JPS59114454A - 酸素量測定用固体電解質管 - Google Patents

酸素量測定用固体電解質管

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Publication number
JPS59114454A
JPS59114454A JP57225254A JP22525482A JPS59114454A JP S59114454 A JPS59114454 A JP S59114454A JP 57225254 A JP57225254 A JP 57225254A JP 22525482 A JP22525482 A JP 22525482A JP S59114454 A JPS59114454 A JP S59114454A
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JP
Japan
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solid electrolyte
molten steel
pipe
oxygen
electromotive force
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Pending
Application number
JP57225254A
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English (en)
Inventor
Mitsuyoshi Kashiwagi
柏木 光義
Hiroshi Yahagi
谷萩 寛
Kiyoshi Kawai
潔 川合
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Resonac Corp
Original Assignee
Hitachi Chemical Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS59114454A publication Critical patent/JPS59114454A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/411Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing of liquid metals

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
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  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
  • Investigating And Analyzing Materials By Characteristic Methods (AREA)

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】 本発明は、溶鋼、溶鋼等の溶融金属中の微量溶存酸素量
測定用固体電解質管に関する。
以下溶鋼をもって、溶融金属を代表させる。
酸素イオン導電性をもつ固体電解質素子を用いて、酸素
濃淡電池を形成し溶鋼中の酸素濃度を測定する方法は、
すでに実用化されている。
素子を取付けた従来の測定用プローブの一例を第1図に
示す。プローブは、酸素濃度測定用の電池を形成する固
体電解質素子lとモリブデン(Mo)溶鋼極3.溶鋼温
度を測定する熱電対2゜これらを収納固定するセラミッ
ク・ハウジング4、測定起電力を外部計器にとシ出すコ
ネクタ5、検出部を支持する紙管6.断熱保護筒7及び
検出部固体電解質素子1と熱電対2と溶鋼極3とを保護
するだめの金属キャップ8から構成される。
固体電解質素子1の構成の一例を第2図に示す。固体電
解質素子1は、一端間管形固体電解質管10の外周に熱
衝撃によるクラック防止および溶鋼との親和性を増し、
平衡起電力に達するまでの時間を短縮するだめのコーテ
ィング層9、標準極11.MOリード線12.充填剤1
3゜封止剤14から構成されている。第1図に示したグ
ローブを溶鋼中に浸漬すると、固体電解Iu管10を介
