JP3000692B2 - Sensor for measuring oxygen and metal concentration in molten metal - Google Patents
Sensor for measuring oxygen and metal concentration in molten metalInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、結晶構造の酸素欠損に
基づく酸素イオン伝導体であるムライトを用い溶融金属
中に存在する酸素の分圧を測定する酸素濃度測定素子お
よび脱酸材として用いられる溶融金属中のシリコンまた
はアルミニウム濃度を迅速にかつ精度よく測定する金属
濃度測定素子(以下単にセンサーと称する)に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oxygen concentration measuring element and a deoxidizing material for measuring the partial pressure of oxygen present in a molten metal using mullite, which is an oxygen ion conductor based on oxygen deficiency in a crystal structure. The present invention relates to a metal concentration measuring element (hereinafter simply referred to as a sensor) for quickly and accurately measuring the concentration of silicon or aluminum in a molten metal to be obtained.
【0002】[0002]
【従来の技術】ムライトは結晶構造の酸素欠損に基づく
酸素イオン伝導体であり、Al2O3 −SiO2の2成分系にお
いて常圧下で安定に存在する唯一の化合物であり、3Al2
O3・2SiO2 が中心組成としてよく知られている。しか
し、ムライトは、その構成成分であるAl2O3 とSiO2のそ
れぞれの粉末を3:2のモル比に混合し高温で焼成して
も、ムライト単一相からなる焼結体として得ることは困
難である。そのため、従来、ムライトセラミックスは、
天然の珪酸アルミニウムとアルミナを用いて製造されて
いたが、その際、3Al2O3・2SiO2 組成より過剰のSiO2と
不純物として含まれるアルカリ金属酸化物とから成るガ
ラス相を形成させ、かかるガラス相を液相とする液相焼
結によってムライト相が主成分の焼結体としていた。 2. Description of the Related Art Mullite is an oxygen ion conductor based on oxygen vacancies in the crystal structure, and is the only compound that exists stably under normal pressure in a binary system of Al 2 O 3 —SiO 2 , and 3Al 2
O 3 · 2SiO 2 is well known as the central composition. However, mullite can be obtained as a sintered body consisting of a single phase of mullite even if the respective components, Al 2 O 3 and SiO 2 , are mixed in a molar ratio of 3: 2 and fired at a high temperature. It is difficult. Therefore, conventionally, mullite ceramics
Had been produced using a natural aluminum silicate and alumina, this time to form a glass phase consisting of alkali metal oxides and included as excess SiO 2 and impurities from 3Al 2 O 3 · 2SiO 2 composition, such The liquid phase sintering using a glass phase as a liquid phase resulted in a mullite phase-based sintered body.
【0003】このような多相共存のセラミックスにイオ
ン伝導性があることを見出したのはHaberら (1906年)
であるが、彼らはアルカリ不純物によるイオン伝導が主
であるとした。Schuh ら(1968年)はムライトとシリマ
ナイト(Al2O3・SiO2)の中間組成のセラミックスが酸素
イオン伝導性を有することを見出し、この性質は結晶中
のSi原子がAl原子で置換する際に生ずる酸素イオン空孔
によるものであると論じた。[0003] Haber et al. (1906) found that such multi-phase coexisting ceramics had ionic conductivity.
However, they assumed that ionic conduction due to alkaline impurities was the main. Schuh et al. (1968) found that ceramics with an intermediate composition of mullite and sillimanite (Al 2 O 3 · SiO 2 ) have oxygen ion conductivity. This property is based on the fact that Si atoms in crystals are replaced by Al atoms. It was argued that this was due to the oxygen ion vacancies generated in the reaction.
【0004】さらに、Fischer とJanke(1969年)はムラ
イトが高温においてほぼ完全な酸素イオン伝導体であ
り、ジルコニアより優れていることを確認した。しか
し、ムライトセラミックス中に共存するアルカリ成分に
よるガラス相が、高温における耐食性の劣化の原因とな
って、結晶体の寿命が短いという欠点があり、これまで
その存在は知られていたが、その特性を利用して実用に
供されることはなかった。Further, Fischer and Janke (1969) have confirmed that mullite is an almost perfect oxygen ionic conductor at high temperatures and is superior to zirconia. However, the glass phase due to the alkali component coexisting in mullite ceramics causes the deterioration of corrosion resistance at high temperatures and has the disadvantage that the life of the crystal is short. Was not put to practical use.
【0005】ところで、金属の溶融精錬において、酸素
濃度ばかりでなく、金属中のシリコン濃度およびアルミ
ニウム濃度を迅速に測定することも重要である。例え
ば、鉄鋼精錬において、転炉の前処理として溶銑の脱り
ん、脱硫が盛んに行われているが、その処理剤の反応効
率は溶銑中のシリコンによって大きく減じられる。その
ため、処理剤の添加量は溶銑中のシリコン濃度に応じて
変化させる必要があり、溶銑中のシリコン濃度を迅速に
把握することが不可欠となっている。In the refining of metals, it is important to quickly measure not only the oxygen concentration but also the silicon and aluminum concentrations in the metal. For example, in steel refining, dephosphorization and desulfurization of hot metal are frequently performed as pretreatment of a converter, but the reaction efficiency of the treating agent is greatly reduced by silicon in the hot metal. Therefore, it is necessary to change the addition amount of the treating agent according to the silicon concentration in the hot metal, and it is essential to quickly grasp the silicon concentration in the hot metal.
【0006】また、鉄鋼精錬において、転炉の後処理と
して溶鋼の脱酸が行われているが、その処理剤はアルミ
ニウムあるいはアルミニウムを主成分とする合金であ
る。多量のアルミニウムの添加は脱酸に効果的である
が、溶鋼中のアルミニウム濃度が過度になれば、むしろ
鋼の機械的性質が劣化する。このため、脱酸処理後の溶
鋼中のアルミニウム濃度を迅速に把握することが不可欠
となっている。従来、このシリコン濃度あるいはアルミ
ニウム濃度の測定には化学分析または機器分析が用いら
れていたが、最も速いといわれる発光分光分析によって
も、試料採取から測定結果を得るまで約10分を要してお
り、迅速性を満足するものではない。[0006] In steel refining, molten steel is deoxidized as a post-treatment of a converter. The treating agent is aluminum or an alloy containing aluminum as a main component. The addition of a large amount of aluminum is effective for deoxidation, but when the aluminum concentration in the molten steel is excessive, the mechanical properties of the steel are rather deteriorated. For this reason, it is indispensable to quickly grasp the aluminum concentration in the molten steel after the deoxidation treatment. Conventionally, chemical or instrumental analysis has been used to measure the silicon or aluminum concentration.However, even with emission spectroscopy, which is said to be the fastest, it takes about 10 minutes from sampling to obtaining measurement results. It does not satisfy quickness.
【0007】今日、溶融金属用酸素センサーとして実用
化されているのはジルコニア系固体電解質から成るもの
である。このジルコニア系固体電解質は、ZrO2にCaO 、
MgOまたはY2O3を加えた焼結体であり、結晶中のZr原子
がCa等の原子で置換される際に生ずる酸素イオン空孔を
介した酸素イオン伝導体として知られている。高温にお
ける測定値の安定性、再現性、および耐食性の面から、
溶融金属用酸素センサーとして広く用いられている。と
ころで、酸素イオン伝導体に発生する起電力Eは次式で
表される。[0007] Today, a zirconia-based solid electrolyte is used as an oxygen sensor for molten metal. This zirconia-based solid electrolyte is composed of ZrO 2 with CaO,
It is a sintered body to which MgO or Y 2 O 3 is added, and is known as an oxygen ion conductor through oxygen ion vacancies generated when Zr atoms in a crystal are replaced with atoms such as Ca. In terms of stability, reproducibility, and corrosion resistance of measured values at high temperatures,
Widely used as oxygen sensor for molten metal. By the way, the electromotive force E generated in the oxygen ion conductor is expressed by the following equation.
【0008】[0008]
【数1】 (Equation 1)
【0009】ここで、R: 気体定数、 T: 絶対温度、 F: ファラデー定数、 Po2 : 標準極の酸素分圧、 Po2': 測定する金属融体中の酸素分圧 また、Pθは電子伝導による補正項であり、固体電解質
が十分イオン伝導性であれば無視できる。Here, R: gas constant, T: absolute temperature, F: Faraday constant, Po 2 : oxygen partial pressure of the standard electrode, Po 2 ': oxygen partial pressure in the metal melt to be measured. This is a correction term due to conduction, and can be ignored if the solid electrolyte is sufficiently ionic conductive.
