[科普中国]-定硅测头

简介

铁水快速定硅测头，属于测定材料的化学和物理性质来分析材料的技术领域。它是利用浓差电池原理来测定铁液中硅含量的方法。主要是在固体电介质表面增加均匀分布的辅助电极的斑点，材质为ZrSiO↓和ZrO↓，辅助电极的斑点厚2－3mm，直径为2－3mm，占固体电介质表面的70－80%，其烧结温度1550－1610℃，恒温保持30－180分钟。本发明结构简单，易于操作，测定准确，快速，测成率和重现率高。

硅是生铁的组成成分，也是高炉炉况的重要指标之一。在以炉外脱磷为主的新工艺中，为使脱磷处理经济、圆满地完成，在出铁场须先将铁水的硅浓度控制在允许的最佳限度内。在脱硅工艺中为保证铁水中的碳和锰不过氧化，脱硅剂的加入速率应适当控制，以使至少60% 的氧优先同硅而不是同碳和锰反应。另外，在钒、钛、铌等复台矿的冶炼中为提高稀有元素的回收率，也必须先将铁水中的硅先脱至台理的范围内。

为同后续的冶炼工艺相适应， 提高脱硅剂的脱硅效率，在铁水脱硅过程中必须随时、随地、准确地了解铁水中的含硅量，以控制脱硅剂的投放量。然而铁水中的硅浓度即使在出铁过程中改变也是相当大的， 其变化幅度可达0．1～0．15wt 。目前， 炼铁厂广泛采用的化学和光谱分析法从取样到鉴别要花费30~40min的时间，显然是不能满足生产要求。

我国钢铁企业对快速定硅要求非常迫切，但至今没有哪家企业能实现，而且在本专题开始前也没有文章报道对此进行过研制。国外研究过的方法众多，但结果均不十分理想。其中热电势法定硅相对而言比较成熟， 但所需时间较长。在这种情况下，我们从理论上进行分析， 选择了以ZrO2加ZrSiO4为辅助电极的测头法作研制目标，在实验室工作的基础上到现场进行炉前测试，结果证明这种测头的研制是成功的，它能在3～5s内测定出稳定的硅电动势， 硅含量测定值与分析值偏差小于0．1wt% ，且测试成功率可达90%以上。此类测头能满足工业要求，可投入实际应用1。

定硅两头的结构电化学电池结构由ZrO2管、ZrO2 +ZrSiO4 辅助电极、Mo+MoO1参比电极及钼金属陶瓷回路电极组成。

辅助电极材料ZrSiO4 按ZrO2-SiO2相图由固相反应ZrO2+SiO2 )=ZrSiO4 合成，辅助电极由zrO2 和ZrSiO4 的混合糊状物涂在ZrO2 管的外表面上制成。糊状物小点覆盖了ZrO2管大约60% ～70% 的外表面。这种为小点所覆盖的管子先在室温下干燥，然后在1723K下焙烧24h，最终制成的就是紧密粘附于ZrO2管外表面的辅助电极zrO2+ZrSiO4 。

参比电极由Mo和MoO2 组成。回路电极钼金属陶瓷由粉末冶金法制成，其具有良好的导电性及耐金属渡腐蚀性。参比电极和回路电极用钼丝联接。钼丝分别被高温水泥封固在ZrO2 管内的顶部和钼金属陶瓷棒端部，并在外面用陶瓷管套住，以避免测试时钼丝裸露与铁水接触而造成剃试失败。

现场测试生产中的许多因素无法象实验室里那样精确控制，因此，有关该类测头能否在现场中实际应用，目前国外还存在争议，而国内无人对此进行过研制，因而本专题主要对现场测试进行了实验。

(1)承德钢铁厂的测试结果及分析。

承德钢铁厂生铁中硅含量较高，大部分在1wt 以上。除个别点外(测头制作不当)，硅测头在该厂的测定结果与分析值基本吻合，平均偏差为±0．11wt 。

(2)在杭州钢铁厂的测试结果及分析。

杭州钢铁厂生铁中硅含量较低，均在1wt 以下。测试操作正常时，测得的结果与实际硅浓度吻合得更好，两者偏差小于0．1wt 。对硅含量为0．48 的铁液，因测试时测头被含硅量很高的炉渣盖住，与电池平衡的是炉渣中的硅，因此，测得的结果比铁液中的硅含量高。

杭州钢铁厂测得的测头的应答时间为3s，且在铁液中能稳定测试lmin甚至更长时间，直到测头的高温水泥封头被铁水冲散而破坏。将来测头工业化组装后，其测定时间可更长。

总结研制的铁水快速定硅测头结构简单、不需取样、操作简便，且应答时间短、分辨率高、重现性好，在各种条件下均能准确测试。另外，利用现有的传统氧传感器技术很容易开发出该类硅测头，因此，这类硅测头是目前最适宜、最便于开发和推广的测头2。