Thermodynamic Optimization Of The Na2O-K2O-Al2O3-CaO-MgO-B2O3-SiO2 System

La connaissance des propriétés thermodynamiques des phases dans le système d'oxydes Na2OK2O-Al2O3-CaO-MgO-B2O3-SiO2 est importante dans plusieurs domaines, parmi lesquels on peut mentionner la production de verres, de céramiques, d'aciers ainsi que les applications en géologie. Le présent travail poursuit le développement d'une base de données thermodynamiques pour le système de sept oxydes. Le travail présenté ici se limite à l'étude des sous-systèmes incluant les oxydes de métaux alcalins. Les données expérimentales disponibles dans la littérature ont été collectées, analysées et utilisées pour une évaluation thermodynamique selon la méthode CALPHAD. Certaines approches ont été élaborées pour une meilleure description des systèmes silice-oxyde alcalin et des systèmes contenant du bore. D'habitude, les systèmes binaires et ternaires sont considérés comme les plus importants d'après la méthode CALPHAD tandis que les propriétés des systèmes ayant plusieurs composants doivent être prédites à partir des propriétés des sous-systèmes. Dans ce travail, nous avons prêté attention aux données disponibles dans les systèmes de plus de trois composants. Premièrement, il existe plusieurs solutions solides dont l'optimisation nécessite de considérer les données expérimentales dans ces systèmes. Deuxièmement, une bonne reproduction des données dans les systèmes ayant plusieurs composants est une preuve de la validité des optimisations pour les systèmes binaires et les ternaires. La modélisation des systèmes incluant les oxydes alcalins nécessite l'introduction d'espèces associées dans un modèle dont les paramètres peuvent être contraints seulement en utilisant des données des systèmes d'ordre supérieur.

Abstract

The knowledge of thermodynamic properties of phases in the Na2O-K2O-Al2O3-CaO-MgO-B2O3- SiO2 system is important in many applications, such as glass production, production of ceramics, steel-making and geology. The current work continues the efforts in constructing a full and consistent database in the seven-component system. The scope of the work is limited to the alkalicontaining parts of the big system. The available data on phase relations and thermodynamic properties were collected, analysed, and used for a thermodynamic assessment using CALPHAD method. New modelling approaches had to be invented for a better description of alkali oxide-silica and boron-containing systems. Usually, CALPHAD method pays great attention to optimization of binary and ternary subsystems while the multicomponent systems are considered less important because their properties are supposed to arise from the properties of the subsystems. In this work, special attention was paid to the data on systems with a number of components greater than three. First, there are many solid solutions spreading through multicomponent systems and their optimization requires experimental data from these systems. Second, the reproduction of experimental data in multicomponent systems is a proof of correctness of optimizations in lower order systems. The modeling of alkali-containing systems requires the introduction of associate species which greatly increases the number of possible degrees of freedom in a model and which can sometimes be constrained only using data on higher order systems.