【0010】しかしながら、ジルコニア固体電解質は、
高温で低酸素分圧の環境下ではイオン伝導の他に電子伝
導が生じる欠点を有し、使用に際しては(1) 式において
Pθを用いて補正計算を行い、酸素分圧を求める必要が
あり、そのためPθ値の精度が問題となる。さらに、ジ
ルコニア系の場合、溶融金属中に炭素が存在すると、固
体電解質表面にジルコニウム炭化物が生成し、正しい酸
素分圧値を得ることができない。However, the zirconia solid electrolyte is
Under the environment of high temperature and low oxygen partial pressure, there is a disadvantage that electron conduction occurs in addition to ion conduction.In use, it is necessary to perform correction calculation using Pθ in equation (1) to obtain oxygen partial pressure, Therefore, the accuracy of the Pθ value becomes a problem. Further, in the case of zirconia, if carbon exists in the molten metal, zirconium carbide is generated on the surface of the solid electrolyte, and a correct oxygen partial pressure value cannot be obtained.
【0011】一方、近年、酸素濃淡電池を利用したシリ
コン( アルミニウム) 濃度測定用センサーが示されてい
る。それらを大別すると次の三種類となる。 I) 酸素濃度測定に用いられているジルコニア系固体電
解質の表面にSiO2活量またはAl2O3 活量が既知の酸化物
または弗化物を塗布した、いわゆる副電極型のもの (特
開昭61−142455号公報、特開昭61−260155号公報、特開
昭61−260156号公報、特開昭64−459 号公報、特開平1
−203971号公報) 。 II) 安定化または部分安定化ジルコニアにシリケート系
化合物を1.5 〜25重量%混合して成型し焼結させたもの
(特開昭63−151846号公報) 。 III) 電解質としてCaO −SiO2系を主成分とする溶融ス
ラグを用いたもの (特開昭59−73763 号公報) 。On the other hand, in recent years, a sensor for measuring silicon (aluminum) concentration using an oxygen concentration cell has been disclosed. These are roughly classified into the following three types. I) A so-called sub-electrode type in which an oxide or fluoride having a known activity of SiO 2 or Al 2 O 3 is applied to the surface of a zirconia-based solid electrolyte used for oxygen concentration measurement (Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-142455, JP-A-61-260155, JP-A-61-260156, JP-A-64-459, and JP-A-1
-203971). II) Stabilized or partially stabilized zirconia mixed with 1.5 to 25% by weight of silicate compound, molded and sintered
(JP-A-63-151846). III) those using molten slag mainly comprising CaO -SiO 2 system as the electrolyte (JP-59-73763 JP).
【0012】従来報告されている上記のシリコン濃度(
アルミニウム濃度) 測定用センサーの中で、上記 I) の
形式のものはジルコニア固体電解質による酸素分圧測定
を基本としているため、高温におけるジルコニア中の電
子伝導性による測定誤差が十分解決されているとは言い
難い。また、SiO2またはAl2O3 を含む塗布膜の厚さおよ
び塗布の形態によって起電力値およびその安定性が異な
る。さらに、再加熱によって電解質に固着させるためコ
スト高となる等、問題が多い。[0012] The silicon concentration (
(Aluminum concentration) Among the sensors for measurement, those of the type I) above are based on oxygen partial pressure measurement using a zirconia solid electrolyte, so that the measurement error due to electron conductivity in zirconia at high temperature has been sufficiently solved. Is hard to say. Further, the electromotive force value and its stability vary depending on the thickness and the form of the coating film containing SiO 2 or Al 2 O 3 . Furthermore, there are many problems, such as high cost due to fixing to the electrolyte by reheating.
【0013】一方、II) の形式のものは、化合物の種
類、SiO2量および焼成条件によって電解質中のSiO2活量
が変化し起電力が変わるため、シリコン濃度測定値の再
現性向上には、電解質中のシリケート化合物量を厳密に
管理する必要がある。また、I)と同様に高温におけるジ
ルコニア中の電子伝導性による測定誤差が問題となる。On the other hand, in the case of the type II), the electromotive force changes due to the change in the activity of SiO 2 in the electrolyte depending on the type of the compound, the amount of SiO 2 and the firing conditions. In addition, it is necessary to strictly control the amount of the silicate compound in the electrolyte. Further, similarly to I), a measurement error due to electron conductivity in zirconia at a high temperature becomes a problem.
【0014】III) の形式のものは、電解質が融体であ
るため、これを溶銑と基準極の界面に保持することが難
しい上に、溶銑との反応を無視できない。これらのセン
サーでは、溶銑と接する面のSiO2活量もしくはAl2O3 活
量を一定にすることが重要となっている。その理由を以
下に述べる。センサーを溶銑に浸漬した場合、溶銑とSi
O2との間に(2) 式の平衡が成立する。In the type III), since the electrolyte is a melt, it is difficult to hold the electrolyte at the interface between the hot metal and the reference electrode, and the reaction with the hot metal cannot be ignored. In these sensors, it is important to keep the activity of SiO 2 or Al 2 O 3 on the surface in contact with the hot metal constant. The reason is described below. When the sensor is immersed in hot metal, hot metal and Si
The equilibrium of equation (2) is established with O 2 .
【0015】 Si + 2 0 = SiO2 (電解質) ・・・ (2) この反応の平衡定数Kは(3) 式で表される。 K = asio2/(asi・a0 2) = asio2/(fsi[%Si]・a0 2) ・・・(3) ここで、a sio2は電解質表面でのSiO2の活量、asiおよ
びa0 はそれぞれ溶銑中のシリコンおよび酸素の活量、f
siおよび[%Si] はそれぞれ溶銑中のシリコンの活量係数
および重量%である。Si + 20 = SiO 2 (electrolyte) (2) The equilibrium constant K of this reaction is expressed by the following equation (3). K = a sio2 / (a si · a 0 2 ) = a sio2 / (f si [% Si] · a 0 2 ) (3) where a sio2 is the activity of SiO 2 on the electrolyte surface. , A si and a 0 are the activities of silicon and oxygen in the hot metal, respectively, f
si and [% Si] are the activity coefficient and the weight% of silicon in the hot metal, respectively.
【0016】(3) 式を変形すると(4) 式となる。By transforming equation (3), equation (4) is obtained.
【0017】 [%Si] = asio2/a0 2 ・1/(K・fsi) ≒ C・asio2/a0 2 ・・・(4) ここで、Cは(4) 式で表される。 log C = −log K− log fsi = −log K− Σesi (i)[%i] ・・・(5) esi (i) はSiの活量係数に及ぼすi成分の影響を表す相
互作用助係数である。SigworthとElliott によれば、16
00℃においてC、O以外のesi (i) の値の絶対値は0.1
以下であり、[%i]が小さい領域ではCは定数とみなすこ
とができる。一方、esi (c) は0.18であり、C濃度の高
い溶銑と低い溶鋼とではCの値を使い分ける必要があ
る。いずれにしても、(3) 式においてa sio2が既知なら
ば、電解質a0 を測定することにより、[%Si] を求める
ことができる。[% Si] = a sio 2 / a 0 2 · 1 / (K · f si ) ≒ C · a sio 2 / a 0 2 (4) where C is represented by equation (4). You. log C = −log K−log f si = −log K−Σe si (i) [% i] (5) e si (i) is a mutual representing the effect of the i component on the activity coefficient of Si. It is an operation assistance coefficient. According to Sigworth and Elliott, 16
At 00 ° C., the absolute value of e si (i) other than C and O is 0.1
In the following, C can be regarded as a constant in a region where [% i] is small. On the other hand, e si (c) is 0.18, and it is necessary to use different values of C between hot metal having a high C concentration and molten steel having a low C concentration. In any case, if a sio2 is known in the equation (3), [% Si] can be obtained by measuring the electrolyte a 0 .
【0018】一方、溶銑とAl2O3 との間にも同様の関係
が成立する。 Al + 3/2 0 = 1/2 Al2O3 (電解質) ・・・
(6) この反応の平衡定数Kは(2) 式で表される。 K = aAl2o3 1/2/(aAl・a0 3/2) = aAl2o3 1/2/(fAl[%Al]・a0 3/2) ・・・(7)
ここで、 aAl2o3 は電解質表面でのAl2O3 の活量、aAl
およびa0 はそれぞれ溶銑中のシリコンおよび酸素の活
量、fAlおよび[%Al] はそれぞれ溶融金属中のアルミニ
ウムの活性係数および重量%である。On the other hand, a similar relationship holds between the hot metal and Al 2 O 3 . Al + 3/2 0 = 1/2 Al 2 O 3 (electrolyte) ・ ・ ・
(6) The equilibrium constant K for this reaction is expressed by equation (2). K = a Al2o3 1/2 / (a Al · a 0 3/2) = a Al2o3 1/2 / (f Al [% Al] · a 0 3/2) ··· (7)
Where a Al2o3 is the activity of Al 2 O 3 on the electrolyte surface, a Al
And a 0 are the activities of silicon and oxygen in the hot metal, respectively, and f Al and [% Al] are the activity coefficient and the weight% of aluminum in the molten metal, respectively.
