張莉麗,林峰,呂智,肖樂銀,何緒林,王文龍,李立惟

(1.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林541004;2.國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林541004; 3.中國有色桂林礦產地質研究院,廣西桂林541004)

我國葉蠟石的開發(fā)研究及其應用現(xiàn)狀(下)①

張莉麗1,2,3,林峰1,2,3,呂智1,2,3,肖樂銀1,2,3,何緒林1,3,王文龍1,3,李立惟1,3

(1.廣西超硬材料重點實驗室,廣西桂林541004;2.國家特種礦物材料工程技術研究中心,廣西桂林541004; 3.中國有色桂林礦產地質研究院,廣西桂林541004)

介紹了葉蠟石的性能、分類以及在我國的分布情況,詳細闡述了葉蠟石在石雕工藝品、復合材料、陶瓷耐火材料、高溫高壓合成中作為傳壓密封介質中的應用現(xiàn)狀。分析了葉蠟石在開發(fā)應用中存在的問題,并提出建議。

葉蠟石;性能;應用;建議

4.4 葉蠟石在高溫高壓合成中作為傳壓密封介質的應用

我國的葉蠟石資源盡管豐富,但真正可用作金剛石等超硬材料合成的密封傳壓介質原料的目前尚不多見。由于超硬材料所需要的高溫超高壓條件是通過超高壓裝置內的傳壓介質實現(xiàn)的,傳壓介質對葉蠟石礦有特別的要求,因此,并不是各地的葉蠟石礦都能作為密封傳壓介質來使用的。通常情況下較為理想的超硬材料行業(yè)用固體傳壓介質應能滿足以下幾個要求:

(1)具有傳遞壓力的流體靜力特性,內摩擦系數(shù)小,高壓下的可壓縮率小,可塑性好,回彈性良好(在合成塊泄壓過程中尤為重要)以及對硬質合金的摩擦力大;

(2)低熱傳導率,高電阻率,耐熱性好,絕緣性好,熔點高及在高溫高壓下不產生化學相變等。我國現(xiàn)在多數(shù)密封傳壓介質制作單位都在使用北京趙家臺葉蠟石資源。由于我國超硬材料行業(yè)所用高溫高壓合成設備絕大多數(shù)都是六面頂壓機,因此在選擇上,應選擇相對較軟(Al2O3含量較高)的葉蠟石礦。因為據(jù)實際生產經(jīng)驗,SiO2含量高、“發(fā)硬”的葉蠟石在使用中會頻頻引起壓機高壓腔“爆錘”,致使壓機錘耗增加。另外一點,應選擇雜質含量少的葉蠟石,這樣可以使密封傳壓介質性能優(yōu)良,生產工藝穩(wěn)定。

表2 傳壓介質與合成工藝參數(shù)的相關性Table 2 Relevance between pressure transmitting medium and synthesis process parameters

表3 傳壓介質與金剛石合成效果對比Table 3 Comparison of the pressure transmitting medium and the effect of diamond synthesis

汪洋[14]在“葉蠟石性能對合成金剛石的影響”一文中指出:由于葉蠟石所含礦物存在差異,如果直接使用這種葉蠟石作為傳壓介質,將導致金剛石產品性能波動大,工藝重復性差。因此,可通過采用粉壓葉蠟石塊的方法,削弱礦物組成差別對金剛石合成造成的影響,充分利用葉蠟石資源,達到較好的工藝重復性,并且使制品性能趨于穩(wěn)定。謝明星和王紹斌[15]在“傳壓介質對人造金剛石的影響”一文中,通過比較六種不同傳壓介質對合成人造金剛石的影響,得出結論表明,傳壓介質不僅影響金剛石合成工藝參數(shù)的調整,而且還影響金剛石的顏色、產量、質量等,如表2和表3所示,從而直接影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。

葉蠟石在高溫高壓合成實驗與生產中,雖然不是合成所需的原料,但在合成中卻起著十分關鍵的作用,如傳壓、密封、隔熱、絕緣、穩(wěn)定和改善合成條件,提高合成效果和產品質量等,因此對葉蠟石需進行合適的選擇。如果選擇不當,即使使用好的原料與合適的合成工藝技術也難以得到好的合成效果。可見,葉蠟石在合成中起著重要的作用。合成時,選用比重大、硬度均勻、塊方孔正、尺寸精確、焙燒性能合適和避免受潮的優(yōu)質葉蠟石作傳壓介質,可提高生產的經(jīng)濟效益。

