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硅酸鹽工業是無機化學工業的一個重要組成部分，主要制造以硅酸鹽為主體的水泥、陶瓷、玻璃、磚瓦等各種制品和材料．隨著社會的不斷發展，經濟建設力度的不斷加大，我國對水泥、玻璃以及新型建筑材料的需求也越來越大，但是硅酸鹽工業是一種高能耗產業，目前我國提倡要走可持續發展的建設道路，因此，如何對這些高能耗產業進行指導和控制迫在眉睫．差熱分析(DTA)是在溫度程序控制下，測量物質的溫度與參比物的溫度之間溫度差和溫度的關系的一種技術．由于在生產硅酸鹽制品時，發生的一系列物理和化學變化會伴隨吸熱和放熱現象，因此差熱分析對于研究硅酸鹽產品制備、化學機理及節能技術方面具有十分重要的意義，已經成為了硅酸鹽材料研究中必不可少的測試技術．因此本文著重探討差熱分析在硅酸鹽工業(水泥、玻璃)中的具體應用．

1差熱分析在水泥工業中的應用

差熱分析在水泥工業中主要應用于水泥熟料形成過程及水化、硬化過程［2－8］．

1．1差熱分析在水泥熟料煅燒過程中的應用

圖1是典型的水泥熟料煅燒過程的DTA曲線．由圖1中所示120℃形成的吸熱峰是由于原料中的吸附水蒸發吸熱所致，610℃形成的吸熱峰為原料中的結構水發生脫水反應吸熱所致，930℃附近形成的吸熱峰則是由于CaCO3分解吸熱造成，1250℃附近的放熱峰和1440℃附近的吸熱峰則是水泥原料物質之間形成水泥熟料的反應．由圖1所示的各段反應的吸放熱情況可知，其反應與生產水泥時煅燒生料的反應是大致相同的．因而，利用DTA曲線可以清楚的反映出原料在不同煅燒待的反應情況，并且可以知道原料反應的具體溫度和反應進行的程度，為合理的制定出熱處理制度提供了重要資料，利于指導水泥生產，降低能耗．

1．2差熱分析在水泥水化、硬化機理方面的應用

差熱分析在分析水泥水化反應程度，研究水化機理方面也有重要應用．郜志海［6］等利用差熱分析研究了熱活化煤矸石水泥復合體系的水化反應程度，如圖2所示．圖2活化煤矸石摻量為30%時復合體系水化各齡期的DTA分析有圖2可知，隨著水化的進行，在460℃左右出現的吸熱峰變化顯著，此溫度范圍說明了Ca(OH)2的分解反應．水化期齡為3d時，峰面積較大，說明吸熱量較大，原因在于煤矸石中活性物質在水化早期參與水化反應較少，消耗Ca(OH)2較少所致．水化7d時，峰面積減少，說明活性成分逐漸參與水化，消耗了部分Ca(OH)2．與水化7d時相比，水化28d時Ca(OH)2吸熱量有所增長，這和體系Ca(OH)2含量測定結果不太一致分析原因這可能是由于該水化分析樣在測試過程中混入其它含有結構水的雜質造成的．但從整體來看，隨著齡期的延長Ca(OH)2剩余量呈降低趨勢，水化反應程度是逐步加深的．李召峰等［7］利用DTA研究了少熟料鋼渣水泥水化硬化機理．如圖3所示，在115℃出現的吸熱峰主要是原料中的水化物脫水吸熱造成，在465℃附近的吸熱峰則是由Ca(OH)2的分解反應吸熱所致．水化3d時，峰面積較小，說明Ca(OH)2含量較少，結晶程度低;水化7d時峰面積明顯增大，說明Ca(OH)2含量增多，結晶程度提高，說明此階段鋼渣水化速度明顯低于熟料的水化速度，鋼渣對Ca2+吸收不明顯;水化期齡增至28d時，Ca(OH)2吸熱峰變化不大，說明在此階段，礦渣的水化速度明顯加快，熟料水化產生的Ca2+幾乎全部被鋼渣吸收形成C-S-H凝膠及鈣礬石．由此可看出該體系水化過程是有鋼渣及水泥熟料共同作用形成．除此之外，差熱分析在研究水泥水化速度及進程，水化產物轉化溫度及熱效應等也有重要應用［8］．

