Устройство для измерения окисленности жидких металлов

Изобретение относится к области электрохимического определения состава вещества, а более конкретно к устройствам для экспрессного определения окисленности жидкой стали, и может быть использовано в черной металлургии для контроля процессов выплавки, раскисления, легирования и разливки. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения окисленности жидких металлов, расширение диапазона определяемых значений активности кислорода, улучшение технологичности сборки датчика за счет повышения термостойкости с одновременным снижением термической инерционности. Сущность изобретения: в устройстве, состоящем из твердого электролита в форме ампулы, закрытого по внешней поверхности защитным колпачком, электрода сравнения и токосъемника, твердый окисный электролит и металлический колпачок разделены тонким слоем защитной обмазки, выполненной из того же материала, что и твердый электролит, причем удельная поверхность порошка, из которого изготовлен твердый электролит, на порядок меньше удельной поверхности порошка обмазки, а толщина слоя обмазки составляет 0.01-0.05 толщины слоя твердого электролита. 1 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к области электрохимического определения состава вещества, а более конкретно к устройствам для экспрессного определения окисленности жидкой стали, и может быть использовано в черной металлургии для контроля процессов выплавки, раскисления, легирования и разливки.

Известно устройство для определения окисленности металлического расплава, состоящее из твердого окисного электролита в форме закрытой с одного конца цилиндрической ампулы, содержащей внутри электрод сравнения с токосъемником (SU 830228 A, G 01 N 27/46).

Основным недостатком этого устройства является недостаточная термостойкость и большая термическая инерционность

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для определения окисленности жидкого металла, состоящее из твердого окисного электролита - стабилизированного диоксида циркония в форме ампулы, электрода сравнения и токосъемника (SU 949474 А, G 01 N 27/46, 07.08.1982).

Недостаток данного устройства заключается в том, что в результате измерения обеспечивается недостаточная точность определения окисленности жидких металлов, при этом невелик диапазон определяемых значений активности кислорода. Кроме того, аналогично предыдущему устройству недостатком является недостаточная термостойкость и большая термическая инерционность.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения окисленности жидких металлов, расширение диапазона определяемых значений активности кислорода, улучшение технологичности сборки датчика за счет повышения термостойкости с одновременным снижением термической инерционности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для измерения окисленности жидких металлов, состоящем из твердого окисного электролита в форме ампулы, покрытого по внешней поверхности защитным колпачком, электрода сравнения и токосъемника, твердый окисный электролит и металлический колпачок разделены тонким слоем защитной обмазки, выполненной из того же материала, что и твердый электролит, причем удельная поверхность порошка, из которого изготовлен твердый электролит, на порядок меньше удельной поверхности порошка обмазки, а толщина слоя обмазки составляет 0.01-0.05 толщины слоя твердого электролита.

На чертеже представлено схематическое изображение предложенного устройства. Твердый окисный электролит в форме ампулы 1 покрыт по всей внешней поверхности слоем защитной обмазки 2 между ампулой и металлическим колпачком 3. Твердый электролит и обмазка изготовлены из одного и того же материала, но с разным размером кристаллитов. Внутри твердого электролита находится электрод сравнения 4, электрический потенциал с которого снимается токосъемником 5.

Сборка из твердого электролита и обмазки, изготовленной из нанопорошка, обладает повышенными электрохимическими свойствами. Так, электронная проводимость появляется при значениях активности кислорода в 5-10 раз более низких, чем в известных твердых электролитах из стабилизованной двуокиси циркония, чувствительность повышается в 1.5-2 раза, быстродействие - в 1.3-2.0 раза. Все это вместе взятое позволяет повысить точность измерения окисленности в 1.5-2 раза и расширить диапазон определяемых значений активности кислорода.

Обмазка из порошка с удельной поверхностью 30-50 м²/г позволяет существенно увеличить термостойкость твердого электролита без какого-либо существенного ухудшения его электрохимических свойств. При удельной поверхности зерен порошка обмазки менее 30 м²/г точность измерения окисленности падает за счет понижения ее газоплотности, при удельной поверхности зерен больше 50 м²/г структура обмазки становится очень плотной, что вызывает ухудшение термостойкости слоя за счет возникновения повышенных термических напряжений, таблица 1.

Применение в качестве материала для обмазки порошков с высокой удельной поверхностью делает возможным использование обмазки как внешней поверхности твердого электролита. За счет этого улучшаются динамические свойства устройства в целом (снижается время срабатывания). Кроме того, улучшается технологичность сборки датчика.

Если толщина слоя обмазки находится в пределах 0.01-0.05 толщины слоя твердого электролита, устройство имеет небольшое время срабатывания (3-5 с) и обладает высокой термостойкостью за счет эффективной защиты твердого электролита от термического удара. При толщине слоя обмазки более чем 0.05 толщины слоя твердого электролита заметно увеличивается время срабатывания, если меньше 0.01 - обмазка не обеспечивает защиты от термического удара.

Примеры конкретного исполнения и результаты испытаний устройства на термостойкость, быстродействие (время срабатывания) и сходимость (точность) показаний (испытания проводили в насыщенном железо-углеродистом расплаве а_о=0,0004% при 1600°С) приведены в таблице 2.

Таблица 1.
Удельная поверхность порошка обмазки, м2/г	Относительная погрешность измерений, %	Сопротивление термическому удару (σ/σо),%
5	20	25
30	5	40
50	8	35
100	40	10
Таблица 2.
Относительная толщина слоя обмазки, do/dэ	Время срабатывания (сек)	Относительная погрешность измерений, %	Сопротивление термическому удару (σ/σо), %
0.01	6	20	25
0.025	4	10	40
0.05	5	10	35
0.1	15	30	15

Устройство для измерения окисленности жидких металлов и сплавов, содержащее твердый электролит в виде ампулы, изготовленный из стабилизированного диоксида циркония, электрод сравнения с токосъемником, слой обмазки, металлический колпачок, отличающееся тем, что слой обмазки, выполненный из нанокристаллического порошка того же состава, расположен между ампулой и металлическим колпачком, причем удельная поверхность порошка, из которого изготовлен твердый электролит и удельная поверхность порошка слоя обмазки, соотносятся как:

S_об/S_эл≈10, где

S_об - удельная поверхность порошка слоя обмазки, м²/г;

S_эл - удельная поверхность порошка твердого электролита, м²/г,

а толщина слоя обмазки составляет 0,01-0,05 толщины твердого электролита.