Модуль 2. Фазовые равновесия в силикатных системах и диаграммы состояния

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 4

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 SiO₂в 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% Al₂O₃при 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% B₂O₃и 20% Na₂O; б) 60% B₂O₃и 40% Na₂O.

2. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

3. Определите соотношение между фазами, полученными при полной кристаллизации расплава состава 60% B₂O₃и 40% Na₂O.

4. При какой температуре в смеси состава 55% B₂O₃и 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% BaTiO₃и 80% SiO₂; б) 5% BaTiO₃и 95% SiO₂.

2. Определите, каким должен быть состав исходной смеси для получения керамики, состоящей из 60% BaTiO₃и 40% BaTiSiO₅.

3. Определите составы равновесных фаз, соответствующих эвтектическим точкам.

4. Определите соотношение между фазами (в мас. %), образовавшимися при охлаждении расплава, содержащего 60% BaTiO₃и 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% BaTiO₃и 90% SiO₂при 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 º С произойдет полиморфное превращение кристобаллита в тридимит. При температуре примерно 1420 º С жидкая фаза полностью исчезнет с образованием кристаллов α -тридимита и псевдоволластонита α -CaSiO₃. При 1125 º С произойдет переход α -CaSiO₃ → β -CaSiO₃, а при 870 º С – переход α -тридимит → α -кварц. Фазовые превращения закончатся при температуре 573 º С 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 º С происходит полиморфное превращение α -Ca₂SiO₄ → α ^′-Ca₂SiO₄. При 1250 º С соединение Ca₃SiO₅ разлагается с образованием Ca₂SiO₄ и CaO, поэтому ниже 1250 º С в равновесии будут фазы α ^′-Ca₂SiO₄ и CaO. В процессе дальнейшего охлаждения при температуре примерно 650 º С 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 º С; 1600 º С и при полной кристаллизации.

Решение. При температуре 1800 º С (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 º С (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 º С) в равновесии две твердые фазы: β -кварц SiO₂и 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 1500º С. 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 1500º С.

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 1000º С. 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 1000º С в поле кристаллизации соединения Na₂O·3CaO·6SiO₂; б) на изотерме 1300º С 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 1000º С 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 1000º С 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 900º С. 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.

Лабораторная работа № 3

⇐ Предыдущая 1 2 34