玄武巖化學成分對熔體黏度的影響

李 松，陳定梅，潘 東，陳文輝，雷以柱

（六盤水師范學院 化學與材料工程學院，貴州六盤水 553000）

玄武巖最主要的利用途徑是玄武巖纖維。通過高溫1 450～1 500℃熔融后高速拉制而成的連續纖維具有優良的耐高溫、疲勞低溫性能。玄武巖熔體具有“熔點高、導熱性差、易析晶、黏度窄”等一系列特性，其特性調控難度很大。黏度是玄武巖纖維生產過程中最重要的物理化學性質之一，直接影響高溫熔融成絲過程。在實際生產過程中如果黏度過大，會嚴重降低纖維質量甚至無法拉成絲，對于玄武巖生產極其不利。迄今為止，國內外學者對玄武巖熔體黏度的研究報道很少，韓慶賀根據玄武巖熔體黏度的實測數據，并結合硅酸鹽熔體黏度計算公式得出玄武巖熔體的黏度計算公式。趙栩欣等[16]通過實驗得到不同溫度下玄武巖熔體黏度值，經數學擬合得到一定溫度范圍內的黏度-溫度關系曲線和回歸方程。以上論文對玄武巖的高溫黏度進行了研究，但都沒有研究成分對熔體黏度的影響。本文通過Factsage8.0熱力學軟件計算，研究玄武巖化學成分對黏度的影響。

1 FactSage模擬計算

1.1 FactSage模擬計算方法

用 FactSage7.2軟件的Equilib（選擇FToxide 數據庫），純液相的黏度采用FactSage 的Viscosity 模塊計算，該計算模塊基于改進的準化學模型（Modified quasichemical model），可以采用Einstein-Roscoe 公式近似計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數，當缺乏密度時，可近似用質量分數代替，混合物中液體的成分、液體和固體的質量分數都可以從Equilib 的計算結果中得到。依據工業生產玄武巖纖維的巖石主要成分，如表1所示，總質量為100g，計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 模擬結果及討論

根據表1 的玄武巖成分，運用FactSage 熱力學軟件的Equilib 模塊和FToxid 數據庫計算玄武巖熔體在降溫過程中的物相變化及固相析出的質量。結果如圖1所示。

圖1 玄武巖熔體析出礦物相組成

由圖1可見，在玄武巖熔體冷卻過程中，尖晶石、堇青石、鈣長石、斜方輝石、磷石英、斜輝石等相繼析出。最開始析出的礦相是尖晶石，析出溫度為1 306.28℃，說明該玄武巖成分在1 306.28℃以上為純液相時，可利用FactSage 對其黏度進行直接計算。1 306.28℃以下要采用Einstein-Roscoe 公式計算。以1 250℃為例，通過FactSage 熱力學軟件的 Equilib 模塊計算，熔體中析出的物相和質量分數如表2所示。

表2 1 250℃析出礦相質量

從表2可以看到，1 300℃析出的固相的質量分數為8.24%，計算得到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，因為析出固體物質，玄武巖熔體黏度會迅速降低，結合圖1可知，1 306.28℃時開始析出固相尖晶石，尖晶石為高熔點固溶體。

圖2 玄武巖熔體黏度變化圖

2 正交試驗方案

2.1 實驗原料及成分配比

根據FactSage 模擬軟件計算黏度的方法，采用6因素5水平正交試驗，探索玄武巖不同成分對熔體黏度的影響。選取L25（65）正交試驗表，實驗各因子水平如表3所示。

表3 試驗因子水平（單位：g）

2.2 結果與討論

玄武巖纖維是通過高溫1 450～1 500℃熔融后高速拉制而成的連續纖維，因此本實驗選擇1 450℃作為實驗溫度。共進行25次實驗，運用 FactSage 熱力學軟件的 Equilib 模塊計算25組實驗的礦相析出溫度。結果表明，25組實驗在1 450℃的時候都為純液相，可以用Viscosity 模塊直接計算得到結果，黏度計算結果如表4所示。

表4 實驗安排及其結果

2.3 直觀分析和方差分析

由正交表的結果可知，計算得到的黏度范圍在1.755～14.031Pa·s，黏度的變化范圍比較大。由玄武巖纖維生產過程可知，合適的黏度大小是熔融后高速拉制成絲的關鍵。在生產中有一些產地玄武巖因為黏度大難以拉制成絲，通過調整玄武巖成分，可以減小黏度，從而提高成絲率。正交的結果中黏度最低的是21號，最低的黏度為1.755Pa·s。由表4可知，對黏度影響的主次順序為MgO ＞FeO ＞SiO2＞CaO＞Fe2O3＞Al2O3，其中MgO、FeO 對黏度的影響最大。

根據黏度計算實驗結果進行方差分析，得到方差分析表5。由方差分析可見，在本實驗中，6項影響因子F 比都沒有超過4.220。

表5 方差分析

2.4 效應曲線圖

按各因素各水平的平均值作為黏度的主效應，黏度的主效應分析如圖3所示。

圖3 主效應分析圖

由圖3 可知，CaO、FeO、MgO 質量對黏度的影響趨勢逐漸減小，SiO2質量對黏度的影響趨勢逐漸增大，Al2O3質量對黏度的影響趨勢為先減小后增大，且有繼續增大的趨勢，MgO 質量對黏度的影響比較大，隨著MgO 質量的增加，黏度變化非常快。因此，在玄武巖纖維生產過程中，MgO 質量對調節熔體黏度非常有效，增加CaO、FeO、MgO 質量，減少SiO2、Al2O3質量均有利于玄武巖熔體黏度的降低。

3 結束語

利用FactSage 熱力學模擬軟件計算玄武巖熔體的黏度，通過正交試驗進行方差、直觀及主效應分析，研究化學成分對玄武巖熔體黏度的影響，得到如下結論：

（1）化學成分對黏度影響的主次順序為MgO ＞FeO ＞SiO2＞CaO ＞Fe2O3＞Al2O3，其中MgO、FeO 對黏度的影響最大。

（2）在玄武巖纖維生產過程中，MgO 質量對調節熔體黏度非常有效，增加CaO、FeO、MgO 質量，減少SiO2、Al2O3質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調節黏度、提高成絲率提供了理論基礎。