CN114213027A

CN114213027A - 一种预测多种玄武岩体系析晶温度上限和拉丝温度的方法

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Publication number: CN114213027A
Application number: CN202210036965.0A
Authority: CN
Inventors: 孟勇; 梁文; 柳凯翔
Original assignee: Guizhou Minzu University
Current assignee: Guizhou Minzu University
Priority date: 2022-01-13
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2042-01-13
Also published as: CN114213027B

Abstract

本发明一种预测多种玄武岩体系析晶温度上限和拉丝温度的方法，提供了一种只需建立玄武岩原料库中所有原料端元的析晶温度上限和拉丝温度数据库，后续任一玄武岩组合配方的析晶温度上限和拉丝温度就可通过预测模型计算的方法，有助于解决多种玄武岩组合配方发生变化时，配方熔体的析晶温度上限和拉丝温度需要重复测试，费时费力的缺点，以及拉丝温度析晶温度上限常常存在错配的问题，进而降低断丝率，提高纤维力学强度。

Description

一种预测多种玄武岩体系析晶温度上限和拉丝温度的方法

技术领域

本发明涉及连续玄武岩纤维生产制备关键技术领域，具体涉及一种预测多种玄武岩体系析晶温度上限和拉丝温度的方法。

背景技术

连续玄武岩纤维的生产强烈地依赖于原料的化学成分、酸度、粘度、拉丝温度和析晶温度上限等技术参数。然而，这些参数通常互相制约，难以满足其严格的范围要求，容易顾此失彼，导致适合生产连续玄武岩纤维的单一矿石资源极其稀少。未解决这一问题，有必要将多种玄武岩混合组成新原料，其配方优化方法保留了玄武岩的基本性质，不会引入新的杂质，关键在于调节其化学成分、酸度、粘度、拉丝温度和析晶温度上限等参数，使之适合连续玄武岩纤维的生产。通过多种玄武岩的配方优化，能够将单独不能用来生产连续玄武岩纤维的玄武岩矿石资源综合利用起来，实现可用玄武岩矿石资源最大化。因此，多种玄武岩的配方优化研究是连续玄武岩纤维生产制备领域的核心问题，也是国家战略需求的必然趋势。

析晶温度和拉丝温度是连续玄武岩纤维生产中最为关键的技术参数。连续玄武岩纤维的拉丝温度必须高于析晶温度上限，否则拉丝过程中容易发生析晶，析晶会导致力学性能降低，甚至断丝成为废品。因此，为了尽可能避免连续玄武岩纤维生产过程中发生析晶，关键在于精确测定析晶温度上限和拉丝温度。然而，目前多组分玄武岩的析晶温度上限和拉丝温度预测的相关定量研究还是空白。由于缺少精准的预测模型，每当配方组成发生变化，析晶温度上限和拉丝温度都需要重新测试，通常一个测试从样品前处理到析晶温度和拉丝温度测试就需要数天时间，相当浪费人力物力资源。

发明内容

本发明提供一种精确预测多玄武岩体系析晶温度上限和拉丝温度的方法，以解决多种玄武岩配方发生变化时，熔体的析晶温度上限和拉丝温度需要重复测试，费时费力的缺点，以及拉丝温度析晶温度上限常常存在错配的问题，提高生产效率。

本发明一种精确预测多玄武岩体系析晶温度上限和拉丝温度的方法，由以下具体技术手段所达成：

本方法包括以下步骤

样品库的建立：不同矿山不同层位开采的玄武岩原料，命名入库，命名规则可以按测定的化学组成或矿物学组成分类。

样品准备：依次取库中各玄武岩样品500g，剔除泥土等杂质，采用颚式破碎机，将样品破碎。

熔融均化：将破碎后的样品放入铂金坩埚，在1500℃高温下熔融均化10小时。

粘度测试：采用高温旋转粘度仪对熔融均化后的玄武岩熔体进行粘度测试，数据采集温度范围为1500℃-1200℃，数据采集速度保持在1point/℃左右。

粘度温度拟合：在粘度温度曲线上，以最高温度为起点，选择一定长度的高温段，采用指数函数模型：η(T)＝η₀+A*exp(R₀*T)对粘度温度相关性进行拟合。

进一步地，保证拟合R²≥0.99。

进一步地，根据拟合结果确定粘度温度曲线方程的参数η₀，A和R₀。

进一步地，当玄武岩熔体析晶时，由于晶体是固体，固体的粘度比熔体的粘度大几个数量级，同时晶体会对熔体内部流动产生阻碍作用，导致粘度的急剧增加，所以会使得粘度温度曲线上有一个拐点。延长粘度温度拟合曲线，通过观察找到粘度温度曲线和拟合曲线发生分离的拐点C，确定拐点C的横坐标，即为该玄武岩的析晶温度上限T_C。

