六盤水地區(qū)玄武巖高溫熔體的黏度測(cè)定

彭 霞，彭文烽，朱榮海，張 淼，趙 丹

（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）

1 概述

玄武巖是一種天然火山噴發(fā)出的基性噴出巖，它本身也是一種具有優(yōu)良性能的純天然無機(jī)非金屬材料，全世界很多地區(qū)都有著非常豐富的玄武巖礦產(chǎn)資源。純天然的玄武巖礦石在1 450～1 500℃可加熱熔融，通過鉑銠合金漏板高速拉制等工藝流程，加工制成連續(xù)纖維，即玄武巖纖維。玄武巖纖維是一種呈光滑完整圓形截面、具有金色光澤的纖維。它與普通的纖維制品相比，擁有密度大、硬度高、耐磨、耐高溫、耐腐蝕、耐擠壓等優(yōu)異性能，是一種21世紀(jì)的新型環(huán)保材料。通過勘察，貴州省六盤水市境內(nèi)蘊(yùn)藏著豐富的玄武巖礦石資源，玄武巖勘查區(qū)塊有15個(gè)，可開采資源在389.40億t 以上，為六盤水本地礦石生產(chǎn)玄武巖纖維及后續(xù)制品提供了原材料保障。

在不同高溫熔化溫度下，玄武巖高溫熔體本身會(huì)呈現(xiàn)出不同的黏度。其溫度與黏度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在實(shí)際生產(chǎn)玄武巖纖維的工藝過程中有著重要的參考意義，是研究玄武巖熔化、成型過程工藝中，對(duì)應(yīng)傳熱和流動(dòng)數(shù)值模擬必不可少的物性參數(shù)；黏度的大小也影響著玄武巖纖維生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)出產(chǎn)品的品質(zhì)。同時(shí)，玄武巖中不同的化學(xué)組分及其含量，對(duì)黏度也會(huì)產(chǎn)生較大影響。

六盤水地區(qū)玄武巖礦產(chǎn)資源豐富，該地區(qū)玄武巖化學(xué)成分穩(wěn)定，符合一般工業(yè)要求，對(duì)六盤水地區(qū)玄武巖組分進(jìn)行配比，并對(duì)其高溫熔體黏度特性進(jìn)行調(diào)節(jié)研究。在實(shí)現(xiàn)玄武巖礦粉本地化，解決礦粉緊張問題，降低企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行成本等企業(yè)技術(shù)難題攻關(guān)方面，具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

因此，本實(shí)驗(yàn)擬對(duì)六盤水不同地區(qū)的玄武巖樣品，進(jìn)行高溫黏度測(cè)定。

2 黏度值測(cè)定原理

測(cè)量黏度方式和設(shè)備有很多。主要設(shè)備有：毛細(xì)管式黏度計(jì)及落球、拉球黏度計(jì)、旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)。一般毛細(xì)管式黏度計(jì)的測(cè)量原理，遵守的是 “Poiseuille 定律” 。而用落球式黏度計(jì)測(cè)量黏度，可根據(jù)“斯托克斯公式”計(jì)算出黏度。

由于本實(shí)驗(yàn)所需溫度較高，所用的儀器設(shè)備為RTW-10熔體物性測(cè)定儀，使用最高溫度為1 600℃。測(cè)量方法同旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)。測(cè)試的實(shí)驗(yàn)原理同旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)，并且利用了“最小二乘法”，使測(cè)量方式簡(jiǎn)化。通過儀器鉬測(cè)頭轉(zhuǎn)動(dòng)，檢測(cè)出其角變量的變化，即可得出對(duì)應(yīng)黏度。其中角變量與黏度呈線性關(guān)系：

式中：

k 為黏度儀器常數(shù)1

b 為黏度儀器常數(shù)2

x 為角變量

y 為黏度值

在實(shí)驗(yàn)正式開始前，用已知黏度的標(biāo)準(zhǔn)黏度液在RTW-10儀上進(jìn)行標(biāo)定，可得出k=272.168，b=463.536 9。確定儀器k、b 值后，通過RTW-10 熔體物性測(cè)定儀測(cè)量出爐內(nèi)高溫熔體的角變量，根據(jù)上述式子中角變量與黏度所呈現(xiàn)的線性關(guān)系，以及設(shè)備程序可計(jì)算出平均黏度值。

3 黏度測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)原材料及設(shè)備

3.1.1 原料

①河北蔚縣玄武巖；②清鎮(zhèn)+騰沖玄武巖（配料比1 ∶1）；③本地玉舍玄武巖；④六枝玄武巖。

不同地區(qū)玄武巖組成見表1。

表1 不同地區(qū)玄武巖組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.1.2 儀器設(shè)備

顎式破碎機(jī)、粉碎制樣機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)篩、101型電熱鼓風(fēng)干燥箱、電子秤（測(cè)量精度0.01g）、瑪瑙研缽、RTW-10型熔體物性測(cè)定儀。

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量步驟

3.2.1 破碎

用鐵錘將玄武巖礦石敲碎成塊狀，隨后用孔徑為6.5mm的標(biāo)準(zhǔn)鋼篩進(jìn)行篩分。將粒度≤6.5mm 的玄武巖倒入顎式破碎機(jī)，使其破碎成更小顆粒。

