北新集团建材股份有限公司,北京 100096
摘 要:在岩棉生产过程中通常将SiO2、Al2O3、CaO和MgO视为构成岩棉的四大成分,并以SiO2+Al2O3/CaO+MgO的重量百分比来定义酸度系数,这对岩棉生产无疑具有重要的现实意义。但也因此将存在有岩棉中的铁氧化物的作用排除在外,将其视为有害杂质,但铁氧化物在岩棉中平均含量却高达7.88%,是岩棉中处于第5位的重要成分,因此本文对铁氧化物对岩棉性能的影响进行了研究。
1 铁氧化物性质简述
铁是一种多价元素,它与氧可以形成Fe2O3、Fe3O4和FeO三种化合物。他们的高温性能见表1。从表1可见,Fe2O3 和FeO的分解温度较高。在冲天炉的温度条件下不能发生分解反应。因此他们在炉内的主要反应是还原。经还原后,岩棉熔体中的铁氧化物最终常以FeO和再氧化的形成的Fe2O3的形态存在。
表1 铁氧化物的高温特性
名称 分子式 熔点(℃) 分解温度(℃) 备注 开始 沸腾 赤铁矿 Fe2O3 1350 1380 1452 磁铁矿 Fe3O4 1597 2100 2200 富氏铁 FeO 1370 3200 3500 ﹤570℃不能稳定存在
2 Fe2O3对矿棉熔体特性的影响
Fe2O3在低温(﹤630℃)和高温(﹥1200℃)时对熔体影响截然不同。
2.1 温度较低时Fe2O3对岩棉耐热度的影响
前苏联学者通过研究阐述了Fe2O3引入玻璃中的作用,在无硼玻璃熔体中(岩棉属于这一范畴)Fe2O3往往呈FeO33- 和FeO45-族的形势形成玻璃,成为硅氧四面体SiO4x4-的连接部分因而加强了硅氧四面体的网络,并增加了其低温粘度值,从而使岩棉软化点升高,也即提高了耐热度。低温粘度与结构有很大关系,当无硼玻璃中Fe2O3含量为5%-25%时,其粘度随Fe2O3含量的提高而显著增加。据西德专利介绍,将岩棉中的Fe2O3含量提高到5%-35%,以取代CaO+MgO在岩棉中的位置来制造高耐热性岩棉,这类岩棉具有良好的熔化性,碱性氧化物含量少,熔体再结晶倾向小,粘度适中,使用温度平均提高200-300℃,澳大利亚墨尔本岩棉厂在生产耐820℃的高温岩棉时,也加入铁矿石,使岩棉中Fe2O3含量提高到5%-18%。
2.2 温度较高时Fe2O3对矿棉熔体特性的影响
根据缪恩(Muan)和奥斯本(Osborn)在1960年发表的CaO-Fe2O3-SiO2系相图(图1)计算出酸度系数(MK)为1.2、1.5、1.8、2.0的四种熔体含Fe2O3量自0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%情况下的成分。对照图1绘出在CaO-Fe2O3-SiO2三元系中Fe2O3含量与熔点(TR)的关系图(图2)。
图1 CaO-Fe2O3-SiO2系相图
图2 Fe2O3含量与熔点(TR)的关系图
从上图可见:
(1) 当温度高于1200℃时,随着Fe2O3含量的增加,熔点呈下降趋势;
(2) Fe2O3含量在0%-15%,SiO2/ CaO值在1.2-1.8的范围内时,随着MK值的提高熔点呈下降趋势,当MK值超过1.8时,熔点呈上升趋势。因高温时Fe2O3分解或被还原,大部被转化为FeO而存在于熔体之中,使FeO在岩棉中的铁氧化物总量中所占的比例高达73%-94%,而Fe2O3只占6%-27%。为此Fe2O3对高温熔体粘度的影响大都以FeO的形式来体现。
3 FeO对岩棉熔体高温性能的影响
由于FeO在小于570℃是不能稳定存在。因此它对岩棉熔体的影响主要体现在高温段,对熔点和粘度影响较大。
3.1 FeO对岩棉熔点的影响
从缪恩和奥斯本的CaO-FeO-SiO2系三元相图(图3)可分析出FeO对硅酸盐熔点的影响。为此计算出当SiO2/ CaO值为1.2、1.5、1.8、2.0四种熔体中FeO含量从0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%的情况下,对照图3求出各自的熔点,并绘出在CaO-FeO-SiO2三元系中FeO含量与熔点的关系图(图4)
