JPH0628687Y2 - 連続酸素濃度測定装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は溶鋼中の酸素濃度を長時間、連続して測定する
ことができる連続酸素濃度測定装置に関する。

〔従来の技術〕

溶鋼用の連続酸素濃度測定装置として比較的好成績を収
めたものとしては、例えば第６図として示すものが知ら
れている。この装置は管状の溶鋼側電極ａにアルミナ管
ｂを耐火材ｃを介して内装固定し、アルミナ管ｂ先端に
は長さ10mm〜20mmの安定化ジルコニウムのタブレットｄ
装着するとともに、該タブレットｄの内側にはクロム、
クロミア混合粉を素材とした参照極ｅを配し、参照極リ
ードｆとしてイリジウム−プラチナ（Ir-Pt）を、溶鋼
側電極ａにMo−ZrO₂サーメットを用いた構成としたもの
であり、該装置を用いて120分程度の連続測定ができた
ことが報告されている。

〔考案が解決しようとする問題点〕

しかしながら、この装置では溶鋼側電極ａにMo−ZrO₂サ
ーメットを用いている為、時間経過にともないモリブデ
ンが溶鋼中に溶出し、溶鋼接触面には絶縁物である酸化
ジルコニウム（ZrO₂）のみが残ってしまう結果、導電性
が損なわれ、測定が不可能となってしまう問題があっ
た。このように溶鋼中での酸素濃度の連続測定を行うに
は溶鋼側接触電極の寿命が大きなポイントとなる。又、
本装置では溶鋼による腐蝕を考慮してジルコニアタブレ
ットの厚みを比較的厚く設定している為に、溶鋼中の酸
素濃度変化に対する応答性が遅くなるという問題もあっ
た。更に、ジルコニアタブレットとアルミナ管の気密な
接着は技術的に難しいことから製造に手間がかかり、
又、参照極リードにイリジウム−プラチナを用いている
ので、コスト的に高くつくという問題もあった。

〔問題点を解決する為の手段〕

本考案はかかる現況に鑑みてなされたものであり、長時
間の測定に際しても溶鋼側電極が劣化することがなく、
高精度な測定を維持できる連続酸素濃度測定装置を提供
することを主目的とし、加えて応答性に優れるととも
に、製造原価の低減もはかれる連続酸素濃度測定装置を
提供することを目的とするものである。

ところで、溶鋼に対して耐久性を有する導電性物質とし
てては、ランタンクロマイドのような酸化物系導電体な
どを用いることが考慮されるが、これらは比抵抗が比較
的大きく、溶鋼側電極リードと参照極側リードとの間に
発生する熱起電力が数百ミリボルトにも達する為、高精
度な測定は望めない。本考案では、これら事情に鑑み、
溶鋼側電極に用いる導電性物質として、長時間の浸漬に
もその成分が溶出することがなく、且つ比抵抗も比較的
小さな導電性セラミックスを用いることとした。また酸
素測定素子の製造過程の簡略化及び製造コストの低減を
図る目的から、小型の一端閉管型固体電解質を用ること
とした。

このような特徴を有する本考案の要旨は、外套管の開口
端部に、内部に参照極を形成した一端閉管型の固体電解
質を、その先端が外套管から突出するようにして内装
し、前記外套管と固体電解質間には耐火材を充填すると
ともに、外套管若しくは外套管とは別に設けた溶鋼側電
極をホウ化ジルコニウム単体あるいはホウ化ジルコニウ
ムをベースとした炭化硅素、窒化硅素、窒化ホウ素、窒
化アルミニウムとの複合セラミックスから形成してなる
ことを特徴とする点にある。

〔作用〕

本考案の連続酸素濃度測定装置は溶鋼側電極にホウ化ジ
ルコニウム単体あるいはホウ化ジルコニウムをベースと
した炭化硅素、窒化ホウ素、窒化アルミニウムとの複合
セラミックスを用いたから、長時間の溶鋼浸漬にも溶鋼
側電極が変質することもなく、且つその比抵抗も小さな
値を維持できるので、溶鋼の酸素濃度の変化を連続的に
測定することができるのである。また一端閉管型の酸素
測定素子を用いたから、製造工程の簡略化が可能となっ
て製造原価の低減が図れ、且つ、一端閉管型の酸素測定
素子は小型化も容易であるから応答性も向上させること
ができる。

〔実施例〕

次に本考案の詳細を図示した実施例にもとづき説明す
る。

第１図（イ）は本考案にかかる連続酸素濃度測定装置を
示し、第１図（ロ）は同連続酸素濃度測定装置に用いら
れる酸素測定素子の構造を示している。図中１は、外径
約３mm、肉厚約0.6mmの安定化ジルコニア一端閉管であ
り、閉鎖側の内部にはクロム・クロミア混合粉を充填し
て参照極２を形成し、該参照極２からは外径0.5mmのモ
リブデン製の参照極リード３が導出されている。図中４
はホウ化ジルコニウム・シリコンカーバイド製の溶鋼側
電極であり、酸素測定素子Ａを保護する外套管の機能も
兼ねている。尚、本実施例では溶鋼側電極４にホウ化ジ
ルコニウム・シリコンカーバイドを用いているが、溶鋼
耐蝕性に優れるとともに比抵抗が小さいものであれば他
の導電性セラミックスを用いることも可能であり、例え
ばホウ化ジルコニウム・窒化硅素、ホウ化ジルコニウム
・窒化ホウ素、ホウ化ジルコニウム・窒化アルミニウム
等の複合セラミックスやホウ化ジルコニウムの単体を用
いることもできる。

