玄武巖化學(xué)成分對(duì)熔體黏度的影響

李 松，陳定梅，潘 東，陳文輝，雷以柱

（六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州六盤水 553000）

玄武巖最主要的利用途徑是玄武巖纖維。通過(guò)高溫1 450～1 500℃熔融后高速拉制而成的連續(xù)纖維具有優(yōu)良的耐高溫、疲勞低溫性能。玄武巖熔體具有“熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性差、易析晶、黏度窄”等一系列特性，其特性調(diào)控難度很大。黏度是玄武巖纖維生產(chǎn)過(guò)程中最重要的物理化學(xué)性質(zhì)之一，直接影響高溫熔融成絲過(guò)程。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中如果黏度過(guò)大，會(huì)嚴(yán)重降低纖維質(zhì)量甚至無(wú)法拉成絲，對(duì)于玄武巖生產(chǎn)極其不利。迄今為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)玄武巖熔體黏度的研究報(bào)道很少，韓慶賀根據(jù)玄武巖熔體黏度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合硅酸鹽熔體黏度計(jì)算公式得出玄武巖熔體的黏度計(jì)算公式。趙栩欣等[16]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到不同溫度下玄武巖熔體黏度值，經(jīng)數(shù)學(xué)擬合得到一定溫度范圍內(nèi)的黏度-溫度關(guān)系曲線和回歸方程。以上論文對(duì)玄武巖的高溫黏度進(jìn)行了研究，但都沒(méi)有研究成分對(duì)熔體黏度的影響。本文通過(guò)Factsage8.0熱力學(xué)軟件計(jì)算，研究玄武巖化學(xué)成分對(duì)黏度的影響。

1 FactSage模擬計(jì)算

1.1 FactSage模擬計(jì)算方法

用 FactSage7.2軟件的Equilib（選擇FToxide 數(shù)據(jù)庫(kù)），純液相的黏度采用FactSage 的Viscosity 模塊計(jì)算，該計(jì)算模塊基于改進(jìn)的準(zhǔn)化學(xué)模型（Modified quasichemical model），可以采用Einstein-Roscoe 公式近似計(jì)算液固混合物的黏度。

式中，ηL+S是液固混合物的黏度，ηL是混合物中液體的黏度，VS是混合物中固體的體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)缺乏密度時(shí)，可近似用質(zhì)量分?jǐn)?shù)代替，混合物中液體的成分、液體和固體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都可以從Equilib 的計(jì)算結(jié)果中得到。依據(jù)工業(yè)生產(chǎn)玄武巖纖維的巖石主要成分，如表1所示，總質(zhì)量為100g，計(jì)算玄武巖熔體的黏度。

表1 玄武巖礦石的主要成分（單位：g）

1.2 模擬結(jié)果及討論

根據(jù)表1 的玄武巖成分，運(yùn)用FactSage 熱力學(xué)軟件的Equilib 模塊和FToxid 數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算玄武巖熔體在降溫過(guò)程中的物相變化及固相析出的質(zhì)量。結(jié)果如圖1所示。

圖1 玄武巖熔體析出礦物相組成

由圖1可見(jiàn)，在玄武巖熔體冷卻過(guò)程中，尖晶石、堇青石、鈣長(zhǎng)石、斜方輝石、磷石英、斜輝石等相繼析出。最開(kāi)始析出的礦相是尖晶石，析出溫度為1 306.28℃，說(shuō)明該玄武巖成分在1 306.28℃以上為純液相時(shí)，可利用FactSage 對(duì)其黏度進(jìn)行直接計(jì)算。1 306.28℃以下要采用Einstein-Roscoe 公式計(jì)算。以1 250℃為例，通過(guò)FactSage 熱力學(xué)軟件的 Equilib 模塊計(jì)算，熔體中析出的物相和質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示。

表2 1 250℃析出礦相質(zhì)量

從表2可以看到，1 300℃析出的固相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.24%，計(jì)算得到1 250℃的純液相玄武巖熔體的黏度為37.476Pa·s，用Einstein-Roscoe 公式計(jì)算液固混合物的黏度為46.603Pa·s，玄武巖黏度隨溫度的變化如圖2所示，由圖可知，在溫度低于1 306.28℃時(shí)，因?yàn)槲龀龉腆w物質(zhì)，玄武巖熔體黏度會(huì)迅速降低，結(jié)合圖1可知，1 306.28℃時(shí)開(kāi)始析出固相尖晶石，尖晶石為高熔點(diǎn)固溶體。

