專利名稱：一種鋼液直接定鋁傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化學(xué)傳感測試技術(shù)。
鋁的含量是鋼鐵冶煉過程中一個(gè)很重要的參數(shù)。鋁對鋼的澆鑄過程、鋼的表面質(zhì)量和性能都有很大影響。因此，快速、準(zhǔn)確地測定鋼中的余鋁量十分重要。
目前快速測定鋼液中鋁含量的方法主要是通過定氧傳感器進(jìn)行的。由于鋼液中的氧含量和雜質(zhì)元素(或合金元素)之間有一定的制約關(guān)系，在一定的冶煉條件下，可找出定氧電動(dòng)勢和余鋁量之間的關(guān)系Lg([％Al]×103)=a+bE(mv)就可通過定氧傳感器電動(dòng)勢計(jì)算出鋁含量(見K．Hagen et al．“Umschau-Technical Review”，Stahl and Eisen，95(1975)，398)。式中E為定氧傳感器電動(dòng)勢，a．b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，它隨冶煉條件變更(如加鋁方式、包襯、氬氣保護(hù)等)而改變，這顯然給實(shí)際測定帶來諸多不便。除此之外，用定氧傳感器定鋁，當(dāng)鋼液中氧活度小于1．8×10-7時(shí)，[Al]，[O]脫離平衡關(guān)系，實(shí)際的定鋁實(shí)驗(yàn)值與理論值明顯不符，定氧傳感器難以采用(見圖6)。
為克服現(xiàn)有定氧傳感器定鋁所存在的上述缺陷，發(fā)明人采用了一種新型輔助電極體系(Al2O3+Na3AlF6)做成了直接定鋁傳感器。實(shí)驗(yàn)證明，該傳感器達(dá)到了滿意的預(yù)期效果。


圖1為直接定鋁傳感器剖面裝配示意圖。它主要由ZrO2(MgO)固體電解質(zhì)管，參比電極(Mo+MoO2)和輔助電極(Al2O3+Na3AlF6)三部分組成。其中ZrO2(MgO)表示在ZrO2中加有少量MgO。如圖1所示，其裝配是在固體電解質(zhì)管[4]的外壁，通過950℃燒結(jié)處理使輔助電極[6]附于基上，在管[4]內(nèi)底部裝以(Mo+MoO2)作為參比電極[7]，管中充以Al2O3粉[5]，其上端套一Al2O3管[2]并以高溫水泥[3]將[4]予以密封。由參比電極[7]中引出的Mo絲[1]和與鋼液直接接觸的鉬棒[8]通過金屬導(dǎo)線[9]與二次儀表連接。
本發(fā)明所說的輔助電極是用Al2O3和Na3AlF6混合料調(diào)成糊狀，均勻地涂在ZrO2(MgO)管[4]表面，再經(jīng)干燥和燒結(jié)而制得。Al2O3和Na3AlF6的組分配比可根據(jù)圖2所示的Al2O3-Na3AlF6體系高溫相圖，在測試溫度范圍即T=1823～1873K，使固態(tài)Al2O3和液相平衡共存的原則予以選定。以這種方式確定的組分不僅能使電解質(zhì)與鋼液界面保持固態(tài)Al2O3存在，還可因液態(tài)存在而使氧離子傳導(dǎo)不受阻礙。實(shí)驗(yàn)用定鋁傳感器電化學(xué)電池表達(dá)式為當(dāng)傳感器插入鋼液時(shí)，在固體電解質(zhì)和鋼液界面存在如下平衡反應(yīng)[O]=1／2O2．．．．．．．．1．．．．．．．．．．．．2此時(shí)，根據(jù)物理化學(xué)反應(yīng)基本原理及l(fā)gk=-lgPO2-4／3lgaAl．．．．．．．．．．3lgaAl=lg[%Al]+ΣieAli[%i]·····4]]>可計(jì)算鋼液中鋁的含量。式中aAl，PO2分別是鋁以重量1％溶液為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的亨利活度和氧分壓，K為反應(yīng)(2)的平衡常數(shù)，[％Al]是溶解于鋼液中鋁的重量百分含量，e是元素i對Al的相互作用系數(shù)。計(jì)算時(shí)可供選擇的參數(shù)出處很多。發(fā)明人是從給出文獻(xiàn)中選擇下列數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的。所采用的熱力數(shù)據(jù)為項(xiàng)目 方程Al(1)=[Al](1Wt％溶液) △Gθ(J／mol)=-63118-27．88T (1)1／2O2=[O](1Wt％溶液) △Gθ(J／mol)=-117040-2．88T (2)(s)△Gθ(J／mol)=-1679106+321．02T (3)相互作用系數(shù)eAlAl=0.045]]>△Gθ(J／mol)=-546744+142．83T (4)上式注(1)見J．F．Elliott“The Chemistry of Electric FurnaceSteelmaking”，Electric Furnac Proceedings，32(1974)，62；注(2)見黃克勤，劉慶國“固體電解質(zhì)直接定氧技術(shù)”，冶金工業(yè)出版社，(1993)，112；注(3)見魏壽昆“冶金過程熱力學(xué)”，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1980注(4)見D．Janke ＆ W．A．Fischer“ThermochemicalDate for The Reaction，and1／2O2=[O]in Liquid Iron，Arch．Eisenhuettenwes，4b(1975)755。
