Синтез минералов Том 1 - Хаджи В.Е.
Скачать (прямая ссылка):
Другим немаловажным фактором, ограничивающим возможность массового производства кристаллов кварца в высокотемпературной области, является отсутствие или дефицит сталей для изготовления кристаллизационного оборудования высокого давления, способного работать с агрессивными средами при температурах выше 400 °С. Все имеющиеся промышленные сорта сталей рассчитаны в основном на работу при температурах до 400 °С. В случае синтеза кварца на затравках базисной ориентации и некоторых других быстрорастущих направлений применение существующих сталей вполне обеспечивает изготовление автоклавного оборудования для массового промышленного производства кварца. Следовательно, выбор базисной ориентации затравочных пластин в качестве основного типа затравок для массового производства соответствует выбору температурного режима синтеза и к тому же не осложняет аппаратурных решений.
Существенным ограничением температурных условий выращивания кварца является коррозия рабочих поверхностей автоклавного оборудования, находящихся в контакте с агрессивными
31 кристаллизационными средами, несмотря на то, что в процессе эксплуатации автоклавов на их внутренних поверхностях образуется минерал акмит (Na2O • Fe2O3 • 4Si02), покрывающий их защитной пленкой и в значительной мере предохраняющий от коррозии. Известно, что с ростом температуры коррозионная стойкость рабочих материалов снижается. В особенности это относится к работе оборудования в условиях высокоагрессивных сред — фторидных растворов и т. п. Положение не спасает и применение футеровочных материалов. Так, футерование рабочих поверхностей сосудов фторопластом не позволяет использовать этот материал при температурах выше 300 °С. Использование в качестве футеровочного материала меди вследствие ее заметного выщелачивания и конвективного переноса, а также ее дефицитности не является целесообразным.
Как показали работы Н. Н. Шефталя, синтез кристаллов кварца удовлетворительно осуществляется в обычно применяемых водных растворах лишь при заполнениях автоклава свыше 50 %. При этих условиях изохорический процесс неизбежно протекает при высоком давлении. Давление само по себе на качество выращиваемых кристаллов не влияет и является, таким образом, пассивным фактором.
Выбор давления — фактор достаточно сложный. Он определяется двумя тенденциями. Во-первых, как показал Р. Лодиз [J7], повышение температуры кристаллизации, а вместе с тем и давления улучшает кинетические характеристики процесса, повышает скорость роста кристаллов. Во-вторых, повышение термобариче- I еких параметров обеспечивает устранение весьма нежелательного | процесса расслоения кристаллизационной среды — выпадения j «тяжелой» фазы, что способствует улучшению качества кристал- Ц лов и облегчает эксплуатацию оборудования. Накопленный опыт работы при высоких термобарических параметрах показывает, что процесс перекристаллизации лучше протекает при давлениях более 150 МПа. Тем не менее рост кристаллов кварца приемлемого качества происходит и при более низких давлениях порядка 30 МПа. Использование же пониженных давлений позволяет осу- ; ществлять промышленное производство в крупногабаритных автоклавах. Подобное аппаратурное обеспечение позволяет значительно снизить удельные трудо- и энергозатраты на единицу технологического оборудования и тем самым повысить технико-экономические показатели производства.
Выращивание кристаллов кварца методом температурного перепада
Гидротермальный синтез кварца представляет собой процесс перекристаллизации, протекающий в условиях относительно высо- , ких температур и давлений в результате переноса вещества с исходного материала (шихты) на затравку. Для обеспечения непрерывного нарастания материала на затравку в рабочем простран-32 стве кристаллизатора создается постоянное или регулируемое пересыщение, достаточное по своей величине для поддержания заданной скорости роста. Последняя является многофакторной величиной и зависит от ряда параметров, управление которыми позволяет регулировать процесс.
Создание необходимого пересыщения в том или ином конкретном растворителе основывается на знании температурной зависимости растворимости вещества, выборе участка этой функциональной зависимости с нужными TKP и значениями растворимости при температурах, соответствующих условиям растворения и роста. Однако набор перечисленных факторов не является еще достаточным для создания условий, обеспечивающих выращивание кристаллов нужного качества. Необходим учет ряда кинетических зависимостей, характеризующих, например, зависимость скорости роста по определенным кристаллографическим направлениям от термобарических параметров, химического состава кристаллизационной среды, отношения величины растущей поверхности к поверхности растворения и т. п.
Задание перепада температур имеет двоякое назначение. При нагреве раствора и шихты до температуры Т\, соответствующей заданному значению растворимости с концентрацией Ci, происходит насыщение среды растворенным компонентом (диоксидом кремния) до равновесия. Последующее охлаждение насыщенного при Tі раствора до более низкой температуры T2, которой соот? ветствует равновесная концентрация C2, должно привести к созданию в кристаллизационной среде пересыщения C=Ci—C2. С полученным значением пересыщения С функционально связано значение скорости нарастания материала на затравке по определенному кристаллографическому направлению.