进一步地，对于原料库中全部M种原料，按上述步骤分别测定m种原料的析晶温度上限T_c1,T_c2,...T_cm。

进一步地，对于由m种原料组成的任一配方(W1,W2,...Wm)，其中W1,W2,...Wm为m种原料在配方中的用量百分比，W1+W2+...+Wm＝100％，则玄武岩体系的析晶温度上限(T_C):

T_C＝W1×T_c1+W2×T_c2+...+Wm×T_cm

进一步地，拉丝温度通常约定为玄武岩熔体粘度等于316dPa.s时的温度，可以根据粘度温度拟合曲线方程η(T)＝η₀+A*exp(R₀*T)求出拉丝温度(T_d):

T_d＝＝1/R₀*ln((316-η₀)/A)

进一步地，对于原料库中全部M种原料，按上述步骤分别测定m种原料的拉丝温度T_d1,T_d2,...,T_dm

进一步地，对于由m种原料组成的任一配方(W1,W2,...,Wm)，其中W1,W2,...,Wm为m种原料在配方中的用量百分比，W1+W2+...+Wm＝100％，则其拉丝温度(T_d):

T_d＝W1×T_d1+W2×T_d2+...+Wm×T_dm

进一步地，当T_d≥T_C时，该玄武岩配方熔体适合拉丝，不会产生析晶现象，连续玄武岩纤维不易发生断丝。

进一步地，当T_d＜T_C时，该玄武岩配方熔体不适合拉丝，容易产生析晶现象，容易发生断丝。

与现有技术相比，本发明具有如下创新点和有益效果：

玄武岩化学组分通常使用SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO、CaO、MgO、K₂O、Na₂O、TiO₂九种主要氧化物含量进行约束，而玄武岩纤维生产的重要参数，如熔体粘度、析晶温度、拉丝温度和纤维强度等，都强烈地依赖于这些氧化物含量。为了保证玄武岩纤维的产品性能稳定性，必须要对生产工艺参数进行强有力的约束，使得每种氧化物含量都必须控制在相应的行业推荐值范围内，这导致自然界中9种氧化物成分适合生产玄武岩纤维的单一矿石资源极其稀少。因此，必须采用多种玄武岩组成体系来调节成分，而析晶温度上限和拉丝温度是多种玄武岩组成的配方体系生产工艺中的两个关键的参数。基于此，本发明的创新点和有益效果在于，通过大量实验测试首次发现，多种玄武岩混合体系和各端元玄武岩原料组分之间存在析晶温度上限和拉丝温度的线性关系。本发明的创新点在于，把熔体的析晶温度和粘度两种不同的物理性质联系起来，提供了一种通过玄武岩熔体粘度变化来精确预测熔体析晶温度上限T_C的方法。对于任一玄武岩，只要通过指数函数模型：η(T)＝η₀+A*exp(R₀*T)对高温粘度温度曲线进行拟合，延长拟合曲线，找到粘度温度曲线和拟合曲线分离的拐点C，就能确定该组分玄武岩析晶温度上限T_C。玄武岩组合体系的析晶温度上限T_C和拉丝温度T_d通过组成该体系的各个组分玄武岩析晶温度上限T_C和拉丝温度T_d来测算，在这种情况下，只需建立玄武岩原料库中所有原料的析晶温度上限和拉丝温度数据库，后续任一多玄武岩组合配方体系的析晶温度上限和拉丝温度就可通过预测模型计算方法，无需重复测试。更重要的是，这种精确预测的方法可以解决多种玄武岩组合配方熔体的析晶温度上限和拉丝温度需要重复测试、费时费力等缺点，为多种玄武岩配方的生产工艺提供强有力的技术支撑。此外，本方法也可以精确预判一个配方体系是否适于生产高质量连续玄武岩纤维：当T_d≥T_C时，该玄武岩配方熔体适合拉丝，不会产生析晶现象，连续玄武岩纤维不易发生断丝。当T_d＜T_C时，该玄武岩配方熔体不适合拉丝，容易产生析晶现象，容易发生断丝。

