Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Модуль 2. Фазовые равновесия в силикатных системах и диаграммы состояния

Фазовые равновесия в гетерогенных системах. Основные понятия учения о фазовых равновесиях.Основные понятия и определения. Система. Параметры системы. Независимые компоненты. Степени свободы. Правило фаз. Общие представления о диаграммах состояния.

Диаграммы состояния. Однокомпонентные системы.Элементы строения диаграмм состояния однокомпонентных систем. Энантиотропные и монотропные полиморфные превращения. Система SiO2.

Двухкомпонентные системы.Методы построения диаграмм состояния. Термический анализ. Элементы строения диаграмм состояния двухкомпонентных систем. Основные типы диаграмм состояния двухкомпонентных систем и правила работы с ними. Применение правила рычага в двухкомпонентных системах. Система CaO – SiO2. Система Al2O3 – SiO2. Система MgO – SiO2. Система Na2O – SiO2.

Трехкомпонентные системы.Элементы строения диаграмм состояния трехкомпонентных систем. Основные типы диаграмм состояния трехкомпонентных систем и правила работы с ними. Применение правила рычага в трехкомпонентных системах. Система CaO – SiO2 – Al2O3. Система MgO – Al2O3 – SiO2. Система CaO – MgO – SiO2. Система Na2O – CaO – SiO2.

 

Задание 2. Диаграммы состояния двухкомпонентных систем

Вариант 1

С помощью диаграммы состояния системы MgO – SiO2 (рис. 3) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 35% MgO и 65% SiO2; б) 55% MgO и 45% SiO2.

2. Определите содержание жидкой фазы в огнеупоре состава 75% MgO и 25% SiO2 при температурах 1900 и 1850 °С.

3. При какой температуре появится жидкая фаза в огнеупорах, имеющих следующий состав: а) 75% MgO и 25% форстерита Mg2SiO4; б) 80% форстерита и 20% энстатита MgSiO3?

4. Какое количество форстерита Mg2SiO4 выделится из расплава, содержащего 50% MgO и 50% SiO2, при охлаждении до температуры 1600°С?

5. Каким должен быть состав исходной смеси в системе MgO – SiO2, чтобы при полном охлаждении получить огнеупор состава 80% MgO и 20% форстерита Mg2SiO4?

 

Вариант 2

С помощью диаграммы состояния системы Li2O – SiO2 (рис. 4) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 40% Li2O и 60% SiO2; б) 25% Li2O и 75% SiO2.

2. Определите содержание жидкой и твердой фазы при 1100°С в смесях состава: а) 15% Li2O и 85% SiO2; б) 70% Li2O и 30% SiO2.

3. Как изменится температура полного плавления смеси при замене 10% Li2O на SiO2 в составе 7% SiO2 и 30% Li2O?

4. При какой температуре появится жидкая фаза в огнеупорах, имеющих следующий состав: а) 15% Li2O и 85% SiO2; б) 50% Li2O и 50% SiO2?

5. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

 

Вариант 3

С помощью диаграммы состояния системы Na2O – SiO2 (рис.5) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 40% Na2O и 60% SiO2; б) 15% Na2O и 85% SiO2.

2. Как изменится температура полного плавления смесей в данной системе при увеличении содержания SiO2 с 50 до 60%?

3. Натриевое растворимое стекло имеет состав Na2O·3SiO2. Определите температуру его полного плавления.

4. Исходная смесь содержит 72% SiO2 и 28% Na2O. Определите содержание жидкой фазы при 800°С и соотношение между фазами при полной кристаллизации.

5. Определите соотношение между фазами при полной кристаллизации расплава, содержащего 40% SiO2 и 60% Na2O.

 

Вариант 4

С помощью диаграммы состояния системы Al2O3 – SiO2 (рис.6) выполните следующие задания:

1. Определите соотношение между муллитом 3Al2O3·2SiO2 и SiO2 в огнеупоре состава 40% Al2O3 и 60% SiO2, эсплуатирующемся при 1500°С.

2. Жидкая фаза, образовавшаяся в огнеупоре в количестве 20%, содержит 30% Al2O3 и 70% SiO2. Определите состав огнеупора.

3. Определите соотношение между муллитом и Al2O3 в смеси состава 80% Al2O3 и 20% SiO2 при полной кристаллизации.

4. Какое количество жидкой фазы образуется при 1600°С в огнеупорах состава: а) 40% Al2O3 и 60% SiO2; б) 28% Al2O3 и 72% SiO2; в) 60% Al2O3 и 40% SiO2? Определите фазовый состав этих огнеупоров.

5. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

 

Вариант 5

С помощью диаграммы состояния системы ZnO – SiO2 (рис. 7) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 25% ZnO и 75% SiO2; б) 70% ZnO и 30% SiO2.

2. Какие фазы будут находиться в равновесии в смеси состава 20% ZnO и 80% SiO2 при 1695°С? Сколько степеней свободы имеет система в этом состоянии? При какой температуре исчезнет жидкая фаза при охлаждении указанного состава?

3. Определите состав исходной смеси, который при полном охлаждении будет иметь следующий фазовый состав: 30% ZnO и 70% Zn2SiO4; б) 30% Zn2SiO4 и 30% тридимита.

4. При какой температуре в системе ZnO – SiO2 смесь, содержащая 60% ZnO и 40% SiO2, будет образовывать при плавлении 40% жидкой фазы?

5. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

Вариант 6

С помощью диаграммы состояния системы CaO – Fe2O3 (рис. 8) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 85% Fe2O3 и 15% CaO; б) 75% Fe2O3 и 25% CaO; в) 60% Fe2O3 и 40% CaO.

2. Определите фазовый состав продуктов кристаллизации расплава 87% Fe2O3 и 13% CaO при 1200°С.

3. Смесь состоит из 70% Fe2O3 и 30% CaO. Каким будет соотношение между фазами, образовавшимися при 1200°С?

4. Какие фазы будут находиться в равновесии в смеси состава 65% Fe2O3 и 35% CaO при 1350°С? Сколько степеней свободы имеет система в этом состоянии? При какой температуре исчезнет жидкая фаза при охлаждении указанного состава?

5. Исходная смесь содержит 90% Fe2O3 и 10% CaO. Определите соотношение между фазами при полной кристаллизации.

Вариант 7

С помощью диаграммы состояния системы K2O – SiO2 (рис. 9) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 10% K2O и 90% SiO2; б) 40% K2O и 60% SiO2.

2. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

3. Как изменится температура полного плавления смеси при снижении содержания SiO2 с 80 до 72%?

4. Определите соотношение между фазами, образующимися при полном охлаждении расплава, имеющего состав 50% K2O и 50% SiO2.

5. Определите область наиболее легкоплавких составов и фазовый состав продуктов их кристаллизации.

 

Вариант 8

С помощью диаграммы состояния системы CaO – Al2O3 (рис. 10) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 20% CaO и 80% Al2O3; б) 40% CaO и 60% Al2O3.

2. Определите составы равновесных фаз, соответствующих наиболее легкоплавкой эвтектике.

3. Определите состав исходной смеси, дающей при полной кристаллизации 50% фазы 5CaO·3Al2O3 и 50% CaO·Al2O3.

4. Определите соотношение между фазами (в мас. %), образовавшимися при охлаждении расплава, содержащего 40% CaO и 60% Al2O3, до температуры 1500°С и при полной кристаллизации после завершения всех фазовых превращений.

5. Какие фазы будут находиться в равновесии в смеси состава 80% CaO и 20% Al2O3 при 1700°С? Сколько степеней свободы имеет система в этом состоянии? При какой температуре исчезнет жидкая фаза при охлаждении указанного состава?

 

Вариант 9

С помощью диаграммы состояния системы Na2O – B2O3 (рис. 11) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 80% B2O3 и 20% Na2O; б) 60% B2O3 и 40% Na2O.

2. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

3. Определите соотношение между фазами, полученными при полной кристаллизации расплава состава 60% B2O3 и 40% Na2O.

4. При какой температуре в смеси состава 55% B2O3 и 45% Na2O образуется 30% жидкой фазы?

5. Сколько химических соединений образуется в данной системе? Какое из соединений плавится инконгруэнтно? Опишите процесс плавления данного соединения.

 

Вариант 10

С помощью диаграммы состояния системы BaTiO3 – SiO2 (рис. 12) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 20% BaTiO3 и 80% SiO2; б) 5% BaTiO3 и 95% SiO2.

2. Определите, каким должен быть состав исходной смеси для получения керамики, состоящей из 60% BaTiO3 и 40% BaTiSiO5 .

3. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

4. Определите соотношение между фазами (в мас. %), образовавшимися при охлаждении расплава, содержащего 60% BaTiO3 и 40% SiO2, до температуры 1300°С и при полной кристаллизации после завершения всех фазовых превращений.

