金属中の酸
素・金属濃度測定用センサー。[Claim 1] Consists of a mullite solid electrolyte that is an oxygen ion conductor, contains impurities of 1% by weight or less, and has a porosity of 5.
A sensor for measuring oxygen and metal concentration in molten metal, characterized by being a sintered body of less than %.
15 重量%以下および/またはAl2O3 20重量
%以下をさらに含有させた請求項1記載の溶融金属中の
酸素・金属濃度測定用センサー。[Claim 2] SiO2 in the mullite solid electrolyte
The sensor for measuring oxygen/metal concentration in molten metal according to claim 1, further comprising 15% by weight or less and/or 20% by weight or less Al2O3.
20 重量%以下をさらに含有させた請求項1または2
記載の溶融金属中の酸素・金属濃度測定用センサー。[Claim 3] ZrO2 is added to the mullite solid electrolyte.
Claim 1 or 2 further containing 20% by weight or less
The sensor for measuring oxygen and metal concentration in molten metal described above.
アルミニウムの少なくとも1種の濃度を測定することを
特徴とする請求項1ないしは3のいずれかに記載の溶融
金属中の酸素・金属濃度測定用センサー。4. The method for measuring oxygen/metal concentration in molten metal according to any one of claims 1 to 3, which measures the concentration of at least one of oxygen, silicon, and aluminum in molten metal. sensor.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29267190 | 1990-10-30 | ||
JP2-292671 | 1990-10-30 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04213050A true JPH04213050A (en) | 1992-08-04 |
JP3000692B2 JP3000692B2 (en) | 2000-01-17 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007024732A (en) * | 2005-07-19 | 2007-02-01 | Tokyo Yogyo Co Ltd | Oxygen sensor for oxygen-free copper and method for selecting oxygen sensor for copper |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007024732A (en) * | 2005-07-19 | 2007-02-01 | Tokyo Yogyo Co Ltd | Oxygen sensor for oxygen-free copper and method for selecting oxygen sensor for copper |
JP4718264B2 (en) * | 2005-07-19 | 2011-07-06 | 東京窯業株式会社 | Oxygen sensor for oxygen-free copper |
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