鋁電解以鈉冰晶石為電解質,電解槽槽底阻擋層硅酸鋁質耐火材料(防滲料)抗鈉冰晶石侵蝕性對于電解槽的使用壽命有著至關重要的影響。在防滲料抗冰晶石侵蝕方面國內學者已進行了一些研究,得到的基本共識是,防滲料中的AL2O3和SiO2 組分與冰晶石反應生成高粘度的霞石和鈉長石,阻擋了冰晶石的進一步滲透,由此具有防滲作用。然而對于防滲料中AL2O3和 SiO2 較準確的含量到目前為止沒有一個清晰的結論，甚至是矛盾的。借助薄片法研究硅酸鋁質耐火材料化學組成對抗鈉冰晶石侵蝕性的影響，以期得出硅酸鋁質耐火材料具有最佳抗鈉冰晶石侵蝕性時的AL2O3 、SiO2 組成,并探討耐火材料抗鈉冰晶石侵蝕的機理。
按擬定的實驗方案加熱至950 ℃ × 3 h,研究化學組成對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。
取薄片法侵蝕實驗后的試樣 A、B、D、E 進行分析可以看出,侵蝕實驗后熔融石英試樣(A)的物相組成為鱗石英和鈉冰晶石,無新的物相生成,說明鈉冰晶石對該試樣沒有發(fā)生化學侵蝕,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變成了鱗石英。 B、D 試樣中,除原料組分的熔融石英(轉化成鱗石英)、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)生了化學反應。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)生化學侵蝕,只有鈉冰晶石對 AL2O3 的溶解。AL2O3 、SiO2 組分與鈉冰晶石接觸在高溫下將發(fā)生如下化學反應
2AL2O3 (s) + 9SiO2 (s) + 2Na3AlF6 (l)→6NaAlSiO4 (s)(霞石) + 3SiF4 (g)
2AL2O3 (s) + 9SiO2 (s) + Na3AlF6 (l)→3NaAlSi3O8 (s)(鈉長石) + 2AlF3
由式可知,2AL2O3與9SiO2 (即AL2O3：SiO2 = 0. 38,wt% )和2倍的Na3AlF6反應時生成NaAlSiO4 (霞石)，而與1倍的 Na3AlF6反應時則生成 NaAlSi3O8 (s) (鈉長石)。 B、D 試樣中的物相是霞石,而不是鈉長石,說明試樣中發(fā)生的反應是2倍而非1倍。AL2O3、SiO2組分與鈉冰晶石反應生成霞石，霞石在侵蝕實驗溫度下粘度大,起著屏障作用,阻礙了鈉冰晶石的進一步滲透與侵蝕。 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)生化學反應生成霞石,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。