5. Какие фазы будут находиться в равновесии в смеси состава 10% BaTiO3 и 90% SiO2 при 1600°С? Сколько степеней свободы имеет система в этом состоянии? При какой температуре исчезнет жидкая фаза при охлаждении указанного состава?

 

Вариант 11

С помощью диаграммы состояния системы BeF2 – LiF (рис. 13) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 20% LiF и 80% BeF2; б) 40% LiF и 60% BeF2.

2. Определите количество фаз, образовавшихся в смеси состава 30% LiF и 70% BeF2 при 300°С.

3. Смесь содержит 60% BeF2 и 40% LiBe2F5. При какой температуре в процессе нагревания смеси образуется 50% жидкой фазы? Какое количество жидкости появится при нагревании до температуры эвтектики?

4. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

5. Исходная смесь содержит 90% LiF и 10% BeF2. Определите соотношение между фазами при полной кристаллизации.

 

Вариант 12

С помощью диаграммы состояния системы CaO·SiO2 – ВaO·SiO2 (рис. 14) выполните следующие задания:

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 50% ВaO·SiO2 и 50% CaO·SiO2; б) 80% ВaO·SiO2 и 20% CaO·SiO2.

2. Определите температуру, при которой в смеси, имеющей состав 20% ВaO·SiO2 и 80% CaO·SiO2, соотношение жидкой и твердой фаз будет составлять 2 : 1.

3. Определите состав исходной смеси, из которой при охлаждении выделится 30% ВaO·SiO2 и 70% 2CaO·ВaO·3SiO2.

4. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектической и перитектической точкам.

5. Опишите процесс плавления химического соединения 2CaO·ВaO·3SiO2.

 

 

Рис. 3 Диаграмма состояния системы MgO – SiO2

Обозначения: Ф – форстерит; Кл – клиноэнстатит

 

Рис. 4 Диаграмма состояния системы Li2O – SiO2

Рис. 5 Диаграмма состояния системы Na2O – SiO2.

Обозначения: I, II, III –полиморфные формы дисиликата натрия

 

 

Рис. 6 Диаграмма состояния системы Al2O3 – SiO2

 

Рис. 7 Диаграмма состояния системы ZnO – SiO2

Обозначения: К – кристобаллит; Т – тридимит

 

Рис. 8 Диаграмма состояния системы CaO – Fe2O3

Обозначения: М – магнетитовый твердый раствор;

Г1 – гематит; Г2 – гематитовый твердый раствор

 

Рис. 9 Диаграмма состояния системы K2O – SiO2

 

Рис. 10 Диаграмма состояния системы CaO – Al2O3

 

Рис. 11 Диаграмма состояния системы Na2O – B2O3

Рис. 12 Диаграмма состояния системы BaTiO3 – SiO2.

Обозначения: BaTiO3(I); BaTiO3(II) – кубическая и гексагональная

формы твердого раствора соответственно

Рис. 13 Диаграмма состояния системы BeF2 – LiF.

Обозначения: BeF2(I); BeF2(II) – высоко- и низкотемпературные

формы соответственно

Рис. 14 Диаграмма состояния системы CaO·SiO2 – ВaO·SiO2

Пример 2.1.На рис. 15 изображена диаграмма состояния системыCaO – SiO2. Опишите процесс кристаллизации расплава состава 15% CaO и 85% SiO2.

Рис. 15 Диаграмма состояния системы CaO – SiO2.

Обозначения: К – кристобалит; Т – тридимит;

Р – ранкинит; В – волластонит

Решение.Расположим фигуративную точку заданного состава в области однофазного состояния (точка 1). Химический состав исходной смеси относится к области составов, проявляющих стабильную ликвацию, т.е. расслоение в жидкой фазе. При охлаждении до купола ликвации начнется распад однофазного расплава на две несмешивающиеся жидкости. На линии ликвидуса появятся кристаллы α-кристобаллита в равновесии с жидкостью. При 1470 ºС произойдет полиморфное превращение кристобаллита в тридимит. При температуре примерно 1420 ºС жидкая фаза полностью исчезнет с образованием кристаллов α-тридимита и псевдоволластонита α-CaSiO3. При 1125 ºС произойдет переход α-CaSiO3 → β-CaSiO3, а при 870 ºС – переход α-тридимит → α-кварц. Фазовые превращения закончатся при температуре 573 ºС переходом α-кварц → β-кварц.