酸素測定素子Ａと溶鋼側電極４との間にはアルミナセメ
ントや耐火煉瓦等の耐火材５が充填され、酸素測定素子
Ａ及び参照極リード３を保護・固定するとともに浸漬時
のサーマルショックによるジルコニア一端閉管の割れを
防止している。溶鋼側電極４からはモリブデン製の溶鋼
側リード６が引き出され、参照極２から引き出された参
照極リード３との間で酸素測定素子の起電力が測定され
る。

第２図（イ），（ロ）として示したものは、酸素測定素
子Ａによる起電力に熱起電力による誤差が混入しないよ
うに工夫した場合である。即ち、溶鋼側電極４の下端は
溶鋼に接触して高温にさらされるが、上端は常温である
為、溶鋼側電極４の素材によっては温度差による熱起電
力が発生し、この熱起電力が酸素測定素子Ａの起電力値
を狂わす原因となることがある。熱起電力の発生を低く
抑えるには溶鋼側電極４からの溶鋼側リード６の引出し
位置を溶鋼に近ずける必要がある。第２図（イ），
（ロ）はその具体例であり、第２図（イ）は耐火材５内
部に溶鋼側電極４に沿って溶鋼側リード６を、その下端
が溶鋼浸漬部近傍に位置づけられるように埋設配置し、
その下端を溶鋼側電極４と接続したものである。このと
き溶鋼側リード６には絶縁手段７を被覆して溶鋼側リー
ド６がその下端以外で溶鋼側電極４と直接接触しないよ
うにすることが重要である。第２図（ロ）は溶鋼側リー
ド６を溶鋼側電極４内に埋設したものである。この場合
も溶鋼側リード６は下端を除いた他の部分は絶縁手段７
によって被覆する必要がある。このような構成とするこ
とにより、溶鋼側電極４と溶鋼側リード６との接点温度
を溶鋼温度に近づけることが可能となり、熱起電力の影
響は無視することができる。本考案者は熱起電力による
影響を測定する為、溶鋼側電極４としてホウ化ジルコニ
ウム・シリコンカーバイドを用いて第１図（イ）及び第
２図（イ）で示したそれぞれの連続酸素濃度測定装置に
ついて、溶鋼側電極４と溶鋼側リード６との間に発生す
る熱起電力を測定した。その結果、常温と1600℃の温度
差がある場合には第１図（イ）の構造では約35mVの熱起
電力があったのに対し、第２図（イ）の構造のものでは
0.2mV以下に抑えることができることを確認した。そし
てこの程度の値であれば測定誤差として処理することが
可能で補正の必要もないことが確認された。

第３図として示したチャートは第１図（イ）で開示した
連続酸素濃度測定装置を用いて、実験炉（50Kg高周波
炉）において連続測定を行った結果である。測定は溶鋼
温度1600℃、酸素濃度10ppmの条件下で３時間行った。
横軸は時間（min）、縦軸は酸素濃度（ppm）である。図
中○で示したのは連続測定の過程で、本装置の精度を確
認する為に投入した消耗型センサによる測定値である。
チャートからもわかるように本連続酸素濃度測定装置に
よる測定結果と消耗型センサとの測定結果とは３％以内
の範囲で一致しており、本連続酸素濃度測定装置が極め
て高い精度を有していることがわかる。

又、前記実験とは別に溶鋼側電極４としてのホウ化ジル
コニウム・シリコンカーバイドの耐蝕性能と、溶鋼接触
面での抵抗値を測定した。５時間浸漬した段階では溶鋼
側電極４は0.6mm溶損したが溶鋼接触面での抵抗値は0.8
Ωであり、測定に影響するような導電性の劣化は認めら
れなかった。このことは、溶鋼側電極４の厚みを調節す
ることで溶鋼側電極４の寿命を自由に設定できることを
意味し、さらに長時間の測定が可能な連続酸素濃度測定
装置の提供も可能であることを示している。

前記実施例では、外套管を兼ねた溶鋼側電極として高価
なホウ化ジルコニウム・シリコンカーバイドを使用した
が、使用条件によっては第４図（イ），（ロ）で示す如
く、外套管と溶鋼側電極とを別々に設け、外套管８の素
材としては、ホウ化ジルコニウム・シリコンカーバイド
以外の安価な素材、例えばアルミナ系やマグネシア系等
の耐火材を用い、且つホウ化ジルコニウム・シリコンカ
ーバイド製の溶鋼側電極４は耐火材の中にその一端を露
出させた状態で埋設した構成とすることもできる。但し
この場合、溶鋼側電極４はプローブ端面より放出される
ガス等の影響により接触不良を生じやすく、又、溶鋼側
電極４の熱容量が小さい為に溶鋼側電極４の熱がプロー
ブ側に奪われて温度低下を招くおそれがあるので、溶鋼
側電極４は図示するようにプローブ端部より下方へ突出
させて設置するのが好ましい。