して標準極11の酸素分圧Po、(Itと溶鋼の酸素分
圧P O! (n、)の差による酸素濃淡電池が形成さ
れ、Mo溶鋼極3と標準極のMo ’)−ド線12との
間に(1)式に示す起ε力Eが生じる。
ここに R:気体定数。
T:溶鋼の絶対温度 F:ファラデイ一定数。
ln:自然対数、    である。
標準極11の酸素分圧Po、(Ilは、既知であるので
、溶鋼に第1図に示すグローブを浸漬し。
起電力Eと温度Tを測定し、その値を(1)式に代入し
て、溶鋼の酸素分圧Po、(II)を求めることができ
る。
ところで溶鋼中の溶解酸素量は、製品品質を所定の成分
とするための非常に重要なU理成分であり、現在では、
10pI)m以下の酸素量が正確、迅速に測定できる酸
素プローブが要求されている。しかし現行市販プローブ
は、このような極めて低い酸素濃度域では、第3図。b
)及び(C)に示すように起電力波形が不安定で平衡起
電力に達しなかったシ、第3図(alのように平衡値に
達するまでに長い時間かがる欠点がある。これまで、起
電力波形安定化、平衡到達時間の短縮、再現性の向上の
ため種々の方法が検討されている。
例えば、一端閉管形の固体電解質管の外側にアルミナ、
ジルコニア等の耐熱被膜を形成すること、アルミナ、金
属弗化物、有機バインダーからなるコーティング層を形
成すること、これらのコーティング層を固体電解質管外
側に部分的に形成すること、第1図に示したセラミック
・ハウジング4に充填する充填セメントの種類やその構
成方法などが検討され起電力波形の安定性、再現性は顕
著に改善されたが、未だ益々高品質化を目指す製鋼メー
かの要求を満足するに到っていない。
第3図に示したとおりi o ppm以下の低酸素濃度
域での市販酸素プローブの起電力波形は。
安定性が悪く平衡値到達時間が長い欠点がある。
前述の固体電解質管の外側にコーティング層を設ける目
的は溶鋼との濡れ性が良好となり平衡起電力到達時間を
短縮するためと考えられていた。そのため、このコーテ
ィング層の特性として (1)室温から溶鋼中に浸漬しても亀裂の発生がなく素
子から脱落しないこと (2)固体電解質素子の酸素イオン導電性を阻害しない
こと が要求される。第3図の起電力測定に用いた市販プロー
ブの固体電解質素子のコーティング層を試験後観察した
ところ、固体電解質管は完全にコーティング層で覆われ
ており、管の表面が露出していないし、コーティング層
には、亀裂も生じていなかった。従って、このプローブ
のコーティング層は上記要求特性の(1)を満足してい
る。また、このプローブを約501)I)mの酸素濃度
域で測定すると平衡起電力到達時間は7〜9秒であり、
上記要求特性(2)を満足している。しかるに1101
)I)以下の酸素濃度域では、第3図に示したように安
定した平衡起電力に達するまでに時間がかかりすぎる。
これは次の理由によるものと考える。コーティング層は
通常30〜〜150μmのうすい皮膜であるため、溶鋼
に浸7 潰されると短時間に焼結する。一方固体電解質
として主として現在用いられている部分安定化ジルコニ
アは第4図に例示するようにその安定後温度上昇と共に
再び熱膨張する。そのためコーティング層と固体電解質
管の間に微小間隙が生じる。高酸素濃度域では、酸素分
圧が高いので微小間隙は酸素イオン電導には僅かな抵抗
にしかならないが、低酸素濃度域では酸素分圧が低いた
め大きな抵抗となる。第3図に示した起電力波形は、使
用するコーティング層の組成。
膜厚や固体゛電解質の熱膨張率、結晶変態温度により変
わる。
本発明は上記した欠点を解消する溶融金属中の酸素量測
定用固体電解質管を提供することを目的とする。
発明者等は、一端閉管形の固体電解質管の表面に凹凸を
つけその上にコーティング層を塗布することにより、前
述の微小間隙の発生を防止して、低酸素濃度域でも波形
が安定で平衡起市力到達時間を短くできることを見出し
た。
本発明は一端閉管の酸素イオン導電性固体電解質管にお
いて、溶融金属と接する外周面に面粗さRmax5〜5
0μmの凹凸を形成し、その上に耐熱性コーティング層
を施してなる酸素量測定用固体電解質管に関する。
本発明において、酸素イオン導電性固体電解質管はイツ
トリア、マグネシア等の金属酸化物で安定化したジルコ
ニア、ドリア等で一端が閉管のものを用い、溶融金属と
接する閉管側の外周面の面粗さをRmax5〜50μm
の範囲におさえることが必要である。この範囲外では微
