刘建勋;崔瀛;杨剑平;吴智深
【摘 要】Six kinds of basalt ores taken from different areas were selected, and the composition and the lithofacies and mineral pha-ses before and after melting were analyzed respectively to reveal the influence on the high temperature melting of ore. The results showed that SiO2 is the main component in the basalts, and determined the physical and chemical properties of basalts.Natural basalt ores are mixtures of various crystal minerals.The crystals were transformed into amorphous glass after melting at 1500℃.It is found that the components of basalts is crucial in governing the melting at high temperature, and the mineral phase can also have certain effect.An interactive effect is expected for the high temperature melting from individual mineral.%选取不同地区的6种玄武岩矿石作为原料,分别对其组分及熔融前后的岩相、矿物相进行分析,并研究组分、矿物相对矿石高温熔融的影响.结果表明:玄武岩的主要组分为SiO2,含量最高,对玄武岩的物理化学性质有较大的影响.天然玄武岩矿石为各矿物相混合晶体,经1500℃高温熔融后晶体消失,转化为非 晶体玻璃态.在玄武岩高温熔融的影响因素中,各组分及含量是主要因素,矿物相是次要因素,各矿物相对其高温熔融过程有交互影响.
【期刊名称】《燕山大学学报》
【年(卷),期】2017(041)004
【总页数】6页(P323-328)
【关键词】玄武岩;组分;矿物相;岩相;高温熔融
【作 者】刘建勋;崔瀛;杨剑平;吴智深
【作者单位】东南大学 玄武岩纤维生产及应用技术国家地方联合工程研究中心,江苏 南京 210018;东南大学 玄武岩纤维生产及应用技术国家地方联合工程研究中心,江苏 南京 210018;东南大学 玄武岩纤维生产及应用技术国家地方联合工程研究中心,江苏 南京 210018;东南大学 玄武岩纤维生产及应用技术国家地方联合工程研究中心,江苏 南京 210018
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ343
连续玄武岩纤维(Continuous Basalt Fibre)是新兴的无机硅酸盐类绿环保的高性能纤维材料，是以天然玄武岩矿石作为原料，在1 500 ℃左右高温熔融后经铂铑漏板成型而得到的纤维，其生产过程废弃物极少，属绿生产工艺，符合国家产业政策要求[1]。玄武岩纤维具有抗拉强度高、弹模高、耐高温、耐侵蚀、绝热隔音等优异物理化学性能，可广泛用于航天航空、石油化工、土建交通、海洋工程等领域[2-5]，市场前景巨大。目前我国在玄武岩纤维研发、生产、应用领域取得较大进步，申请专利数量排名世界第一，但高质量的发明专利数量略逊于俄罗斯，位居第二[6]。
连续玄武岩纤维生产工艺的难易程度、纤维质量的控制在很大程度上取决于玄武岩矿石物化特性、熔融特性等因素[7-8]。国内学者[9-11]研究了辽宁建平、阜新、吉林敦化等处玄武岩原料的结晶性能、温度-粘度关系，论证了玄武岩纤维拉丝是完全可行的。根据成分决定结构、结构决定性能的原理，玻璃薄膜、金属玻璃等的性能都依赖成分及含量[12-14]。本文在前人研究基础上，对玄武岩矿石进行组分、岩相、矿物相和高温熔融特性研究，为制 备玄武岩纤维的原料选择提供参考。
1.1 玄武岩矿石的选取及熔融
在大量玄武岩矿石样品中，选取不同地区的有代表性的6种玄武岩矿石，清洗、干燥、待用。同时，取相应矿石各500 g，分别置于铂铑坩埚内，在1 510±10 ℃温度范围内，熔制24 h，得到澄清、均化的玄武岩玻璃体，再流放到耐热钢板上，冷却、退火，得到相应的玄武岩玻璃块。
1.2 样品的性能测试
将6种玄武岩矿石样品粉碎、烘干，过200目筛子得到相应的玄武岩矿石粉末，参照国家标准GB/T 1549—2008进行化学组分及含量的全分析测定。
岩相、矿物相测试：将玄武岩矿石及其熔融后的玻璃块分别进行打磨，制成0.03 mm的薄片后，采用ZEISS型偏光显微镜进行偏光测试。采用TIR-Ⅲ型X射线粉末衍射仪(XRD)对玄武岩矿石及其熔化后玻璃的矿物相进行表征，X射线源(Cu Kα，电压为40 kV、电流为200 mA)，扫描速度为8°/min，扫描范围为10°～70°。
高温熔融性能进行测试：取玄武岩样品约0.15 g置于玛瑙研钵中，研磨后过200目筛，用磨具将粉末样品压制成Ф5×5 mm的圆柱体，圆柱放在刚玉基片中央，小心移至于OCA20LHT型高温接触角测量仪热电偶的正上方，按设定的程序进行升温，测试其高温熔融温度。