5 葉蠟石在開發(fā)應用中存在的問題及建議

5.1 葉蠟石在開發(fā)應用中存在的問題

(1)資源短缺,利用程度低,浪費嚴重

當前用于人造金剛石生產的傳壓介質在國內主要產地是北京門頭溝地區(qū)趙家臺葉蠟石材料,由于每年開采量不斷增加(國內金剛石腔體的大型化),致使資源的質量越來越差,整體表現(xiàn)在:SiO2含量越來越高,Al2O3含量越來越低,對金剛石合成的制約作用越來越明顯,造成原材料危機現(xiàn)象產生。并且由于缺乏管理和規(guī)劃,普遍存在只管產銷,忽視整體規(guī)模,采富棄貧,采中棄邊,采厚棄薄等現(xiàn)象。另外,為了迎合市場需求,將產品的質量標準訂得過高,使得可以利用的礦石變成了廢石。如:青田山口葉蠟石礦,一度由于國內用戶要求含鋁量為21%,小于20%者均被視為廢石而棄之,回收率僅為60%左右,部分礦山甚至不到45%,造成資源的極大浪費。

(2)資源勘查評價程度低

地質勘探工作是礦產資源儲備的重要保證,相對而言,葉蠟石礦是我國地質勘探工作開展較少,開發(fā)利用較落后的礦種之一。雖然資源較豐富,但目前已探明的儲量并不多。據(jù)統(tǒng)計資料顯示,大部分開采工作是在無地質資料、無礦山規(guī)劃設計的情況下進行的,對礦山地質勘探投入較少,缺乏地質、采礦、測量等技術人員,基本是憑經(jīng)驗進行開采。

(3)成分粒度差異大,質量不均一,性能不穩(wěn)定

葉蠟石礦化學成分含量差別較大,不同礦區(qū)和同一礦區(qū)的葉蠟石礦之間,不同顏色之間、相同顏色之間的礦物均有較大差別。葉蠟石性能受葉蠟石粉粒度變化的影響也較大,每個葉蠟石粉供應商,由于篩分條件不一樣,粒度差別也較大。另外,粘結劑的比例也是至關重要的,應隨著葉蠟石粉粒度的不同、季節(jié)變化、天氣濕度的變化而變化。配好料后的混料,直接影響著葉蠟石塊內部結構的穩(wěn)定性。若混料不均勻,干濕程度有變化,會導致葉蠟石塊各部分內摩擦性能不一樣,從而影響葉蠟石塊的內部性能,使葉蠟石塊在高溫高壓合成時傳壓性不一致,保溫性差別較大,合成條件難以穩(wěn)定。

(4)作為傳壓介質密封邊回彈力不夠,導致卸壓放炮

在高壓合成的各個階段,無論是升壓、保壓、卸壓,內外壓都需要達到平衡。一旦失衡,就很容易造成高壓放炮。葉臘石原礦石在作為傳壓介質時形成的密封邊的密封力不但要大到足以抵消高壓合成時內增壓的從無到有,而且當卸壓時傳壓介質所形成的密封邊還必須要有足夠的彈力用于抵消外力減小。用作傳壓介質的葉臘石原礦石如果沒有足夠的“壓縮彈性”,卸壓放炮就會經(jīng)常發(fā)生。這是由于葉蠟石所形成的密封邊回彈能力不夠,當原有加載力減弱(卸壓)時,密封力下降速度大于加載力減弱,失衡后導致放炮,從而增加錘耗,影響生產成本。

5.2 建議

由于葉蠟石資源短缺,利用程度低,浪費嚴重,相關地質勘探工作開展較少、資源勘查評價程度低。因此,應當加強管理,統(tǒng)一規(guī)劃,保護資源,加大資源勘查評價力度。但作為超硬材料行業(yè),這些因素無法控制,我們主要從以下兩個方面加以改進:

(1)提高葉蠟石的穩(wěn)定性

葉蠟石傳壓、密封材料的性能,關鍵取決于其中的礦物組成。由于葉蠟石礦化學成分含量差別較大,為使其化學成分相對穩(wěn)定,建議葉蠟石粉生產廠家采用配料制:首先對礦石進行分類,根據(jù)不同顏色、不同質地的礦石按照比例進行配制,破碎,再進行葉蠟石塊的生產。這種通過不同類型礦石的合理搭配以及添加輔助材料來調整葉蠟石傳壓、密封材料的性能的做法,能拓展用于生產葉蠟石傳壓、密封材料的原料來源。采用配料制會使葉蠟石塊成分保持均一性,使工業(yè)生產合成工藝保持相對穩(wěn)定,并穩(wěn)定系統(tǒng)壓力、保溫性能等,合成出來的產品質量穩(wěn)定,可調性好。另外,要提高葉蠟石塊內部結構和尺寸的穩(wěn)定性。混料直接影響葉蠟石塊內部結構的穩(wěn)定性,故混料要持續(xù)一段時間使葉蠟石粉和粘結劑充分混合,細粉充分包裹在粗粉外面,混料后應充分過篩且漚料一段時間以保持混合料的濕度均勻,從而使葉蠟石塊各部分內摩擦性能均一,在高壓合成時葉蠟石傳壓性能一致,保溫性一致,合成工藝穩(wěn)定。同時加強質檢,嚴格控制葉蠟石塊尺寸,這樣在合成過程中穩(wěn)定性會更好。

(2)提高密封邊的回彈力

張戰(zhàn)[16]在“卸壓放炮與傳壓介質”一文中闡述了卸壓放炮與葉蠟石材料的直接關系,提出用作傳壓介質的葉蠟石復合塊的回彈能力是卸壓時密封力大小的內在決定因素,回彈能力不足是造成卸壓放炮的主要原因。另外,強調了葉蠟石復合塊的回彈能力與密封邊的溫度高低關系密切,回彈能力與密封邊溫度成正比。因此,可以通過加大葉蠟石勘探工作力度,尋找新的回彈能力大的葉蠟石礦源,替代現(xiàn)有的葉蠟石,避免卸壓放炮,減少錘耗。另外,由于葉蠟石礦化學成分及其含量不同,其性能就不同,因此,可以通過添加輔助材料來調整葉蠟石的回彈能力,滿足葉蠟石原礦石作為傳壓介質時形成的密封邊的密封力的要求。由于回彈能力與密封邊的溫度成正比,故還可以通過提高減壓時密封邊的溫度,盡量不降低葉蠟石復合塊原有的回彈能力。

6 結束語

葉蠟石是一種重要的非金屬礦產資源,由于其諸多可利用性能決定了它在工業(yè)領域中的應用范圍廣闊,尤其在高溫高壓合成中作傳壓、密封介質,不僅為高溫高壓合成提供了一個密封、傳壓、絕緣、保溫的密閉空間,而且對高溫高壓合成的產品的質量、產量和效益也有很大影響。因此,要重視并加強對高溫高壓合成的傳壓、密封介質的研究工作。面對未來市場,由于我國葉蠟石資源豐富,其葉蠟石的價格低廉,故具有很強的競爭力。當前新能源、新材料的不斷出現(xiàn),這對我國葉蠟石礦產資源綜合利用與開發(fā)領域帶來了新的挑戰(zhàn)。可以預見,今后數(shù)年里,隨著其他同類原材料的提價和短缺,葉蠟石將會得到大規(guī)模的應用。

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Research And Development of Pyrophylite and Its Current Application Status in China

ZHANG Li-li1,2,3,LIN Feng1,2,3,LV Zhi1,2,3,XIAO Le-yin1,2,3,HE Xu-lin1,3, WANG Wen-long1,3,LI Li-wei1,3
(1.Guangxi Key Laboratory of Superhard Materials,Guilin,Guangxi 541004,China; (2.National Engineering Research Center for Special Mineral Materials,Guilin Guangxi 541004,China; (3.China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd,Guilin,Guangxi 541004,China)

This article introduces the performance and classification of pyrophylite and its distribution in China,and elaborates the current application status of it in stone carving handicraft,composite material,ceramic refractory materials and in high pressure and high temperature synthesis as the pressure seal medium.The existing problems for the development and application of pyrophyllite have been analyzed and recommendations are given.

pyrophylite performance recommendation

TQ164

A

1673-1433(2014)04-0043-04

2014-07-10

張莉麗(1986-),女,主要從事超硬材料制品方面的研發(fā)。