Газы и пары металлов

Ситаллы

Ситаллы - стеклокристаллические материалы, получаемые путём почти полной стимулированной кристаллизации стёкол специального состава. Они обладают: высокими механическими свойствами (в 10 раз выше прокатного стекла), высокой твёрдостью и устойчивостью к истиранию, высокой температурой размягчения (до 1350^оС), хорошей термостойкостью (300÷700^оС), низкой плотностью, хорошими электроизоляционными свойствами. От керамики отличаются более тонкой и однородной микрокристаллической структурой.

В шихту вводят специальные катализаторы кристаллизации (Cu, Ag, Au, Si, Pt, SiO₂, P₂O₅, Cr₂O₃, ZrO₂, ZnO и др.). Технология изготовления ситаллов отличается тем, что схему производства изделий из стекла (шихта, варка стекла, формование изделий, отжиг изделий) дополняют этапом кристаллизации изделий (за формованием или после отжига). Для изделий сложной формы этапы технологии следующие: шихта, варка, гранулирование, измельчение в порошок, получение шликера, формование изделий, спекание, кристаллизация.

Ситаллы на основе системы MgO - Al₂O₃ - SiO₂ (9÷11% TiO₂ в качестве катализатора) - получается кордиерит, который кристаллизуется при 1250÷1300^оС в течение 1÷16 часов.

Pb - содержащие ситаллы: PbO - ZnO - B₂O₃ - SiO₂ (добавки P₂O₅, BaO, CdO и др.), термообработка в 2 стадии (температура, время): 1) 500^оС, 2 часа; 2) 700^оС, 1 час.

Инертные газы (ИГ) - получаются путём конденсации и фракционной разгонки воздуха (Не также получают из минералов менацита и торианита при нагреве до 1200^оС и из природных источников. Содержание ИГ в воздухе представлено в табл. 9.1

Таблица 9.1

ИГ	N2	O2	Ar	CO2	Ne	He	NH3	H2	Kr	Xe
Об.%			0,9325	~0,03	1,61∙ 10^-4	4,6∙10^-4	1∙10^-4	1∙10^-4	1,08∙ 10^-4	8∙ 10^-4
Точка кип., минус ^оС				78,5			161,4

Различные смеси инертных газов: 1) Ne - He (75÷78% Ne, 25÷22% He) - из остатка при выработке жидкого; 2) технический Ar (от 5 до 30% N₂, < 0,1% О₂) - для ЛОН; 3) спектрально чистый Ar (0,1÷0,3% N₂) - для разрядных приборов; 4) спектрально чистый Ne (~ 0,3% Не) - получается из 1) смеси путём разделения жидкого Н₂ (при -253^оС); 5) спектрально чистый Не - получается по п. 4); 6) спектрально чистые Kr и Xe (~ 0,05% N₂).

Очистка инертных газов: 1) очистка в разряде с электродами из Са (образуются карбиды, нитриды, гидриды, оксиды – осаждаются на стенке колбы) – аппарат Борна; 2) очистка в разряде с К и Na катодами; 3) очистка в разряде с катодами из мишметалла (Се,Y – 40÷60%, La, Nd – 25÷28%, Pd – 20%, Tb, Sm – 6%, Fe – 3%, Si – 3%); 4) очистка в дуговом разряде между Mg электродами; 5) порошок Мg (550÷600^оС) с циркуляцией газа – удаляются О₂, N₂, CO, CO₂ и NH₃; 6) активированная Cu для удаления О₂ из инертных газов; 7) циркониевые обрезки (870÷930^оС) с циркуляцией газа над ними.

Осушка инертных газов. Наиболее эффективно пары Н₂О удаляются при пропускании газа через ловушку с жидким воздухом – давление паров воды составляет 10^{-22 мм рт. ст., для осушки} Kr и Xe этот метод не пригоден – их осушают при применении ловушки со смесью твёрдой углекислоты и спирта (-78^оС), при этом давление паров Н₂О составляет 5·10^{-4 мм рт. ст.}

Влагопоглотители (мгН₂О/ л): P₂O₅ - 2·10^-5; Mg(ClO₄)₂ - 5·10^-4; BaO - - 6,5·10^-4; KOH (плавл.) - 2·10^-3; Al₂O₃ - 3·10^-3; MgO - 8·10^-3; силикагель - 3·10^-2; NaOH (плавл.) – 1,6·10^-1; СаО, CaCl₂ -2·10^-1; H₂SO₄ (95,1%) - 3·10^-1.

