玄武岩化学成分对熔体黏度的影响

李 松，陈定梅，潘 东，陈文辉，雷以柱

（六盘水师范学院 化学与材料工程学院，贵州六盘水 553000）

玄武岩最主要的利用途径是玄武岩纤维。通过高温1 450～1 500℃熔融后高速拉制而成的连续纤维具有优良的耐高温、疲劳低温性能。玄武岩熔体具有“熔点高、导热性差、易析晶、黏度窄”等一系列特性，其特性调控难度很大。黏度是玄武岩纤维生产过程中最重要的物理化学性质之一，直接影响高温熔融成丝过程。在实际生产过程中如果黏度过大，会严重降低纤维质量甚至无法拉成丝，对于玄武岩生产极其不利。迄今为止，国内外学者对玄武岩熔体黏度的研究报道很少，韩庆贺根据玄武岩熔体黏度的实测数据，并结合硅酸盐熔体黏度计算公式得出玄武岩熔体的黏度计算公式。赵栩欣等[16]通过实验得到不同温度下玄武岩熔体黏度值，经数学拟合得到一定温度范围内的黏度-温度关系曲线和回归方程。以上论文对玄武岩的高温黏度进行了研究，但都没有研究成分对熔体黏度的影响。本文通过Factsage8.0热力学软件计算，研究玄武岩化学成分对黏度的影响。

1 FactSage模拟计算

1.1 FactSage模拟计算方法

用 FactSage7.2软件的Equilib（选择FToxide 数据库），纯液相的黏度采用FactSage 的Viscosity 模块计算，该计算模块基于改进的准化学模型（Modified quasichemical model），可以采用Einstein-Roscoe 公式近似计算液固混合物的黏度。

式中，ηL+S是液固混合物的黏度，ηL是混合物中液体的黏度，VS是混合物中固体的体积分数，当缺乏密度时，可近似用质量分数代替，混合物中液体的成分、液体和固体的质量分数都可以从Equilib 的计算结果中得到。依据工业生产玄武岩纤维的岩石主要成分，如表1所示，总质量为100g，计算玄武岩熔体的黏度。

表1 玄武岩矿石的主要成分（单位：g）

1.2 模拟结果及讨论

根据表1 的玄武岩成分，运用FactSage 热力学软件的Equilib 模块和FToxid 数据库计算玄武岩熔体在降温过程中的物相变化及固相析出的质量。结果如图1所示。

图1 玄武岩熔体析出矿物相组成

由图1可见，在玄武岩熔体冷却过程中，尖晶石、堇青石、钙长石、斜方辉石、磷石英、斜辉石等相继析出。最开始析出的矿相是尖晶石，析出温度为1 306.28℃，说明该玄武岩成分在1 306.28℃以上为纯液相时，可利用FactSage 对其黏度进行直接计算。1 306.28℃以下要采用Einstein-Roscoe 公式计算。以1 250℃为例，通过FactSage 热力学软件的 Equilib 模块计算，熔体中析出的物相和质量分数如表2所示。

表2 1 250℃析出矿相质量

从表2可以看到，1 300℃析出的固相的质量分数为8.24%，计算得到1 250℃的纯液相玄武岩熔体的黏度为37.476Pa·s，用Einstein-Roscoe 公式计算液固混合物的黏度为46.603Pa·s，玄武岩黏度随温度的变化如图2所示，由图可知，在温度低于1 306.28℃时，因为析出固体物质，玄武岩熔体黏度会迅速降低，结合图1可知，1 306.28℃时开始析出固相尖晶石，尖晶石为高熔点固溶体。

图2 玄武岩熔体黏度变化图

2 正交试验方案

2.1 实验原料及成分配比

根据FactSage 模拟软件计算黏度的方法，采用6因素5水平正交试验，探索玄武岩不同成分对熔体黏度的影响。选取L25（65）正交试验表，实验各因子水平如表3所示。

表3 试验因子水平（单位：g）

2.2 结果与讨论

玄武岩纤维是通过高温1 450～1 500℃熔融后高速拉制而成的连续纤维，因此本实验选择1 450℃作为实验温度。共进行25次实验，运用 FactSage 热力学软件的 Equilib 模块计算25组实验的矿相析出温度。结果表明，25组实验在1 450℃的时候都为纯液相，可以用Viscosity 模块直接计算得到结果，黏度计算结果如表4所示。

表4 实验安排及其结果

2.3 直观分析和方差分析

由正交表的结果可知，计算得到的黏度范围在1.755～14.031Pa·s，黏度的变化范围比较大。由玄武岩纤维生产过程可知，合适的黏度大小是熔融后高速拉制成丝的关键。在生产中有一些产地玄武岩因为黏度大难以拉制成丝，通过调整玄武岩成分，可以减小黏度，从而提高成丝率。正交的结果中黏度最低的是21号，最低的黏度为1.755Pa·s。由表4可知，对黏度影响的主次顺序为MgO ＞FeO ＞SiO2＞CaO＞Fe2O3＞Al2O3，其中MgO、FeO 对黏度的影响最大。

根据黏度计算实验结果进行方差分析，得到方差分析表5。由方差分析可见，在本实验中，6项影响因子F 比都没有超过4.220。

表5 方差分析

2.4 效应曲线图

按各因素各水平的平均值作为黏度的主效应，黏度的主效应分析如图3所示。

图3 主效应分析图

由图3 可知，CaO、FeO、MgO 质量对黏度的影响趋势逐渐减小，SiO2质量对黏度的影响趋势逐渐增大，Al2O3质量对黏度的影响趋势为先减小后增大，且有继续增大的趋势，MgO 质量对黏度的影响比较大，随着MgO 质量的增加，黏度变化非常快。因此，在玄武岩纤维生产过程中，MgO 质量对调节熔体黏度非常有效，增加CaO、FeO、MgO 质量，减少SiO2、Al2O3质量均有利于玄武岩熔体黏度的降低。

3 结束语

利用FactSage 热力学模拟软件计算玄武岩熔体的黏度，通过正交试验进行方差、直观及主效应分析，研究化学成分对玄武岩熔体黏度的影响，得到如下结论：

（1）化学成分对黏度影响的主次顺序为MgO ＞FeO ＞SiO2＞CaO ＞Fe2O3＞Al2O3，其中MgO、FeO 对黏度的影响最大。

（2）在玄武岩纤维生产过程中，MgO 质量对调节熔体黏度非常有效，增加CaO、FeO、MgO 质量，减少SiO2、Al2O3质量均有利于玄武岩熔体黏度的降低。为下一步玄武岩纤维生产调节黏度、提高成丝率提供了理论基础。