铝电解以钠冰晶石为电解质,电解槽槽底阻挡层硅酸铝质耐火材料(防渗料)抗钠冰晶石侵蚀性对于电解槽的使用寿命有着至关重要的影响。在防渗料抗冰晶石侵蚀方面国内学者已进行了一些研究,得到的基本共识是,防渗料中的AL2O3和SiO2 组分与冰晶石反应生成高粘度的霞石和钠长石,阻挡了冰晶石的进一步渗透,由此具有防渗作用。然而对于防渗料中AL2O3和 SiO2 较准确的含量到目前为止没有一个清晰的结论，甚至是矛盾的。借助薄片法研究硅酸铝质耐火材料化学组成对抗钠冰晶石侵蚀性的影响，以期得出硅酸铝质耐火材料具有最佳抗钠冰晶石侵蚀性时的AL2O3 、SiO2 组成,并探讨耐火材料抗钠冰晶石侵蚀的机理。
按拟定的实验方案加热至950 ℃ × 3 h,研究化学组成对耐火材料抗钠冰晶石侵蚀性的影响。放置钠冰晶石圆片的面为试样正面。经钠冰晶石侵蚀后试样正面与背面照片如图2所示。由图2可清晰地看到,熔融石英试样(A) 正面上的钠冰晶石圆片尚未完全熔化,已熔化的钠冰晶石使圆片周边试样呈玻璃状,试样背面没有钠冰晶石渗出。随着AL2O3 含量增加(由25%增加到75% ,即 B、C、D 试样),钠冰晶石圆片的熔化面积增大,但试样背面仍未见钠冰晶石渗出(B、C试样),直到AL2O3含量75%的试样D,试样正面的钠冰晶石圆片消失，背面明显可见钠冰晶石渗出。板状刚玉试样(E),试样正面已看不到钠冰晶石圆片的痕迹,圆片所在区域(试样正面与背面)疏松多孔,钠冰晶石完全溶入AL2O3试样当中。图2明显可见各试样抗钠冰晶石侵蚀性的差异,其中B试样具有最好的抗钠冰晶石侵蚀性。
取薄片法侵蚀实验后的试样 A、B、D、E 进行分析可以看出,侵蚀实验后熔融石英试样(A)的物相组成为鳞石英和钠冰晶石,无新的物相生成,说明钠冰晶石对该试样没有发生化学侵蚀,仅为物理渗透,但非晶态的SiO2 在950 ℃和钠冰晶石液相中析晶转变成了鳞石英。 B、D 试样中,除原料组分的熔融石英(转化成鳞石英)、刚玉相和钠冰晶石外,还有新物相霞石生成,说明 B、D 试样中钠冰晶石与AL2O3、SiO2发生了化学反应。板状刚玉试样(E)中的物相为刚玉和钠冰晶石,也没有新的物相生成,说明该试样中钠冰晶石也没有发生化学侵蚀,只有钠冰晶石对 AL2O3 的溶解。AL2O3 、SiO2 组分与钠冰晶石接触在高温下将发生如下化学反应
2AL2O3 (s) + 9SiO2 (s) + 2Na3AlF6 (l)→6NaAlSiO4 (s)(霞石) + 3SiF4 (g)
2AL2O3 (s) + 9SiO2 (s) + Na3AlF6 (l)→3NaAlSi3O8 (s)(钠长石) + 2AlF3
由式可知,2AL2O3与9SiO2 (即AL2O3：SiO2 = 0. 38,wt% )和2倍的Na3AlF6反应时生成NaAlSiO4 (霞石)，而与1倍的 Na3AlF6反应时则生成 NaAlSi3O8 (s) (钠长石)。 B、D 试样中的物相是霞石,而不是钠长石,说明试样中发生的反应是2倍而非1倍。AL2O3、SiO2组分与钠冰晶石反应生成霞石，霞石在侵蚀实验温度下粘度大,起着屏障作用,阻碍了钠冰晶石的进一步渗透与侵蚀。 由此可知,钠冰晶石在熔融石英试样中为物理渗透,在板状刚玉试样中溶解AL2O3，在含AL2O3、SiO2的二元体系中发生化学反应生成霞石,由于霞石的高粘度起着屏障作用提高了抗钠冰晶石侵蚀性,尤以B试样抗钠冰晶石侵蚀最好。