Полная схема фазовых превращении следующая: расплав → две несмешивающиеся жидкости → α-кристобаллит + Ж → α-тридимит + Ж → α- тридимит + α-CaSiO3 → α-тридимит + β-CaSiO3 → α-кварц + β-CaSiO3 → β-кварц + β-CaSiO3.

Пример 2.2.Опишите процесс кристаллизации расплава состава 70% CaO и 30% SiO2.

Решение.Расположим фигуративную точку заданного состава в области однофазного состояния (точка 2). На кривой ликвидуса при охлаждении такого расплава начнут выделяться кристаллы соединения 3CaO·SiO2 (Ca3SiO5) в присутствии остаточной жидкой фазы. По достижении линии солидуса жидкая фаза исчезнет и в равновесии будут находиться две фазы: α-2CaO·SiO2(Ca2SiO4) и 3CaO·SiO2(Ca3SiO5). При температуре выше 1400 ºС происходит полиморфное превращение α-Ca2SiO4 → α-Ca2SiO4. При 1250 ºС соединение Ca3SiO5 разлагается с образованием Ca2SiO4 и CaO, поэтому ниже 1250 ºС в равновесии будут фазы α-Ca2SiO4 и CaO. В процессе дальнейшего охлаждения при температуре примерно 650 ºС α-Ca2SiO4 переходит в γ-форму.

Полная схема фазовых превращении следующая: расплав → Ca3SiO5 + Ж → Ca3SiO5 + α-Ca2SiO4 → Ca3SiO5 + α-Ca2SiO4 → α-Ca2SiO4 + CaO → γ-Ca2SiO4 + CaO.

Пример 2.3.Определите соотношение между фазами (в мас. %), образовавшимися при охлаждении расплава, содержащего 15% CaO и 85% SiO2, до температур 1800 ºС; 1600 ºС и при полной кристаллизации.

Решение.При температуре 1800 ºС (фигуративная точка в) в равновесии две несмешивающиеся жидкости. Проведем через точку в конноду (ас) и опустим перпендикуляры из точек а и с на линию состава. Таким образом узнаем составы обеих жидкостей. Массовое соотношение между равновесными фазами при данной температуре определяется по правилу рычага. Для этого измеряем отрезки ав и вс. Запишем соотношение по правилу рычага:

,

где – масса жидкости состава а;

– масса жидкости состава с.

Массовая доля жидкости состава а равна = .

Массовая доля жидкости состава с равна = .

При температуре 1600 ºС (фигуративная точка g) в равновесии кристобалит и остаточная жидкая фаза, состав которой определяется точкой d. По правилу рычага:

.

Массовая доля кристобалита равна = .

Массовая доля жидкости равна = .

При полной кристаллизации и завершении всех фазовых превращений (температура примерно 850 ºС) в равновесии две твердые фазы: β-кварц SiO2 и волластонит β-CaSiO3. На линии состава возьмем отрезки от заданноного состава до составов полученных фаз, т.е. SiO2 и CaSiO3 и составим уравнение:

.

Массовая доля кристаллов кварца в конечной смеси составит , а кристаллов волластонита – 43%.

Задание 3. Диаграммы состояния трехкомпонентных систем

Опишите диаграмму состояния системы Na2O – CaO – SiO2 (рис. 16). Выполните задания, соответствующие номеру варианта.

 

Вариант 1

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 5% Na2O, 35% CaO, 60% SiO2; б) 20% Na2O, 10% CaO, 70% SiO2. Определите температуру завершения кристаллизации расплавов указанных составов.

2. Определите количество и состав каждой из фаз, образующихся при полной кристаллизации расплава состава б). Масса исходного расплава 1000 г.

 

Вариант 2

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 10% Na2O, 10% CaO, 80% SiO2; б) 15% Na2O, 5% CaO, 80% SiO2. Определите температуру завершения кристаллизации расплавов указанных составов.

2. Твердая смесь, содержащая 5% Na2O, 5% CaO и 90% SiO2, нагрета до 1500ºС. Будет ли при этой температуре существовать твердая фаза, какая и в каком количестве?

Вариант 3

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов системыNa2O – CaO – SiO2, если изображающие их состав точки находятся: а) в области ликвации, примыкающей к стороне CaO – SiO2; б) в поле соединения α- CaO – SiO2 на изотерме 1500ºС.

2. Определите количество и состав каждой из фаз, образующихся при полной кристаллизации расплава, содержащего 10% Na2O, 20% CaO, 70% SiO2 . Масса исходного расплава 800 г.

Рис. 16 Диаграмма состояния системы Na2O – CaO – SiO2.