圖2 玄武巖熔體黏度變化圖

2 正交試驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)原料及成分配比

根據(jù)FactSage 模擬軟件計(jì)算黏度的方法，采用6因素5水平正交試驗(yàn)，探索玄武巖不同成分對(duì)熔體黏度的影響。選取L25（65）正交試驗(yàn)表，實(shí)驗(yàn)各因子水平如表3所示。

表3 試驗(yàn)因子水平（單位：g）

2.2 結(jié)果與討論

玄武巖纖維是通過(guò)高溫1 450～1 500℃熔融后高速拉制而成的連續(xù)纖維，因此本實(shí)驗(yàn)選擇1 450℃作為實(shí)驗(yàn)溫度。共進(jìn)行25次實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用 FactSage 熱力學(xué)軟件的 Equilib 模塊計(jì)算25組實(shí)驗(yàn)的礦相析出溫度。結(jié)果表明，25組實(shí)驗(yàn)在1 450℃的時(shí)候都為純液相，可以用Viscosity 模塊直接計(jì)算得到結(jié)果，黏度計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)安排及其結(jié)果

2.3 直觀分析和方差分析

由正交表的結(jié)果可知，計(jì)算得到的黏度范圍在1.755～14.031Pa·s，黏度的變化范圍比較大。由玄武巖纖維生產(chǎn)過(guò)程可知，合適的黏度大小是熔融后高速拉制成絲的關(guān)鍵。在生產(chǎn)中有一些產(chǎn)地玄武巖因?yàn)轲ざ却箅y以拉制成絲，通過(guò)調(diào)整玄武巖成分，可以減小黏度，從而提高成絲率。正交的結(jié)果中黏度最低的是21號(hào)，最低的黏度為1.755Pa·s。由表4可知，對(duì)黏度影響的主次順序?yàn)镸gO ＞FeO ＞SiO2＞CaO＞Fe2O3＞Al2O3，其中MgO、FeO 對(duì)黏度的影響最大。

根據(jù)黏度計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得到方差分析表5。由方差分析可見(jiàn)，在本實(shí)驗(yàn)中，6項(xiàng)影響因子F 比都沒(méi)有超過(guò)4.220。

表5 方差分析

2.4 效應(yīng)曲線圖

按各因素各水平的平均值作為黏度的主效應(yīng)，黏度的主效應(yīng)分析如圖3所示。

圖3 主效應(yīng)分析圖

由圖3 可知，CaO、FeO、MgO 質(zhì)量對(duì)黏度的影響趨勢(shì)逐漸減小，SiO2質(zhì)量對(duì)黏度的影響趨勢(shì)逐漸增大，Al2O3質(zhì)量對(duì)黏度的影響趨勢(shì)為先減小后增大，且有繼續(xù)增大的趨勢(shì)，MgO 質(zhì)量對(duì)黏度的影響比較大，隨著MgO 質(zhì)量的增加，黏度變化非?？?。因此，在玄武巖纖維生產(chǎn)過(guò)程中，MgO 質(zhì)量對(duì)調(diào)節(jié)熔體黏度非常有效，增加CaO、FeO、MgO 質(zhì)量，減少SiO2、Al2O3質(zhì)量均有利于玄武巖熔體黏度的降低。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用FactSage 熱力學(xué)模擬軟件計(jì)算玄武巖熔體的黏度，通過(guò)正交試驗(yàn)進(jìn)行方差、直觀及主效應(yīng)分析，研究化學(xué)成分對(duì)玄武巖熔體黏度的影響，得到如下結(jié)論：

（1）化學(xué)成分對(duì)黏度影響的主次順序?yàn)镸gO ＞FeO ＞SiO2＞CaO ＞Fe2O3＞Al2O3，其中MgO、FeO 對(duì)黏度的影響最大。

（2）在玄武巖纖維生產(chǎn)過(guò)程中，MgO 質(zhì)量對(duì)調(diào)節(jié)熔體黏度非常有效，增加CaO、FeO、MgO 質(zhì)量，減少SiO2、Al2O3質(zhì)量均有利于玄武巖熔體黏度的降低。為下一步玄武巖纖維生產(chǎn)調(diào)節(jié)黏度、提高成絲率提供了理論基礎(chǔ)。