（MGO，YLT2GTOLT3GT）PSZ型钢水定氧探头锆管材料的研究.pdf

I华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 钢水定氧探头是一种可以瞬时检测钢水中氧含量的新型测氧装置，具有快速、及时、精确等特点，是生产优质钢材的关键 本文为了开发能够用于低氧测量的氧探头，主要研究了(MgO，Y2O3)-PSZ 氧探头材料 从炼钢现场采集了国内外若干个钢水定氧探头，用 XRD、SEM 方法分析了氧化锆管材料的显微组织，发现这些锆管在室温下主要是单斜相，国外锆管的单斜相含量大约为 85.5％～86.6％， 国产锆管单斜相的含量高于国外产品 5～8%， 室温组织中合适的单斜相和四方相的相对含量可以使材料有良好的抗热震性，但具体的相对比例尚不清楚 用溶剂干燥法制备了Y2O3含量不同的(MgO， Y2O3)-PSZ均匀细粉， 颗粒分布集中 研究了(MgO，Y2O3)-PSZ 材料的成型和烧结工艺，在 1600℃左右烧结，相对密度可以达到 97％，能够满足氧化锆材料对密度的要求对(MgO，Y2O3)-PSZ 陶瓷进行了热震实验，发现 Y2O3含量为 2.0mol％的(MgO，Y2O3)-PSZ 陶瓷经 1600℃烧结具有最优的弯曲强度和抗热震性。

通过自制的热膨胀仪，研究了(MgO，Y2O3)-PSZ 材料的热膨胀系数，发现随着氧化钇含量的增加，由于室温下四方相含量增加，其热膨胀系数逐渐增加室温组织中的单斜相在升高到一定温度时会发生向四方相的转变同时伴随体积的收缩，与常规热膨胀抵消，于是热膨胀系数在 1100℃左右开始减小，并有几十度的为 0 显现 利用 ANSYS 分析软件对定氧探头氧化锆管的温度场和应力场进行了模拟， 发现氧探头工作时，ZrO2管与 Al2O3管接触处上有较大的温度梯度和应力分布，在 ZrO2管的底部内侧有次大的应力分布，即传感器工作时最危险的地方是在两种材料的接触处，次危险的地方在 ZrO2管的内侧底部 关键词关键词：氧探头 氧化锆 固体电解质 热震 热模拟 II华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract Oxygen probe is a new kind of equipment for instantaneous detecting of oxygen in the metallurgy process, which is fast, in time and accurate. It is the key point to produce high grade of steel products. As an oxygen probe material, the (MgO，Y2O3)-PSZ ceramic is mainly investigated in this article to introduce the detecting of molten steel containing small quantity oxygen. Several domestic and foreign-made oxygen probes were studied by XRD and SEM. The result is that the main phase of the material is monoclinic, and its contents of the probes made abroad are 85.5％～86.6％, while the oxygen probes made domestically are higher than them by 5 to 8 percent. The optimal content of monoclinic has not been known. The (MgO，Y2O3)-PSZ powder which had different Y2O3 contents was produced by the solvent drying technique. The grains distribute concentratedly. The compacting and sintering process of (MgO，Y2O3)-PSZ was studied. It is found that the comparative density of the material sintered at 1600℃ is 97%，the satisfactory density for the material of zirconia tubes. The bending strength and thermal shock resistance of (MgO，Y2O3)-PSZ ceramic containing 2.0mol％ Y2O3 sintered at 1600℃ is optimal. The data of thermal expansion curve of the (MgO，Y2O3)-PSZ material was recorded by the dilatometer which was made by ourselves. The conclusion is that the thermal expansion coefficient is increasing with the addition of Y2O3, because the tetragonal phase is increasd. Accompanied by the shrinkage of the volume the monoclinic structure transforms to tetragonal phase when the temperature is elevating. Thus the thermal expansion coefficient begins reduced at 1100℃ and is 0 at some temperature. The temperature field and stress field of the zirconia tube were simulated by the ANSYS analysis software. The highest temperature and stress gradient are at the III华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 contacting area of ZrO2 and Al2O3 tube, and the second highest stress gradient is at the bottom of ZrO2 tube. That is to say, the most dangerous part when the ZrO2 is inserting into the steel is the contacting part of ZrO2 and Al2O3 tube, and the senond dangerous area of it is the the bottom of ZrO2 tube. Key words: Oxygen probe Zirconia Solid electrolyte Thermal shock resistance Thermal simulation 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名：张瑞霞 日期： 2006 年 4 月 30 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密□，在 年解密后适用本授权书 本论文属于 不保密□√ (请在以上方框内打“√”) 学位论文作者签名：张瑞霞 指导教师签名：肖建中 日期：2006 年 4 月 30 日 日期：2006年 4 月 30 日 1华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 论 1.1 钢水定氧探头的发展 近代炼钢过程中，钢中各种元素的浓度与氧的浓度有一定的平衡关系。

