六盤水地區玄武巖高溫熔體的黏度測定

彭 霞，彭文烽，朱榮海，張 淼，趙 丹

（六盤水師范學院 化學與材料工程學院，貴州六盤水 553000）

1 概述

玄武巖是一種天然火山噴發出的基性噴出巖，它本身也是一種具有優良性能的純天然無機非金屬材料，全世界很多地區都有著非常豐富的玄武巖礦產資源。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、耐擠壓等優異性能，是一種21世紀的新型環保材料。通過勘察，貴州省六盤水市境內蘊藏著豐富的玄武巖礦石資源，玄武巖勘查區塊有15個，可開采資源在389.40億t 以上，為六盤水本地礦石生產玄武巖纖維及后續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呈現出不同的黏度。其溫度與黏度的對應關系，在實際生產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，對應傳熱和流動數值模擬必不可少的物性參數；黏度的大小也影響著玄武巖纖維生產過程的穩定性和產出產品的品質。同時，玄武巖中不同的化學組分及其含量，對黏度也會產生較大影響。

六盤水地區玄武巖礦產資源豐富，該地區玄武巖化學成分穩定，符合一般工業要求，對六盤水地區玄武巖組分進行配比，并對其高溫熔體黏度特性進行調節研究。在實現玄武巖礦粉本地化，解決礦粉緊張問題，降低企業生產運行成本等企業技術難題攻關方面，具有現實指導意義。

因此，本實驗擬對六盤水不同地區的玄武巖樣品，進行高溫黏度測定。

2 黏度值測定原理

測量黏度方式和設備有很多。主要設備有：毛細管式黏度計及落球、拉球黏度計、旋轉式黏度計。一般毛細管式黏度計的測量原理，遵守的是 “Poiseuille 定律” 。而用落球式黏度計測量黏度，可根據“斯托克斯公式”計算出黏度。

由于本實驗所需溫度較高，所用的儀器設備為RTW-10熔體物性測定儀，使用最高溫度為1 600℃。測量方法同旋轉式黏度計。測試的實驗原理同旋轉式黏度計，并且利用了“最小二乘法”，使測量方式簡化。通過儀器鉬測頭轉動，檢測出其角變量的變化，即可得出對應黏度。其中角變量與黏度呈線性關系：

式中：

k 為黏度儀器常數1

b 為黏度儀器常數2

x 為角變量

y 為黏度值

在實驗正式開始前，用已知黏度的標準黏度液在RTW-10儀上進行標定，可得出k=272.168，b=463.536 9。確定儀器k、b 值后，通過RTW-10 熔體物性測定儀測量出爐內高溫熔體的角變量，根據上述式子中角變量與黏度所呈現的線性關系，以及設備程序可計算出平均黏度值。

3 黏度測試

3.1 實驗原材料及設備

3.1.1 原料

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

不同地區玄武巖組成見表1。

表1 不同地區玄武巖組分質量分數

3.1.2 儀器設備

顎式破碎機、粉碎制樣機、標準篩、101型電熱鼓風干燥箱、電子秤（測量精度0.01g）、瑪瑙研缽、RTW-10型熔體物性測定儀。

3.2 實驗測量步驟

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的標準鋼篩進行篩分。將粒度≤6.5mm 的玄武巖倒入顎式破碎機，使其破碎成更小顆粒。

3.2.2 粉碎制樣

將破碎后的試樣，倒入粉碎制樣機中進行粉碎。粉碎制樣機工作完成后，取出試樣，倒入孔徑為200目的標準篩，篩分出直徑≤200目的試樣，放入鼓風干燥箱內烘干，以備實驗使用。

3.2.3 稱重裝料

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

3.2.4 黏度測量

合上室內主電源開關，打開儀器控制電腦，設置溫度及對應儀器參數，按下儀器控制柜電源按鈕，儀器控制柜上電壓、電流表有數值顯示，表示爐體開始升溫。達到設定爐溫后，等待溫度平穩后，可操作設備進行測量。

3.2.5 記錄實驗數據

4 實驗數據分析

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

表2 不同地區高溫玄武巖熔體的溫度-黏度值

通過表2數值，能得到黏度-熔體溫度關系曲線，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不斷變小。產生此種現象的原因是，熔融液體分子間距小，隨著溫度升高、分子動能增大，促進分子間距增大、分子產生流動，從而使液體動力增加、動力黏度減少。

圖1 玄武巖熔體溫度-黏度曲線

同時，對比圖1中的4條曲線可知，在最低溫度1 375℃時，清鎮+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，本地玉舍玄武巖熔體對應的最大黏度為11.007Pa·s；此時黏度值最小的為4.48Pa·s，是本地六枝的玄武巖熔體。總體而言，隨著溫度的升高，清鎮+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的黏度值在四個樣中都較為居中，變化趨勢較為平穩；而六枝玄武巖熔體黏度隨溫度變化，雖然也是較為平穩的，但它各溫度點的黏度，在四個樣中卻全是最小的，因此，六枝樣的黏度偏小。

5 結束語

1）實驗測量結果表明，玄武巖在高溫完全熔化呈熔融狀態后，隨溫度的不斷升高，黏度會不斷變小。實驗結果表明，高溫熔融玄武巖-黏度與對應熔化溫度呈反比關系。為玄武巖的實際拉絲生產、降低漏板等提供實驗數據支持。

2）各地區玄武巖黏度有一定的差別，這是因為各個地區玄武巖化學元素及化學組分含量的不同引起的。

3）高溫熔體黏度究其本質而言，是熔體內部質點相互作用的一種現象。玄武巖熔體隨溫度升高，分子動能也隨之提高，分子間的流動性變得更好。因此，玄武巖熔體的黏度會隨溫度的不斷升高而逐漸降低。

4）六盤水地區有豐富的玄武巖礦石資源，但由于不同區域礦石化學成分波動大、組分鐵含量高，致使礦石本地化較難實現。本實驗所得黏度-溫度數據，可為六盤水玄武巖礦石本地化提供了實驗數據支持。