专利名称：钙β″-氧化铝高温超低氧快速测定探头的制作方法
技术领域：
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)
阴极反应(在固体电解质管内)
故电池反应为
由以上反应所测得的电动势E(伏)可计算铁中溶解氧活度a〔O〕(以炼铁定氧为例)Loga〔O〕＝2.755- (541.3+10.082E)/(T)由Loga〔O〕可计算溶解氧浓度C〔O〕LogC［O］=Loga［O］-ΣieiOCi(%)]]>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Ci(%)-元素i在铁中的浓度(%)eio-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，二氧化锆探头测得a〔O〕＝1.11×10-3Caβ″-Al2O3探头测得a〔O〕＝1.19×10-3因氧含量在二氧化锆探头的测量范围内，故两者测定结果相近。
2.灰口铁液定氧，T＝1623K，二氧化锆探头测得a〔O〕＝3.77×10-4Caβ″-Al2O3探头测得a〔O〕＝(2.77±0.217)×10-4因氧含量低于二氧化锆的测量范围，故二氧化锆探头测量结果偏高。
3.对另一炉灰口铁液定氧，T＝1598K，Caβ″-Al2O3探头测得a〔O〕＝(8.7±0.15)×10-5，按硅氧平衡理论计算所得a〔O〕＝5.25×10-5，因氧含量过低，氧化锆探头无法测量。
4.对稀土蠕墨铸铁定氧，T＝1673K，Caβ″-Al2O3探头测得a〔O〕＝6.48×10-7，设活度系数f＝1，则C〔O〕＝0.00648ppm，此值在理论计算范围内。
制备具有良好电学性能的Caβ″-Al2O3固体电解质管与CaO、MgO、Al2O3的配比及烧结温度密切相关，实验证明按照0.927CaO∶0.854MgO∶5.073Al2O3(mole比)的配比条件，在1625～1649℃烧结75～90分钟为最佳。
权利要求
1.一种Caβ″-Al2O3高温超低氧快速测定探头，它包括a)一个由防渣帽[3]与陶瓷外套[7]相连所构成的探头外壳，b)在壳内装有由高温水泥填料[5]固定的回路电极[4]及固体电解质管[1]，c)在固体电解质管底部装有参比电极[2]，在参比电极[2]之上装有Al2O3粉填料[6]，铂丝[8]紧压于固体电解质管底，穿过参比电极[2]及Al2O3粉[6]导出，d)由固体电解质管和铂丝引出的两根导线[9]接入电子电位计，其特征在于所说的固体电解质管[1]是Caβ″-Al2O3，参比电极[2]为CaO，回路电极为金属陶瓷。
2.一种由CaO、MgO、Al2O3在一定温度范围烧结而成的Caβ″-Al2O3管的制备方法，其特征在于配比为0.927 CaO∶0.854MgO∶5.073Al2O3(MOle比)，温度为1625～1649℃，烧结75～90分钟为最佳条件。
全文摘要
由于国内外所采用的以二氧化锆为固体电解质的高温快速定氧探头在低氧分压下存在电子导电、高氧分压下产生空穴导电，其测氧范围受到一定局限。发明人以高氧和低氧分压下电子和空穴导电都十分微弱的固体电解质Caβ″-Al
文档编号G01N27/417GK1045296SQ89100808
公开日1990年9月12日 申请日期1989年3月1日 优先权日1989年3月1日
发明者洪彦若, 李联生, 彭愔强, 洪道敏, 赵月娥 申请人:北京科技大学