卸壓放炮與傳壓介質(zhì)①

張戰(zhàn)

（韶關(guān)賽普超硬材料科技有限公司，廣東韶關(guān)512000）

2010年以來，因北京門頭溝趙家臺葉蠟石材料趨于緊張，金剛石合成用大型壓機自2010年以來又新增兩千余臺且大型壓機配套技術(shù)以Φ45合成柱以上腔體為主，因此，無論從葉蠟石材料的用量上或是對葉蠟石材料質(zhì)量要求上都有了很大提升。雙重壓力下的結(jié)果是2010年以來卸壓放炮成了金剛石行業(yè)提到的最為廣泛的技術(shù)詞語。自上世紀(jì)70年代末期金剛石合成用傳壓介質(zhì)定型為北京門頭溝趙家臺葉蠟石粉壓塊以來，30多年來傳壓介質(zhì)方面的研究工作幾乎停滯不前，雖然也有技術(shù)改良但對傳壓介質(zhì)存在于金剛石制造業(yè)中的核心技術(shù)問題卻研究不夠：什么樣的葉蠟石可以作為傳壓介質(zhì)？傳壓介質(zhì)需具備那些必備的熱學(xué)性能？傳壓介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)？傳壓介質(zhì)（葉蠟石塊）的檢驗方法等等方面的研究工作很少。金剛石合成要求傳壓介質(zhì)（葉蠟石塊）必須做到萬無一失，因為萬有一失的頂錘消耗量就會超越正常的生產(chǎn)定額。在一個沒有標(biāo)準(zhǔn)，沒有檢驗方法的行業(yè)——傳壓介質(zhì)（葉蠟石塊）制造業(yè)上要求傳壓介質(zhì)（葉蠟石塊）必須做到萬無一失實屬天方夜潭。金剛石合成2010乃至2012年大型壓機卸壓放炮成為常態(tài)也是必然結(jié)果。30多年來傳壓介質(zhì)方面的研究工作缺失已經(jīng)成為金剛石行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重大技術(shù)障礙，掃除這一技術(shù)障礙對金剛石行業(yè)的貢獻(xiàn)將等同于上世紀(jì)90年代末期設(shè)備大型化的巨大貢獻(xiàn)。

1 傳壓介質(zhì)所需葉蠟石標(biāo)準(zhǔn)

1.1 傳壓介質(zhì)用葉蠟石組成

北京門頭溝趙家臺葉蠟石自20世紀(jì)70年代末由早期的金剛石行業(yè)專家選定為金剛石合成用傳壓介質(zhì)以來，關(guān)于趙家臺葉蠟石的具體分析報告在70年代乃至2006年的文獻(xiàn)中都能詳細(xì)查閱到：化學(xué)組成以化學(xué)成分分析檢測為主。而表1，是目前行業(yè)內(nèi)正在使用的各家傳壓介質(zhì)（葉蠟石塊）制造商的材料分析，從化學(xué)成分分析檢測報告上看與北京門頭溝趙家臺葉蠟石均具有可比性，特別是在燒失、氧化鋁、氧化硅以及鈣、鎂、鉀、鈉等方面差距不大。

表1 各地葉蠟石礦石材料化學(xué)成分分析檢測報告（%）Table 1 Analysis and testing report of chemical compositions of pyrophyllite in various places（%）