2.1 玄武岩矿石的组分分析
57cao根据“成分决定结构、结构决定性能”的原理，任何物质性能的多样性都是成分与结构的外在表现。为研究玄武岩高温熔融过程的变化规律，首先需要研究清楚矿石的化学组成及含量。按国标方法对6种玄武岩矿石进行了化学组分分析，测试结果见表1。
由表1测试结果可知，玄武岩矿石的主要化学成分是SiO2、Al2O3、MgO、CaO、Fe2O3、FeO、TiO2、Na2O、K2O，亦有少量的MnO、P2O5、Cr2O3、ZrO2、CO2等，由于这些组分含量较少，因此没有列入表格中。主要组分中，SiO2的含量最高，是火成岩中最重要的一种氧化物，对岩浆及火成岩的物理化学性质及矿物组成的影响最大，因此被用来作为划分火成岩酸性、基性程度的参数。SiO2>66%(质量分数，后同)者，称为酸性岩；SiO2=53%～66%者，称为中性岩；SiO2=45%～53%者，称为基性岩；SiO2<45%者，称为超基性岩[15]。按此可将文中6种矿石进行分类，57#矿石为酸性岩；1#、30#矿石
为中性岩；32#、85#矿石为基性岩；14#矿石为超基性岩。
各种组分对矿石的熔化、耐酸碱侵蚀、耐高温以及玻璃体的强度、弹模等理化性能有较大影响。本文仅讨论对矿石熔融过程的影响。
2.2 岩相分析
玄武岩矿石为天然的火成岩，根据岩石的研究方法，对6种矿石进行偏光显微测试，并进行岩相分析。各样品岩相图片如图1所示。由图1可以看出，不同玄武岩矿石的岩相也是不尽相同的，这是由于各个地区的玄武岩矿石化学组分含量不同以及火山喷发后岩浆冷却经历及地质作用不同所导致。各玄武岩矿石的主要矿物列于表2。
由表2可以看出，玄武岩的主要矿物组成中都有斜长石，其次是辉石、角闪石与石英。
为判断1 500 ℃熔融后的玻璃体中是否还存在未熔化的晶体颗粒，本文对熔化后的玻璃进行了同样的岩相观察分析，结果见图2。
由图2可以看出，玄武岩矿石熔化得到的玄武岩玻璃，含有细小气泡，旋转物台无消光现象，
说明其中没有晶体物质。证明熔融后的玄武岩玻璃中除了细小的气泡已无任何晶相存在。这也能确保连续玄武岩纤维生产时不会出现因矿石未完全熔融含有残留晶相而导致的断丝等现象，为玄武岩纤维的拉丝生产起到安全的保障。
2.3 矿物相分析
通过偏光显微镜只能粗略地观察到玄武岩矿石的大概岩相情况，而不能系统具体地分析玄武岩矿石的矿物组成，为此通过XRD粉末衍射仪对玄武岩矿石粉末及其熔化后的玻璃粉末进行矿物相分析，同时鉴别熔化后是否有晶体存在，衍射曲线分别见图3、图4。
结合玄武岩矿石化学组分分析、岩相分析结果，再加上图3的矿物相分析，综合可知：1#、30#和57#玄武岩矿石均属于中性岩，主要由中性斜长石和角闪石组成，有时含少量石英组成；32#和85#
玄武岩矿石属于基性岩，主要由辉石和基性斜长石组成；14#玄武岩矿石属于超基性岩，主要由橄榄石、辉石，以及它们的蚀变产物，如蛇纹石、滑石、绿泥石等组成，以不含石英为特征。对此，结合表2可以得出结论，中性岩一般含有钠长石、拉长石、中长石、石英和
少量的绿泥石、赤铁矿和堇青石。基性岩一般含有霞石、中长石和透辉石。超基性岩一般含有霞石和透辉石。
图4 的XRD图谱显示，高温熔融后的玄武岩玻璃样品已无衍射峰，证明已无晶体存在，说明玄武岩矿石经过1 500 ℃熔融后形成了玻璃体，这个结果与岩相分析的结果一致。
2.4 玄武岩矿石的高温熔融性能分析
2.4.1 初始液相温度和熔融温度的分析
玄武岩矿石作为玄武岩纤维的生产原料，不同的组分含量及不同的矿物相岩相对其高温熔化过程有着不同程度的影响。本文采用高温接触角仪研究了6种玄武岩矿石在高温熔化过程，如图5所示，各图分别代表含义：1)待测样品的初始状态；2)加热到一定温度，圆柱的棱角开始熔融变圆，是初始液相温度点即变形点；3)样品继续熔化，液相表面张力使之收缩为球形，是球点即软化点；4)液相持续增加，球体下坍成半球体，此时样品完全熔化，是半球点即熔融温度；5)继续下坍达到基本铺平基片，是流动点。
玄武岩熔化过程与此类似，不同样品的各温度点不同，将测试得到的初始液相温度、软化
温度、熔融温度记录于表3，并按熔融温度降序排列。
由表3可以看出熔融温度由高到底的顺序为57#>30#>1#>85#>32#>14#。玄武岩矿石的初始液相温度和熔融温度大致是按照酸性、中性、基性、超基性的顺序降低的。从化学组分上分析，SiO2是网络形成体，其含量越高，硅氧四面体网络连接程度越紧密，熔融温度越高。Na+、K+和Mg2+、Ca2+起断网作用，降低熔融温度。6个样品中57#的SiO2含量最高，其网络结构最紧密，因此初始液相温度和熔融温度最高。总体看来，当SiO2含量减少，MgO和CaO含量增加，熔融温度会变得相对较低。再计算ω(SiO2+Al2O3)/ω(CaO+MgO)与ω(SiO2+Al2O3)/ω(CaO+MgO+K2O+Na2O)的比例，计算数值列于表4，同时按熔融温度降序排列。得出规律大致为：SiO2与Al2O3质量之和越大，玄武岩样品的熔点越高；ω(SiO2+Al2O3)/ω(CaO+MgO+K2O+Na2O)比值越大，玄武岩的熔点越高。
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