[发明专利]高温超低氧快速测定探头

说明书

本发明属高温电化学传感技术。

以固体电解质探头定氧是当今冶金工程所采用的先进技术之一。其结构如图1所示。图中1-固体电解质（形为管状或片状）、2-参比电极、3-防渣帽、4-回路电极、5-高温水泥填料、6-三氧化二铝粉填料、7-陶瓷外套、8-铂丝、9-导线。当前国内外所采用的高温快速定氧探头是以二氧化锆为固体电解质、以钼及氧化钼或其它金属及氧化物为参比电极、以钼为回路电极所制成的探头。固体电解质定氧通过离子导电所产生的电动势予以实现。然而，由于二氧化锆在低氧分压下产生电子导电、高氧分压下产生空穴导电，从而使其测氧范围受到一定局限。如在炼钢温度下一般定氧最低极限仅为30ppm左右，即使经电子及空穴导电特征氧分压修正也只能测定20ppm左右。炼铁及球墨、蠕墨铸铁冶炼中氧含量远远低于20ppm，目前生产的高温快速定氧探头无法应用。当然，当氧压高于0.1MPa时，该探头亦无法使用。

发明人以钙β″三氧化二铝即由CaO、MgO及Al₂O₃所形成的β″相固体电解质（形为管状）替代二氧化锆，由于Caβ″-Al₂O₃的离子导电在温度为1000K时为10^-2（Ω·cm）^-1，电子和空穴导电在834K时分别为2.9×10^-6与9.6×10^-17（Ω·cm）^-1，可略而不计，使Caβ″-Al₂O₃高温定氧探头的定氧不受含氧范围的限制，即高氧低氧均可测定，尤其是可对低氧测至0.001ppm，从而一举解决了炼铁、球墨和蠕墨铸铁冶炼过程中的低氧测定，而且为该冶炼过程的自动控制提供了前提。

此外，由于发明人以氧化钙替代钼及其氧化物做参比电极、以金属陶瓷替代金属钼做回路电极，使本发明与现有技术相比还具有抗氧化、抗腐蚀等特点。

为了清晰说明，下边给出定氧原理及计算公式：

由本发明所构成探头的电池形式为：

金属陶瓷、〔O〕_Fe｜Caβ″-Al₂O₃｜CaO、O₂、Pt

阳极反应（在固体电解质管外）：

CaO（β″）＝Ca⁺⁺+〔O〕_Fe+2e

阴极反应（在固体电解质管内）：

Ca⁺⁺+ 1/2 O₂+2e＝CaO（纯）

故电池反应为：

CaO（β″）+ 1/2 O₂＝CaO（纯）+〔O〕_Fe

由以上反应所测得的电动势E（伏）可计算铁中溶解氧活度α_〔O〕（以炼铁定氧为例）：

Logα_〔O〕＝2.755- (5413+10082E)/(T)

由Logα_〔O〕可计算溶解氧浓度C_〔O〕：

Log C 〔 o 〕 = Log a 〔o 〕 - Σi e io C i (%) ]]>

从而实现定氧目的。

式中：T-测量时的温度（K）

i-溶于铁中的元素

C_i（%）-元素i在铁中的浓度（%）

eⁱ_o-元素i对氧的活度交换系数

CaO（β″）-Caβ″-Al₂O₃中的CaO。

定氧举例：

在钼丝炉中以石墨坩埚为容器，在1350-1500℃范围内，对铜、灰口铸铁合金熔体的氧含量进行测定，测量结果如下：

1.铜液定氧，T＝1637K，