JPS594660B2 - 炉内雰囲気の酸素電位を電気化学的に検出する測定器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、酸化ジルコンを基材とする酸素イオン伝導固
体電解質からなり、その外側電極が炉内雰囲気と接触可
能であり、その内側電極が空気あるいは酸素含有量のわ
かつている他の基準ガスと接触可能である、炉内雰囲気
の酸素電位を電気化学的に検出する測定器、特に炭化水
素を含む浸炭雰囲気の炭素レベルを間接的に検出しかつ
制御する測定器に関する。

このような酸素測定器は公知である。

これらの測定器では、固体電解質は安定化された二酸化
ジルコニウム製の壁からできている。この壁の一方の側
は酸素含有量のわかつている基準ガス（大ていは空気）
と接触し、かつ内側電極と称される電極と導電接続され
ている。この壁の他方の側は炉内雰囲気と接触し、外側
電極と称される他の電極と導電接続されている。これら
の電極は大てい白金からできている。測定個所として、
電極と二酸化ジルコニウムと炉内雰囲気または基準ガス
との共通な接触個所が用いられる。このような酸素測定
器は熱処理炉の雰囲気の検出と制御に使用される。

そこに存在する高い温度では、内側表面と外側表面が異
なる酸素分圧の雰囲気にさらされると、二酸化ジルコニ
ウムが酸素イオンを伝導する固体電解質として作用する
。電極間の電位差は電圧の形でＭＶで表示され、炉内雰
囲気を特徴づけるのに使用することができる。炉操業に
卦ける酸素測定器の測定値の評価は、経験的に見出され
るかあるいは計算されて固体電解質の電圧と炉内温度と
炉内雰囲気の炭素レベルとの間の関係を表わす表や曲線
によつて行なわれる。これらの曲線は組成のわかつてい
る出発燃料に適用される。処理時間を算入すると、これ
からたとえば雰囲気の脱炭作用がわかる。酸素測定器の
利点として、この酸素測定器によ沙特に自動プロセス制
御に利用できる特定の連続する測定値が広い温度範囲に
わたつて非常に急速に得られ、また実際上使用可能なす
べての熱処理雰囲気が得られる。公知の酸素測定器を使
用すると、外側電極の触媒作用により開始される望まし
くない局部的ガス反応がこの外側電極に生ずるという欠
点がある。

そこに使用される白金はＣＨ４の分解に触媒作用し、炉
室内の雰囲気の酸素電位に相当するより著しい結合酸素
反応を測定個所に局部的に生ずる。さらに鋼製工作物の
場合のように、固体電解質のセラミツク材料が炭素を溶
解できない。炭素レベルの高い炉内雰囲気中に長く滞留
すると、測定個所に煤が次第に析出する。沈積した煤は
再ひ触媒作用を及ぼして、炉内雰囲気からさらに炭素を
析出する。最初は除々に始まつて後には自触媒作用によ
り急速に促進さ，Ｈ，るこの過程は、測定精度したがつ
て酸素測定器の有効寿命をも低下する。

本発明の課題は、これらの欠点を回避しながら最初にあ
けた種類の測定器を改良して、長い使用時間にわたつて
最初の測定精度を維持し、外側電極に卦けるガス反応に
よる望ましくないガス反応を防止することにある。

この課題を解決するため本発明によれば、外側電極が、
この外側電極の所における局部的ガス反応訃よび煤の析
出を阻止する浸炭作用しない掃気ガスを間欠的にしかも
炉内雰囲気と交互に当てられる。

掃気ガスたとえば空気はなるへく脱炭作用をもつように
する。本発明による酸素測定器の測定精度および有効寿
命が著しく改善され、また測定器の外側電極が炉内雰囲
気でなく掃気ガスを間欠的！こ当てられることにより、
たとえば浸炭過程という制御の欠点は｝こらないことが
わかつた。