【0019】(7) 式を変形すると(8) 式となる。 [%Al] = aAl2o3 1/2/a0 3/2 ・1/(K・fAl) ≒ C・aAl2o3 1/2/a0 3/2 ・・・(8) ここで、Cは(9) 式で表される。 log C = −log K− log fAl = −log K− ΣeAl (i)[%i] ・・・(9) eAl (i) はAlの活量係数に及ぼすi成分の影響を表す相
互作用助係数である。前述のシリコンの場合と同様に、
SigworthとElliott によれば、1600℃の鉄基融体におい
てC、O以外のeAl (i) の値の絶対値は0.06以下であ
り、[%i]が小さい領域ではCは定数とみなすことができ
る。一方、eAl (c) は0.09である。(8) 式においてa
Al2o3 が既知ならば、電解質a0 を測定することによ
り、[%Al] を求めることができる。By transforming equation (7), equation (8) is obtained. [% Al] = a Al2o3 1/2 / a 0 3/2 · 1 / (K · f Al) ≒ C · a Al2o3 1/2 / a 0 3/2 ··· (8) where, C is It is expressed by equation (9). log C = −log K−log f Al = −log K−Σe Al (i) [% i] (9) e Al (i) is a mutual expression indicating the effect of the i component on the activity coefficient of Al. It is an operation assistance coefficient. As in the case of silicon described above,
According to Sigworth and Elliott, in an iron-based melt at 1600 ° C, the absolute value of e Al (i) other than C and O is 0.06 or less, and C is regarded as a constant in the region where [% i] is small. Can be. On the other hand, e Al (c) is 0.09. In equation (8), a
If Al2o3 is known, by measuring the electrolyte a 0, can be obtained [% Al].
【0020】[0020]
【発明が解決しようとする課題】このように、従来広く
用いられてきたジルコニア系固体電解質は、例えば溶鋼
の真空脱ガス処理の場合のように高温で低酸素分圧ある
いは炭素共存の測定環境下において、溶融金属中の酸素
分圧を直接精度よく測定することはできない。しかしな
がら、今日非鉄金属の真空処理の分野でも直接高精度で
溶融金属中の酸素分圧を測定する必要性が高まり、その
ような環境にも適用できる酸素センサーの開発が求めら
れている。As described above, zirconia-based solid electrolytes which have been widely used in the past can be used in a measurement environment in which a low oxygen partial pressure or carbon coexists at a high temperature, for example, in the case of vacuum degassing of molten steel. , It is not possible to directly and accurately measure the oxygen partial pressure in the molten metal. However, in the field of vacuum processing of non-ferrous metals, the need to directly measure the oxygen partial pressure in the molten metal with high accuracy has increased, and the development of an oxygen sensor applicable to such an environment has been demanded.
【0021】また、従来示されているシリコン濃度( ア
ルミニウム濃度) 測定用センサーは、副電極の塗布形
態、塗布厚さ、高温における剥離が重要な課題になって
いる。また、原料の配合量に厳密さを要すること、電子
伝導の寄与を無視できないこと、高温で溶銑と反応し易
いこと等、溶銑中のシリコン、およびアルミニウム濃度
を迅速に精度よく測定することはできない。ここに、本
発明の一つの目的は、特に高温・低酸素分圧あるいは炭
素共存下において溶融金属中の酸素分圧を直接精度よく
測定する溶融金属用の酸素センサーを提供することであ
る。本発明の別の目的は、特に高温・低酸素分圧あるい
は炭素共存下において溶融金属中の脱酸材濃度( シリコ
ン濃度およびアルミニウム濃度) を直接精度よく測定す
る溶融金属用の金属濃度測定用センサーを提供すること
である。Further, in the conventional sensor for measuring silicon concentration (aluminum concentration), the coating form of the sub-electrode, coating thickness, and peeling at high temperature are important issues. In addition, it is not possible to quickly and accurately measure the concentrations of silicon and aluminum in hot metal, such as the fact that the amount of raw materials must be strict, the contribution of electron conduction cannot be ignored, and it easily reacts with hot metal at high temperatures. . Here, one object of the present invention is to provide an oxygen sensor for molten metal which directly and precisely measures the oxygen partial pressure in the molten metal under high temperature and low oxygen partial pressure or in the presence of carbon. Another object of the present invention is to provide a metal concentration measurement sensor for a molten metal that directly and accurately measures the concentration of a deoxidizer (silicon concentration and aluminum concentration) in the molten metal particularly at high temperatures and low oxygen partial pressures or in the presence of carbon. It is to provide.
【0022】[0022]
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
ムライトの酸素イオン伝導性の点に着目して種々研究を
重ね、上述のような耐食性および浸透性の劣化に関して
は、アルカリ金属酸化物、その他低融点酸化物などの不
純物の量を低減するとともに気孔率を制限することによ
って解消されることを知見し、本発明を完成した。よっ
て、本発明によれば、熱衝撃性および高温における耐食
性、耐浸透性を改善すべく、不純物濃度を1重量%以
下、気孔率を5%以下とすることによって高温において
酸素イオン伝導性が主であり電子伝導性の影響が小さい
ムライト質固体電解質から成る酸素センサーが得られ
る。Means for Solving the Problems Accordingly, the present inventors have:
Focusing on the oxygen ion conductivity of mullite, various studies have been conducted, and regarding the deterioration of corrosion resistance and permeability as described above, the amount of impurities such as alkali metal oxides and other low melting point oxides has been reduced, and pores have been reduced. The inventors have found that the problem is solved by limiting the rate, and completed the present invention. Therefore, according to the present invention, in order to improve thermal shock resistance, corrosion resistance at high temperatures, and penetration resistance, oxygen ion conductivity at high temperatures is mainly controlled by setting the impurity concentration to 1% by weight or less and the porosity to 5% or less. Thus, an oxygen sensor made of a mullite solid electrolyte having a small effect on electron conductivity can be obtained.
【0023】さらに、熱衝撃性を一層向上させるため
に、上記ムライト質固体電解質に、SiO2を15重量%以
下、そして耐食性を向上させるためにはAl2O3 を20重量
%以下および/またはZrO2を20重量%以下それぞれ単独
であるいは複合化して添加する。一方、ムライトはそれ
自体がSiO2−Al2O3 系化合物であり、SiO2過剰およびAl
2O3 過剰の両組成域でそれぞれ一定のSiO2活量およびAl
2O3 活量を有する。したがって、前述のように本発明に
よれば、酸素分圧は高い精度で迅速に測定され、しかも
酸素分圧と酸素活量とがほぼ等しく、一定の比例関係に
あると考えられるから前述の(4) 式および(8) 式にした
がって、溶融金属中で酸素と平衡状態にある金属脱酸材
成分、すなわちシリコン濃度およびアルミニウム濃度を
高い精度で迅速に測定可能であることを知り、本発明を
完成した。In order to further improve the thermal shock resistance,
In addition, the mullite solid electrolyte is composed of 15% by weight or less of SiO 2 and 20% by weight or less of Al 2 O 3 and / or 20% by weight or less of ZrO 2 in order to improve corrosion resistance. And add. Meanwhile, mullite is itself a SiO 2 -Al 2 O 3 -based compound, SiO 2 excess and Al
Constant SiO 2 activity and Al in both composition regions in excess of 2 O 3
Has 2 O 3 activity. Therefore, according to the present invention, as described above, the oxygen partial pressure is quickly measured with high accuracy, and the oxygen partial pressure and the oxygen activity are almost equal, and it is considered that the oxygen partial pressure is in a certain proportional relationship. According to the equations (4) and (8), the metal deoxidizer in equilibrium with oxygen in the molten metal, that is, the silicon concentration and the aluminum concentration can be quickly measured with high accuracy. completed.
【0024】よって、本発明は、熱衝撃性および高温に
おける耐食性、耐浸透性を改善すべく、不純物濃度を1
重量%以下、気孔率を5%以下とすることによって高温
において酸素イオン伝導が主であり電子伝導性の影響が
小さいムライト質固体電解質から成る焼結体であり、該
ムライト質固体電解質に、SiO 2 15 重量%以下および/
またはAl 2 O 3 20重量%以下および/またはZrO 2 20 重量
%以下をさらに含有させた、溶融金属中の酸素、シリコ
ン、およびアルミニウムの少なくとも1種の濃度を測定
することを特徴とするセンサーである。このように、本
発明によれば、高温において酸素イオン伝導度がジルコ
ニア系より高いため、電子伝導の寄与による分極現象を
抑えることができる。また、副電極剤を必要とせず、電
子伝導性による誤差を無視できる上に、溶銑温度では固
体で耐食性に優れているセンサーが得られる。Therefore, in order to improve the thermal shock resistance, corrosion resistance at high temperature, and permeation resistance, the present invention has an impurity concentration of 1%.
A sintered body made of a mullite solid electrolyte mainly containing oxygen ions at a high temperature and having little effect on electron conductivity by setting the porosity to 5% or less and the porosity to 5% or less ;
15% by weight or less of SiO 2 and / or
Or 20% by weight or less of Al 2 O 3 and / or 20% by weight of ZrO 2
%, Further comprising measuring the concentration of at least one of oxygen, silicon, and aluminum in the molten metal. As described above, according to the present invention, since the oxygen ion conductivity is higher than that of the zirconia-based material at a high temperature, the polarization phenomenon due to the contribution of electron conduction can be suppressed. In addition, a sensor that does not require a sub-electrode agent, can ignore errors due to electron conductivity, and is solid at the hot metal temperature and has excellent corrosion resistance.