图3 CaO-FeO-SiO2系三元相图
图4 FeO含量与熔点(TR)的关系图
从上图中可以看出以下几点:
(1) 在CaO-FeO-SiO2系中,无论SiO2/ CaO的比值怎样变化,随着FeO含量的增加,其熔点均趋于降低;
(2) 当FeO含量从0%增加到10%时,SiO2/ CaO比值为2.0的熔体熔点下降幅度为150℃,而SiO2/ CaO比值为1.2、1.5、1.8的熔体熔点下降幅度仅为70、60、40℃左右。说明在FeO=0-10%区间内时,其对SiO2/ CaO值高的熔体熔点降低的影响较大,而对此值≤1.8的熔体熔点的影响相对较小。可以看出,在以上两点上,FeO对熔点的影响与Fe2O3相仿。
3.2 FeO对高温粘度的影响
根据Al2O3-CaO-FeO-SiO2四元系等粘度图(图5),利用与以上相同的方法,制出(SiO2+ Al2O3)/ CaO值从1.2至2.0四种熔体中FeO含量0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%情况下绘出在1300℃,Al2O3=10%时,在这一体系中FeO与不同(SiO2+ Al2O3)/ CaO值 熔体的粘度关系图(图6)。
图5 Al2O3-CaO-FeO-SiO2四元系等粘度图
图6 FeO对高温粘度的影响
由图6可见:
(1) 当FeO=0-15%时,无论(SiO2+ Al2O3)/ CaO值的大小,其粘度值都呈急剧下降的趋势,曲线1-4(FeO=0-15%时),曲线间隔较大较疏,说明粘度值下降幅度较大。当FeO>15%时,曲线间隔趋密,说明粘度值下降趋缓;
(2) 在曲线1和曲线4所包括的区间内,随着(SiO2+ Al2O3)/ CaO值得增加,上述两条曲线之间的间隔距离也增加。说明Mk值越大的熔体对FeO量增加的敏感度增大。
(3) 若将岩棉熔体最佳成纤粘度值范围视为0.5-2.5 Pa·S,,当FeO=0时,Mk=1.2和1.5的熔体在1300℃是的粘度值大体在上述要求的范围内,可以顺利成纤。当Mk>1.5,FeO=0时粘度值高达5-7 Pa.S,熔体流动困难,难以成纤,需要更高熔炼温度。可以说明以Mk=1.5左右为分界线。这样的情况下适当增加熔体中FeO的含量,即使风温较低,同样可以在保证质量的前提下将粘度值控制在最佳成纤范围内,这是铁氧化物在岩棉熔炼中最为重要的作用。但FeO含量的增加不是无限度的。否则将带来以下不良影响:①当FeO含量较多的超过10%时,粘度值有可能降至0.5Pa.S以下。在表面张力作用下,形成渣球的倾向增加;②FeO含量过多时,岩棉中铁橄榄石(2FeO·SiO2)就多,熔体的熔点低、密度大、粘度小、流速高,使熔体难以充分过热,易造成炉缸温度下降;③易使岩棉织品高温收缩增加。因此,Fe2O3 +FeO含量在岩棉中既不宜过低,也不宜过高,以4%-10%为好。
4 结 语
通过以上的讨论,如果简单的提高酸度系数将会提高熔体熔点增加能耗,还会使熔体的粘度增加,导致成纤困难。而应在提高酸度系数的同时适当引进一定含量的铁氧化物,可有效降低熔炼温度和改善熔体的特性。
参考文献
[1]曲通馨,王文义等.绝热材料与绝热工程使用手册.北京 :中国建材出版社,1998
[2]陈新民.活法冶金过程物理化学.北京:冶金工业出版社,1983
[3]洛阳建材工业学校.物理化学及硅酸盐物理化学.北京:中国建筑工业出版社,1985
论文作者:张同坤
论文发表刊物:《基层建设》2016年21期
论文发表时间:2016/12/6
标签:熔点论文; 粘度论文; 岩棉论文; 含量论文; 氧化物论文; 高温论文; 温度论文; 《基层建设》2016年21期论文;