钢液定磷传感器及4CaO.P2O5基固体电解质优化改性研究

The proposal focuses on a rapid measurement technology to measure phosphorus content in the liquid steel, the solid oxides are prepared by solid-state compound. In this work, 4CaO•P2O5 is used as main material, and the solid oxides is employed as modifier. Some fundamental issues will be investigated, such as the preparation conditions, the reaction mechanism and ion transport number for the doped solid electrolyte. The doped solid electrolyte are analyzed by Raman spectroscopy, XPS, SEM equipped with EDS, XRD and thermogravimetric analysis. The reaction process will be investigated by the electrochemical methods. The phosphorus sensor will be designed and the property will be studied, to measure the phosphorus in the liquid steel. Solid electrolyte phosphorus sensor is a new method for measuring phosphate in molten steel, on-line, directly, rapidly and continuously to any part of the materials, the research results will provide the theory and experimental basis for application of measuring method in the production process. Thus,the project has important practical significance and broad application prospect.

本项目是基于快速测量钢液中磷含量的基础研究。采用磷酸四钙为主体材料，碱性金属氧化物为改性剂，采用固相合成法制备固体电解质材料。研究固体电解质的制备条件，考察碱性金属氧化物对固体电解质性能的影响，弄清碱性金属氧化物在固体电解质中的存在形式及固体电解质合成过程的反应机理；使用Raman光谱、X射线光电子能谱、扫描电镜结合EDS能谱分析、X射线衍射分析、热重分析等手段对固体电解质进行表征；采用电化学分析技术研究传感器的电极反应过程，通过磷传感器测试钢液中的磷，明确钢液中磷的传输机制，考查传感器的响应时间及使用寿命，为钢中磷含量的测量及控制提供理论基础和应用依据。

钢铁中的磷元素会严重影响钢材性能，例如引发“冷脆”现象、增加钢材回火脆性、加剧晶间腐蚀，因此，在钢铁冶炼过程中实时连续、快速准确地测量有害元素含量是当前冶金行业智能冶炼等的前提。然而传统的检测方法步骤复杂、时间较长，很难实现智能化生产。本研究首次采用掺杂磷酸四钙为固体电解质材料，研究固体电解质的制备条件，考察掺杂元素对固体电解质性能的影响， X射线光电子能谱、扫描电镜结合EDS能谱分析、X射线衍射分析、热重分析等手段对固体电解质进行表征；采用电化学阻抗谱技术研究固体电解质的电导率，通过组装磷传感器测试碳饱和铁液中的磷含量，考查传感器的响应时间及使用寿命。得到如下结果：掺杂La、Ce固体电解质合成温度为1450-1500℃；热压铸成形工艺：压力0.4MPa，持续时间15s，模具温度30℃，蜡浆温度75℃，蜡浆成分配比粉体:石蜡:蜂蜡:油酸=85%:13.5%:l%:0.5%，排蜡温度900-1000℃；采用组装的磷传感器测得电压和磷含量的关系，传感器响应时间15-30s，连续使用寿命在20h以上，1450℃空冷抗热震次数5次以上。本研究已取得初步成果，进一步的深入研究将为钢中磷含量的测量及控制提供理论基础和应用依据。