附图说明

图1是实施例玄武岩体系析晶温度和M5质量百分比的关系图；

图2是实施例玄武岩体系拉丝温度和M5质量百分比的关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

样品准备：取玄武岩M1和M5样品各2500g，剔除泥土等杂质，采用颚式破碎机，将样品破碎。玄武岩M1和M5分别按照质量百分比100％,75％,50％,25％,0％和0％,25％,50％,75％,100％的比例配制1000g样品Q1、Q2、Q3、Q4、Q5即Q1＝M1，Q2＝75％M1+25％M5，以此类推，若时间充裕，可取＜25％的梯度变化。

熔融均化：将破碎后的样品Q1、Q2、Q3、Q4、Q5分别放入铂金坩埚，在1500℃高温下熔融均化10小时。

粘度温度拟合：在粘度温度曲线上，以最高温度为起点，选择一定长度的高温段，具体的长度以确保拟合R²值超过0.99为准，采用指数函数模型：η(T)＝η₀+A*exp(R₀*T)对粘度温度相关性进行拟合。

得到Q1、Q2、Q3、Q4、Q5熔体的粘度温度拟合曲线：

η(Q1)＝83.54320+2.000483×10¹⁸×e^-0.02654×T (R²＝0.9981)

η(Q2)＝38.96832+1.42833×10¹⁰×e^-0.02654×T (R²＝0.9968)

η(Q3)＝25.03273+4.63993×10⁹×e^-0.01275×T (R²＝0.9981)

η(Q4)＝16.15124+1.61239×10⁹×e^-0.01232×T (R²＝0.9994)

η(Q5)＝13.96569+1.38897×10⁹×e^-0.01244×T (R²＝0.9998)

分别延长Q1、Q2、Q3、Q4、Q5熔体的粘度温度拟合曲线，通过观察找到粘度温度曲线和拟合曲线发生分离的拐点C₁、C₂、C₃、C₄、C₅，确定析晶温度上限T_C1、T_C2、T_C3、T_C4、T_C5。

T_C1＝1372℃、T_C2＝1352℃、T_C3＝1326℃、T_C4＝1312℃、T_C5＝1290℃

通过析晶温度上限预测公式：T_C＝W1×T_C1+W2×T_C2+...+Wm×T_Cm，计算Q1、Q2、Q3、Q4、Q5熔体析晶温度上限预测值T_C1Y、T_C2Y、T_C3Y、T_C4Y、T_C5Y。W1为Q组分中M1的质量占比，W2为Q组分中M2的质量占比。

T_C1Y＝W1×T_C1+W2×T_C5＝100％×1372℃+0％×1290℃＝1372℃

T_C2Y＝W1×T_C1+W2×T_C5＝75％×1372℃+25％×1290℃＝1351.5℃

T_C3Y＝W1×T_C1+W2×T_C5＝50％×1372℃+50％×1290℃＝1331℃

T_C4Y＝W1×T_C1+W2×T_C5＝25％×1372℃+75％×1290℃＝1310.5℃

T_C5Y＝W1×T_C1+W2×T_C5＝0％×1372℃+100％×1290℃＝1290℃

对比Q1、Q2、Q3、Q4、Q5熔体的析晶温度上限计算值和测量值，图1为析晶温度和M5质量百分比关系图，图中直线为五个点线性拟合，可以发现实测结果和拟合线偏差不大，说明析晶温度上限预测方法可靠。

拉丝温度通常约定为玄武岩熔体粘度等于316dPa.s时的温度，分别根据Q1、Q2、Q3、Q4、Q5熔体的粘度温度拟合曲线方程η(T)＝η₀+A*exp(R₀*T)求出Q1、Q2、Q3、Q4、Q5熔体的拉丝温度T_d1、T_d2、T_d3、T_d4、T_d5：

T_d1＝1382℃、T_d2＝1345℃、T_d3＝1311℃、T_d4＝1386℃、T_d5＝1252℃

通过拉丝温度预测公式:T_d＝W1×T_d1+W2×T_d2+...+Wm×T_dm，计算Q1、Q2、Q3、Q4、Q5熔体拉丝温度预测值T_d1Y、T_d2Y、T_d3Y、T_d4Y、T_d5Y。