式中wt％為重量百分?jǐn)?shù)，s表示固態(tài)，l表示液態(tài)，△Gθ為吉布斯標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)自由能，J／mol為焦耳／摩爾，T為絕對溫度。
本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)是在Al2O3坩堝中，內(nèi)裝-0．5kg鋼料，用純Ar氣保護(hù)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定的鋼水中鋁含量在0．005～0．1％之間，通過加入一定量高純鋁絲＞99．9％進(jìn)行調(diào)整。每次加鋁后要充分?jǐn)嚢?，才能插入定鋁傳感器測量電動(dòng)勢。插入時(shí)間為10～20秒，每一組成試驗(yàn)定鋁傳感器3～5支，取分析樣前用普通定氧傳感器進(jìn)行一次測定，以便和定鋁傳感器進(jìn)行對比。
實(shí)驗(yàn)溫度由up-25型溫控儀控制，精度為±1K?？刂贫ㄤX傳感器插入時(shí)間間隔，使由于定鋁傳感器插入鋼水而引起的溫度變化在±5K以內(nèi)。傳感器的電池電動(dòng)勢用1MΩ內(nèi)阻的3057-22型長圖記錄儀記錄，以便分析響應(yīng)過程和取值。
實(shí)驗(yàn)例見圖3-7。
圖3是典型的定鋁電動(dòng)勢隨時(shí)間變化的曲線。其中縱座標(biāo)EMF為定鋁電動(dòng)勢，mv為毫伏，橫坐標(biāo)t為時(shí)間，s為秒。實(shí)驗(yàn)條件是T=1823K，[％Al]=0．003。曲線在5秒附近出現(xiàn)的平臺為儀表量程不足所致。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，使用本發(fā)明，其響應(yīng)速度在10秒以內(nèi)，完全滿足現(xiàn)場測定要求。
圖4是電動(dòng)勢和鋁活度對數(shù)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)值(▲)與理論計(jì)算值(□)的比較(T=1823K)。實(shí)驗(yàn)證明二者符合較好。
圖5是在T=1823～1873K，電動(dòng)勢和鋁活度對數(shù)關(guān)系實(shí)驗(yàn)值(▲)與理論值(□)的比較，實(shí)驗(yàn)證明在不同溫度下測定，二者符合仍然較好。
圖6為用普通定氧傳感器定鋁，其電動(dòng)勢與鋁活度對數(shù)的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)說明，當(dāng)鋼液中氧活度小于1．8×10-7時(shí)，實(shí)驗(yàn)值與理論值明顯不符。
圖7是用本發(fā)明測鋁時(shí)，其測試值與化學(xué)分析值之比較(T=1823K)。圖中縱坐標(biāo)[％Al]cal為傳感器定鋁值，橫坐標(biāo)[％Al]ana為化學(xué)分析值。實(shí)驗(yàn)表明，二者交叉點(diǎn)(■)分布接近于45°直線，兩值附合較好。
權(quán)利要求
1一種鋼液直接定鋁傳感器，它包括a ZrO2(MgO)固體電解質(zhì)管[4]及在其外壁燒結(jié)的輔助電極[6]，b 在管[4]內(nèi)底部裝以(Mo+MoO2)作參比電極[7]，c 管中充以Al2O3粉[5，]，在管[4]的上部套一Al2O3管[2]，并以高溫水泥[3]將[4]予以密封，d 由參比電極[7]中引出的Mo絲[1]和與鋼液直接接觸的鉬棒[8]通過金屬導(dǎo)線[9]與二次儀表連接，其特征在于所說的輔助電極是由(Al2O3+Na3AlF6)體系制成，其組分配比可根據(jù)在測試溫度范圍，使固態(tài)Al2O3和液態(tài)Na3AlF3平衡共存的原則由Al2O3-Na3AlF6體系高溫相圖(見圖2)予以選定。
全文摘要
本發(fā)明屬化學(xué)傳感測試技術(shù)。它的目的是解決目前在鋼液中快速定鋁時(shí)通過定氧傳感器間接定鋁的過程中,從定氧傳感器電動(dòng)勢換算鋁含量時(shí)因其經(jīng)驗(yàn)常數(shù)隨冶煉條件變更而改變給實(shí)際定鋁造成的諸多不便,以及當(dāng)鋼液中氧活度小于1.8×10
文檔編號G01N27/417GK1205435SQ9711220
公開日1999年1月20日 申請日期1997年7月11日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月11日
發(fā)明者李福焱, 李麗芬, 何洪鵬 申請人:北京科技大學(xué)