卸压放炮与传压介质①

张战

（韶关赛普超硬材料科技有限公司，广东韶关512000）

2010年以来，因北京门头沟赵家台叶蜡石材料趋于紧张，金刚石合成用大型压机自2010年以来又新增两千余台且大型压机配套技术以Φ45合成柱以上腔体为主，因此，无论从叶蜡石材料的用量上或是对叶蜡石材料质量要求上都有了很大提升。双重压力下的结果是2010年以来卸压放炮成了金刚石行业提到的最为广泛的技术词语。自上世纪70年代末期金刚石合成用传压介质定型为北京门头沟赵家台叶蜡石粉压块以来，30多年来传压介质方面的研究工作几乎停滞不前，虽然也有技术改良但对传压介质存在于金刚石制造业中的核心技术问题却研究不够：什么样的叶蜡石可以作为传压介质？传压介质需具备那些必备的热学性能？传压介质的标准？传压介质（叶蜡石块）的检验方法等等方面的研究工作很少。金刚石合成要求传压介质（叶蜡石块）必须做到万无一失，因为万有一失的顶锤消耗量就会超越正常的生产定额。在一个没有标准，没有检验方法的行业——传压介质（叶蜡石块）制造业上要求传压介质（叶蜡石块）必须做到万无一失实属天方夜潭。金刚石合成2010乃至2012年大型压机卸压放炮成为常态也是必然结果。30多年来传压介质方面的研究工作缺失已经成为金刚石行业进一步发展的重大技术障碍，扫除这一技术障碍对金刚石行业的贡献将等同于上世纪90年代末期设备大型化的巨大贡献。

1 传压介质所需叶蜡石标准

1.1 传压介质用叶蜡石组成

北京门头沟赵家台叶蜡石自20世纪70年代末由早期的金刚石行业专家选定为金刚石合成用传压介质以来，关于赵家台叶蜡石的具体分析报告在70年代乃至2006年的文献中都能详细查阅到：化学组成以化学成分分析检测为主。而表1，是目前行业内正在使用的各家传压介质（叶蜡石块）制造商的材料分析，从化学成分分析检测报告上看与北京门头沟赵家台叶蜡石均具有可比性，特别是在烧失、氧化铝、氧化硅以及钙、镁、钾、钠等方面差距不大。

表1 各地叶蜡石矿石材料化学成分分析检测报告（%）Table 1 Analysis and testing report of chemical compositions of pyrophyllite in various places（%）

从大量的叶蜡石化学成分分析检测报告来看，用作传压介质的叶蜡石烧失应控制在5.5%～7.5%之间，氧化铝应控制在27%～35%之间，氧化硅应控制在47%～65%之间，其它氧化物尽量不超过3%。但总的来说化学成分并不代表叶蜡石能不能用作传压介质，叶蜡石的矿物学组成相对叶蜡石化学成分来说尤为重要，表2是目前行业内正在使用的传压介质（叶蜡石块）的矿物学组成分析，从中可以看出用作传压介质的叶蜡石的相对优劣（主要指标）。结合高压合成实验以及文献资料综合分析，相对优良的适合大腔体高压合成的叶蜡石原矿石的矿物学组成标准拟定为表3。用作传压介质的叶蜡石原矿石的矿物学组成范围标准，其中最最重要的是叶蜡石矿物相本身占比范围为45%～80%，低于45%或者高于80%均不适合用作大腔体高压合成的传压介质；其次是原矿石的石英含量范围以及非晶相物质含量占比。当上述三项矿物相均符合表3拟定的矿物学范围标准时，叶蜡石原矿石才可作为大腔体高压合成传压介质的备选材料。当然，能否最终用作大腔体高压合成的传压介质，叶蜡石原矿石的热学性能仍需满足传压介质对叶蜡石原矿的热学性能要求。

表2 目前行业内正在使用的部分传压介质（叶蜡石块）的矿物学组成分析汇总（%）Table 2 Summary of composition analysis on mineralogy of some pressure medium（pyrophyllite blocks）currently used in the industry

表3 用作传压介质的叶蜡石原矿石的矿物学组成范围标准（%）Table 3 Standard of mineralogy composition range of pyrophyllite crude ores as pressure medium