從大量的葉蠟石化學(xué)成分分析檢測報告來看，用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石燒失應(yīng)控制在5.5%～7.5%之間，氧化鋁應(yīng)控制在27%～35%之間，氧化硅應(yīng)控制在47%～65%之間，其它氧化物盡量不超過3%。但總的來說化學(xué)成分并不代表葉蠟石能不能用作傳壓介質(zhì)，葉蠟石的礦物學(xué)組成相對葉蠟石化學(xué)成分來說尤為重要，表2是目前行業(yè)內(nèi)正在使用的傳壓介質(zhì)（葉蠟石塊）的礦物學(xué)組成分析，從中可以看出用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石的相對優(yōu)劣（主要指標(biāo)）。結(jié)合高壓合成實驗以及文獻(xiàn)資料綜合分析，相對優(yōu)良的適合大腔體高壓合成的葉蠟石原礦石的礦物學(xué)組成標(biāo)準(zhǔn)擬定為表3。用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石原礦石的礦物學(xué)組成范圍標(biāo)準(zhǔn)，其中最最重要的是葉蠟石礦物相本身占比范圍為45%～80%，低于45%或者高于80%均不適合用作大腔體高壓合成的傳壓介質(zhì)；其次是原礦石的石英含量范圍以及非晶相物質(zhì)含量占比。當(dāng)上述三項礦物相均符合表3擬定的礦物學(xué)范圍標(biāo)準(zhǔn)時，葉蠟石原礦石才可作為大腔體高壓合成傳壓介質(zhì)的備選材料。當(dāng)然，能否最終用作大腔體高壓合成的傳壓介質(zhì)，葉蠟石原礦石的熱學(xué)性能仍需滿足傳壓介質(zhì)對葉蠟石原礦的熱學(xué)性能要求。

表2 目前行業(yè)內(nèi)正在使用的部分傳壓介質(zhì)（葉蠟石塊）的礦物學(xué)組成分析匯總（%）Table 2 Summary of composition analysis on mineralogy of some pressure medium（pyrophyllite blocks）currently used in the industry

表3 用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石原礦石的礦物學(xué)組成范圍標(biāo)準(zhǔn)（%）Table 3 Standard of mineralogy composition range of pyrophyllite crude ores as pressure medium

1.2 傳壓介質(zhì)熱學(xué)性能指標(biāo)

當(dāng)用白云石襯管加葉蠟石外殼作為高壓合成的傳壓介質(zhì)時，葉蠟石原礦石的作用主要是傳壓及密封，當(dāng)然也有隔熱絕緣作用。白云石襯的主要作用是隔熱及部分分解后形成內(nèi)增壓，當(dāng)然也有傳壓。在高壓合成的各個階段，內(nèi)外壓需達(dá)到平衡，一旦失衡高壓放炮就不可避免。葉蠟石原礦石的傳壓及密封力取決于葉蠟石原礦石的礦物學(xué)組成及其物理性能。高壓合成是一個內(nèi)增壓從無到有再逐漸減小的過程，突然的內(nèi)增壓激增或密封力迅速下降都會造成高壓放炮，內(nèi)增壓從無到有再逐漸減小但回不到起點，原因是分解的白云石不可能逆轉(zhuǎn)，大量的二氧化碳壓縮氣體形成內(nèi)增壓，壓縮氣體的能量雖然隨溫度的降低而減小但外爆能量一直存在，升壓、保壓、缷壓無論哪個階段只要內(nèi)外壓不平衡都會放炮。葉蠟石原礦石在作為傳壓介質(zhì)時形成的密封邊的密封力不但要大到足以抵消高壓合成時內(nèi)增壓的從無到有，而且當(dāng)缷壓時傳壓介質(zhì)所形成的密封邊還必須要有足夠的彈力用于抵消外力減小。用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石原礦石如果沒有足夠的“壓縮彈性”，卸壓放炮就會經(jīng)常發(fā)生。那么葉蠟石原礦石的哪些物理性能與足夠的“壓縮彈性”有關(guān)？首先是葉蠟石原礦石的壓縮回彈變量，大的壓縮回彈變量是足夠的“壓縮彈性”的前提條件，此乃“壓縮彈性”之根；其次是相變起始點，太低的礦石相變起始點肯定沒有足夠的高溫合成所需的“壓縮彈性”，葉蠟石原礦石的相變起始點必須高于560℃，原因是高壓合成時用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石局部受熱已達(dá)500℃以上，特別是大腔體，葉蠟石局部受熱及高于500℃以上的區(qū)域加大而且頂錘溫度明顯高于相對小腔體；再次是葉蠟石原礦石的熱膨脹情況，用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石原礦石應(yīng)該具有熱脹快冷縮慢的特殊性能。

