六盘水地区玄武岩高温熔体的黏度测定

彭 霞，彭文烽，朱荣海，张 淼，赵 丹

（六盘水师范学院 化学与材料工程学院，贵州六盘水 553000）

1 概述

玄武岩是一种天然火山喷发出的基性喷出岩，它本身也是一种具有优良性能的纯天然无机非金属材料，全世界很多地区都有着非常丰富的玄武岩矿产资源。纯天然的玄武岩矿石在1 450～1 500℃可加热熔融，通过铂铑合金漏板高速拉制等工艺流程，加工制成连续纤维，即玄武岩纤维。玄武岩纤维是一种呈光滑完整圆形截面、具有金色光泽的纤维。它与普通的纤维制品相比，拥有密度大、硬度高、耐磨、耐高温、耐腐蚀、耐挤压等优异性能，是一种21世纪的新型环保材料。通过勘察，贵州省六盘水市境内蕴藏着丰富的玄武岩矿石资源，玄武岩勘查区块有15个，可开采资源在389.40亿t 以上，为六盘水本地矿石生产玄武岩纤维及后续制品提供了原材料保障。

在不同高温熔化温度下，玄武岩高温熔体本身会呈现出不同的黏度。其温度与黏度的对应关系，在实际生产玄武岩纤维的工艺过程中有着重要的参考意义，是研究玄武岩熔化、成型过程工艺中，对应传热和流动数值模拟必不可少的物性参数；黏度的大小也影响着玄武岩纤维生产过程的稳定性和产出产品的品质。同时，玄武岩中不同的化学组分及其含量，对黏度也会产生较大影响。

六盘水地区玄武岩矿产资源丰富，该地区玄武岩化学成分稳定，符合一般工业要求，对六盘水地区玄武岩组分进行配比，并对其高温熔体黏度特性进行调节研究。在实现玄武岩矿粉本地化，解决矿粉紧张问题，降低企业生产运行成本等企业技术难题攻关方面，具有现实指导意义。

因此，本实验拟对六盘水不同地区的玄武岩样品，进行高温黏度测定。

2 黏度值测定原理

测量黏度方式和设备有很多。主要设备有：毛细管式黏度计及落球、拉球黏度计、旋转式黏度计。一般毛细管式黏度计的测量原理，遵守的是 “Poiseuille 定律” 。而用落球式黏度计测量黏度，可根据“斯托克斯公式”计算出黏度。

由于本实验所需温度较高，所用的仪器设备为RTW-10熔体物性测定仪，使用最高温度为1 600℃。测量方法同旋转式黏度计。测试的实验原理同旋转式黏度计，并且利用了“最小二乘法”，使测量方式简化。通过仪器钼测头转动，检测出其角变量的变化，即可得出对应黏度。其中角变量与黏度呈线性关系：

式中：

k 为黏度仪器常数1

b 为黏度仪器常数2

x 为角变量

y 为黏度值

在实验正式开始前，用已知黏度的标准黏度液在RTW-10仪上进行标定，可得出k=272.168，b=463.536 9。确定仪器k、b 值后，通过RTW-10 熔体物性测定仪测量出炉内高温熔体的角变量，根据上述式子中角变量与黏度所呈现的线性关系，以及设备程序可计算出平均黏度值。

3 黏度测试

3.1 实验原材料及设备

3.1.1 原料

①河北蔚县玄武岩；②清镇+腾冲玄武岩（配料比1 ∶1）；③本地玉舍玄武岩；④六枝玄武岩。

不同地区玄武岩组成见表1。

表1 不同地区玄武岩组分质量分数

3.1.2 仪器设备

颚式破碎机、粉碎制样机、标准筛、101型电热鼓风干燥箱、电子秤（测量精度0.01g）、玛瑙研钵、RTW-10型熔体物性测定仪。

3.2 实验测量步骤

3.2.1 破碎

用铁锤将玄武岩矿石敲碎成块状，随后用孔径为6.5mm的标准钢筛进行筛分。将粒度≤6.5mm 的玄武岩倒入颚式破碎机，使其破碎成更小颗粒。

3.2.2 粉碎制样

将破碎后的试样，倒入粉碎制样机中进行粉碎。粉碎制样机工作完成后，取出试样，倒入孔径为200目的标准筛，筛分出直径≤200目的试样，放入鼓风干燥箱内烘干，以备实验使用。

