[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

说明书

一种测定钢液中锰的电化学传感器及其制备方法，属于固体电解质和电化学领域。该电化学传感器的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，探头端Mo丝、电压表、工作电极导线端Mo丝、Mo棒依次相连；电化学传感器外设置有刚玉支撑管。其制备方法为：固体电解质管涂覆辅助电极涂层，进行烧结，然后将其他部件进行组装，分阶段进行保温。该传感器具有辅助电极耐钢液/铁液高温化学侵蚀，电解质致密度高，抗热震性能好，适用于炼钢和精炼气氛，测定方法灵敏度高、准确性高、能够实现实时监测。

技术领域

本发明涉及固体电解质和电化学领域，适用于钢铁冶炼过程中铁液或钢液中锰含量的测量，特别涉及了一种测定钢液中锰的电化学传感器及其制备方法。

背景技术

锰是钢中的重要元素，锰可以提高钢的强度和耐磨特性，改善硫化物在钢中的形态，消除钢的热脆。在钢铁冶炼过程中，高温下，锰属于易挥发元素，其含量变化较大，在转炉冶炼末期和精炼过程中需要精确测定钢液中的锰含量，以添加锰铁合金实现合金化、或添加锰矿以实现熔融还原调整锰含量，高品质钢要求对钢中的锰含量精确控制。

现有钢中测锰方法多采用转炉副枪在测氧的同时进行取样，通过光谱分析确定锰含量，存在设备昂贵、操作复杂、信息滞后等缺点。因此，研究开发一种能在线、快速、精确测量钢液中锰含量的方法具有重要意义。

电动势方法是利用固体电解质原电池，采用合适的参比电极材料，利用测定的电池电动势E和电池反应的Gibbs自由能变化之间的联系，计算得到工作电极侧待测元素的含量。

K.Sanbongi和M.Ohtani发表的On Activities of Coexisting Elements inMolten Iron(III):The Activity of Manganese in Molten Fe-Mn alloy(关于铁液中共存元素的活度：Fe-Mn合金中锰的活度)表明早在1954年就采用电动势方法对Fe-Mn二元熔体中Mn的活度进行测量，以电解锰为参比电极，以纯液态Mn为标准态，以SiO₂-MnO-CaO-MgO熔渣为电解质，所用的电池形式为：

W|Mn(l)|SiO₂-MnO-CaO-MgO|[Mn]_Fe-Mn|W

M.Ohtani发表的Activities of Manganese and Carbon in Fe-C-Mn Melts(Fe-C-Mn熔体中锰和碳的活度)指出在1957年采用相同的含MnO的熔渣为电解质，以含Mn为40wt％的Fe-Mn合金为参比电极，以纯液态锰为标准态，对Fe-C-Mn熔体进行研究。

以上方法只能测定Fe-Mn或Fe-C-Mn中Mn的含量，并不适用于复杂成分的铁液或钢液中Mn的测定。

段宏伟等发表的碳饱和铁液中锰活度测定的传感法研究中指出以固相合成法合成Mn²⁺导电的Mn-β-Al₂O₃固体电解质，并以纯锰为参比电极，采用电池：

Mo|Mn(l)|Mn-β-Al₂O₃|[Mn]Fe-C-Mn|Mo

在1370-1450℃测定了碳饱和铁液中的锰活度，传感器在15s之后可获得稳定的电动势信号。但Mn-β-Al₂O₃导体在高温下有较强的电子导电性，影响测定值的准确性。