在尋找大腔體高壓合成用傳壓介質(zhì)所需的葉蠟石礦石的過程中，對多種葉蠟石礦石進(jìn)行了壓縮回彈變量、相變情況及熱膨脹情況分析，也試圖分析葉蠟石礦石的“壓縮彈性”，力圖尋找到具有足夠壓縮回彈變量、較高相變起始點、熱脹快冷縮慢的特殊性能的葉蠟石原礦石，從而找到大腔體高壓合成傳壓介質(zhì)所需的葉蠟石原礦石。在此過程中也做了多次臨界卸壓放炮試驗，以測定大腔體高壓卸壓放炮之葉蠟石原礦石所需的“壓縮彈性”極限值。表4是我們近期做的部分葉蠟石材料原礦石及不同廠家葉蠟石塊的熱學(xué)性能測試，溫度范圍是從室溫到1000℃，線熱膨脹系數(shù)（×10－6）。檢驗設(shè)備：綜合熱分析儀；設(shè)備型號：DIL402EP；設(shè)備廠家：德國耐馳儀器設(shè)備有限公司檢測條件：升溫速度，10℃∕分鐘。

表4 部分葉蠟石原礦石及不同廠家葉蠟石塊的熱學(xué)性能測試Table 4 Thermal performance test on some pyrophyllite crude ores and pyrophyllite blocks from different manufacturers

線熱膨脹系數(shù)（×10－6／℃）太低時，用作大腔體傳壓介質(zhì)的葉蠟石塊進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，極限值在（0℃～500℃）5.50×10－6／℃；具有太高的線熱膨脹系數(shù)的葉蠟石原礦石也不適合作為傳壓介質(zhì)的主材料，極限值應(yīng)該在（0℃～500℃）7.50×10－6／℃；上限的確定仍需更多的高壓合成實驗數(shù)據(jù)。

1.3 制造工藝

滿足傳壓介質(zhì)基本要求的葉蠟石原礦石經(jīng)表面清洗后晾干，經(jīng)鄂式破碎至20mm；錘破至7～8mm；對輥破碎至2mm以細(xì)。篩分成粗、中、細(xì)三種粒度；粗粒1～2 mm；中粒0.5～1mm；細(xì)粒0.5mm以細(xì)；粗、中粒按1∶1混合均勻，加水玻璃；加水玻璃應(yīng)均勻慢速，再次混合半小時后加30%細(xì)粒度葉蠟石原礦石粉，再次混合一小時；取出混合均勻的物料過篩后放置到適當(dāng)容器內(nèi)存放12小時以上；壓制前再次混合一小時（用不同的混料機），過篩后涼置2～3小時使用。水玻璃比例6%～7%較適宜。

壓制好的復(fù)合葉蠟石快經(jīng)整形至合適尺寸后進(jìn)爐第一次焙燒，第一次焙燒的目的是分解水玻璃及脫水，分解水玻璃及脫水如同粉末冶金技術(shù)中的脫膠，粉末冶金技術(shù)中的脫膠有以下三個要素：

（1）風(fēng)道設(shè)計，風(fēng)道必須均勻，針對每一件產(chǎn)品盡量做到均勻風(fēng)；此乃第一要素。

（2）脫膠時間，足夠的脫膠時間才能保證產(chǎn)品從內(nèi)到外一次脫膠干凈，此乃第二要素。

（3）脫膠溫度，脫膠溫度與脫膠時間關(guān)系密切，溫度高時間短，但過高溫度有可能外熟里生，不利于完全分解水玻璃及脫水，此乃第三要素。

傳壓介質(zhì)上壓機前要進(jìn)行二次焙燒，二次焙燒的目的是調(diào)整復(fù)合葉蠟石快的硬度及傳壓性，廠家不同工藝各異。

1.4 傳壓介質(zhì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

綜合以上分析數(shù)據(jù)及大量的實驗結(jié)果，韶關(guān)賽普超硬材料科技有限公司就有關(guān)大腔體金剛石合成用傳壓介質(zhì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)概括如下：

