Reaktionsvorgänge zwischen SiO₂ und einer Natriumsilicatschmelze Teil 1. Auflösung von SiO₂ in der Schmelze

Abstract

Die Auflösung von Kieselglas und brasilianischem Naturquarz wurde zwischen 1000 und 1200 °C in einer Natriumsilicatschmelze mit 24 Mol- % Na₂O untersucht. Es wurden Korrosionsexperimente, bei denen Diffusion und Konvektion die Auflösungsgeschwindigkeit bestimmen, sowie reine Diffusionsexperimente ohne Konvektion in der Schmelze durchgeführt. Die hierbei entstandenen Profile wurden mit einer Elektronenstrahlmikrosonde aufgenommen. Aus den Experimenten ergab sich, daß die Auflösungsgeschwindigkeit des SiO₂-Festkörpers unabhängig davon war, in welcher Modifikation und in welcher kristallografischen Orientierung die SiO₂-Korrosions-Körper verwendet wurden. Die Auflösungsgeschwindigkeit betrug 0,310¯⁶ cm/s bei 1200 °C und 0,110¯⁶ cm/s bei 1100 °C; bei 1000 °C fand praktisch keine Auflösung statt. Die Diffusionsgeschwindigkeit in der Schmelze konnte ermittelt werden, sie liegt in der Größenordnung 10¯⁸ cm²/s für Temperaturen zwischen 1000 und 1200 °C. Außerdem wurde der Phasenaufbau des SiO₂-Festkörpers untersucht, die Methoden und Ergebnisse werden in Teil 2 der vorliegenden Arbeit beschrieben. Die Ergebnisse lassen zusammen mit Daten aus dem Zweistoffsystem SiO₂-Na₂O folgende Aussagen zu: Es findet keine Phasengrenzhemmung an der Grenze zwischen Festkörper und Schmelze statt. Der Abtransport des SiO₂ durch die Schmelze mittels Diffusion ist der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. So kann in einfacher Weise geklärt werden, warum weder Modifikation des SiO₂ noch kristallografische Orientierung einen Einfluß auf die Auflösungsgeschwindigkeit haben, solange nicht Sekundäreffekte wie das Aufbrechen eines Korns in mehrere kleinere Teile wirksam werden. Reaction processes between SiO₂ and a sodium silicate melt. Part 1. Dissolving of SiO₂ in the melt The dissolving of fused silica and natural Brazilian quartz in a sodium silicate melt with 24 Mol. % Na₂O was investigated in the temperature range 1000 to 1200 °C. Both corrosion experiments, in which diffusion and convection determine the rate of dissolving, and pure diffusion experiments, without convection in the melt, were carried out. The resulting profiles were determined using an electron-beam microprobe. The experiments showed that the dissolving rate of the SiO₂ solid was independent of modification and crystallographic orientation of the SiO₂ corrosion specimen employed. The rate of dissolving was 0,310¯⁶ cm/s at 1200 °C and 0,110¯⁶ cm/s at 1100 °C; at 1000 °C virtually no dissolution took place. The velocity of diffusion in the melt was determined and found to lie at about 10¯⁸ cm²/s for temperatures between 1000 and 1200 °C. In addition the phase constitution of the SiO₂ solid was investigated; methods and results are described in part 2. In combination with data from the two-component system SiO₂-Na₂O, the results permit the following conclusions to be drawn: The melt-solid interface does not act as a barrier to the reaction ; the removal of SiO₂ by means of diffusion through the melt is the rate-controlling step. Thus, it is clear why neither the modification of the SiO₂ nor crystallographic orientation have any influence an the rate of dissolving, as long as secondary effects, such as the splitting of a grain into several smaller pieces, do not come into play. Processus du raction entre SiO₂ et une fonte de silicate La dissolution du verre de quartz et du quartz naturel brésilien dans une fonte de silicate de sodium avec 24 % mol de Na₂O est étudiée entre 1000 et 1200 °C. Des expériences de corrosion d'oü la vitesse est dominée par la diffusion et la turbulence et d'autres de pure diffusion sans turbulence dans la fonte sont faites. Les profils qui en découlent sont enregistrés par une microsonde électronique. Il ressort des expériences que la vitesse de solubilité du SiO₂ solide est indépendante de la modification et de l'orientation cristallographique du SiO₂ solide employé. La vitesse de solubilité est de 0,310¯⁶ cm/s à 1200 °C et de 0,110¯⁶ cm/s à 1100 °C; à 1000 °C il n'y avait practiquement aucune solubilité du SiO₂ La vitesse de diffusion dans la masse fondue pouvait être déterminée; elle est dans l'ordre de de sodium. 1 re partie. Dissolution du SiO₂ dans la fonte 10¯⁸ cm²/s pour les températures entre 1000 et 1200 °C. Par ailleurs le système SiO₂ est analysé quant à sa composition en phase. Les méthodes employées et les résultats obtenus seront communiqués dans la 2e partie. Les resultats permettent, en rapport avec les données du système binaire SiO₂-Na₂O de tirer les conclusions suivantes : Il n'y a aucune barrière au point de contact entre le solide et la fonte ; le transport du SiO₂ à travers la fonte détermine la vitesse de reaction. Il devient ainsi clair, pourquoi ni modification du SiO₂ ni orientation cristallographique n'ont une influence sur la vitesse de solubilité tant que des effets secondaires tels que la fracture d'un grain en plusieurs petites parties n'interviennent pas.