T_d1Y＝W1×T_d1+W2×T_d5＝100％×1382℃+0％×1252℃＝1382℃

T_d2Y＝W1×T_d1+W2×T_d5＝75％×1382℃+25％×1252℃＝1349.5℃

T_d3Y＝W1×T_d1+W2×T_d5＝50％×1382℃+50％×1252℃＝1317℃

T_d4Y＝W1×T_d1+W2×T_d5＝25％×1382℃+75％×1252℃＝1284.5℃

T_d5Y＝W1×T_d1+W2×T_d5＝0％×1382℃+100％×1252℃＝1252℃

对比Q1、Q2、Q3、Q4、Q5熔体的拉丝温度计算值和测量值，图2是玄武岩体系拉丝温度和M5质量百分比的关系图，图中直线为五个点线性拟合，可以发现实测结果和拟合线偏差不大，说明拉丝温度预测方法可靠。

令T_d≥T_C,求解得到由这两种玄武岩M1和M5组成的配方体系适合拉丝的范围为W＝20.8％。根据Q1、Q2、Q3、Q4、Q5中原料M5的添加比例的大小，可以判断在由M1和M5组成的配方Q中，M5质量组分≤20.8％的范围内适合拉丝，M5质量组分＞20.8％的范围内不适合拉丝。

因为T_d1≥T_C1(M5占比为0％)，所以配方Q1熔体适合拉丝，不会产生析晶现象，连续玄武岩纤维不易发生断丝。

因为T_d2＜T_C2(M5占比为25％)、T_d3＜T_C3(M5占比为50％)、T_d4＜T₄(M5占比为75％)、T_d5＜T_C5(M5占比为100％)，所以配方Q2、Q3、Q4、Q5熔体不适合拉丝，容易产生析晶现象，容易发生断丝。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims

1.一种预测多种玄武岩体系析晶温度和拉丝温度的方法，其特征在于：包括以下步骤

S1样品库的建立：不同矿山不同层位开采的玄武岩原料，依次命名入库；

S2样品准备：依次取库中各玄武岩样品，剔除泥土等杂质，采用颚式破碎机，将样品破碎；

S3熔融均化：将破碎后的样品放入铂金坩埚，在1500℃高温下熔融均化10小时；

S4粘度测试：采用高温旋转粘度仪对熔融均化后的玄武岩熔体进行粘度测试，得到粘度温度曲线；

S5粘度温度拟合：在粘度温度曲线上，以最高温度为起点，选择一定长度的高温段，采用指数函数模型对粘度温度相关性进行拟合，根据拟合结果确定粘度温度曲线方程的参数；

S6确定析晶温度上限：延长粘度温度拟合曲线，通过观察找到粘度温度曲线和拟合曲线发生分离的拐点C，确定拐点C的横坐标，即为该玄武岩析晶温度上限T_C；

S7对于原料库中全部M种原料，按上述步骤S2-S6分别测定每种原料的析晶温度上限T_c1，T_c2，...，T_cM；

S8对于由m种原料组成的任一配方W1，W2，...，Wm，其中Wm为m种原料在配方中的质量百分比，其中，W1+W2+...+Wm＝100％，则m种原料组成玄武岩体系的析晶温度上限T_C：T_C＝W1×T_c1+W2×T_c2+...+Wm×T_cm，测定玄武岩体系的拉丝温度T_d，判定玄武岩体系是否适合拉丝。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S4粘度测试数据采集温度范围为1500℃-1200℃，数据采集速度保持在1point/℃左右。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S5中指数函数模型为η(T)＝η₀+A*exp(R₀*T)，拟合R²≥0.99，根据拟合结果确定粘度温度曲线方程的参数η₀，A和R₀。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，根据粘度温度拟合曲线方程η(T)＝η₀+A*exp(R₀*T)求出玄武岩熔体粘度等于316dPa.s时的温度，记为拉丝温度T_d：T_d＝＝1/R₀*ln((316-η₀)/A)。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S8中，分别测定m种原料的拉丝温度T_d1，T_d2，...，T_dm，对于由m种原料组成的任一配方W1，W2，...，Wm，玄武岩体系的拉丝温度T_d：T_d＝W1×T_d1+W2×T_d2+...+Wm×T_dm，判定玄武岩体系中，当T_d≥T_C时，玄武岩熔体适合拉丝，不会产生析晶现象，连续玄武岩纤维不易发生断丝，当T_d＜T_C时，玄武岩熔体不适合拉丝，容易产生析晶现象，容易发生断丝。