2差熱分析在玻璃工業中的應用

在玻璃工業中，差熱分析主要應用于熱處理工藝的制定［9-13］、玻璃分相和析晶動力學等方面研究［14-23］．

2．1差熱分析在熱處理工藝中的應用

由于微晶玻璃是一定熱處理工藝制度下受控析晶的材料，熱處理制度直接關系到析晶過程，而玻璃的析晶過程對材料的組織結構起著至關重要的作用，對其性能影響很大，因此制定合理的熱處理工藝是微晶玻璃生產過程中的關鍵所在．根據DTA曲線，可先確定出基礎玻璃的核化溫度和晶化溫度，核化溫度一般比玻璃的轉化溫度Tg高20℃左右，晶化溫度則取放熱峰溫度，所以微晶玻璃傳統的熱處理方法一般為兩步法即先將玻璃加熱至核化溫度，并保溫一段時間，在玻璃中出現大量晶核后，再升溫至晶化溫度，同樣保溫一段時間使玻璃轉變為具有微米甚至納米晶粒尺寸的微晶玻璃．如核化溫度與晶化溫度相差較小時，也可在采取一步熱處理，即略過核化階段，在晶化峰附近直接晶化，保溫，使核化和晶化同時進行．李保衛等［9］選用包鋼稀選尾礦和粉煤灰為主要原料，根據DTA曲線制定了四種不同熱處理工藝，制備了主晶相為輝石和鈣長石的微晶玻璃．結果顯示不同的熱處理工藝得到的微晶玻璃主晶相基本相同，但性能差異較大，經測試利用熔制—退火冷卻—核化—晶化工藝，核化溫度為720℃，晶化溫度為820℃，進行處理得到的微晶玻璃性能最好，晶粒為球狀晶，分布均勻．張偉等［10］將水淬爐渣粉碎至一定粒度后，向其中加入少量鉀長石為助熔劑，利用DTA曲線制定熱處理工藝，采用直接燒結法，在830℃保溫1h進行晶化，1150℃進行燒結制得了主晶相為鈣黃長石的微晶玻璃，性能良好．

2．2差熱分析在玻璃分相中的應用

在玻璃的形成過程中，分相是一種非常普遍的現象．所謂分相即在一定溫度下，玻璃內一些原子或離子發生遷移，在熔體內某些組成形成偏聚，從而形成互不混溶的組成不同的兩個玻璃相．研究玻璃分相可對玻璃的晶化機理做出一定解釋，普遍認為，分相為均勻液相提供界面，為晶相的成核提供條件，是析晶的有利因素．同時玻璃分相的研究又為新品種微晶玻璃的獲得提供了理論指導，利用玻璃分相后組成的變化來獲得所需的晶體，從而改變所得微晶的性能．差熱分析是研究玻璃分相的有效手段．由于分相，玻璃材質分布不再均勻，在玻璃中就形成了具有不同組成、不同體積分數的相，在差熱曲線上就反映為2個或多個不同的轉化溫度Tg．湯李纓等［14］在對Na2O-CaO-SiO2乳濁玻璃分相特性進行了研究時發現，該系乳濁玻璃的乳濁以分相為主，在成型時富磷相即開始出現，且內部分相較充分，具有較好乳濁度;而邊緣處分相不完全，存在聯通相與小液滴相并存現象．進行熱處理后，聯通相轉變為球形液滴相．周永強［15］利用差熱分析研究了鈮硅酸鹽玻璃分相．分相形貌是分離的兩相交錯連接在一起，成為高度連接的三度空間結構，DTA曲線上出現兩個明顯的吸熱峰，表明玻璃中產生了分相．經分析轉變溫度為708℃時，為富堿鈮氧相;轉變溫度為768℃時，為富硅氧相，分相形貌是分離的兩相交錯連接在一起，成為高度連接的三度空間結構，屬于旋節分解機理．當Nb2O5含量為17%～23%時，DTA曲線上也存在兩個吸熱峰，但后一個吸熱峰不明顯，說明玻璃仍存在分相但其分相的機理應為成核長大機理．