用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石原礦石需滿足如下技術(shù)條件：

（A）化學(xué)組成；

燒失5.5%～7.5%之間，氧化鋁27%～35%之間，氧化硅47%～65%之間，其它氧化物均不超過3%。

（B）礦物組成；見表5

表5 用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石原礦石的礦物學(xué)組成范圍（%）Table 5 Mineralogy composition range of pyrophyllite crude ores as pressure medium

（C）線熱膨脹系數(shù)（×10－6／℃）

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

（D）葉蠟石原礦石的壓縮回彈變量（線性，加壓15MPa）回彈變量大于1.5%；

（E）葉蠟石原礦石的相變起始點高于560℃

用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石復(fù)合塊需滿足如下技術(shù)條件：

（A）尺寸偏差

用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石復(fù)合塊的外形尺寸及內(nèi)孔尺寸都十分重要，同一規(guī)格同一批次的復(fù)合塊的外形尺寸及內(nèi)孔尺寸需保持一致，要求：同一規(guī)格同一批次各尺寸控制在0.1mm之內(nèi)；同一規(guī)格不同批次各尺寸控制在0.3mm之內(nèi)；葉蠟石復(fù)合塊的外形尺寸對壓機的調(diào)整對中精度有較大影響，內(nèi)孔尺寸對工藝控制精度有影響。

（B）重量偏差

同一規(guī)格同一批次的復(fù)合塊的重量應(yīng)控制在1.0%之內(nèi)，例如總重400克的葉蠟石復(fù)合塊重量偏差應(yīng)控制在4克之內(nèi)；同一規(guī)格不同批次的復(fù)合塊的重量應(yīng)控制在2.0%之內(nèi)，例如總重400克的葉蠟石復(fù)合塊重量偏差應(yīng)控制在8克之內(nèi)。

（C）0℃～500℃彈性變形量

用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石復(fù)合塊0℃～500℃彈性變形量大小對高壓合成的穩(wěn)定性有很大影響，如果500℃葉蠟石復(fù)合塊失去“溫度彈性變形”，傳壓介質(zhì)就失去加熱后的高壓密封性，卸壓放炮就不可避免，如果葉蠟石復(fù)合塊0℃～500℃彈性變形量太大或者太小，傳壓介質(zhì)的高壓密封性能就不好確定，理想的0℃～500℃線彈性變形量大小范圍是0.85%～1.25%。

（D）1050℃失重

用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石原石燒失應(yīng)控制在5.5%～7.5%之間（1250℃），葉蠟石復(fù)合塊1050℃失重大小與復(fù)合塊中白云石的用量有關(guān)，傳壓介質(zhì)中的純?nèi)~蠟石層的1050℃失重控制技術(shù)指標(biāo)為：5.5%～6.5%為安全范圍；6.5%～7.2%為臨界范圍；大于7.3%不安全。

（E）標(biāo)準(zhǔn)化制造工藝流程

用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石復(fù)合塊的制作工藝流程雖然簡單但十分關(guān)鍵，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化制造工藝流程本文已詳述，其中包括：選礦；洗礦；破碎；過篩；混料；壓制；整形；焙燒共八個環(huán)節(jié)，其中需要強調(diào)的是混料標(biāo)準(zhǔn)化操作及焙燒的三個要素，只有經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化制造工藝流程生產(chǎn)的葉蠟石復(fù)合塊才能用作傳壓介質(zhì)。

