[发明专利]一种测定钢液中锰的电化学传感器及其制备方法

权利要求书

1.一种测定钢液中锰的电化学传感器，该测定钢液中锰的电化学传感器分为探头和工作电极导线端，其包括部件为：固体电解质管、辅助电极涂层、参比电极粉末、惰性Al₂O₃粉末、高温粘结剂、Mo丝、刚玉支撑管和电压表，其特征在于，还包括Mo棒；

所述的Mo丝分为探头端Mo丝和工作电极导线端Mo丝；

固体电解质管设置有开口端和封闭端，在固体电解质管的封闭端外壁设置有辅助电极涂层，在固体电解质管内由封闭端到开口端依次设置有参比电极粉末、惰性Al₂O₃粉末和高温粘结剂，在固体电解质管内还设置有探头端Mo丝作为参比电极导线，固体电解质管、辅助电极涂层、参比电极粉末、惰性Al₂O₃粉末、高温粘结剂和探头端Mo丝形成测定钢液中锰的电化学传感器的探头；

探头端Mo丝的另一端连接电压表，电压表的另一端通过工作电极导线端Mo丝连接Mo棒，Mo棒作为工作电极导线端的电极导线；

所述的刚玉支撑管分为探头端刚玉支撑管和工作电极导线端刚玉支撑管，探头端刚玉支撑管用高温粘结剂将固体电解质管开口端固定，并将探头密封在钢液下；工作电极导线端刚玉支撑管采用高温粘结剂将工作电极导线端的电极导线Mo棒和工作电极导线端Mo丝的连接处固定，并将Mo棒密封在钢液下；

其中，所述的固体电解质管的材料为MgO掺杂量为8mol％的ZrO₂烧结后得到的8mol％Mg-PSZ材料；

所述的辅助电极涂层的原材料为MnO、ZrO₂+8mol％MgO和质量分数为10～20％聚乙烯醇水溶液的混合物，按质量比，MnO：ZrO₂+8mol％MgO：质量分数为10～20％聚乙烯醇水溶液＝(22.5～28.5)：(1.5～7.5)：70；其中，辅助电极涂层厚度为240～260μm；

所述的参比电极粉末为Mo和MoO₂的混合粉末，其中，MoO₂占参比电极粉末总质量的5～10％；

所述的Mo丝的直径为0.5～0.8mm，并且Mo丝插入固体电解质管的一端为螺旋线状；所述的Mo棒的直径为2～4mm；

所述的测定钢液中锰的电化学传感器，使用温度为1300-1650℃，测定的Mn含量范围为0.1-3wt％，响应时间为3-5s，在10-15s内获得锰含量信息；

所述的测定钢液中锰的电化学传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)按摩尔分数比，称量ZrO₂粉末和MgO粉末，混合均匀，放入模具中，在150～200MPa等静压压制，得到8mol％Mg-PSZ坯料管；所述的8mol％Mg-PSZ坯料管的成分为ZrO₂+8mol％MgO粉末；

(2)配制质量分数为10～20％的聚乙烯醇水溶液作为粘结剂；按质量比，称量MnO粉末、ZrO₂+8mol％MgO粉末、质量分数为10～20％的聚乙烯醇水溶液，将MnO粉末和ZrO₂+8mol％MgO粉末混匀后，加入质量分数为10～20％的聚乙烯醇水溶液，搅拌均匀，得到糊状悬浮液；

(3)将糊状悬浮液涂覆在8mol％Mg-PSZ坯料管外壁，阴干，干燥后，将其垂直置于装有MnO粗粉的MgO坩埚中，在氩气环境中，于1500～1600℃烧结5～10h，得到涂覆有辅助电极涂层的固体电解质管，其中，烧结过程中，升降温速率为2～5℃；其中，所述的MnO粗粉的粒径为80～100μm；

(4)将Mo丝的作为参比电极一端设置成螺旋状，插入涂覆有辅助电极涂层的固体电解质管中，将Mo+5wt％MoO₂参比电极粉末倒入涂覆有辅助电极涂层的固体电解质管中，并压实，压实后的Mo+5wt％MoO₂参比电极粉末占固体电解质管空间的1/2～2/3，在Mo+5wt％MoO₂参比电极粉末上方，加入煅烧后的惰性Al₂O₃粉末，压实后，固体电解质管空间剩余1/4～1/5；剩余空间采用高温粘结剂填充，密封固体电解质管；

(5)将密封的固体电解质管，阴干后，在氩气密封环境下，置于90～95℃保温1～2h，升温至250～270℃保温1～2h，再升温至360～380℃保温1～2h，得到测定钢液中锰的电化学传感器的探头；

(6)采用高温粘结剂将测定钢液中锰的电化学传感器的探头固定在探头端刚玉支撑管内壁，然后阴干后，在氩气密封环境下，置于90～95℃保温1～2h，升温至250～270℃保温1～2h，再升温至360～380℃保温1～2h，得到刚玉支撑管保护的探头；

(7)将工作电极导线端Mo丝的一端与Mo棒连接，用高温粘结剂将Mo棒和工作电极导线端Mo丝连接处固定在工作电极导线端刚玉支撑管开口处，Mo棒设置在刚玉支撑管外部，然后阴干，在氩气密封环境下，置于90～95℃保温1～2h，升温至250～270℃保温1～2h，再升温至360～380℃保温1～2h，得到测定钢液中锰的刚玉管支撑保护的工作电极导线；

上述过程中，采用的ZrO₂+8mol％MgO粉末烧结后，形成了8mol％Mg-PSZ固溶体化合物，其物相为立方固溶体相、单斜相和四角相，其中，按质量比，立方固溶体相为30-45wt％、单斜相为25-40wt％，余量为四角相，合成的固体电解质管的气孔率小于5％。