【0025】[0025]
【作用】次に、本発明において上述のように、組成限定
した理由について詳述する。まず、ムライト自体の構造
であるが、Taylor (1933年)によれば、シリマナイト(A
l2O3・SiO2) の構造はAlO6無限八面体鎖からなり、SiO4
およびAlO4の二重四面体鎖を介して相互に結合してい
る。Scholz(1955年)は、シリマナイトの各4番目のSi
原子がAl原子で置き換り、酸素原子が適当に減少するこ
とにより、構造に歪が生じ、酸素イオン空孔を備えたム
ライトになるとした。このような酸素イオン空孔の生成
は、ジルコニア系固体電解質において結晶中のZr原子が
Ca等の原子で置換される際に酸素イオン空孔が生じるこ
とに似ている。しかし、ジルコニア中のZr−O 結合に比
べてムライト中のSi−O 結合は強いため、ジルコニアに
おけるより高い温度でムライトが酸素イオン伝導体にな
る。Next, the reason why the composition is limited in the present invention as described above will be described in detail. First, regarding the structure of mullite itself, according to Taylor (1933), sillimanite (A
l 2 O 3 · structure of SiO 2) consists of AlO 6 infinite octahedra chain, SiO 4
And AlO 4 are linked to each other via a double tetrahedral chain. Scholz (1955) describes the fourth Si of sillimanite
When the atoms were replaced by Al atoms and the number of oxygen atoms was appropriately reduced, the structure was distorted, resulting in mullite having oxygen ion vacancies. The generation of such oxygen ion vacancies is caused by the Zr atom in the crystal of the zirconia-based solid electrolyte.
It is similar to the formation of oxygen ion vacancies when substituted with an atom such as Ca. However, at higher temperatures in zirconia, mullite becomes an oxygen ion conductor because the Si-O bonds in mullite are stronger than the Zr-O bonds in zirconia.
【0026】図1は、SiO2−Al2O3 系状態図およびSiO2
濃度とSiO2活量ならびに Al2O3濃度と Al2O3活性の関係
を概念的に示す。ムライト組成よりSiO2過剰あるいはAl
2O3 過剰でSiO2活量および Al2O3活量はそれぞれ一定と
なるため、組成選択の自由度が大きい。ムライト単一相
領域では組成に応じてSiO2活量および Al2O3活量が変化
するため、組成を厳重に管理する必要があるが、ムライ
ト組成の原料粉をあらかじめ上述のような過剰領域に来
るように作製することで、問題は解決される。[0026] Figure 1, SiO 2 -Al 2 O 3 phase diagram and SiO 2
The relationship between concentration and SiO 2 activity and the relationship between Al 2 O 3 concentration and Al 2 O 3 activity are conceptually shown. SiO 2 excess or Al over mullite composition
Since the SiO 2 activity and the Al 2 O 3 activity are each constant when the amount of 2 O 3 is excessive, the degree of freedom in selecting the composition is large. In the mullite single-phase region, the SiO 2 activity and Al 2 O 3 activity change according to the composition, so it is necessary to strictly control the composition. The problem is solved by making it to come to.
【0027】ムライト固体電解質は、高純度ムライト粉
を成型し、焼結させることによって作製されるが、その
高純度ムライト粉にシリカ、アルミナを混合した物も原
料とすることができる。そこで、これらを総称して、以
下、シリコン濃度測定用もしくはアルミニウム濃度測定
用ムライト質センサーとも呼ぶ。本発明にかかる固体電
解質酸素センサーを構成するムライト質は、3Al2O3・2S
iO2 を基本組成としている。ただし、ムライト中のアル
カリ金属酸化物、低融点酸化物等の不純物濃度は合計で
1重量%以下とする必要がある。これより多量の不純物
濃度の場合、ムライト焼結体の熱衝撃性、耐食性が低下
することがあるからである。また、焼結体の気孔率は、
耐食性および溶融金属の浸透防止の点から、5%以下が
好ましい。The mullite solid electrolyte is produced by molding and sintering high-purity mullite powder, and a mixture of silica and alumina in the high-purity mullite powder can also be used as a raw material. Therefore, these are collectively hereinafter referred to as a mullite sensor for measuring silicon concentration or measuring aluminum concentration. The mullite that constitutes the solid electrolyte oxygen sensor according to the present invention is 3Al 2 O 3 2S
The basic composition is iO 2 . However, the concentration of impurities such as alkali metal oxides and low melting point oxides in mullite must be 1% by weight or less in total. If the impurity concentration is higher than this, the thermal shock resistance and corrosion resistance of the mullite sintered body may be reduced. The porosity of the sintered body is
From the viewpoint of corrosion resistance and prevention of molten metal penetration, 5% or less is preferable.
【0028】このとき、SiO2を熱衝撃性の向上のために
15重量%以下、および/または、Al2O3 およびZrO2のう
ち少なくとも1種を耐食性向上のためにそれぞれ20重量
%以下、の割合で単独であるいは複合化して加える。こ
れより多量の添加はムライトの酸素イオン伝導性を低下
させるため好ましくない。ここで、本発明にかかるムラ
イト質セラミックスの製造方法について説明すると、ま
ず主原料である3Al2O3・2SiO2 は、共沈法、水熱合成
法、噴霧熱分解法、ゾルーゲル法、アルコキシド法等、
いずれの方法によるものでもよい。アルカリ金属酸化物
および他の低融点酸化物などの不純物濃度が1%以下に
抑えられればよい。特に、生成物の不純物レベルを下げ
るには出発原料を高純度化すればよい。At this time, SiO 2 is used to improve thermal shock resistance.
15 wt% or less, and / or, Al 2 O 3 and, respectively 20 wt% to improve the corrosion resistance at least one of ZrO 2 or less, Ru added alone or complexed in a ratio of. Addition of a larger amount than this is not preferable because it lowers the oxygen ion conductivity of mullite. Here, the method for producing the mullite ceramics according to the present invention will be described. First, 3Al 2 O 3 .2SiO 2 as a main raw material is coprecipitated, hydrothermal synthesis, spray pyrolysis, sol-gel method, alkoxide method. etc,
Either method may be used. It suffices if the concentration of impurities such as alkali metal oxides and other low melting point oxides is suppressed to 1% or less. In particular, the starting material may be highly purified to reduce the impurity level of the product.
【0029】このようにして用意した原料粉末に、成型
法に応じてポリビニルアルコールなどの成型用助剤を加
え、ラバープレス、金型プレス、鋳込み、射出、HIP 等
で成型した後、電気炉、ガス炉、高周波炉等を用いて15
00〜1700℃で1〜5時間焼成する。このとき気孔率を5
%以下とするためには、例えば原料粒度、成形圧力、焼
結温度を適宜調整すればよい。かくして得られたムライ
ト質セラミックスはそのまゝ酸素センサーとして用いて
もよく、あるいは一旦さらに粉砕してから、上記範囲内
の量の追加配合剤(Al2O3 、SiO2、ZrO2の一種以上)を
加えて再び成型・焼結してもよい。このときの焼結条件
も前述のムライト質の焼結の場合に同じでよい。本明細
書においては、かかる追加配合剤を含有する生成物を含
めてムライト質と総称する。To the raw material powder thus prepared, a molding aid such as polyvinyl alcohol is added according to a molding method, and the mixture is molded by a rubber press, a mold press, casting, injection, HIP or the like. 15 using gas furnace, high-frequency furnace, etc.
Bake at 00-1700 ° C for 1-5 hours. At this time, the porosity is 5
For example, the raw material particle size, the molding pressure, and the sintering temperature may be appropriately adjusted in order to make the content of the raw material or less. The mullite ceramic thus obtained may be used as it is as an oxygen sensor, or may be further pulverized, and then the additional compounding agent (Al 2 O 3 , SiO 2 , ZrO 2 ) ) May be added and then molded and sintered again. The sintering conditions at this time may be the same as in the case of the mullite sintering described above. In the present specification, mullite is generally referred to as a product containing such an additional compounding agent.
【0030】なお、上述したように、ムライト質は3Al2
O3・2SiO2 を基本組成とするが、原料粉末の組成は必ず
しもこの割合に調整する必要はなく、Al2O3 またはSiO2
をこの割合より過剰に加えることもできる。この場合、
ムライト固溶領域より過剰に加えた成分は焼結後もその
まま残るから、上述のようにAl2O3かSiO2を追加配合剤
として加えたときと同様の作用効果が期待される。特
に、本発明にかかるセンサーを溶融金属中のシリコンあ
るいはアルミニウムの濃度測定用に使用する場合には、
上述のいずれの製造方法にあっても、Al2O3 もしくはSi
O2を過剰量配合することが好ましい。As described above, the mullite quality is 3Al 2
Although the basic composition is O 3 · 2SiO 2 , the composition of the raw material powder does not necessarily need to be adjusted to this ratio, and Al 2 O 3 or SiO 2
Can be added in excess of this proportion. in this case,
Components added in excess of the mullite solid solution region remain as they are after sintering. Therefore, the same effects as when Al 2 O 3 or SiO 2 is added as an additional compounding agent as described above are expected. In particular, when the sensor according to the present invention is used for measuring the concentration of silicon or aluminum in molten metal,
In any of the above manufacturing methods, Al 2 O 3 or Si
It is preferable that the O 2 excess amount.