2 卸壓放炮分類

總結(jié)25年來的高壓合成工作，有關(guān)卸壓放炮的發(fā)生情形大至可分為如下十種類型，其中的大部分卸壓放炮是我們一線高壓合成時直接碰到的，少部分來源于行業(yè)技術(shù)交流。

（1）實心塊不加熱，加壓高于50MPa后卸壓放氣炮；

（2）預(yù)熱塊加熱后停熱24小時后卸壓放氣炮；

（3）冷錘、熱塊正常高壓合成后卸壓放氣炮；

（4）熱錘、冷塊正常高壓合成后卸壓放氣炮；

（5）Φ60腔體加熱合成完工后，停熱10秒沒有缷壓直接放氣炮；

（6）Φ60腔體加熱合成完工后，停熱15分鐘后卸壓仍然放氣炮；

（7）正常工作狀態(tài)的壓機，用新料塊實驗，前兩班正常，第三班開始卸壓放氣炮；

（8）正常工作狀態(tài)的壓機，用冷塊實驗，前十快正常，后開始卸壓放氣炮；

（9）高轉(zhuǎn)化率時容易卸壓放氣炮；

（10）大腔體比小腔體容易卸壓放氣炮。

3 卸壓放炮內(nèi)因

針對上述十種類型的卸壓放炮，我們逐一進(jìn)行技術(shù)分析，目的是找出其內(nèi)在原因及規(guī)律，卸壓放炮不同于超壓階段及保壓階段高壓放炮，高壓放炮除去特殊原因后均與葉蠟石密封不佳有關(guān)系，而卸壓放炮原因特殊，畢竟已完成超壓階段及保壓階段的艱巨密封任務(wù)，找出共性即可找到解決方案。十種類型的卸壓放炮內(nèi)因剖析如下：

（1）所用的實心塊彈性變形量小，回彈能力差，缷壓時密封力迅速下降，當(dāng)原有加載力減弱（缷壓）時，密封力下降速度大于加載力減弱，失衡后放炮。

（2）預(yù)熱塊加熱后，經(jīng)24小時已徹底冷卻，由葉蠟石所形成的密封邊回彈能力下降，當(dāng)原有加載力減弱（缷壓）時，密封力下降速度大于加載力減弱，失衡后放炮。若沒有經(jīng)24小時徹底冷卻，密封邊回彈能力仍可與加載力減弱相抗衡，不會卸壓放炮，可見葉蠟石所形成的密封邊回彈能力與頂錘表面溫度有關(guān)。

（3）合成后頂錘溫度低，導(dǎo)致葉蠟石表面溫度低，密封邊回彈能力下降，當(dāng)原有加載力減弱（缷壓）后，密封邊回彈量不足，密封邊回彈能力與溫度成正比。

（4）低溫的葉蠟石吸走頂錘表面熱能，密封邊溫度降低，回彈能力下降，當(dāng)原有加載力減弱（缷壓）時，密封力下降速度大于加載力減弱，失衡后放炮。同樣，密封邊回彈能力與溫度成正比。

（5）停熱導(dǎo)致合成快整體溫度下降，葉蠟石塊收縮，快速失去回彈能力，密封邊回彈能力與溫度關(guān)系密切，已接近臨界狀態(tài)，此時，只有有效增加密封邊回彈能力才有可能減壓，提高密封邊回彈能力的方法是要么換葉蠟石原礦石；要么提高減壓時密封邊的溫度。

（6）葉蠟石表面溫度低，回彈能力弱，不利于原有加載力減弱（缷壓），停熱導(dǎo)致合成快整體溫度下降，腔體內(nèi)壓縮氣體壓力降低沖力減弱，同時密封邊回彈能力減弱導(dǎo)致密封力減弱，其速率大于壓縮氣體壓力降低沖力減弱速率，當(dāng)原有加載力減弱（缷壓）時，失衡后放炮。

