Способ исследования процессов растворения твердых тел в стеклообразующих расплавах

 

Использование: в способах исследования растворения твердых тел в расплавах, позволяющих выявить процессы в контактной зоне, описываемые диффузионной и химической кинетикой с учетом составоструктурных характеристик взаимодействующих фаз. Сущность изобретения: по способу измеряют изменение разности потенциалов между контрольными электродами и электродами сравнения, обусловленное сходящимся диффузионным потоком к равнодоступной поверхности электродов, помещенных в центр цилиндрических отверстий образцов твердого тела и цилиндра из инертного материала, погруженных в расплав на глубину, на порядок превышающую диффузионный путь. Цель изобретения - расширение возможностей способа для анализа физико-химических процессов в контактной зоне и проведения исследований процесса растворения в широком интервале температур. 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к методам научных исследований в области растворения твердых тел в расплавах и позволяет выявить процессы в контактной зоне, описываемые диффузионной и химической кинетикой с учетом составоструктурных характеристик взаимодействующих фаз.

Известен способ изучения контактных явлений между стеклом и твердым оксидом с помощью электрического потенциала, заключающийся в том, что в стеклообразующий расплав погружают два платиновых электрода, на один из которых предварительно нанесен слой огнеупорного материала толщиной около 0,1 м [1,2] Недостатком такого способа является сложность получения плотного устойчивого слоя огнеупора на поверхности платинового электрода, что при испытаниях часто приводит к пропитке слоя и замыканию электродов или к изменению потенциала рабочего электрода за счет проникания диффузионно подвижных ионов стекломассы, например щелочных, которые могут полностью перекрывать электрохимические эффекты основных компонентов огнеупора.

Наиболее близким к изобретению является способ исследования растворения кварца в силикатном расплаве, основанный на измерении ЭДС во времени между рабочими платиновыми электродами, погруженными в расплав на 1-2 мм и установленными в направлении градиента концентрации, и электродом сравнения, контактирующим с расплавом постоянного состава [3] Недостаток способа заключается в фиксации только поверхностного массопереноса, который имеет свои закономерности, существенно отличающиеся от процессов на большей части поверхности твердого тела, находящейся ниже уровня расплава, определяющих характер и кинетику растворения в целом. Кроме того, исследования проводят при вязкости расплава не менее 250 Пз, что не соответствует реальным условиям службы огнеупоров в устройствах по получению и переработке расплавов и не позволяет выявить истинный характер растворения твердого тела.

Цель изобретения расширение возможностей способа для анализа физико-химических процессов в контактной зоне и проведения исследований процесса растворения в широком диапазоне технологических параметров.

Цель достигается тем, что измеряют изменение разности потенциалов между контрольными электродами и электродом сравнения, обусловленное сходящимся диффузионным потоком к равнодоступной поверхности электродов, помещенных в центре цилиндрических отверстий образцов твердого тела и цилиндра из инертного материала соответственно и погруженных в расплав на глубину, на порядок превышающую диффузионный путь.

По предлагаемому способу изменение потенциала контрольных электродов при растворении твердого тела в расплаве обусловлено сходящимся диффузионным потоком к равнодоступной поверхности электрода, значительно повышающим чувствительность метода к процессам на контакте. Стабилизация расплава в приэлектродном пространстве позволяет проводить исследование растворения в широком диапазоне температур и вязкостей расплавов, которые являются основными технологическими параметрами, определяющими скорость растворения твердого тела, и расширить возможности для качественного анализа процесса.

В таблице сравниваются предлагаемый способ и прототип.

На фиг.1 представлены схематично устройства для реализации существующего (а) и предлагаемого (б) способов. В платиновый тигель 1 с предварительно наплавленным слоем стекла 2 опускаются рабочие 3 и контрольный 4 электроды. В устройстве для реализации известного способа часть расплава, в которую погружен контрольный электрод, отделена перегородкой 5. В устройстве для реализации предлагаемого способа для этой цели служит платиновый цилиндр 6. После установления постоянных значений потенциала асимметрии в расплав погружают исследуемый образец 7. В известном способе глубина расплава и глубина погружения электродов составляет 2-3 и 1-1,5 мм соответственно, чем в сочетании с высокой вязкостью расплава устраняется воздействие конвективных потоков. Расстояния от образца до рабочих электродов X_i 8-50 мм. В предлагаемом способе для одновременного исследования берут четыре образца с различным внутренним диаметром, лежащим в интервале от 3 до 6 мм, что необходимо для построения графика зависимости X² f() при постоянной ЭДС, используемого при дальнейших расчетах. Увеличение диаметра отверстия более 6 мм приводит к нарушению плавного хода графика зависимости ЭДС время, а уменьшение менее 3 мм затрудняет центровку электрода. Выбор глубины погружения образца (фиг.1б) был осуществлен исходя из того, что вклад объемной диффузии при глубине погружения электрода около 1 мм составляет по известным данным [3] 10% Для уменьшения вклада поверхностной диффузии в общем диффузионном потоке до приемлемых величин необходимо, чтобы глубины погружения были хотя бы на порядок больше диффузионного пути (фиг.1б). При этом вклад поверхностной диффузии в изменение потенциала электрода в результате объемной диффузии не более 10% В нашем случае при величине диффузионного пути от 1 до 2,5 мм глубина погружения составляет от 10 до 25 мм, что конструктивно легко выполнимо. Разность потенциалов между электродами измерялась по общепринятой компенсационной схеме.

На фиг.2 представлены графики зависимостей ЭДС от времени при различных температурах для пары Al₂O₃ в форме корунда и барийсиликатного стекла. При температурах варки стекла 1100-1200^оС и вязкостях 1-50 Пз процесс отклоняется от чисто диффузионного и на графике Е f() позволяет перегиб, что связано с кристаллизацией на поверхности образца Al₂O₃ тугоплавкого соединения ZnAl₂O₄, препятствующего дальнейшему растворению корунда. При меньших температурах и соответственно больших вязкостях наблюдается чисто диффузионный процесс растворения огнеупора, который отличается от реального процесса при температурах эксплуатации. Такие же закономерности получены для пары Al₂O₃ фосфатное стекло.

На фиг.3 представлены графики зависимостей ЭДС от времени для пары Al₂O₃ Na₂B₄O₇ при различной пористости твердых образцов. С увеличением пористости образцов наблюдается более быстрое нарастание ЭДС во времени. Это связано с увеличением поверхности, с которой происходит диффузия. При меньших температурах и больших вязкостях чувствительность способа резко уменьшается.

Полученные предлагаемым способом данные по кинетике растворения твердого тела в расплавах позволяют сделать качественную и количественную оценку процесса растворения, рассчитать диффузионные и энергетические параметры процесса, активности компонентов расплава и твердого тела к взаимодействию, влияния физического строения твердого тела на скорость растворения, выявить связь процесса с технологическими параметрами.

Формула изобретения

СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ РАСТВОРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ В СТЕКЛООБРАЗУЮЩИХ РАСПЛАВАХ путем погружения образцов твердого тела, измерительных и сравнительного электродов с последующим измерением их разности потенциалов и регистрацией зависимости E = f(), отличающийся тем, что измерение разности потенциалов проводят в расплавах с вязкостью 1 50 Пз, причем измерительные электроды размещены в центре сквозных каналов образцов твердого тела, электрод сравнения в центре полого цилиндра из инертного материала, электроды погружены в исследуемый расплав на глубину 10 25 мм, а внутренний диаметр сквозных каналов лежит в интервале 3 6 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4