【0031】[0031]
【実施例】以下、実施例について説明する。(実施例1)
表1に示す組成のムライト質酸素センサーを作製し、炭
素飽和溶鉄に浸漬して、酸素分圧の温度依存性を測定し
た。ムライト質センサーは、原料を所定組織に調合し
(Al2O3 :SiO2モル比3:2を基準とする)、これに水
を加えて泥状にしたものを石膏型に流し込み、排泥によ
り成型し、乾燥後、1650℃で3時間焼成したものであっ
た。その寸法は外径5mm、内径3.5 mm、長さ40mmで、袋
管状であった。Embodiments will be described below. (Example 1)
A mullite oxygen sensor having the composition shown in Table 1 was prepared, immersed in molten carbon iron, and the temperature dependence of the oxygen partial pressure was measured. The mullite sensor is prepared by mixing the raw material into a predetermined structure (based on a molar ratio of Al 2 O 3 : SiO 2 of 3: 2), adding water to the mixture, pouring it into a gypsum mold, and discharging the slurry. And dried and then fired at 1650 ° C. for 3 hours. Its dimensions were an outer diameter of 5 mm, an inner diameter of 3.5 mm, a length of 40 mm, and a tubular shape.
【0032】比較のために、市販のジルコニア固体電解
質(ZrO2−11モル%CaO 、外径6mm、内径4mm、長さ50
mm)による測定も同時に行った。図2は、このときの起
電力の計測要領を示す。本発明にかかる固体電解質は内
部に標準極を備えており、これに対向して電極が対極と
して設けられている。なお、図示例では熱電対によって
溶鉄の温度も同時に測っている。For comparison, a commercially available zirconia solid electrolyte (ZrO 2 -11 mol% CaO, outer diameter 6 mm, inner diameter 4 mm, length 50
mm). FIG. 2 shows the procedure for measuring the electromotive force at this time. The solid electrolyte according to the present invention has a standard electrode inside, and an electrode is provided as a counter electrode opposite to the standard electrode. In the illustrated example, the temperature of the molten iron is simultaneously measured by a thermocouple.
【0033】操作条件 標準極:MoとMoO2の混合粉末 電 極:Mo棒(固体電解質側) 黒鉛棒(炭素飽和溶鉄側) るつぼ:黒鉛 雰囲気:高純度アルゴン 温 度:1200〜1500℃ 測定結果を表1および図3に示す。Operating conditions Standard electrode: mixed powder of Mo and MoO 2 Electrode: Mo rod (solid electrolyte side) Graphite rod (carbon saturated molten iron side) Crucible: graphite Atmosphere: high-purity argon Temperature: 1200-1500 ° C Are shown in Table 1 and FIG.
【0034】不純物濃度が1重量%以下で気孔率が5%
以下の本発明にかかるムライト質酸素センサーを用いた
場合には、1500℃という高温まで測定が可能であった。
また、15重量%以下のSiO2を混合した場合には熱衝撃性
に、20重量%以下のAl2O3 、ZrO2を混合した場合には耐
久性に、それぞれ優れた結果が得られた。これに対し
て、図3に示すように、ジルコニア固体電解質による結
果は正しい温度依存性を示さなかった。なお、図3には
本発明例として試料No.1の起電力を示す。An impurity concentration of 1% by weight or less and a porosity of 5%
When the following mullite oxygen sensor according to the present invention was used, measurement was possible up to a high temperature of 1500 ° C.
Also, when 15% by weight or less of SiO 2 was mixed, excellent results were obtained in thermal shock resistance, and when 20% by weight or less of Al 2 O 3 and ZrO 2 were mixed, excellent results were obtained. . In contrast, as shown in FIG. 3, the results with the zirconia solid electrolyte did not show correct temperature dependence. FIG. 3 shows the electromotive force of Sample No. 1 as an example of the present invention.
【0035】[0035]
【表1】 [Table 1]
【0036】(実施例2)表2に示すムライト質酸素セン
サーを作製し、溶銅に浸漬して、酸素分圧の経時変化を
測定した。測定要領は実施例1に同じであった。ムライ
ト質酸素センサーは、予め生成させた高純度ムライト原
料粉をラバープレスにより成型し、1650℃で3〜5時間
焼成したものであった。その寸法は外径は8mm、内径5
mm、長さ36mmで、袋管状であった。比較のために、市販
のジルコニア固体電解質(ZrO2−11モル%CaO 、外径6
mm、内径4mm、長さ50mm)による測定も同時に行った。(Example 2) A mullite oxygen sensor shown in Table 2 was prepared, immersed in molten copper, and the change over time in oxygen partial pressure was measured. The measurement procedure was the same as in Example 1. The mullite oxygen sensor was obtained by molding a high-purity mullite raw material powder generated in advance by a rubber press and calcining the powder at 1650 ° C. for 3 to 5 hours. Its dimensions are 8mm outside diameter and 5 inside diameter
mm, length 36 mm, tubular shape. For comparison, a commercially available zirconia solid electrolyte (ZrO 2 -11 mol% CaO,
(mm, inner diameter 4 mm, length 50 mm).
【0037】操作条件 標準極:MoとMoO2の混合粉末 電 極:Mo棒 るつぼ:高純度アルミナ 雰囲気:5容量%水素を含む高純度アルゴンまたは、高
純度アルゴン 温 度:1350℃ 測定結果を表2に示す。測定値の経時変化を図4に示
す。Operating conditions Standard electrode: mixed powder of Mo and MoO 2 Electrode: Mo rod Crucible: high-purity alumina Atmosphere: high-purity argon containing 5% by volume of hydrogen or high-purity argon Temperature: 1350 ° C. It is shown in FIG. FIG. 4 shows the change over time of the measured values.
【0038】不純物濃度が1重量%以下で気孔率が5%
以下の本発明にかかるムライト質酸素センサーを用いた
場合には、溶損もなく、長時間の測定が可能であった。
これに対して、ジルコニア固体電解質から成る酸素セン
サーによる測定では、長時間後に起電力値が低下した。
また、雰囲気を5容量%水素を含む高純度アルゴンから
高純度アルゴンに変えた際の酸素分圧の変化を図5に示
す。ムライト質酸素センサーによる測定値が、雰囲気の
酸素分圧の変化、すなわち、溶銅中の酸素分圧の変化に
対応するのに対し、ジルコニア固体電解質による測定値
は正しく変化しなかった。なお、図4および図5におけ
る供試材はいずれも表2の試料No.1のものを使用し
た。An impurity concentration of 1% by weight or less and a porosity of 5%
When the following mullite oxygen sensor according to the present invention was used, there was no erosion and long-term measurement was possible.
On the other hand, in the measurement using an oxygen sensor made of a zirconia solid electrolyte, the electromotive force value decreased after a long time.
FIG. 5 shows changes in oxygen partial pressure when the atmosphere was changed from high-purity argon containing 5% by volume of hydrogen to high-purity argon. The value measured by the mullite oxygen sensor corresponded to the change in the oxygen partial pressure of the atmosphere, that is, the change in the oxygen partial pressure in the molten copper, whereas the value measured by the zirconia solid electrolyte did not change correctly. The test materials in FIGS. 4 and 5 are all sample Nos. In Table 2. One was used.
【0039】[0039]
【表2】 [Table 2]
【0040】 (実施例3) 表3に示すムライト質酸素センサーを作製し、炭素を含
まない溶鉄に浸漬して、酸素分圧を測定した。ムライト
質酸素センサーは、原料を所定組成に調合し、これをラ
バープレスにより成型し、1650℃で3〜5時間焼成した
ものであった。その寸法は外径8mm、内径5mm、長さ36
mmで、袋管状であった。比較のために、市販のジルコニ
ア固体電解質(ZrO2−11モル%CaO 、外径6mm、内径4
mm、長さ50mm)による測定も同時に行った。測定要領は
実施例1に同じであった。Example 3 A mullite oxygen sensor shown in Table 3 was prepared, immersed in molten iron containing no carbon, and the oxygen partial pressure was measured. The mullite oxygen sensor was prepared by mixing raw materials into a predetermined composition, molding the raw material by a rubber press, and firing at 1650 ° C. for 3 to 5 hours. Its dimensions are outer diameter 8mm, inner diameter 5mm, length 36
mm and bag-shaped. For comparison, a commercially available zirconia solid electrolyte (ZrO 2 -11 mol% CaO, outer diameter 6 mm, inner diameter 4
mm, length 50 mm). The measurement procedure was the same as in Example 1.