第５図（イ），（ロ）は上記装置に温度測定部Ｂを組み
込んだものである。温度測定部Ｂは熱電対９と該熱電対
を溶鋼から保護するジルコニア、アルミナ等の耐熱保護
手段10とからなる。第５図（イ）は耐火材５に埋設され
た酸素測定素子Ａの側部に温度測定部Ｂを並設した場
合、第５図（ロ）は外套管を兼ねた溶鋼側電極４の中に
縦孔を穿ち、この内部に温度測定部Ｂを配置した場合で
ある。このような構造とすることにより酸素濃度の連続
測定とともに溶鋼温度の連続測定も可能となるのであ
る。

このような構成の連続酸素濃度測定装置は、溶鋼中に浸
漬して溶鋼中の酸素濃度の変化を連続的に測定するので
あるが、本考案は溶鋼側電極として長時間の溶鋼浸漬に
対しても導電性が劣化することのないホウ化ジルコニウ
ム・シリコンカーバイドを用いたから、十数時間の連続
測定にも測定誤差が発生することのない安定した性能の
連続酸素濃度測定装置を提供できるのである。そして溶
鋼側電極の寿命は溶鋼側電極の厚みを調整することによ
り任意に設定できるから３時間以上の極めて長い測定時
間にも対応できる。また第２図（イ），（ロ）で示した
ように溶鋼側電極４と溶鋼側リード６との接触位置を溶
鋼浸漬位置に近接させた場合には、熱起電力の影響もな
くなり測定精度の一層の向上が望める。更に、第４図
（イ），（ロ）として示すように外套管と溶鋼側電極４
とを別々のものとしたときには、外套管としてアルミナ
系やマグネシア系等の廉価な素材を用いることが可能と
なるので、低コストな連続酸素濃度測定装置が提供する
ことができる。尚、本実施例では本装置を溶鋼中の酸素
濃度の連続測定に用いた場合について述べたが、本装置
の特徴は長時間の溶鋼浸漬にも耐えうる長寿命にあるか
ら、本装置を、従来の消耗型酸素測定装置のように断続
的に測定する場合に用いたときには、従来のように、そ
の都度廃棄する必要もなく、同一の装置を反復使用する
ことが可能となることはいうまでもない。

〔考案の効果〕

本考案は、溶鋼側電極として、ホウ化ジルコニウム単体
あるいはホウ化ジルコニウムをベースとした炭化硅素、
窒化硅素、窒化ホウ素、窒化アルミニウムとの複合セラ
ミックスを用いたので、長時間の溶鋼浸漬にも導電性が
劣化することがなく、溶鋼中の酸素濃度の変化を長時間
にわたって高精度に連続測定することができる。

また本考案装置では一端閉管型の酸素測定素子を用いて
いるので装置の製造工程を簡略化することが可能となっ
て製造コストの低減がはかれ、また酸素測定素子を小型
化することで応答性に優れた連続酸素濃度測定装置を提
供することもできるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）は本考案にかかる連続酸素濃度測定装置の
一実施例の断面説明図、第１図（ロ）は同実施例におけ
る酸素測定素子の拡大断面説明図、第２図（イ），
（ロ）、第４図（イ），（ロ）、第５図（イ），（ロ）
は本考案の他の実施例、第３図は実験炉による本連続酸
素濃度測定装置を用いた測定結果、第６図は従来例であ
る。 Ａ：酸素測定素子、Ｂ：温度測定部、 １：一端閉管、２：参照極、 ３：参照極リード、４：溶鋼側電極、 ５：耐火材、６：溶鋼側リード、 ７：絶縁手段、８：外套管、 ９：熱電対、10：耐熱保護手段。

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】外套管の開口端部に、内部に参照極を形成
   した一端閉管型の固体電解質を、その先端が外套管から
   突出するようにして内装し、前記外套管と固体電解質間
   には耐火材を充填するとともに、外套管若しくは外套管
   とは別に設けた溶鋼側電極をホウ化ジルコニウム単体あ
   るいはホウ化ジルコニウムをベースとした炭化硅素、窒
   化硅素、窒化ホウ素、窒化アルミニウムとの複合セラミ
   ックスから形成してなる連続酸素濃度測定装置。
2. 【請求項２】外套管内部に溶鋼側リードを埋設し、外套
   管からの溶鋼側リードの引出し位置を外套管先端に近づ
   けてなる前記実用新案登録請求の範囲第１項の連続酸素
   濃度測定装置。
3. 【請求項３】外套管内に熱電対を埋設配置して、溶鋼の
   温度測定も同時に行ってなる前記実用新案登録請求の範
   囲第１項又は第２項記載の連続酸素濃度測定装置。