（7）合成后頂錘溫度逐漸降低，由葉蠟石所形成的密封邊溫度下降，回彈能力減弱，逐漸降到失衡后放炮。

（8）條件相對7更極端，由葉蠟石所形成的密封邊溫度下降，回彈能力減弱更快，缷壓放氣炮來得更早。

（9）從原理上講，只有大幅度增加合成壓力才能提高轉(zhuǎn)化率，大幅度增加合成壓力就提高了對用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石復(fù)合塊的回彈能力的要求，低轉(zhuǎn)化率時能用的葉蠟石逐漸轉(zhuǎn)化為不可用，解決方法要么是換葉蠟石原礦石，要么是提高減壓時密封邊的溫度。

（10）相對于Φ40以下的小腔體，大腔體金剛石合成時，六只頂錘及12條密封邊所形成的高壓高溫區(qū)域加大，理論上說高壓高溫區(qū)域加大后，外圍條件變數(shù)加大，提高了對用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石復(fù)合塊的質(zhì)量要求，等同于提高轉(zhuǎn)化率，回到問題9。

綜上所述，用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石復(fù)合塊的回彈能力是缷壓時密封力大小的內(nèi)在決定因素，回彈能力不足足以造成卸壓放炮。另外，葉蠟石復(fù)合塊的回彈能力與密封邊溫度高低關(guān)系密切，解決卸壓放炮的方法是要么更換葉蠟石原礦石，提高葉蠟石復(fù)合塊的回彈能力；要么提高減壓時密封邊的溫度，盡量不降低葉蠟石復(fù)合塊原有的回彈能力。

4 結(jié)論

根據(jù)文獻(xiàn)資料、材料成分及性能分析報告、實驗數(shù)據(jù)、理論分析結(jié)果、高壓合成實驗結(jié)果等綜合分析，金剛石合成2010乃至2012年大型壓機卸壓放炮成為常態(tài)的內(nèi)在原因是：2010年以來，因北京門頭溝趙家臺葉蠟石材料趨于緊張，葉蠟石材料自身性能變差，金剛石合成用大型壓機自2010年以來又新增兩千余臺且大型壓機配套技術(shù)以Φ45合成柱以上腔體為主，無論從葉蠟石材料的用量上或是對葉蠟石材料質(zhì)量要求上都有了很大提升，一方面性能變差，一方面質(zhì)量要求提高，用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石復(fù)合塊的安全回旋余地大幅度的減小。為解決上述矛盾，韶關(guān)賽普超硬材料科技有限公司就有關(guān)大腔體金剛石合成專用傳壓介質(zhì)所需用葉蠟石原礦石、葉蠟石復(fù)合塊等方面做了大量的研究、實驗、分析工作，創(chuàng)新性的提出了用作傳壓介質(zhì)的葉蠟石復(fù)合塊的回彈能力是缷壓時密封力大小的內(nèi)在決定因素，回彈能力不足是造成卸壓放炮的主要原因。另外同時也指出：葉蠟石復(fù)合塊的回彈能力與密封邊溫度高低關(guān)系密切，回彈能力與密封邊溫度成正比。并在國內(nèi)乃至國際上首次制定了“傳壓介質(zhì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”，對傳壓介質(zhì)用葉蠟石原礦石首次提出了具體的數(shù)字化的明確要求，有關(guān)葉蠟石復(fù)合塊也有了第一個企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。傳壓介質(zhì)（葉蠟石塊）制造要求傳壓介質(zhì)（葉蠟石塊）作到萬無一失不再是天方夜潭，用標(biāo)準(zhǔn)化的傳壓介質(zhì)（葉蠟石塊）制造方法控制缷壓放炮已經(jīng)成為現(xiàn)實。新的質(zhì)量更加穩(wěn)定的更適合大腔體金剛石合成用傳壓介質(zhì)所需的葉蠟石原礦石在數(shù)字化的明確的“傳壓介質(zhì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”的要求指導(dǎo)下，必將迅速進(jìn)入超硬材料行業(yè)。