【0041】操作条件 標準極:MoとMoO2の混合粉末または CrとCr2O3 の混合粉末 電 極:Mo棒 るつぼ:高純度アルミナ 雰囲気:5容量%水素を含む高純度アルゴンまたは、高
純度アルゴン 温 度:1600℃ 測定結果を表3に示す。Operating conditions Standard electrode: mixed powder of Mo and MoO 2 or mixed powder of Cr and Cr 2 O 3 Electrode: Mo rod Crucible: high-purity alumina Atmosphere: high-purity argon or high-purity containing 5% by volume of hydrogen Argon temperature: 1600 ° C Table 3 shows the measurement results.
【0042】不純物濃度が1重量%以下で気孔率が5%
以下の本発明にかかるムライト質酸素センサーを用いた
場合には、溶損が少なく、連続測定が可能であった。ま
た、20重量%以下のAl2O3 、ZrO2を混合した場合には、
さらに耐食性に優れた結果が得られた。雰囲気を5容量
%水素を含む高純度アルゴンから高純度アルゴンに変え
た際の起電力値の変化を図6に示す。ジルコニア固体電
解質を用いた場合、耐食性はムライト質のものよりも優
れているものの、酸素分圧の変化による起電力値の変化
は本発明にかかるムライト質酸素センサーの場合より小
さかった。An impurity concentration of 1% by weight or less and a porosity of 5%
When the following mullite oxygen sensor according to the present invention was used, there was little erosion and continuous measurement was possible. In addition, when Al 2 O 3 or ZrO 2 of 20% by weight or less is mixed,
Furthermore, the result which was excellent in corrosion resistance was obtained. FIG. 6 shows changes in the electromotive force when the atmosphere is changed from high-purity argon containing 5% by volume of hydrogen to high-purity argon. When the zirconia solid electrolyte was used, the corrosion resistance was better than that of the mullite type, but the change in the electromotive force value due to the change in the oxygen partial pressure was smaller than that of the mullite type oxygen sensor according to the present invention.
【0043】[0043]
【表3】 [Table 3]
【0044】(実施例4)表4に示すムライト質シリコン
濃度測定用センサーを作製し、シリコン濃度を種々変化
させた炭素飽和溶鉄に浸漬して、起電力のシリコン濃度
依存性を測定した。また、同一のセンサーを室温から直
ちに上記炭素飽和溶鉄中に浸漬することを繰り返し、起
電力値を基に耐熱衝撃性を判定した。ムライト質センサ
ーは、原料を所定組成に調合し(Al2O3:SiO2 モル比3:2
を基準組成とした) 、これに水を加えて泥状にしたもの
を石膏型に流し込み、排泥により成型し、乾燥後、1650
℃で3時間焼成したものである。その寸法は外径5mm、
内径3.5 mm、長さ40mmで、袋管状であった。比較のため
に、市販のジルコニア固体電解質(ZrO2−11mol %CaO
、外径6mm、内径4mm、長さ50mm)による測定も同時
に行った。(Example 4) Sensors for measuring mullite silicon concentration shown in Table 4 were prepared, immersed in molten carbon saturated iron having variously changed silicon concentrations, and the dependency of electromotive force on silicon concentration was measured. In addition, the same sensor was immediately immersed in the carbon-saturated molten iron immediately from room temperature, and the thermal shock resistance was determined based on the electromotive force value. The mullite sensor is prepared by mixing the raw materials to a predetermined composition (Al 2 O 3 : SiO 2 molar ratio of 3: 2
), Water was added thereto, and the slurry was poured into a plaster mold, molded by drainage, dried, and dried at 1650.
C. for 3 hours. Its dimensions are 5mm outside diameter,
The inner diameter was 3.5 mm, the length was 40 mm, and the bag was tubular. For comparison, a commercially available zirconia solid electrolyte (ZrO 2 -11 mol% CaO
, An outer diameter of 6 mm, an inner diameter of 4 mm, and a length of 50 mm).
【0045】操作条件 標準極:MoとMoO2またはCrとCr2O3 の混合粉末 電 極:Mo棒(固体電解質側) 黒鉛棒(炭素飽和溶鉄側) るつぼ:黒鉛またはアルミナ 雰囲気:高純度アルゴン 温 度:1200〜1500℃ 測定結果を表4に示す。不純物濃度が1重量%以下で気
孔率が5%以下のムライト質センサーを用いた場合に
は、溶損もなく、高温まで測定が可能であった。また、
15重量%以下のSiO2を混合した場合には耐熱衝撃性に、
20重量%以下のAl2O3 を混合した場合には耐久性に、そ
れぞれ優れた結果が得られた。Operating conditions Standard electrode: Mo and MoO 2 or mixed powder of Cr and Cr 2 O 3 Electrode: Mo rod (solid electrolyte side) Graphite rod (carbon saturated molten iron side) Crucible: graphite or alumina Atmosphere: high purity argon Temperature: 1200-1500 ° C Table 4 shows the measurement results. When a mullite sensor having an impurity concentration of 1% by weight or less and a porosity of 5% or less was used, there was no erosion and measurement was possible up to a high temperature. Also,
When 15% by weight or less of SiO 2 is mixed, it has thermal shock resistance,
When 20% by weight or less of Al 2 O 3 was mixed, excellent results were obtained in durability.
【0046】標準極にMoとMoO2の混合粉末を用い、1500
℃、アルミナるつぼ中でFe−Si−4.5 %C合金を溶解し
て、シリコン濃度と起電力の関係を調べた結果を図7に
示す。これに対して、ジルコニア固体電解質による測定
では起電力が安定するまで30秒以上を要し、その値は正
しいシリコン濃度依存性を示さなかった。なお、本発明
例として表4のNo.5、No.6の試料を使用した。Using a mixed powder of Mo and MoO 2 as a standard electrode, 1500
FIG. 7 shows the result of examining the relationship between the silicon concentration and the electromotive force by melting the Fe-Si-4.5% C alloy in an alumina crucible at ℃. On the other hand, in the measurement using the zirconia solid electrolyte, it took more than 30 seconds for the electromotive force to stabilize, and the value did not show the correct silicon concentration dependency. The samples of Nos. 5 and 6 in Table 4 were used as examples of the present invention.
【0047】[0047]
【表4】 [Table 4]
【0048】 (実施例5) 表5に示すムライト質シリコン濃度測定用センサーを作
製し、溶銅に浸漬して、酸素分圧の経時変化およびシリ
コン濃度依存性を測定した。ムライト質センサーは、実
施例4と同様に原料を所定組成に調合し、これをラバー
プレスにより成型し、1650℃で3〜5時間焼成した
ものである。その寸法は外径は8mm、内径5mm、長
さ36mmで、袋管状であった。比較のために、市販の
ジルコニア固体電解質(ZrO2−11mol%Ca
O、外径6mm、内径4mm、長さ50mm)による測
定も同時に行った。Example 5 A sensor for measuring mullite silicon concentration shown in Table 5 was prepared, immersed in molten copper, and the change with time of the oxygen partial pressure and the silicon concentration dependency were measured. Mullite Shitsuse Nsa is a raw material in the same manner as in Example 4 was formulated into a predetermined composition, which was molded by a rubber press, and fired at 1650 ° C. 3 to 5 hours. Its dimensions were an outer diameter of 8 mm, an inner diameter of 5 mm, a length of 36 mm, and a tubular shape. For comparison, a commercially available zirconia solid electrolyte (ZrO 2 -11 mol% Ca
O, outer diameter 6 mm, inner diameter 4 mm, length 50 mm) were also measured at the same time.
【0049】 操作条件 標準極:MoとMoO2またはCrとCr2O3 の混合粉末 電 極:Mo棒 るつぼ:高純度アルミナ 雰囲気:5容量%水素を含む高純度アルゴン 温 度:1350℃ 測定結果を表5に示す。Operating conditions Standard electrode: Mo and MoO 2 or mixed powder of Cr and Cr 2 O 3 Electrode: Mo rod Crucible: high-purity alumina Atmosphere: high-purity argon containing 5% by volume hydrogen Temperature: 1350 ° C. Measurement result Are shown in Table 5.
【0050】次に、標準極にMoとMoO2の混合粉末
を用い、シリコン濃度0.1%の溶銅に浸漬した場合の
測定値の経時変化を図8に示す。不純物濃度が1重量%
以下で気孔率が5%以下のムライト質センサーを用いた
場合には、溶損もなく、長時間の測定が可能であった。
また、15重量%以下のSiO2を混合した場合には耐
熱衝撃性に、20重量%以下のAl2O3を混合した場
合には耐久性に、それぞれ優れた結果が得られた。これ
に対して、ジルコニア固体電解質による測定では、シリ
コン濃度依存性が得られない上に、長時間後に起電力値
が低下した。Next, FIG. 8 shows the change over time of the measured values when a mixed powder of Mo and MoO 2 is used as the standard electrode and immersed in molten copper having a silicon concentration of 0.1%. Impurity concentration is 1% by weight
If the porosity with 5% or less of mullite Shitsuse Nsa is below melting without any was possible for a long time measurement.
