[发明专利]用于分析熔融金属成分的探测元件

说明书

本发明涉及用于分析熔融金属成分的探测元件，特别涉及用于检测微量元素(例如炼钢过程中的硫)的探测元件。

使用固态电解质探测元件依靠的原理是电解质两侧存在着电势差(电压)，该电解质包含给定化学元素的可移动离子，并且该电解质分隔两个部分，其中相同的化学元素具有不同的化学活度。

电压与这两个不同化学活度有关，该电压由被称为Nernst公式的式子给出：式中：

R＝克分子气体常数(8.3144J/摩尔·K)

T＝绝对温度，K

Z＝所考虑的电化学平衡中电子传递数量(在每个系统中，这是个已知数)

F＝法拉第常数(96,485库仑/摩尔)

a_整体和a_参照是两个化学活度。

在电解质的一个侧边通过使用一个己知且已确定的化学系统(即所谓的参照系统)即可固定两个化学活度中的一个。当已经知道电解质两界面的温度(且两界面温度相同)时，电解质两侧的电压与未知的化学活度直接相关。而这个未知化学活度则与元素含量相关。

以稳定化的氧化锆固体电解质为基的探测元件通常用于钢铁工业和炼铜业，以检测熔融金属中的氧含量。目前，在钢水中广泛使用的探测元件是一种用Electro-Nite制成的称为“Celox”的探测元件，这是一种浸入式探测元件且在钢水中的寿命非常短，仅约1分钟。探测元件浸入钢水的一端是一致密的硬厚纸制成的管，管的端部用陶瓷制成，管内装入探测元件用电解质。

CB-A-2196430描述了一种用于探测钢水的连续式探测元件，其中，在耐火材料制内管与外管之间有一个耐火材料制成的热缓冲件，内管用于放置测试元件，而外管罩在内管外，至少罩住探测元件浸入钢水的那一部分。所述耐火材料用于防止测试元件的温度波动过大，进而也防止测试元件浸入熔融金属的部分与在熔融金属之上的部分之间的温差过大。

用于在溶融金属中探测其它元素的各种电化学探测元件目前正在开发之中，这些元素包括钢和锌中的铝、钢和生铁中的硅、生铁和铜中的硫、生铁和铜中的磷、钢中的铬、铝中的钠、铜锡合金中的铜，铅钙合金中的钙和铝锂合金中的锂。开发这类装置的主要障碍是如何制造既能经受住高温又能耐化学侵蚀的装置。

例如，GB-A-1470558使用了固体钠β-氧化铝电解质，该电解质通过穿过基质阵列的钠离子的运动来导电。尽管钠β-氧化铝在探测例如铁或钢中的硫时属于化学上适宜的固态电解质，这因为根据公式，钠离子会与钢中的硫离子发生反应生成硫化钠，但是事实上，用钠β-氧化铝作为固态电解质制成的探测元件在浸入例如钢水中时将会承受强烈的热冲击，进而在使用中会产生破裂。另外此专利还公开了锂、钾、铷、铜、银、铊和镓的β-氧化铝化合物在此先有技术的方法和设备中的使用。

我们现已开发出一种用于分析熔融金属化学成分的探测元件，该元件以变质锶β-氧化铝为基且其热冲击性能大大提高。

因此，本发明提供一种用于检测熔融金属或合金中微量元素的探测元件，其组成包括氧化锆韧化锶β-氧化铝固态电解质。

根据本发明，通过用氧化锆韧化处理使锶β-氧化铝的耐热冲击性大大提高。因而实际消除了因热冲击引起的探测元件的损坏。此外，将氧化锆添加到锶β-氧化铝中可产生高密度材料，因为在材料成形期间氧化锆可起到烧结剂的作用。固态电解质材料的性能取决于它所具有的高密度。

添加到本发明使用的氧化锆韧化材料中的氧化锆的添加量通常在5-25％(重量)范围内，最好是在10-20％(重量)范围之内。