Обозначения: В – волластонит; Т – тридимит; К – кристобаллит

 

Вариант 4

1. Определите составы равновесных фаз и их количество при нагревании смеси состава 8% Na2O, 12% CaO, 80% SiO2 до 1000ºС. Определите температуру конца кристаллизации указанного состава и фазовый состав продуктов кристаллизации.

2. Опишите процесс кристаллизации расплавов системыNa2O – CaO – SiO2, если изображающие их состав точки находятся: а) на изотерме 1000ºС в поле кристаллизации соединения Na2O·3CaO·6SiO2; б) на изотерме 1300ºС в поле кристаллизации соединения CaO·SiO2.

 

Вариант 5

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 30% Na2O, 10% CaO, 60% SiO2; б) 15% Na2O, 25% CaO, 60% SiO2. Определите температуру завершения кристаллизации расплавов указанных составов.

2. Определите количество и состав каждой из фаз, образующихся при полной кристаллизации расплава состава а). Масса исходного расплава 500 г.

Вариант 6

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 10% Na2O, 5% CaO, 85% SiO2; б) 15% Na2O, 25% CaO, 60% SiO2. Определите температуру завершения кристаллизации расплавов указанных составов.

2. Определите количество и состав каждой из фаз, образующихся при полной кристаллизации расплава состава б). Масса исходного расплава 500 г.

Вариант 7

1. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 10% Na2O, 15% CaO, 75% SiO2; б) 10% Na2O, 20% CaO, 70% SiO2. Определите температуру завершения кристаллизации расплавов указанных составов.

2. Определите, при какой равновесной температуре полностью расплавится шихта, соответствующая составу кальциево-натриевого силикатного стекла: 16% Na2O, 10% CaO, 74% SiO2.

 

Вариант 8

1. Трехкомпонентная смесь, содержащая 5% Na2O, 5% CaO и 90% SiO2, нагрета до температуры, при которой образовалось 50% расплава. Определите вид твердой фазы, состав расплава и температуры нагрева смеси.

2. Опишите процесс кристаллизации расплавов системыNa2O – CaO – SiO2, если изображающие их состав точки находятся: а) в поле кристаллизации дисиликата натрия Na2O·2SiO2, левее точки состава соединения; б) на изотерме 1000ºС в поле кристаллизации соединения Na2O·3CaO·6SiO2.

 

Вариант 9

1. Определите количество и состав каждой из фаз, образующихся при полной кристаллизации расплава, содержащего 30% Na2O, 10% CaO, 60% SiO2 . Масса исходного расплава 800 г.

2. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 10% Na2O, 15% CaO, 75% SiO2; б) 15% Na2O, 25% CaO, 60% SiO2. Определите температуру завершения кристаллизации расплавов указанных составов.

 

Вариант 10

1. При охлаждении исходного расплава до 1000ºС остаточный расплав содержит 8% CaO и находится в равновесии с кристаллами соединения Na2O·2CaO·3SiO2. Определите состав исходного расплава, если количество остаточного расплава при указанной температуре составляет 50%.

2. На сколько градусов снизится температура полного расплавления шихты, соответствующей составу стекла 10% Na2O, 10% CaO, 80% SiO2 при замене 5% CaO на 5% Na2O? Опишите процесс кристаллизации расплава нового состава.

 

Вариант 11

1. Твердая смесь, содержащая 20% Na2O, 10% CaO и 70% SiO2, нагрета до 900ºС. Будет ли при этой температуре существовать твердая фаза, какая и в каком количестве?

2. Опишите процесс кристаллизации расплавов следующих составов: а) 5% Na2O, 35% CaO, 60% SiO2; б) 20% Na2O, 10% CaO, 70% SiO2. Определите температуру завершения кристаллизации расплавов указанных составов.

 

Вариант 12

1. Определите, при какой температуре полностью расплавится стекло, в состав которго входит 14% Na2O, 13% CaO и 73% SiO2. На сколько градусов изменится температура плавления стекла при замене 3% Na2O на 3% SiO2.

2. Опишите процесс кристаллизации расплавов системыNa2O – CaO – SiO2, если изображающие их состав точки находятся: а) на изотерме 1000ºС в поле кристаллизации соединения Na2O·3CaO·6SiO2; б) на изотерме 1300ºС в поле кристаллизации соединения CaO·SiO2.

 

Лабораторная работа № 3

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-15; Просмотров: 218; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! (0.083 с.) Главная | Обратная связь