Further, when 15% by weight or less of SiO 2 was mixed, excellent results were obtained in thermal shock resistance, and when 20% by weight or less of Al 2 O 3 was mixed, excellent results were obtained in durability. On the other hand, in the measurement using the zirconia solid electrolyte, the dependency on the silicon concentration was not obtained, and the electromotive force value decreased after a long time.
【0051】[0051]
【表5】 [Table 5]
【0052】 (実施例6) 表6に示すムライト質アルミニウム濃度測定用センサー
を作製し、アルミニウム濃度を種々変化させた炭素飽和
溶鉄に浸漬して、起電力のアルミニウム濃度依存性を測
定した。また、同一のセンサーを室温から直ちに炭素飽
和溶鉄中に浸漬することを繰り返し、起電力値を基に耐
熱衝撃性を判定した。ムライト質センサーは、原料を所
定組成に調合し(Al2O3:SiO2 モル比3:2 を基準組成とし
た) 、これに水を加えて泥状にしたものを石膏型に流し
込み、排泥により成型し、乾燥後、1650℃で3時間焼成
したものである。その寸法は外径5mm、内径3.5mm 、長
さ40mmで、袋管状であった。比較のために、市販のジル
コニア固体電解質(ZrO2−11mol %CaO 、外径6mm、内
径4mm、長さ50mm)による測定も同時に行った。Example 6 A sensor for measuring mullite aluminum concentration shown in Table 6 was prepared, immersed in molten iron of carbon having various aluminum concentrations, and the dependence of electromotive force on aluminum concentration was measured. Further, the same sensor was immediately immersed in molten carbon iron immediately from room temperature, and the thermal shock resistance was determined based on the electromotive force value. The mullite sensor is prepared by mixing the raw materials into a predetermined composition (Al 2 O 3 : SiO 2 molar ratio of 3: 2 as a reference composition), adding water to the mixture and pouring it into a gypsum mold and discharging. Molded with mud, dried and fired at 1650 ° C for 3 hours. Its dimensions were an outer diameter of 5 mm, an inner diameter of 3.5 mm, a length of 40 mm and a tubular shape. For comparison, measurements were also made with a commercially available zirconia solid electrolyte (ZrO 2 -11 mol% CaO, outer diameter 6 mm, inner diameter 4 mm, length 50 mm).
【0053】 操作条件 標準極:MoとMoO2またはCrとCr2O3 の混合粉末 電 極:Mo棒 (固体電解質側) 黒鉛棒 (炭素飽和溶鉄側) るつぼ:黒鉛またはアルミナ 雰囲気:高純度アルゴン 温 度:1200〜1500℃測定結果を表6に示す。不純物濃
度が1重量%以下で気孔率が5%以下のムライト質セン
サーを用いた場合には、溶損もなく、高温まで測定が可
能であった。また、15重量%以下のSiO2を混合した場合
には耐熱衝撃性に、20重量%以下のAl2O3 を混合した場
合には耐久性に、それぞれ優れた結果が得られた。Operating conditions Standard electrode: Mo and MoO 2 or mixed powder of Cr and Cr 2 O 3 Electrode: Mo rod (solid electrolyte side) Graphite rod (carbon saturated molten iron side) Crucible: graphite or alumina Atmosphere: high purity argon Temperature: 1200-1500 ° C Table 6 shows the measurement results. When a mullite sensor having an impurity concentration of 1% by weight or less and a porosity of 5% or less was used, there was no erosion and measurement was possible up to a high temperature. Further, when 15% by weight or less of SiO 2 was mixed, excellent results were obtained in thermal shock resistance, and when 20% by weight or less of Al 2 O 3 was mixed, excellent results were obtained.
【0054】次いで、標準極にMoとMoO2の混合粉末、15
00℃、アルミナるつぼ中でFe−Al−4.5 %C合金を溶解
し、アルミニウム濃度と起電力の関係を調べた結果を図
9に示す。これに対して、ジルコニア固体電解質による
測定では起電力が安定するまで30秒以上を要し、その値
は正しいアルミニウム濃度依存性を示さなかった。な
お、本発明例として表6のNo.8、No.9に試料を使用し
た。Next, a mixed powder of Mo and MoO 2 was
FIG. 9 shows the result of examining the relationship between the aluminum concentration and the electromotive force by melting the Fe-Al-4.5% C alloy in an alumina crucible at 00 ° C. On the other hand, in the measurement using the zirconia solid electrolyte, it took more than 30 seconds for the electromotive force to stabilize, and the value did not show correct aluminum concentration dependence. In addition, the sample was used for No. 8 and No. 9 of Table 6 as an example of the present invention.
【0055】[0055]
【表6】 [Table 6]
【0056】 (実施例7) 表7に示すムライト質アルミニウム濃度測定用センサー
を作製し、溶銅に浸漬して、酸素分圧の経時変化および
アルミニウム濃度依存性を測定した。ムライト質センサ
ーは、実施例6と同様に原料を所定組成に調合し、これ
をラバープレスにより成型し、1650℃で3〜5時間
焼成したものである。その寸法は外径は8mm、内径5
mm、長さ36mmで、袋管状であった。比較のため
に、市販のジルコニア固体電解質(ZrO2−11mo
l%CaO、外径6mm、内径4mm、長さ50mm)
による測定も同時に行った。Example 7 A sensor for measuring mullite aluminum concentration shown in Table 7 was prepared, immersed in molten copper, and the change over time in oxygen partial pressure and the dependence on aluminum concentration were measured. Mullite Shitsuse capacitors <br/> over is a raw material in the same manner as in Example 6 were formulated into a predetermined composition, which was molded by a rubber press, and fired at 1650 ° C. 3 to 5 hours. The outer diameter is 8mm and the inner diameter is 5
mm, length 36 mm and bag-shaped tubular. For comparison, a commercially available zirconia solid electrolyte (ZrO 2 -11mo
1% CaO, outer diameter 6mm, inner diameter 4mm, length 50mm)
Was also measured at the same time.
【0057】操作条件 標準極:MoとMoO2またはCrとCr2O3 の混合粉末 電 極:Mo棒 るつぼ:高純度アルミナ 雰囲気:5容量%水素を含む高純度アルゴン 温 度:1350℃ 測定結果を表7に示す。特に試料No.1およびジルコニア
固体電解質については、標準極MoとMoO2の混合粉末を用
いた場合の測定値の経時変化を図10に示す。Operating conditions Standard electrode: Mo and MoO 2 or mixed powder of Cr and Cr 2 O 3 Electrode: Mo rod Crucible: high-purity alumina Atmosphere: high-purity argon containing 5% by volume hydrogen Temperature: 1350 ° C. Are shown in Table 7. In particular, for the sample No. 1 and the zirconia solid electrolyte, FIG. 10 shows the change over time of the measured values when a mixed powder of the standard electrode Mo and MoO 2 was used.
【0058】これらの結果からも分かるように、不純物
濃度が1重量%以下で気孔率が5%以下のムライト質セ
ンサーを用いた場合には、溶損もなく、長時間の測定が
可能であった。また、15重量%以下のSiO2を混合
した場合には耐熱衝撃性に、20重量%以下のAl2O
3を混合した場合には耐久性に、それぞれ優れた結果が
得られた。これに対して、ジルコニア固体電解質による
測定では、アルミニウム濃度依存性が得られない上に、
長時間後に起電力値が低下した。[0058] As can be seen from these results, when the impurity concentration porosity at 1 wt% or less with 5% or less of mullite Shitsuse <br/> Nsa is melting also without long Measurement was possible. When 15% by weight or less of SiO 2 is mixed, 20% by weight or less of Al 2 O
In the case of mixing No. 3 , excellent results were obtained in durability. On the other hand, in the measurement using the zirconia solid electrolyte, the aluminum concentration dependency cannot be obtained, and
The electromotive force value decreased after a long time.
【0059】[0059]
【表7】 [Table 7]
【0060】 (実施例8) 表8に示すムライト質アルミニウム濃度測定センサーを
作製し、炭素を含まない溶鉄に浸漬して、アルミニウム
濃度を測定した。ムライト質センサーは、実施例6と同
様にして原料を所定組成に調合し、これをラバープレス
により成型し、1650℃で3〜5時間焼成したもので
ある。その寸法は外径は8mm、内径5mm、長さ36
mmで、袋管状であった。比較のために、市販のジルコ
ニア固体電解質(ZrO2−11mol%CaO、外径
6mm、内径4mm、長さ50mm)による測定も同時
に行った。Example 8 A mullite aluminum concentration measurement sensor shown in Table 8 was prepared, immersed in molten iron containing no carbon, and the aluminum concentration was measured. Mullite Shitsuse Nsa is a raw material in the same manner as in Example 6 were formulated into a predetermined composition, which was molded by a rubber press, and fired at 1650 ° C. 3 to 5 hours. Its dimensions are 8mm outside diameter, 5mm inside diameter, 36 length
mm in tubular shape. For comparison, a measurement was also performed simultaneously using a commercially available zirconia solid electrolyte (ZrO 2 -11 mol% CaO, outer diameter 6 mm, inner diameter 4 mm, length 50 mm).