炉内雰囲気の精確な浸炭作用を行うために、精確な制御
量によりこの炉内雰囲気を監視するか補正することが重
要であるが、これは本発明により保証される。本発明の
測定器に｝いて、外側電極の測定個所へ直接掃気ガス供
給導管を近づけるのがよい。

これは、少なくとも固体電解質に、外側蓋極を包囲する
測定空間が形成され、これが掃気ガス供給導管に接続さ
れ、かつ炉室へ接続可能であると、簡単に実施すること
ができる。測定空間がセラミツク材料からなる固体電解
質の保護管により形成され、この保護管が炉室へ通する
少なくとも１つの開口を備えて卦り、この開口を通して
交互に掃気ガスが推定空間から炉室へ、また炉内雰囲気
が炉室から測定空間へ流れるようにすることができる。
使用される掃気ガスの種類は、炉内で処理される工作物
の品質に対する要求に合わせることができる。浸炭作用
しない掃気ガスとして窒素を選択すると、いかなる影響
も｝こらない。普通炭素鋼からなる工作物に浸炭する際
、酸素を含む掃気ガスを使用すると、いわゆる表面酸化
による品質低下はおこらない。そのとき掃気ガスとして
空気を使用するのが特に有利である。なぜならば、いず
れにしても空気は基準ガスとして内側電極へ当てるため
に使用されるからである。測定空間に訃ける急速なガス
交換のためポンプ装置を設けることができる。

しかし固体電解質が片側を閉じられかつ安定化された酸
化ジルコニウムからなる細管からなり、この細管へ内側
電極が挿入され、細管が間隔をおいてセラミツク保護管
により包囲され、この保護管の底に複数の開口が設けら
れ、細管と保護管との間の空間に外側電極と掃気ガス供
給部とが設けられているような本発明の特別な構成が好
ましい。測定個所への掃気ガスの供給は、空隙を形成し
ながら二酸化ジルコニウム細管に対して保護管を同心的
に配置することによつて容易になる。外側電極と固体電
解質のすべての接触個所のまわわに炉内雰囲気あるいは
掃気ガスを乱流区域なしに自由に流すことができ、その
ために外側電極と固体電解質が１つあるいはそれ以上の
個所で円状あるいは点状に接触しているようにすること
が提案される。

外側電極の最初に述べた望ましくない触媒作用をいつそ
と効果的に回避できるようにするため、本発明の有利な
別の構成では、外側電極が、少なくとも固体電解質への
接触個所で、ふさがれた電子殼のｄレベルが１０個の電
子で完全にふさがれかつメタンの分解に触媒作用しない
元素の少なくとも８０（ｆｌ）を含む導電性材料からな
るようにすることが提案される。

外側電極はなるべく測定個所で金からなる。本発明によ
る測定器のそれ以上の詳細、特徴訃よび利点は、本発明
の２つの実施例を概略的に示した添付図面についての以
下の説明から明らかになるであろう。

第１図の測定器は、安定化された二酸化ジルコニウム製
の一端を閉じられた細管１からなり、この細管１の内側
に内側電極２が取付けられ、外側に外側電極３が取付け
られている。

これら電極と固体電解質たる二酸化ジルコニウムとの共
通な接触個所により形成されている測定個所の範囲に卦
いて、両方の電極２あ一よひ３は金からできている。外
側電極３と二酸化ジルコニウム細管１との接触個所は点
状に形成されて、乱流区域なしに電極のまわりに自由な
流れを保証する。測定個所の範囲には、掃気用空気を外
側電極３へ供給する導管４が近づけられている。

供給のためポンプＰが設けられている。第１図の測定器
は熱処理炉の炉壁へ挿入されて、測定個所の範囲が炉室
へ入り込むようになつている。それにより交互に掃気ガ
スを外側電極３へ当て、またこの電極３に炉内雰囲気を
当てることができる。第２図は取付け状態にある測定器
の他の構成を示し、この測定器と前述した測定器との相
違は、固体電解質１が空隙５を残してセラミツク材料製
保護管６により包囲されていることである。

