[发明专利]用于高温和低氧条件下的定氧探头固体电解质及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于定氧探头制备技术领域，特别涉及一种用于高温和低氧条件下的定氧探头固体电解质及制备方法。

背景技术

在冶金过程中，定氧探头在高炉内、高炉铸床、转炉、电炉、二次精炼、连铸中间包等过程已得到广泛的应用。特别是超洁钢生产过程中要求钢液内含微量元素S+P+O+H+N≤50ppm，其中O≤10ppm、S≤2ppm、N≤11ppm、P≤10ppm、H≤0.6ppm。现有国产定氧探头的可重现定氧能力一般在O≥100ppm以上能够满足要求。低氧含量O≤10ppm的测量，不论最终定氧探头的形式是片状、管状或针状的，其对定氧探头固体电解质的高温电导率、热导率、抗热震性能均有极高的要求。定氧探头固体电解质从早期的ZrO₂-CaO氧浓差电池、SiO₂-(FeO)电解质、ZrO₂-MgO固体电解质、Mg-PSZ固体电解质、Mg-PSZ涂覆YSZ电解质、ZrO₂-MgO-CaO，ZrO₂-MgO-Al₂O₃，ZrO₂-CaO-Al₂O₃等三元系电解质，逐步发展到ZrO₂-Y₂O₃-Al₂O₃-MgO四元体系。在这期间，人们尝试用各种手段，如采用高纯原料、调整材料制备工艺或改变材料组成等等，来不断的改善ZrO₂基固体电解质材料的电导率。这些努力取得了一定的效果，但其电导率改善幅度是有限的，要想在现有的水平上得到很大的提高将是非常困难的。

固体电解质在低氧-高温条件下，足够的热导率、良好的抗热震断裂性能、高的导电性能三者的有机统一才能在有效的时间内获得测量信号。在氧化锆的三种相结构中，单斜相(m-ZrO₂)的热导率最大，四方相(t-ZrO₂)具有明显的抗热震性能，而立方相含量是决定电性能及测量精度的主要因素之一。因此，获得特定室温相比例的固体电解质，是解决在高温条件下固体电解质抗热震性与电性能之间匹配问题的关键。

发明内容

为克服现有技术中存在的不足，本发明的首要目的在于提供一种用于高温和低氧条件下的定氧探头固体电解质。本发明所述的定氧探头固体电解质为一种具有较高电导特性和足够力学性能的复合电解质材料。

本发明的另一目的在于提供上述的用于高温和低氧条件下的定氧探头固体电解质的制备方法。本发明是以ZrO₂-Yb₂O₃-Al₂O₃-MgO-CaO五元体系为基础，采取特定的材料工艺流程，制备而成的一种在高温冶金条件下测量氧含量的探头用固体电解质。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种用于高温和低氧条件下的定氧探头固体电解质，为(ZrO₂)_1-x-y-z-w(Yb₂O₃)_x(Al₂O₃)_y(MgO)_z(CaO)_w五元体系固体电解质；其中0.04≤x≤0.055，0.003≤y≤0.01，0.01≤z≤0.02，0.008≤w≤0.015。

上述的用于高温和低氧条件下的定氧探头固体电解质的制备方法，具体步骤为：

取4～5.5质量份Yb₂O₃粉体，0.3～1质量份Al₂O₃粉体，1～2质量份MgO粉体，0.8～1.5质量份CaO粉体和90～93.9质量份ZrO₂粉体，加入1～3质量份粘结剂，采用机械混合均匀后，干压成型，成型压力为100～400Mpa，以升温速率3～10℃/min升温至1575℃～1650℃，在1575℃～1650℃温度烧结2h～4h，然后于1150℃～1300℃热处理2h～3h，冷却获得用于高温和低氧条件下的定氧探头固体电解质。

所述的Yb₂O₃粉体为中径为的1μm的Yb₂O₃粉体；