鋁電解以鈉冰晶石為電解質(zhì),電解槽槽底阻擋層硅酸鋁質(zhì)耐火材料(防滲料)抗鈉冰晶石侵蝕性對(duì)于電解槽的使用壽命有著至關(guān)重要的影響。在防滲料抗冰晶石侵蝕方面國(guó)內(nèi)學(xué)者已進(jìn)行了一些研究,得到的基本共識(shí)是,防滲料中的AL2O3和SiO2 組分與冰晶石反應(yīng)生成高粘度的霞石和鈉長(zhǎng)石,阻擋了冰晶石的進(jìn)一步滲透,由此具有防滲作用。然而對(duì)于防滲料中AL2O3和 SiO2 較準(zhǔn)確的含量到目前為止沒有一個(gè)清晰的結(jié)論，甚至是矛盾的。借助薄片法研究硅酸鋁質(zhì)耐火材料化學(xué)組成對(duì)抗鈉冰晶石侵蝕性的影響，以期得出硅酸鋁質(zhì)耐火材料具有最佳抗鈉冰晶石侵蝕性時(shí)的AL2O3 、SiO2 組成,并探討耐火材料抗鈉冰晶石侵蝕的機(jī)理。
按擬定的實(shí)驗(yàn)方案加熱至950 ℃ × 3 h,研究化學(xué)組成對(duì)耐火材料抗鈉冰晶石侵蝕性的影響。放置鈉冰晶石圓片的面為試樣正面。經(jīng)鈉冰晶石侵蝕后試樣正面與背面照片如圖2所示。由圖2可清晰地看到,熔融石英試樣(A) 正面上的鈉冰晶石圓片尚未完全熔化,已熔化的鈉冰晶石使圓片周邊試樣呈玻璃狀,試樣背面沒有鈉冰晶石滲出。隨著AL2O3 含量增加(由25%增加到75% ,即 B、C、D 試樣),鈉冰晶石圓片的熔化面積增大,但試樣背面仍未見鈉冰晶石滲出(B、C試樣),直到AL2O3含量75%的試樣D,試樣正面的鈉冰晶石圓片消失，背面明顯可見鈉冰晶石滲出。板狀剛玉試樣(E),試樣正面已看不到鈉冰晶石圓片的痕跡,圓片所在區(qū)域(試樣正面與背面)疏松多孔,鈉冰晶石完全溶入AL2O3試樣當(dāng)中。圖2明顯可見各試樣抗鈉冰晶石侵蝕性的差異,其中B試樣具有最好的抗鈉冰晶石侵蝕性。
取薄片法侵蝕實(shí)驗(yàn)后的試樣 A、B、D、E 進(jìn)行分析可以看出,侵蝕實(shí)驗(yàn)后熔融石英試樣(A)的物相組成為鱗石英和鈉冰晶石,無新的物相生成,說明鈉冰晶石對(duì)該試樣沒有發(fā)生化學(xué)侵蝕,僅為物理滲透,但非晶態(tài)的SiO2 在950 ℃和鈉冰晶石液相中析晶轉(zhuǎn)變成了鱗石英。 B、D 試樣中,除原料組分的熔融石英(轉(zhuǎn)化成鱗石英)、剛玉相和鈉冰晶石外,還有新物相霞石生成,說明 B、D 試樣中鈉冰晶石與AL2O3、SiO2發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。板狀剛玉試樣(E)中的物相為剛玉和鈉冰晶石,也沒有新的物相生成,說明該試樣中鈉冰晶石也沒有發(fā)生化學(xué)侵蝕,只有鈉冰晶石對(duì) AL2O3 的溶解。AL2O3 、SiO2 組分與鈉冰晶石接觸在高溫下將發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)
2AL2O3 (s) + 9SiO2 (s) + 2Na3AlF6 (l)→6NaAlSiO4 (s)(霞石) + 3SiF4 (g)
2AL2O3 (s) + 9SiO2 (s) + Na3AlF6 (l)→3NaAlSi3O8 (s)(鈉長(zhǎng)石) + 2AlF3
由式可知,2AL2O3與9SiO2 (即AL2O3：SiO2 = 0. 38,wt% )和2倍的Na3AlF6反應(yīng)時(shí)生成NaAlSiO4 (霞石)，而與1倍的 Na3AlF6反應(yīng)時(shí)則生成 NaAlSi3O8 (s) (鈉長(zhǎng)石)。 B、D 試樣中的物相是霞石,而不是鈉長(zhǎng)石,說明試樣中發(fā)生的反應(yīng)是2倍而非1倍。AL2O3、SiO2組分與鈉冰晶石反應(yīng)生成霞石，霞石在侵蝕實(shí)驗(yàn)溫度下粘度大,起著屏障作用,阻礙了鈉冰晶石的進(jìn)一步滲透與侵蝕。 由此可知,鈉冰晶石在熔融石英試樣中為物理滲透,在板狀剛玉試樣中溶解AL2O3，在含AL2O3、SiO2的二元體系中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成霞石,由于霞石的高粘度起著屏障作用提高了抗鈉冰晶石侵蝕性,尤以B試樣抗鈉冰晶石侵蝕最好。