3.2.3 称重装料

用电子天平称取180g 烘干的玄武岩待测试样，分三次加入特制的石墨坩埚内，并压实。装好物料后，将坩埚放入炉体内。

3.2.4 黏度测量

合上室内主电源开关，打开仪器控制电脑，设置温度及对应仪器参数，按下仪器控制柜电源按钮，仪器控制柜上电压、电流表有数值显示，表示炉体开始升温。达到设定炉温后，等待温度平稳后，可操作设备进行测量。

3.2.5 记录实验数据

4 实验数据分析

河北蔚县玄武岩、（1清镇：1腾冲）玄武岩，均是六盘水市石鑫玄武岩科技有限公司实际生产用料，为了便于比较和分析，将这两种玄武岩样作为对比样。而六枝样、本地玉舍样均为六盘水地区的玄武岩。由于玄武岩熔化温度高，依次选取了1 375℃、1 400℃、1 425℃和1 450℃四个温度为测试温度，得到温度-黏度表。

表2 不同地区高温玄武岩熔体的温度-黏度值

通过表2数值，能得到黏度-熔体温度关系曲线，如图1所示。

从图1可知：随着温度的增大，黏度不断减小，斜率均为负值。如河北蔚县，在1 375℃，黏度为22.019Pa·s，1400℃，黏度为12.536Pa·s，1 425 ℃，黏度为8.184Pa·s，1 450 ℃，黏度为5.759Pa·s。如本地玉舍玄武岩试样，在1 375℃，黏度为22.449Pa·s，1 400℃，黏度为15.754Pa·s，1425℃，黏度为22.019Pa·s，1 450℃，黏度值为22.019Pa·s。因此可推断出，随着熔体温度的不断升高，玄武岩高温熔体黏度值会不断变小。产生此种现象的原因是，熔融液体分子间距小，随着温度升高、分子动能增大，促进分子间距增大、分子产生流动，从而使液体动力增加、动力黏度减少。

图1 玄武岩熔体温度-黏度曲线

同时，对比图1中的4条曲线可知，在最低温度1 375℃时，清镇+腾冲（1 ∶1）玄武岩混合料高温熔体黏度最大，为27.070Pa·s；而六枝的黏度是15.623Pa·s，是四个样中黏度最小的。随着熔体温度的升高，各玄武岩熔体的黏度都在变小。在最高温度1 450℃时，本地玉舍玄武岩熔体对应的最大黏度为11.007Pa·s；此时黏度值最小的为4.48Pa·s，是本地六枝的玄武岩熔体。总体而言，随着温度的升高，清镇+腾冲的黏度变化最为明显，黏度下降比较快；河北蔚县和本地玉舍各温度点的黏度值在四个样中都较为居中，变化趋势较为平稳；而六枝玄武岩熔体黏度随温度变化，虽然也是较为平稳的，但它各温度点的黏度，在四个样中却全是最小的，因此，六枝样的黏度偏小。

5 结束语

1）实验测量结果表明，玄武岩在高温完全熔化呈熔融状态后，随温度的不断升高，黏度会不断变小。实验结果表明，高温熔融玄武岩-黏度与对应熔化温度呈反比关系。为玄武岩的实际拉丝生产、降低漏板等提供实验数据支持。

2）各地区玄武岩黏度有一定的差别，这是因为各个地区玄武岩化学元素及化学组分含量的不同引起的。

3）高温熔体黏度究其本质而言，是熔体内部质点相互作用的一种现象。玄武岩熔体随温度升高，分子动能也随之提高，分子间的流动性变得更好。因此，玄武岩熔体的黏度会随温度的不断升高而逐渐降低。

4）六盘水地区有丰富的玄武岩矿石资源，但由于不同区域矿石化学成分波动大、组分铁含量高，致使矿石本地化较难实现。本实验所得黏度-温度数据，可为六盘水玄武岩矿石本地化提供了实验数据支持。