化学成分是评价钢铁质量的一个很重要的标准通过氧浓度的调整就可以控制钢中其它元素的含量因此，为了精确控制钢中各种元素的浓度，需要实时精确测量、控制钢液中氧的浓度测量钢液中氧的浓度有多种方法，传统的测量氧含量的方法是现场取样加实验室化学分析，缺点是测量周期长，且不能反映钢中氧含量的瞬时变化；最新的方法是在钢水中放置一个称作定氧探头的装置，连续检测钢水的中氧含量，可以及时控制钢液中的氧浓度，这种新的测氧技术是生产优质钢材的关键[1][2] 这种钢水直接定氧技术被列为上个世纪70年代世界钢铁冶金领域三项重大科研成果之一，其研究和应用得到迅速发展1961 年美国西屋电气公司两位科学家Weissbart 和 Ruka 做了第一个氧化锆氧传感器， 并申请了专利 60 年代末 70 年代初，法国冶金研究院和冶金研究中心等将氧化锆传感器用于钢液测氧中，将测氧时间缩短到 10s，从而使镇静钢与半镇静钢这类优质钢的产量提高了一个数量级[3] 我国自 70 年代初开始研究开发直接定氧技术， 80 年代初开始研制稳定氧化锆材料，并取得了大量成果北京科技大学固体电解质研究室研制出了具有优良性能的ZrO2(MgO)氧离子传感元件，为直接定氧技术在我国大规模推广应用奠定了基础[4]。

1.2 定氧探头的工作原理 1.2.1 定氧探头的工作原理[5][6] 图 1-1 为钢水定氧探头的结构及工作原理示意图定氧探头的核心是 ZrO2管，管内装有 Cr＋Cr2O3或 Mo＋MoO2组成的具有一定氧分压的参比电极，构成了定氧探头的半电池，该半电池与回路电极(如钼棒或铁环)同时插入到钢水中，就构成了一个氧浓差电池由于钢水中的氧分压与参比电极氧分压不同，使定氧探头产生电动2华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 势输出信号 图 1-1 氧探头结构及工作原理示意图 Fig. 1-1 Structure and working principle of the oxygen probe 如果以 Cr＋Cr2O3作为参比电极，则定氧探头电池可表示为： Mo│Cr，Cr2O3│ZrO2│[O]│Mo (1-1) 式(1-1)中[O]表示钢液中氧的活度；Mo 为插入钢液中的金属棒 氧化锆管是氧离子导体，当其两侧氧分压不同时，见图 1-2，在氧化锆管和电极界面处将发生电极反应，分别建立起不同的平衡电极电位 图 1-2 氧化锆电解质中氧的传递 Fig. 1-2 Oxygen transfer in the zirconia electrolyte 在低氧侧： 2O2－－4e＝O 2(P(2)O2) (1-2) 3华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 在高氧侧： O2(P(1)O2)＋4e＝2O2－ (1-3)。