CC BY
27
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
Том 174
1971
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОДУКТОВ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ РАСПЛАВЛЕННОГО ТАЛЬКА
П. Г. УСОВ, В. И. ВЕРЕЩАГИН, Н. В. СОБОРА
(Представлена научным семинаром кафедры технологии силикатов)
В последние годы зародился и развивается новый метод изготовления силикатных изделий — кристаллизацией стекол определенного состава. Тальк является основным сырьем многих керамических материалов специального наз-
Таблица 1
Химический состав талька Онотского месторождения
п.п.п. 510. Л^О а\,О2 Ре203 СаО Сумма
5,00 62,00 32,22 0,20 0,28 0,30 100,00
начения, поэтому исследование процессов и продуктов кристаллизации расплава состава талька представляет практический и теоретический интерес. Исследована кристаллизация талька Онотского месторождения химического состава: (табл. 1).
Теоретический состав талька выражается уравнением — ЗМ§045Ю2Н20 или в процентах А^О—31,74; БЮг—63,5 и Н20—4,8. При обжиге тальк разлагается по реакции ЗМ£045Ю2Н20 -+■ -^З(А^ЗЮз) + БЮг 4- Н20 с образованием 83,5% метасиликата магния и 16,5%—кремнезема. В бинарной системе М§0 — БЮг тальк располагается вблизи эвтектики состава Д^О = 35,1% и ЭЮг = 64,9-% с температурой плавления— 1543°. Температура начала плавления талька равна 1543°, с образованием первичного расплава в количестве 95,7%. Плавление талька заканчивается при температуре около 1590°. Г1о данным Боуэна и Андерсена [1], в равновесии с расплавом талька находятся кристобалит и клиноэнстатит. В литературе имеются указания, что кристаллизационная способность расплавов состава талька и метасиликата магния является высокой [2]. Вейль пишет, что вообще чистые вещества или системы с температурой плавления выше 1400° трудно получить в виде стекла.
Плавление талька проводилось в криптоловой печи в корундовых и из двуокиси циркония тиглях емкостью 30 г при температуре 1600°.
Пробы I; П-а и П-б—расплавлены и без выдержки в расплавленном состоянии охлаждены: проба-1 — на воздухе в течение 30 минут, а пробы П-а и П-б — вместе с печью в течение 12—18 часов соответственно. Проба III в расплавленном состоянии, при температуре 1600° выдерживалась 30 минут и охлаждена вместе с печью. Пробы IV и V плавились в тиглях из двуокиси циркония с выдержкой в расплавленном состоянии при температуре 1600° — 2 часа. Расплав пробы IV —
охлажден вместе с печью, а проба V — резко на воздухе. В тигле пробы 1 по высоте образовались две зоны — верхняя I-a и нижняя 1-6.
«V
2ú га 52 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 2Q
Рис. 1. Рентгенограммы эталонов клиноэистатита и протоэнстатита
Верхняя зона (1-а) сложена в основном протоэнстатитом с размером кристаллов до 0,012—0,015 мм. Клиноэнстатит имеет подчиненное
кгГ
J—i—i—i—i—t_i_i . i ■ i « ■ ■ > > < »_i_i_Í_
20 24 28 52 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 28
Рис. 2. Рентгенограммы продуктов кристаллизации расплавленного талька при резком охлаждении расплава па воздухе: а—верхняя зона тигля, в — нижняя зона тигля
значение. Стекла по данным оптического анализа около 20%. Результаты оптических исследований подтверждаются и данными рентгеновского анализа (рис. 2, кривая а). Наряду с протоэнстатитом и клн-144
ноэнстатитом в этой пробе рентгеном устанавливается кристобалит — й = 4,03, последний петрографическим методом отмечен не был. Нижняя часть тигля (1-6) сложена кристаллами неправильной формы, таблитчатыми и слегка вытянутыми размером до 0,011 мм с показателем светопреломления N£= 1,660. Протоэнстатит фиксируется в незначительных количествах в виде волокнистых агрегатов с суммарным показателем светопреломления N = 1,616. Стекла—15^20%. Клиноэнста-титовая форма метасиликата магния устанавливается и рентгеном (рис. 2, кривая б). Протоэнстатитовые индексы выражены слабее. Рентгеном в закристаллизованной фазе этой зоны отмечается кристобалит.
20 24 28 <32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 2Q
Рис. 3. Рентгенограммы продуктов кристаллизации расплавленного талька при медленном охлаждении расплава: а — в течение 12 часов; в — в течение 18 часов
В пробе П-а под микроскопом устанавливаются протоэнстатит и клиноэнстатит примерно в равных количествах. Протоэнстатит в виде волокнистых агрегатов длиной 0,012—0,015 мм до 0,056 мм с показателем светопреломления N/g== 1,618. Клиноэнстатит находится в виде таблитчатых и удлиненно-призматических кристаллов размером от 0,030Х0>030 до (0,130X0,050 мм с показателем светопреломления Ng — 1,661 и Np= 1,652. Количество стекла около 15—20%.
Преобладающей формой метасиликата магния в кристаллической фазе устанавливается протоэнстатит. Клиноэнстатит имеет подчиненное значение. В незначительном количестве фиксируется кристобалит (рис. 3, кривая — а).
В пробе П-б, охлажденной в течение 18 часов, преобладает клиноэнстатит в форме хорошо образованных кристаллов размером от 0,025 до 0,050 мм с полисинтетическими двойниками. Показатель светопреломления кристаллов Ng = 1,660.
Протоэнстатита немного, он находится в виде волокнистых агрегатов размером до 0,015 мм с показателем светопреломления Ncp = 1,616. Отчетливо видны зерна кристобалита размером от 0,007 до 0,012 мм. Количество стекла около 15%.
