铁氧化物对岩棉性能的影响研究

铁氧化物对岩棉性能的影响研究

张同坤

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Fe₂O₃135013801452磁铁矿Fe₃O₄159721002200富氏铁FeO137032003500﹤570℃不能稳定存在

2Fe2O3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1CaO-Fe2O3-SiO2系相图

图2Fe2O3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。

3FeO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。

3.1FeO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3CaO-FeO-SiO2系三元相图

图4FeO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。

3.2FeO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5Al2O3-CaO-FeO-SiO2四元系等粘度图

图6FeO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0.5-2.5Pa·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5-7Pa.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