Активные газы.

Н₂ – в печах для нагрева в защитной атмосфере, в печах обезгаживания, в восстановительных печах применяется баллонный Н₂ (стальные баллоны), пропущенный через предварительную очистку.

Схема очистки (аппаратура – назначение): 1а) маслоулавливатель – удаление паров масла; 1б) электрическая фарфоровая печь (~ 800^оС) – разложение Fe (CO₃)₅; 2) грубый стеклянный фильтр или вата – улавливание металлического Fe; 3) промывочная склянка с KMnO₄ – окисление органических примесей и СО; 4) грубый стеклянный фильтр – предохранение от перемешивания содержимого ванн при слишком быстром токе Н₂; 5) промывочная склянка с раствором HgCl₂ – связывание H₂S и С₂Н₂; 6) позиция 4); 7) промывная склянка с концентрированным раствором КОН – поглощение СО₂; 8) позиция 4); 9) кварцевая трубка со свободно упакованными медными стружками, нагретыми до 700÷800^оС – каталитическое сжигание О₂ до Н₂О; 10) промывочная склянка с H₂SO₄ – осушка водорода-газа; 11) позиция 4); 12) осушительная колонка с CuCl₂ – осушка; 13) несколькоосушительных трубок с Р₂О₅ – осушка; 14) позиция 4) – улавливание пыли от Р₂О₅. Очистка (схема процессов) Н₂, О₂, N₂, CO₂ рассмотрена в [1, т.3, стр. 318].

О₂ – баллонный О₂ содержит следы СО₂, Н₂О, N₂ и инертные газы: 0,7% Ar, 0,3% Ne.

N₂ – баллонный N₂ получают из жидкого воздуха, содержит до 2% О₂.

СО₂ – баллонный СО₂ содержит 1÷2% посторонних газов. Чистый СО₂ без применения процессов очистки можно получить путём умеренного нагрева двууглекислого Na: 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O (при 100^оС давление смеси CO₂ + H₂O составляет 733мм рт. ст.), Н₂О конденсируется в ловушке, а затем СО₂ осушивается обычными влагопоглотителями. Небольшие количества СО₂ можно получить по реакции (при нагреве ~ 500^оС): MgCO₃ → MgO + CO₂. Очистка СО₂ от О₂ проводится ловушкой с твёрдой углекислотой (- 78,5^оС). СО₂ применяется в качестве наполнения в газосветных трубках (для получения источников белого света), а также в газоразрядных лазерах.

NH₃ – поставляется в стальных баллонах с чистотой 99,5%.

Давление паров металлов по [17] определяется формулами:

lg P_атм = - ΔF/(4,575 Т), lg P_{мм рт. ст.} = 5,581 (-ΔF/(4,575 Т)), F = U – TS + PV, где P_атм, P_{мм рт. ст.} – давление в атмосферах и мм рт. ст., соответственно, U - внутренняя энергия, Т – температура, S - энтропия, P - давление, V - объём, ΔF – изменение F.

Для Р через скорость испарения W в [17] даётся формула:

lg P_{мм рт. ст.} = 4,2340 + lg W + 0,5 lg (Т/М),

где М – вес грамм-молекулы, W имеет размерность г/(см²·с).

Давление паров сплавов металлов подчиняется закону Рауля (см. раздел по амальгамам).

Давление насыщенных паров по [1, т.1] определяется формулой:

P = 17,1 W (T/M)^0,5,

где W – скорость испарения, г/(см²·с), Т – температура металла, К, М – молекулярный вес испаряющегося вещества.

Толщина испарившегося слоя (мм за 1 час) определяется формулой:

D = 36000 W/γ = 2100 (M/T)^0.5 P/γ,

где γ –удельный вес, г/см³.

Давление паров 10^-2мм рт.ст. для ряда металлов достигается при температуре, К: Hg – 322, Cs – 425, Rb – 448, K – 482, Na – 514, Cd – 538, Zn – 617, Mg – 720, Li – 787, Sr – 825, Tl – 874, Cu – 882.

Дата добавления: 2014-01-06