【0061】操作条件 標準極:MoとMoO2またはCrとCr2O3 の混合粉末 電 極:Mo棒 るつぼ:高純度アルミナ 雰囲気:5容量%水素を含む高純度アルゴン または、高純度アルゴン 温 度:1600℃ 測定結果を表8に示す。Operating conditions Standard electrode: Mo and MoO 2 or mixed powder of Cr and Cr 2 O 3 Electrode: Mo rod Crucible: high-purity alumina Atmosphere: high-purity argon containing 5% by volume of hydrogen or high-purity argon : 1600 ° C Table 8 shows the measurement results.
【0062】不純物濃度が1重量%以下で気孔率が5%
以下のムライト質センサーを用いた場合には、溶損が少
なく、連続測定が可能であった。また、15重量%以下
のSiO2を混合した場合には耐熱衝撃性に、20重量
%以下のAl2O3を混合した場合には耐久性に、それ
ぞれ優れた結果が得られた。次に、標準極にCrとCr
2O3の混合粉末を用いた場合の起電力値のアルミニウ
ム濃度依存性を図11に示す。本発明例としては表8の
試料No.1、No.2を使用した。ジルコニア固体電
解質を用いた場合、耐食性はムライト質のものよりも優
れているものの、アルミニウム濃度の変化による起電力
値の変化はムライト質センサーより小さかった。An impurity concentration of 1% by weight or less and a porosity of 5%
When the following mullite sensor was used, there was little erosion and continuous measurement was possible. When 15% by weight or less of SiO 2 was mixed, excellent results were obtained in thermal shock resistance, and when 20% by weight or less of Al 2 O 3 was mixed, excellent results were obtained in durability. Next, Cr and Cr
FIG. 11 shows the dependency of the electromotive force value on the aluminum concentration when the mixed powder of 2 O 3 is used. As an example of the present invention, the sample No. 1, No. 2 was used. When using a zirconia solid electrolyte, corrosion resistance although better than that of mullite, a change in electromotive force due to the change of the aluminum concentration was less than mullite Shitsuse Nsa.
【0063】[0063]
【表8】 [Table 8]
【0064】[0064]
【発明の効果】以上の通り、本発明のムライト質酸素セ
ンサーは、ジルコニア系センサーに比べ、高温あるいは
炭素共存下において、溶融金属中の酸素分圧、シリコン
濃度さらにはアルミニウム濃度を正しく測定できるた
め、広く溶融金属用酸素・金属濃度測定用センサーとし
て利用できる。As described above, the mullite oxygen sensor of the present invention can accurately measure the oxygen partial pressure, the silicon concentration, and the aluminum concentration in the molten metal at a higher temperature or in the presence of carbon than the zirconia sensor. It can be widely used as a sensor for measuring the concentration of oxygen and metal for molten metal.
【図1】SiO2− Al2O3系状態図およびSiO2と Al2O3との
濃度および活量の関係を示すグラフである。FIG. 1 is a SiO 2 —Al 2 O 3 system phase diagram and a graph showing the relationship between the concentration and activity of SiO 2 and Al 2 O 3 .
【図2】実施例における起電力Eの計測要領の説明図で
ある。FIG. 2 is an explanatory diagram of a measurement procedure of an electromotive force E in the embodiment.
【図3】炭素飽和溶鉄中の酸素分圧測定時における、ム
ライトおよびジルコニアセンサーによる起電力値の温度
依存性を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the temperature dependence of the electromotive force values measured by the mullite and zirconia sensors when measuring the oxygen partial pressure in the carbon-saturated molten iron.
【図4】溶銅に浸漬したムライトおよびジルコニアセン
サーによる起電力値の経時変化を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a change over time of an electromotive force value by a mullite and a zirconia sensor immersed in molten copper.
【図5】雰囲気を変化させた時の、溶銅中に浸漬したム
ライトおよびジルコニアセンサーによる起電力値の変化
を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing a change in electromotive force by a mullite and zirconia sensor immersed in molten copper when the atmosphere is changed.
【図6】雰囲気を変化させた時の、溶鉄中に浸漬したム
ライトおよびジルコニアセンサーによる起電力値の変化
を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing a change in an electromotive force value by a mullite and a zirconia sensor immersed in molten iron when an atmosphere is changed.
【図7】炭素飽和溶鉄中のシリコン濃度測定時におけ
る、ムライトおよびジルコニアセンサーによる起電力値
のシリコン濃度依存性を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the silicon concentration dependency of the electromotive force value by the mullite and zirconia sensors when measuring the silicon concentration in the carbon-saturated molten iron.
【図8】溶銅に浸漬したムライトおよびジルコニアセン
サーによる起電力値の経時変化を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing a change over time in an electromotive force value by a mullite and a zirconia sensor immersed in molten copper.
【図9】炭素飽和溶鉄中のアルミニウム濃度測定時にお
ける、ムライトおよびジルコニアセンサーによる起電力
値のアルミニウム濃度依存性を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the aluminum concentration dependency of the electromotive force value by the mullite and zirconia sensors when measuring the aluminum concentration in the carbon-saturated molten iron.
【図10】溶銅中に浸漬したムライトおよびジルコニアセ
ンサーによる起電力値の経時変化を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing a change over time of an electromotive force value by a mullite and a zirconia sensor immersed in molten copper.
【図11】炭素を含まない溶鉄中のアルミニウム濃度測定
時における、ムライトおよびジルコニアセンサーによる
起電力値のアルミニウム濃度依存性を示すグラフであ
る。FIG. 11 is a graph showing the aluminum concentration dependency of the electromotive force value by the mullite and zirconia sensors when measuring the aluminum concentration in the molten iron containing no carbon.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河合 忠二 東京都千代田区大手町一丁目1番3号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 荒堀 忠久 大阪市中央区北浜4丁目5番33号 住友 金属工業株式会社内 (72)発明者 山名 一男 金沢市戸水町ロ1番地 石川県工業試験 場内 (72)発明者 宮本 正規 金沢市戸水町ロ1番地 石川県工業試験 場内 (72)発明者 中川 邦昭 金沢市松村7丁目84番地 住金ホトンセ ラミックス株式会社内 (72)発明者 水渡 英昭 仙台市太白区八木山本町1丁目25の1 (72)発明者 井上 亮 仙台市青葉区川内無番地川内住宅第一地 区3−203 (56)参考文献 鋳物,49[7](1977)p.417−423 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/411 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Chuji Kawai 1-3-1 Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo Sumitomo Metal Industries, Ltd. (72) Inventor Tadahisa Arahori 4-5-33 Kitahama, Chuo-ku, Osaka-shi No. Sumitomo Metal Industries Co., Ltd. (72) Inventor Kazuo Yamana 1st Tomicho, Kanazawa-shi Ishikawa Pref. Kuniaki Nakagawa 7-84 Matsumura, Kanazawa-shi Sumikin Hot-tonse Lamix Co., Ltd. Kawauchi Housing First District 3-203 (56) References Castings, 49 [7] (1977) p. 417-423 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01N 27/411
Claims (3)
電解質からなり、不純物が1重量%以下、気孔率が5%
以下の焼結体であり、該ムライト質固体電解質に、SiO2
15 重量%以下および/またはAl2O3 20重量%以下をさ
らに含有させたことを特徴とする溶融金属中の酸素・金
属濃度測定用センサー。1. An oxygen ion conductor comprising a mullite solid electrolyte having an impurity of 1% by weight or less and a porosity of 5%.
The following sintered body, wherein the mullite solid electrolyte contains SiO 2
A sensor for measuring the concentration of oxygen and metal in a molten metal, further comprising 15% by weight or less and / or 20% by weight or less of Al 2 O 3 .
電解質からなり、不純物が1重量%以下、気孔率が5%
以下の焼結体であり、該ムライト質固体電解質に、ZrO2
20 重量%以下をさらに含有させた溶融金属中の酸素・
金属濃度測定用センサー。2. A mullite solid electrolyte, which is an oxygen ion conductor, having an impurity of 1% by weight or less and a porosity of 5%.
The following sintered body, wherein the mullite solid electrolyte contains ZrO 2
Oxygen in molten metal further containing up to 20% by weight
Sensor for measuring metal concentration.
ルミニウムの少なくとも1種の濃度を測定することを特
徴とする請求項1または2に記載の溶融金属中の酸素・
金属濃度測定用センサー。3. The method according to claim 1, wherein the concentration of at least one of oxygen, silicon, and aluminum in the molten metal is measured.
Sensor for measuring metal concentration.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2-292671 | 1990-10-30 | ||
| JP29267190 | 1990-10-30 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04213050A JPH04213050A (en) | 1992-08-04 |
| JP3000692B2 true JP3000692B2 (en) | 2000-01-17 |
Family
ID=
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 鋳物,49[7](1977)p.417−423 |
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