1.2 传压介质热学性能指标

当用白云石衬管加叶蜡石外壳作为高压合成的传压介质时，叶蜡石原矿石的作用主要是传压及密封，当然也有隔热绝缘作用。白云石衬的主要作用是隔热及部分分解后形成内增压，当然也有传压。在高压合成的各个阶段，内外压需达到平衡，一旦失衡高压放炮就不可避免。叶蜡石原矿石的传压及密封力取决于叶蜡石原矿石的矿物学组成及其物理性能。高压合成是一个内增压从无到有再逐渐减小的过程，突然的内增压激增或密封力迅速下降都会造成高压放炮，内增压从无到有再逐渐减小但回不到起点，原因是分解的白云石不可能逆转，大量的二氧化碳压缩气体形成内增压，压缩气体的能量虽然随温度的降低而减小但外爆能量一直存在，升压、保压、缷压无论哪个阶段只要内外压不平衡都会放炮。叶蜡石原矿石在作为传压介质时形成的密封边的密封力不但要大到足以抵消高压合成时内增压的从无到有，而且当缷压时传压介质所形成的密封边还必须要有足够的弹力用于抵消外力减小。用作传压介质的叶蜡石原矿石如果没有足够的“压缩弹性”，卸压放炮就会经常发生。那么叶蜡石原矿石的哪些物理性能与足够的“压缩弹性”有关？首先是叶蜡石原矿石的压缩回弹变量，大的压缩回弹变量是足够的“压缩弹性”的前提条件，此乃“压缩弹性”之根；其次是相变起始点，太低的矿石相变起始点肯定没有足够的高温合成所需的“压缩弹性”，叶蜡石原矿石的相变起始点必须高于560℃，原因是高压合成时用作传压介质的叶蜡石局部受热已达500℃以上，特别是大腔体，叶蜡石局部受热及高于500℃以上的区域加大而且顶锤温度明显高于相对小腔体；再次是叶蜡石原矿石的热膨胀情况，用作传压介质的叶蜡石原矿石应该具有热胀快冷缩慢的特殊性能。

在寻找大腔体高压合成用传压介质所需的叶蜡石矿石的过程中，对多种叶蜡石矿石进行了压缩回弹变量、相变情况及热膨胀情况分析，也试图分析叶蜡石矿石的“压缩弹性”，力图寻找到具有足够压缩回弹变量、较高相变起始点、热胀快冷缩慢的特殊性能的叶蜡石原矿石，从而找到大腔体高压合成传压介质所需的叶蜡石原矿石。在此过程中也做了多次临界卸压放炮试验，以测定大腔体高压卸压放炮之叶蜡石原矿石所需的“压缩弹性”极限值。表4是我们近期做的部分叶蜡石材料原矿石及不同厂家叶蜡石块的热学性能测试，温度范围是从室温到1000℃，线热膨胀系数（×10－6）。检验设备：综合热分析仪；设备型号：DIL402EP；设备厂家：德国耐驰仪器设备有限公司检测条件：升温速度，10℃∕分钟。

表4 部分叶蜡石原矿石及不同厂家叶蜡石块的热学性能测试Table 4 Thermal performance test on some pyrophyllite crude ores and pyrophyllite blocks from different manufacturers

线热膨胀系数（×10－6／℃）太低时，用作大腔体传压介质的叶蜡石块进入不稳定状态，极限值在（0℃～500℃）5.50×10－6／℃；具有太高的线热膨胀系数的叶蜡石原矿石也不适合作为传压介质的主材料，极限值应该在（0℃～500℃）7.50×10－6／℃；上限的确定仍需更多的高压合成实验数据。

1.3 制造工艺

满足传压介质基本要求的叶蜡石原矿石经表面清洗后晾干，经鄂式破碎至20mm；锤破至7～8mm；对辊破碎至2mm以细。筛分成粗、中、细三种粒度；粗粒1～2 mm；中粒0.5～1mm；细粒0.5mm以细；粗、中粒按1∶1混合均匀，加水玻璃；加水玻璃应均匀慢速，再次混合半小时后加30%细粒度叶蜡石原矿石粉，再次混合一小时；取出混合均匀的物料过筛后放置到适当容器内存放12小时以上；压制前再次混合一小时（用不同的混料机），过筛后凉置2～3小时使用。水玻璃比例6%～7%较适宜。

压制好的复合叶蜡石快经整形至合适尺寸后进炉第一次焙烧，第一次焙烧的目的是分解水玻璃及脱水，分解水玻璃及脱水如同粉末冶金技术中的脱胶，粉末冶金技术中的脱胶有以下三个要素：

（1）风道设计，风道必须均匀，针对每一件产品尽量做到均匀风；此乃第一要素。

（2）脱胶时间，足够的脱胶时间才能保证产品从内到外一次脱胶干净，此乃第二要素。

（3）脱胶温度，脱胶温度与脱胶时间关系密切，温度高时间短，但过高温度有可能外熟里生，不利于完全分解水玻璃及脱水，此乃第三要素。

传压介质上压机前要进行二次焙烧，二次焙烧的目的是调整复合叶蜡石快的硬度及传压性，厂家不同工艺各异。

1.4 传压介质的技术标准

综合以上分析数据及大量的实验结果，韶关赛普超硬材料科技有限公司就有关大腔体金刚石合成用传压介质的技术标准概括如下：

用作传压介质的叶蜡石原矿石需满足如下技术条件：

（A）化学组成；

烧失5.5%～7.5%之间，氧化铝27%～35%之间，氧化硅47%～65%之间，其它氧化物均不超过3%。

（B）矿物组成；见表5

表5 用作传压介质的叶蜡石原矿石的矿物学组成范围（%）Table 5 Mineralogy composition range of pyrophyllite crude ores as pressure medium

