устройство для измерения окисленности жидких металлов
Классы МПК: | G01N27/411 для исследования или анализа жидких металлов |
Автор(ы): | Жуков Александр Степанович (RU), Домрачева Светлана Алексеевна (RU), Бланк Валерий Арнольдович (RU) |
Патентообладатель(и): | ХЕРАЕУС ЭЛЕКТРО-НАЙТ ИНТЕРНЭШНЛ НВ (BE) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2003-08-08 публикация патента:
20.12.2006 |
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.
Формула изобретения
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:
Sоб/Sэл 10, где
Sоб - удельная поверхность порошка слоя обмазки, м2/г;
Sэл - удельная поверхность порошка твердого электролита, м2/г,
а толщина слоя обмазки составляет 0,01-0,05 толщины твердого электролита.
Описание изобретения к патенту
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 ао=0,0004% при 1600°С) приведены в таблице 2.
Таблица 1. | |||||
Удельная поверхность порошка обмазки, м2 /г | Относительная погрешность измерений, % | Сопротивление термическому удару ( / о),% | |||
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 ( / о), % | ||
0.01 | 6 | 20 | 25 | ||
0.025 | 4 | 10 | 40 | ||
0.05 | 5 | 10 | 35 | ||
0.1 | 15 | 30 | 15 |
Класс G01N27/411 для исследования или анализа жидких металлов