小間隙防止の効°朽がなく、更に50μmを越えると固
体電解質管の耐熱衝撃性を低下させる恐れがある。
四部側は耐熱衝撃性の低下を防止するだめ鋭角にせず丸
味を持たせることが好ましい。
固体電解質の表面に凹凸を設けるためには生の成形体又
は仮焼成形体に旋盤で一方向らせん溝や二方向らせん溝
をつける。固体電解質管と同材質の焼結粉体によりプラ
スチングする等の手段をとる。
耐熱性のコーティング層の材料としては耐熱性及び溶鋼
との親和性がよければ制限はないが通常アルミナを主材
として使用し9層の強度を高めるためにCaFz 、M
gFz 、AIFa等の金属弗化物を適量混合したもの
を用いる。アルミナは1500〜1600℃における体
積収縮率が25〜45%のものが好ましい。体積収縮率
が小さい場合は起電力波形の平衡値に達する時間が延長
され9体積収縮率が大きいと起電力波形が不安定になる
ことがあるのでこれを防ぐためである。コーティング層
は、アルミナ又はアルミナに金属弗化物の一種以上を混
合した粉末に有機バインダー及び溶剤を加えよく混練し
た混合物をつくり、これに前述した表面に凹凸を設けた
固体電解質管を浸漬するか、固体電解質・Hに上記l■
L合物を吹付け、刷毛塗り等をした後。
風乾し次いで加熱乾燥して溶剤を除去して形成する。
次に実施例を説明する。
実施例l MgO9モルチ部分安定化ジルコニア粉を常法により造
粒し、ラバープレスを用いて一端閉管に成形した。焼成
後向径3酎、外径5鋼、長さ35關になる゛ように生成
形体を加工した。この際焼成後の表面粗さが第1表に示
す凹凸になるように試料AB、C,Dの生成形体に一方
向らせん溝を旋盤により加工した。この生成形体を50
℃/hの昇温速度で500℃まで昇温、その後100℃
/hの昇温速度で1800℃まで昇温、1soo℃で1
時間保持後1300℃まで放冷し、1300℃で50時
間保持後300℃まで徐冷し焼成した。第1表に示す表
面凹凸の状況の異なる試料A、 B、 C。
Dの4種を製造した。
Aは従来品であり、特に表面状態を規定して加工したも
のでなく1通常の生成形品を加工したときに得られるも
のである。B、 C,Dは本発明によるジルコニア固体
電解質管である。試料&A、B。
Cの表面粗さの測定例を第5図に示す。(Dは振幅が大
きいので省略した。)これらの試料の表面に第2図のよ
うに以下に示す組成のコーティング層を設けた。即ちア
ルミナ(1550℃の焼成による体積収縮率が43%品
)93重量部、弗化カルシウム(試薬1級、平均粒径1
,2μm)7重量部。
アクリルレジン6重量部、溶剤として水30重酸部をボ
ールミル中で50時間混合し、コーティング塗料とした
この塗料に試料A、 B、 C,Dを浸漬後風乾によシ
溶剤を除去したのち、130℃で24時間乾燥して、厚
さ70±10μmのコーティング層を設けた。
これらの試料を用い、第2図に示すジルコニア固体電解
質管をつくり第1図に示す酸素プローグを作成して、溶
鋼浸漬試験を行なった。標準極11にはCrとCr 2
0gの混合物を用いた。測定条件は以下のとおりである
溶解炉:50Kg高周波誘導炉 尚溶鋼の酸素量は粒状アルミニウムを添加して調整した
。溶鋼の表面はアルゴンガスでシールした。各試料点に
ついて各10本試験した。浸漬順序はA、 B、 C,
Dの各1本目を浸漬し、その後各試料屋の2本目を浸漬
し、以下このように100本目で順に浸漬した。試験中
に溶鋼の酸素濃度は気中酸素のとり込みにより増加する
ので1時々粒状アルミニウムを添加して、酸素濃度をお
およそ5ppm以下に保った。
代表的な溶鋼浸漬による起電力波形例を第6図〜第7図
に酸素濃度ごとに示す。第6図は従来品試料&Aの、第
7図は本発明による試料AHの起電力波形例を示す。試
料AC,Dの起電力波形は、Bのものと大体似ている。
起電力の値が±2mVに2秒間以上安定したときの浸漬
開始時からの経過時間を応答時間と定義し、各試料点サ
ンプルについて応答時間を求めその平均値を第1表に示
した。
また、起電力波形の振れを○良、△可、×不可の3ラン
クに分は各サンプルについて判定した。さらに、浸漬後
の固体電解質管について亀裂の有無をしらべた。そδ結
果を第1表に示した。
実施例2 実施例1の試料AHのジルコニア一端間管固体電解質管
の外側に、第2表に示す体積収縮率のアルミナを用いて
実施例1と同一組成同一条件で作成したコーティング塗
料によりコーティング層を設けたのち酸素プローブを作