3.2.2 粉碎制樣

將破碎后的試樣，倒入粉碎制樣機(jī)中進(jìn)行粉碎。粉碎制樣機(jī)工作完成后，取出試樣，倒入孔徑為200目的標(biāo)準(zhǔn)篩，篩分出直徑≤200目的試樣，放入鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)烘干，以備實(shí)驗(yàn)使用。

3.2.3 稱重裝料

用電子天平稱取180g 烘干的玄武巖待測(cè)試樣，分三次加入特制的石墨坩堝內(nèi)，并壓實(shí)。裝好物料后，將坩堝放入爐體內(nèi)。

3.2.4 黏度測(cè)量

合上室內(nèi)主電源開關(guān)，打開儀器控制電腦，設(shè)置溫度及對(duì)應(yīng)儀器參數(shù)，按下儀器控制柜電源按鈕，儀器控制柜上電壓、電流表有數(shù)值顯示，表示爐體開始升溫。達(dá)到設(shè)定爐溫后，等待溫度平穩(wěn)后，可操作設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。

3.2.5 記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

河北蔚縣玄武巖、（1清鎮(zhèn)：1騰沖）玄武巖，均是六盤水市石鑫玄武巖科技有限公司實(shí)際生產(chǎn)用料，為了便于比較和分析，將這兩種玄武巖樣作為對(duì)比樣。而六枝樣、本地玉舍樣均為六盤水地區(qū)的玄武巖。由于玄武巖熔化溫度高，依次選取了1 375℃、1 400℃、1 425℃和1 450℃四個(gè)溫度為測(cè)試溫度，得到溫度-黏度表。

表2 不同地區(qū)高溫玄武巖熔體的溫度-黏度值

通過表2數(shù)值，能得到黏度-熔體溫度關(guān)系曲線，如圖1所示。

從圖1可知：隨著溫度的增大，黏度不斷減小，斜率均為負(fù)值。如河北蔚縣，在1 375℃，黏度為22.019Pa·s，1400℃，黏度為12.536Pa·s，1 425 ℃，黏度為8.184Pa·s，1 450 ℃，黏度為5.759Pa·s。如本地玉舍玄武巖試樣，在1 375℃，黏度為22.449Pa·s，1 400℃，黏度為15.754Pa·s，1425℃，黏度為22.019Pa·s，1 450℃，黏度值為22.019Pa·s。因此可推斷出，隨著熔體溫度的不斷升高，玄武巖高溫熔體黏度值會(huì)不斷變小。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因是，熔融液體分子間距小，隨著溫度升高、分子動(dòng)能增大，促進(jìn)分子間距增大、分子產(chǎn)生流動(dòng)，從而使液體動(dòng)力增加、動(dòng)力黏度減少。

圖1 玄武巖熔體溫度-黏度曲線

同時(shí)，對(duì)比圖1中的4條曲線可知，在最低溫度1 375℃時(shí)，清鎮(zhèn)+騰沖（1 ∶1）玄武巖混合料高溫熔體黏度最大，為27.070Pa·s；而六枝的黏度是15.623Pa·s，是四個(gè)樣中黏度最小的。隨著熔體溫度的升高，各玄武巖熔體的黏度都在變小。在最高溫度1 450℃時(shí)，本地玉舍玄武巖熔體對(duì)應(yīng)的最大黏度為11.007Pa·s；此時(shí)黏度值最小的為4.48Pa·s，是本地六枝的玄武巖熔體?？傮w而言，隨著溫度的升高，清鎮(zhèn)+騰沖的黏度變化最為明顯，黏度下降比較快；河北蔚縣和本地玉舍各溫度點(diǎn)的黏度值在四個(gè)樣中都較為居中，變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)；而六枝玄武巖熔體黏度隨溫度變化，雖然也是較為平穩(wěn)的，但它各溫度點(diǎn)的黏度，在四個(gè)樣中卻全是最小的，因此，六枝樣的黏度偏小。

5 結(jié)束語

1）實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，玄武巖在高溫完全熔化呈熔融狀態(tài)后，隨溫度的不斷升高，黏度會(huì)不斷變小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高溫熔融玄武巖-黏度與對(duì)應(yīng)熔化溫度呈反比關(guān)系。為玄武巖的實(shí)際拉絲生產(chǎn)、降低漏板等提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

2）各地區(qū)玄武巖黏度有一定的差別，這是因?yàn)楦鱾€(gè)地區(qū)玄武巖化學(xué)元素及化學(xué)組分含量的不同引起的。

3）高溫熔體黏度究其本質(zhì)而言，是熔體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)相互作用的一種現(xiàn)象。玄武巖熔體隨溫度升高，分子動(dòng)能也隨之提高，分子間的流動(dòng)性變得更好。因此，玄武巖熔體的黏度會(huì)隨溫度的不斷升高而逐漸降低。

4）六盤水地區(qū)有豐富的玄武巖礦石資源，但由于不同區(qū)域礦石化學(xué)成分波動(dòng)大、組分鐵含量高，致使礦石本地化較難實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)所得黏度-溫度數(shù)據(jù)，可為六盤水玄武巖礦石本地化提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。