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Mn属于易挥发元素,其含量波动较大,在转炉冶炼末期和精炼过程中需要精确测定钢液中的Mn含量,特别对于高品质钢中的Mn含量控制要求更为严格,常以添加锰铁合金实现合金化、或添加锰矿以实现熔融还原等方法调整Mn含量。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Mn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Mn含量的方法具有重要意义。本文以固体电解质化学传感器方法实现钢液测锰,采用固相烧结方法在不同烧结条件下合成了Zr1-xMgxO2-x(0.06≤x≤0.20)和8mol%Y2O3-ZrO2(8YSZ)固体电解质,使用共沉淀方法制备了8mol%MgO-ZrO2(8mol%Mg-PSZ)固体电解质,通过涂覆共烧结的方法在8mol%Mg-PSZ固体电解质基体材料上合成了MnO辅助电极涂层,设计了塞式和管式两种结构的电化学锰传感器,测定了成分较复杂的不同温度的钢液中的Mn含量,研究将为快速测定Mn含量的新方法提供理论和应用依据。研究结果如下:(1)采用固相合成法在不同烧结条件下制备了Zr1-xMgxO2-x(0.06≤x≤0.20)固体电解质样品,通过XRD和SEM分析发现,样品包含珊瑚结构的立方固溶体相,结构致密。通过Rietveld分析发现,随着烧结温度的提高,样品中的立方相含量增加,单斜相减少,延长保温时间,样品中四方相的含量增加,单斜相含量降低。(2)使用交流阻抗法测定了Zr1-xMxO2-x(0.06≤x≤0.20)样品的电导率,随着温度的升高,电导率不断增加。由于立方固溶体相的分解,Zr1-xMxO2-x(0.06≤x≤0.09)样品的电导率随温度变化的Arrhenius曲线在1400℃发生转折。在1600℃烧结5h,MgO掺杂量为8mol%的样品的电导率较其他掺杂量样品高,为1.18×10-2～8.03×10-2S/cm,在1000～1400℃和1400～1600℃的电导率与温度的关系分别为ln(σT)=11.89-11743.00/T和ln(σT)=6.65-3062.10/T。(3)实验成功制备了只有立方固溶体相的8YSZ样品,微观结构致密,成分均匀,随着烧结温度升高和保温时间延长,晶粒尺寸增大。在1000～1600℃的温度范围内,8YSZ样品电导率随着温度的升高而增大,电导率随温度变化的Arrhenius曲线近似为一条直线,电导激活能为0.55～0.60eV。1600℃烧结5h的8YSZ样品在1000～1600℃的电导率为1.97×10-2～7.26×10-2S/cm,电导率随温度变化的关系方程为ln(σT)=8.54-6610.60/T。(4)采用共沉淀方法制备了8mol%Mg-PSZ前驱体,在1600℃烧结5h制备了8mol%Mg-PSZ,样品含有较小晶粒尺寸的单斜相、四方相和较大尺寸珊瑚结构的立方相,结构致密。在950～1600℃时,电导率随温度升高而升高,为6.08×10-3～5.36×10-2S/cm,在950～1350℃的电导激活能为1.01eV,电导率与温度的关系为ln(σT)=11.20-11696.69/T,在1400～1600℃的电导激活能为0.52eV,电导率与温度的关系为ln(σT)=7.83-59935.70/T。(5)采用涂覆共烧结法,分别使用颗粒尺寸为76μm和1.25μm的MnO粉末,在1600℃烧结不同时间,均获得了结构致密的MnO涂层和8mol%Mg-PSZ基体,且两种材料的结合非常紧密,MnO辅助电极涂层并未发生氧化。(6)使用MnO涂层作为辅助电极的锰传感器,对不同锰含量的钢液进行测试,平均响应时间约3s,可以反映钢液中锰的含量的稳定电动势值持续约7s。传感器的电动势值与Mn含量成反比,且与经过光谱分析得到的钢液Mn含量呈线性关系,在Mn质量分数为0.50%～2.15%的范围内,电动势与Mn含量的关系为E=172.27-40.16w[Mn]。(7)由测得的锰传感器电动势值计算得到的Mn活度值,与经过光谱分析得到的Mn含量之间的关系,得到钢液中锰的活度系数为1.56,表明在成分复杂的钢液与MnO辅助电极接触界面有其他氧化物生成,使MnO的活度小于1。