り、実施例1と同様の試験を行なった。第8図に試料&
Eの起電力波形例を、第9図に試料&Fの起電力波形例
を示す。
また、実施例1にならって評価した結果を第2表に示す
。第2表から明らかなように適度な収縮率を示したアル
ミナを使用した試料AE及びFは応答時間が小さくなっ
ている。
第2表 実施例3 実施例1の試料A A、 B、実施例2の試料&Eを用
いて、第1図に示す構成の酸素プローブを作成し、 R
1(脱ガス処理後の溶鋼中の酸素濃度をff1lJ定し
た。鋼挿は、アルミキルド鋼である。
各試料点についてそれぞれ50本測定した。酸素濃度は
、グローブからの平衡起はカカ;自動読み取りされ、同
時に測定された溶鋼温度を用いて自動表示される仕組み
になっている。規定の1llJ定時間に平衡起電力に達
しない場合はError表示される。供試50本のグロ
ーブで酸素濃度が表示された割合を測定成功率とし第3
表に示した。また。
同一処理パッチの溶鋼の酸素濃度を21可連続して測定
シ、ソレソレノ測定値がxlppln、x2ppInで
らったときの再現性Xを(2)式で定義する。
それぞれの試料点について再現性パを求めその平均値X
と標準偏差を求めて第3表に示した。
第3表から明らかなように測定成功率すま、従来品が6
6%(約273)であるのに対し1本発明の固体電解質
管を用いればほぼ100チ近くとなり、また測定の再現
性又は従来品が0.78に対し本発明品は0.93〜0
.96(完全な再現の場合はl)と改善されている。
本発明によれば低酸素濃度式においても起電力波形が安
定で平衡起電力到達時間が短く測定再現性のよい溶融金
属の酸素量測定用固体iL解質管が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は溶鋼中の酸素量測定プローブの構成を示す一部
欠切断面図、第2図は一端間管形固体電解質素子の構成
の一例を示す断面図、第3図は、低酸素濃度域における
従来の固体電解質管の起電力波形を示すグラフ、第4図
は部分安定化ジルコニアの熱膨張曲線を示すグラフ、第
5図は従来品及び本発明品の表面粗さを示すグラフ、第
6図は従来品試料の起電力波形例示すグラフ、第7図、
第8図及び第9図は本発明試料の起電力波形例を示すグ
ラフである。 符号の説明 1・・・固体電解質素子 2・・・熱電対3・・・Mo
溶鋼極    4・・・セラミックハウジング5・・・
コネクタ    6・・・紙管7・・・断熱保護筒  
 8・・・金属キャップ9・・・コーティング層 16・・・一端間管形固体電解胃管 11・・・標準極      12・・・Mo1J−ド
線13・・・充填剤     14・・・封止剤¥11
 図 土 第 ZID グローフ:/受濱III今神1(オタノ第 5 図 第 7  (2) 手続補正書(自発) 第 δ 目 特許庁長猟殿 1事件の表示 昭和57年特許願第225254号 2、発明の名称 酸素量測定用固体電解質管 ;3.袖正をする者 “lcl’lとの関係   特許出願人名 称 (44
51日立化成工業株式会社4  代    理    
人 式」とあるのを1−低酸素濃度域」とgl正し寸す。 以上

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1、一端間管の酸素イオン導電性固体電解質管において
    、溶融金属と接する外筒面に面粗さRmax5〜50μ
    mの凹凸を形成し、その上に耐熱性コーティング層を施
    してなる酸素量測定用固体電解質管。
JP57225254A 1982-12-21 1982-12-21 酸素量測定用固体電解質管 Pending JPS59114454A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101936783A (zh) * 2010-08-03 2011-01-05 北京航空航天大学 具有氧化钇保护管的热电偶及其采用凝胶注模成型法制氧化钇保护管的方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101936783A (zh) * 2010-08-03 2011-01-05 北京航空航天大学 具有氧化钇保护管的热电偶及其采用凝胶注模成型法制氧化钇保护管的方法

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