10. Заказ 4592
145
Данные оптических исследований хорошо согласуются с рентгеновским анализом (рис. 3, кривая — в). Клиноэнстатитовый состав*кристаллической фазы здесь выражен очень четко. Совершенно отчетливо фиксируется и кристобалит.
Проба III — расплав после 30-минутной выдержки охлажден вместе с печью — сложена клиноэнстатитом (кривая а, рис. 4). Протоэнстатит имеет подчиненное значение. Кристобалит как рентгеном, так и петрографическим анализом не устанавливается.
t . 1 . 1 I . ■ 1 | t I 1 I . 1 I_|_\ i \ \_I I 1 i I I I
20 24 28 52 56 40 44 48 52 56 60 64 68 72 26
Рис. 4. Рентгенограммы продуктов кристаллизации расплавленного талька, охлажденного вместе с печью — медленно: а—расплав выдерживался при 1600° — 30 минут, в — расплав выдерживался при 1600° — 2 часа; с — рентгенограмма форстерита — эталона
Проба IV — с выдержкой расплава в течение двух часов и охлажденной вместе с печью — имеет более сложный фазовый состав. Преобладающей кристаллической фазой является протоэнстатит. Он образует пластинчатые кристаллы и достаточно крупные волокнистые агрегаты размером до 0,110 мм с показателем светопреломления *Уср =1,616. Вторым по количеству является клиноэнстатит. Кристобалит не устанавливается как оптическим, так и рентгеновским методами анализа. Рентгеном отчетливо фиксируется форстерит. Его индексы представлены на рентгенограмме б рис. 4, именно: ¿ = 3,82; ¿ = 2,75; ¿ = 2,50; ^ = 2,45; ¿ = 2,25; ¿=1,74, ¿=1,49 и ¿=1,47. На этом же рисунке для сравнения приведена рентгенограмма форстерита. Кроме перечисленных фаз в продуктах кристаллизации устанавливается двуокись циркония (2г02), перешедшая из тигля, в ¡результате растворения в расплаве. Количество стекла составляет 15—20%,*.
Проба V, сваренная с двухчасовой выдержкой и охлажденная на воздухе, резко по высоте тигля имеет три зоны. Верхняя зона '(У-а) сложена в основном стеклом, примерно на 50—60%. Кристаллическая фаза представлена протоэнстатитом в виде тонкозернистых агрегатов 146
размерами мельче 0,001 мм с суммарным показателем светопреломления Л/ = 1,616.
Рентгенограмма этой зоны кристаллических фаз не выявляет, вследствие высокого содержания стекла (рис. 5, кривая а) и несовершенства решеток кристаллов.
Средняя зона (У-б) — содержит стекла 25—30%. Кристаллическая фаза представлена волокнистыми агрегатами протоэнстатита размером до 0,040 мм с показателем светопреломления N^=1,618. Наличие больших дефектов решеток кристаллов пики рентгенограмм выражены слабо (рис. 5, кривая — в).
Рис. 5. Рентгенограммы продуктов кристаллизации расплавленного талька, полученного с выдержкой при 1600° в течение 2 часов и охлажденного резко, на воздухе: а — верхняя зона тигля, в — средняя зона тигля, с — нижняя зона тигля
Нижняя зона (V — в) содержит стекла около 20%. Кристаллическая фаза в основном сложена клиноэнстатитом и протоэнстатитом. Форстерит проявляется слабо — й = 1,48 и фиксируется 2г02 индексами ¿=1,79 и а = 1,53.
Выводы по кристаллизации расплава состава талька:
1. Выдержка в расплавленном состоянии ухудшает кристаллизационную способность: расплав без выдержки при кристаллизации выделяет более совершенные кристаллические фазы с меньшим числом дефектов решеток кристаллов (сравни рентгенограммы рис. 3 — без выдержки и 5 — с выдержкой в 2 часа).
2. При технических скоростях охлаждения (вместе с печыо) мета-силикат магния из расплава кристаллизуется полностью. Количество стекла в закристаллизованном продукте составляет 15—20% при теоретическом содержании 16,5%. Это следует и из постоянства показателя светопреломления стекла, находящегося около 1,494 + 0,008.
3. Кремнеземистый материал закристаллизованного расплава больше находится в аморфной фазе. Он частично кристаллизуется в форме кристобалита только из расплавов, полученных без выдержки.
4. При примененных режимах плавления и охлаждения расплавов не удалось получить мономинерального состава метасиликата магния. Во всех пробах устанавливается протоэнстатит и клиноэнстатит.
При более быстром охлаждении расплава в продуктах кристаллизации преобладающей формой метасиликата является протоэнстатит. Клиноэнстатитовая форма охотнее получается при медленном охлаждении расплава.
5. Форма кристаллов протоэнстатита чаще волокнистая и тонкозернистая с абсолютными размерами кристаллов всегда меньше клиноэн-статита. Клиноэнстатит почти всегда таблитчатый или в форме удлиненных призм с размером кристаллов крупнее протоэнстатита.
6. При плавлении талька при температуре 1600° форстерит образуется сравнительно медленно, он не фиксируется в продуктах кристаллизации расплава, полученного без выдержки и с выдержкой в 30 мин, но устанавливается при кристаллизации расплава, полученного с выдержкой в два часа.
ЛИТЕРАТУРА
1. В. Э й т е л ь. Физическая химия силикатов. Издательство иностранной литературы, М., 1962.
2. В. В ей л ь. Образование центров кристаллизации, кристаллизация и стеклооб-разование. «Стекло», сборник переводов из иностранной периодической литературы. Издательство иностранной литературы, М., 1963.