（C）线热膨胀系数（×10－6／℃）

下限：极限值（0℃～500℃）5.50××10－6／℃；上限：极限值（0℃～500℃）7.50×10－6／℃；

（D）叶蜡石原矿石的压缩回弹变量（线性，加压15MPa）回弹变量大于1.5%；

（E）叶蜡石原矿石的相变起始点高于560℃

用作传压介质的叶蜡石复合块需满足如下技术条件：

（A）尺寸偏差

用作传压介质的叶蜡石复合块的外形尺寸及内孔尺寸都十分重要，同一规格同一批次的复合块的外形尺寸及内孔尺寸需保持一致，要求：同一规格同一批次各尺寸控制在0.1mm之内；同一规格不同批次各尺寸控制在0.3mm之内；叶蜡石复合块的外形尺寸对压机的调整对中精度有较大影响，内孔尺寸对工艺控制精度有影响。

（B）重量偏差

同一规格同一批次的复合块的重量应控制在1.0%之内，例如总重400克的叶蜡石复合块重量偏差应控制在4克之内；同一规格不同批次的复合块的重量应控制在2.0%之内，例如总重400克的叶蜡石复合块重量偏差应控制在8克之内。

（C）0℃～500℃弹性变形量

用作传压介质的叶蜡石复合块0℃～500℃弹性变形量大小对高压合成的稳定性有很大影响，如果500℃叶蜡石复合块失去“温度弹性变形”，传压介质就失去加热后的高压密封性，卸压放炮就不可避免，如果叶蜡石复合块0℃～500℃弹性变形量太大或者太小，传压介质的高压密封性能就不好确定，理想的0℃～500℃线弹性变形量大小范围是0.85%～1.25%。

（D）1050℃失重

用作传压介质的叶蜡石原石烧失应控制在5.5%～7.5%之间（1250℃），叶蜡石复合块1050℃失重大小与复合块中白云石的用量有关，传压介质中的纯叶蜡石层的1050℃失重控制技术指标为：5.5%～6.5%为安全范围；6.5%～7.2%为临界范围；大于7.3%不安全。

（E）标准化制造工艺流程

用作传压介质的叶蜡石复合块的制作工艺流程虽然简单但十分关键，有关标准化制造工艺流程本文已详述，其中包括：选矿；洗矿；破碎；过筛；混料；压制；整形；焙烧共八个环节，其中需要强调的是混料标准化操作及焙烧的三个要素，只有经过标准化制造工艺流程生产的叶蜡石复合块才能用作传压介质。

2 卸压放炮分类

总结25年来的高压合成工作，有关卸压放炮的发生情形大至可分为如下十种类型，其中的大部分卸压放炮是我们一线高压合成时直接碰到的，少部分来源于行业技术交流。

（1）实心块不加热，加压高于50MPa后卸压放气炮；

（2）预热块加热后停热24小时后卸压放气炮；

（3）冷锤、热块正常高压合成后卸压放气炮；

（4）热锤、冷块正常高压合成后卸压放气炮；

（5）Φ60腔体加热合成完工后，停热10秒没有缷压直接放气炮；

（6）Φ60腔体加热合成完工后，停热15分钟后卸压仍然放气炮；

（7）正常工作状态的压机，用新料块实验，前两班正常，第三班开始卸压放气炮；

（8）正常工作状态的压机，用冷块实验，前十快正常，后开始卸压放气炮；

（9）高转化率时容易卸压放气炮；

（10）大腔体比小腔体容易卸压放气炮。

3 卸压放炮内因

针对上述十种类型的卸压放炮，我们逐一进行技术分析，目的是找出其内在原因及规律，卸压放炮不同于超压阶段及保压阶段高压放炮，高压放炮除去特殊原因后均与叶蜡石密封不佳有关系，而卸压放炮原因特殊，毕竟已完成超压阶段及保压阶段的艰巨密封任务，找出共性即可找到解决方案。十种类型的卸压放炮内因剖析如下：