炉室８へ入ジ込む保護管６の閉じた端部は複数の開口７
を備えて卦り、これらの開口により交互に掃気ガスが測
定器の先端範囲にある測定空間９から炉室８内へ、また
炉内雰囲気が炉室８から測定空間９へ流人することがで
きる。測定空間９への掃気ガスの供給は、図面に概略的
に示したポンプＰに接続されている導管４を介して行な
われる。掃気過程後外側電極３をできるだけ迅速に再び
炉内雰囲気と接触させるため、ポンプＰを炉内雰囲気の
吸出しに利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は掃気ガスを供給される簡単な測定器の断面図、
第２図は炉壁へ挿人された異なる構造の掃気測定器の断
面図である。 １・・・・・・固体電解質の細管、２・・・・・・内側
電極、３・・・・・・外側電極、４・・・・・・掃気ガ
ス供給導管、８・・・・・・炉室、Ｐ・・・・・・ポン
プ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 酸化ジルコンを基材とする酸素イオン伝導固体電解
   質からなり、その外側電極が炉内雰囲気と接触可能であ
   り、その内側電極が空気あるいは酸素含有量のわかつて
   いる他の基準ガスと接触可能である測定器において、外
   側電極３が、この外側電極の所における局部的ガス反応
   および煤の析出を阻止する浸炭作用しない掃気ガスを間
   欠的にしかも炉内雰囲気と交互に当てられることを特徴
   とする、炉内雰囲気の酸素電位を電気化学的に検出する
   測定器。 ２ 外側電極３が脱炭作用する掃気ガスでまわりを掃気
   されることを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載の
   測定器。 ３ 外側電極３が空気によりまわりを掃気されることを
   特徴とする、特許請求の範囲第２項に記載の測定器。 ４ 外側電極３の測定個所へ直接掃気ガス供給用導管４
   が近づけられていることを特徴とする、特許請求の範囲
   第１項ないし第３項のいずれか１つに記載の測定器。 ５ 少なくとも固体電解質１に、外側電極３を包囲する
   測定空間９が形成され、これが掃気ガス供給導管４に接
   続され、かつ炉室８へ接続可能であることを特徴とする
   、特許請求の範囲第１項に記載の測定器。 ６ 測定空間９がセラミック材料からなる固体電解質１
   の保護管６により形成され、この保護管が炉室８へ通ず
   る少なくとも１つの開口７を備えており、この開口を通
   して交互に掃気が測定空間９から炉室８へ、また炉内雰
   囲気が炉室８から測定空間９へ流れることを特徴とする
   、特許請求の範囲第５項に記載の測定器。 ７ 測定空間９におけるガス交換のためポンプ装置が設
   けられていることを特徴とする、特許請求の範囲第５項
   あるいは第６項に記載の測定器。 ８ 固体電解質１が片側を閉じられかつ安定化された酸
   化ジルコニウムからなる細管からなり、この細管へ内側
   電極２が挿入され、細管１が間隔をおいてセラミック保
   護管６により包囲され、この保護管の底に複数の開口７
   が設けられ、細管１と保護管６との間の空間５に外側電
   極３と掃気ガス供給部とが設けられていることを特徴と
   する、特許請求の範囲第１項に記載の測定器。 ９ 外側電極３と固体電解質１が１つあるいはそれ以上
   の個所で円状あるいは点状に接触していることを特徴と
   する、特許請求の範囲第１項に記載の測定器。 １０ 外側電極３が、少なくとも固体電解質１への接触
   個所で、ふさがれた電子殻のｄレベルが１０個の電子で
   ふさがれかつメタンの分解に触媒作用しない元素の少な
   くとも８０％を含む導電材料からなることを特徴とする
   、特許請求の範囲第１項に記載の測定器。 １１ 外側電極３が測定個所で金からなることを特徴と
   する、特許請求の範囲第１０項に記載の測定器。