2．3差熱分析在玻璃析晶動力學中的應用

玻璃是基礎原料經熔融、冷卻及固化而形成的具有無規則結構的非晶態無機物．在成型過程中要涉及大量的熱效應，其性能也與熱處理工藝存在緊密聯系．因此，研究玻璃的析晶行為，獲取析晶動力學參數，進而研究玻璃性能的穩定性條件，差熱分析是必不可少的重要手段．

2．3．1求取析晶活化能目前求取析晶活化能的方法主要兩種:一種為owaza法，其方程為lnα=－ERTp+C，其中α為進行差熱分析時的升溫速率，E為析晶活化能，Tp為晶化峰溫度，R為普適氣體常數，C為常數．以lnα為縱坐標，1Tp為橫坐標，求取直線斜率－ER，進而可求析晶活化能E．另一種方法為Kissinger方程，其形式為ln(αT2p)=－ERTp－ln(ER)+lnA，A為頻率因子，其他參數意義同owaza法，以ln(αT2p)為縱坐標，1Tp為橫坐標，求取直線斜率－ER，進而可求析晶活化能E．唐林江等［20］以CAS系主晶相為鈣長石的玻璃為研究對象，利用差熱分析著重研究了CaO/SiO2比對微晶玻璃析晶動力學行為的影響，分別應用owaza法和Kissinger法驗證了活化能變化趨勢，研究表明兩種方法計算的活化能基本一致，并且都隨CaO/SiO2比的升高而降低．陳文娟［21］采用泥沙、海砂、粉煤灰、珍珠巖等原料制成微晶玻璃并用owaza法測定了活化能，由活化能變化可知，玻璃組成不同，析晶難易程度不同;玻璃組成相同，添加晶核劑有利于晶化．

2．3．2判定玻璃的熱穩定性通過差熱曲線可以獲取如玻璃轉化溫度Tg、析晶起始溫度Tc、析晶峰溫度Tp，熔化溫度Tm等特征溫度．根據特征溫度可以計算衡量玻璃熱穩定性的指標．最能反映玻璃熱穩定性的指標是Hurby參數，它綜合考慮了轉化溫度Tg、析晶起始溫度Tc、熔化溫度Tm，其表達為Hr=(Tc－Tg)/(Tm－Tc)當指標越大時，玻璃熱穩定性越好，同時熔點與Tg越接近時，玻璃也越穩定．

3差熱分析在硅酸鹽工業節能方面的應用

水泥、玻璃工業均屬于高能耗產業，提高資源、能源利用率，降低能耗，節約能源，統籌經濟與社會、自然的和諧發展，走可持續發展道路，是現代硅酸鹽工業發展必須遵循的原則．而差熱分析技術對此有重要的指導作用．硅酸鹽工業使用原料多、成分雜，在生產過程中由不同礦物組成形成產品時，能耗也不同，存在差異．利用差熱分析技術可以判斷原料的易燒性或易熔性，同時結合化學分析、顯微結構分析等現代分析技術，可為優化選料提供參考依據，為降低能耗產生重要作用．

4結語

差熱分析技術在水泥工業、玻璃工業開發和研制當中，具有十分重要的應用價值和指導作用．這項技術可以對人們在研究、開發和利用無機材料和化工材料時進行指導．在工業生產及日常生活等方面，有助于節約能源、合理的處理生活、工業中的廢棄物，達到可持續發展的戰略目標．盡管差熱分析法還存在一定局限性，如重復性差、分辨率不高、熱量定量測定較為復雜等，但它具有快捷簡便的優點，隨著社會發展和科學技術的進步，特別是隨著計算機技術的飛速發展，差熱分析儀在實驗自動化、取樣微量化、信號高靈敏化以及多種分析手段聯用等方面必然會快速發展起來，其應用前景將更為廣闊。