（1）所用的实心块弹性变形量小，回弹能力差，缷压时密封力迅速下降，当原有加载力减弱（缷压）时，密封力下降速度大于加载力减弱，失衡后放炮。

（2）预热块加热后，经24小时已彻底冷却，由叶蜡石所形成的密封边回弹能力下降，当原有加载力减弱（缷压）时，密封力下降速度大于加载力减弱，失衡后放炮。若没有经24小时彻底冷却，密封边回弹能力仍可与加载力减弱相抗衡，不会卸压放炮，可见叶蜡石所形成的密封边回弹能力与顶锤表面温度有关。

（3）合成后顶锤温度低，导致叶蜡石表面温度低，密封边回弹能力下降，当原有加载力减弱（缷压）后，密封边回弹量不足，密封边回弹能力与温度成正比。

（4）低温的叶蜡石吸走顶锤表面热能，密封边温度降低，回弹能力下降，当原有加载力减弱（缷压）时，密封力下降速度大于加载力减弱，失衡后放炮。同样，密封边回弹能力与温度成正比。

（5）停热导致合成快整体温度下降，叶蜡石块收缩，快速失去回弹能力，密封边回弹能力与温度关系密切，已接近临界状态，此时，只有有效增加密封边回弹能力才有可能减压，提高密封边回弹能力的方法是要么换叶蜡石原矿石；要么提高减压时密封边的温度。

（6）叶蜡石表面温度低，回弹能力弱，不利于原有加载力减弱（缷压），停热导致合成快整体温度下降，腔体内压缩气体压力降低冲力减弱，同时密封边回弹能力减弱导致密封力减弱，其速率大于压缩气体压力降低冲力减弱速率，当原有加载力减弱（缷压）时，失衡后放炮。

（7）合成后顶锤温度逐渐降低，由叶蜡石所形成的密封边温度下降，回弹能力减弱，逐渐降到失衡后放炮。

（8）条件相对7更极端，由叶蜡石所形成的密封边温度下降，回弹能力减弱更快，缷压放气炮来得更早。

（9）从原理上讲，只有大幅度增加合成压力才能提高转化率，大幅度增加合成压力就提高了对用作传压介质的叶蜡石复合块的回弹能力的要求，低转化率时能用的叶蜡石逐渐转化为不可用，解决方法要么是换叶蜡石原矿石，要么是提高减压时密封边的温度。

（10）相对于Φ40以下的小腔体，大腔体金刚石合成时，六只顶锤及12条密封边所形成的高压高温区域加大，理论上说高压高温区域加大后，外围条件变数加大，提高了对用作传压介质的叶蜡石复合块的质量要求，等同于提高转化率，回到问题9。

综上所述，用作传压介质的叶蜡石复合块的回弹能力是缷压时密封力大小的内在决定因素，回弹能力不足足以造成卸压放炮。另外，叶蜡石复合块的回弹能力与密封边温度高低关系密切，解决卸压放炮的方法是要么更换叶蜡石原矿石，提高叶蜡石复合块的回弹能力；要么提高减压时密封边的温度，尽量不降低叶蜡石复合块原有的回弹能力。

4 结论

根据文献资料、材料成分及性能分析报告、实验数据、理论分析结果、高压合成实验结果等综合分析，金刚石合成2010乃至2012年大型压机卸压放炮成为常态的内在原因是：2010年以来，因北京门头沟赵家台叶蜡石材料趋于紧张，叶蜡石材料自身性能变差，金刚石合成用大型压机自2010年以来又新增两千余台且大型压机配套技术以Φ45合成柱以上腔体为主，无论从叶蜡石材料的用量上或是对叶蜡石材料质量要求上都有了很大提升，一方面性能变差，一方面质量要求提高，用作传压介质的叶蜡石复合块的安全回旋余地大幅度的减小。为解决上述矛盾，韶关赛普超硬材料科技有限公司就有关大腔体金刚石合成专用传压介质所需用叶蜡石原矿石、叶蜡石复合块等方面做了大量的研究、实验、分析工作，创新性的提出了用作传压介质的叶蜡石复合块的回弹能力是缷压时密封力大小的内在决定因素，回弹能力不足是造成卸压放炮的主要原因。另外同时也指出：叶蜡石复合块的回弹能力与密封边温度高低关系密切，回弹能力与密封边温度成正比。并在国内乃至国际上首次制定了“传压介质的技术标准”，对传压介质用叶蜡石原矿石首次提出了具体的数字化的明确要求，有关叶蜡石复合块也有了第一个企业标准。传压介质（叶蜡石块）制造要求传压介质（叶蜡石块）作到万无一失不再是天方夜潭，用标准化的传压介质（叶蜡石块）制造方法控制缷压放炮已经成为现实。新的质量更加稳定的更适合大腔体金刚石合成用传压介质所需的叶蜡石原矿石在数字化的明确的“传压介质的技术标准”的要求指导下，必将迅速进入超硬材料行业。