Высокоглиноземистые материалы

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Огнеупорные материалы (огнеупоры) — это материалы, изготавливаемые на основе минерального сырья и отличающиеся способностью сохранять без существенных нарушений свои функциональные свойства в разнообразных условиях службы при высоких температурах. Применяются для проведения металлургических процессов (плавка, отжиг, обжиг, испарение и дистилляция), конструирования печей, высокотемпературных агрегатов (реакторы, двигатели, конструкционные элементы и др).

Огнеупоры имеют очень много областей применения, но всех их можно разбить на две основные группы, это огнеупоры (огнеупорные изделия, например, кирпич) общего назначения, и огнеупоры, спроектированные специально для какого-либо теплового агрегата.

Подавляющую часть промышленных огнеупоров производят из различного минерального сырья – глин, каолинов, доломитов, магнезитов и др.

 

 

ПРИРОДНОЕ СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОГНЕУПОРОВ, ЕГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ И ЗАПАСЫ.

 

Огнеупорные глины

 

По стандартам, действующим в России, огнеупорными считаются гли­нистые породы, имеющие температуру плавления не ниже 1580 °С, туго­плавкими - от 1350 до 1580 °С и легкоплавкими - менее 1350 °С.

Огнеупорные глины применяют в основном для производства шамот­ных и полукислых огнеупорных изделий различного качества и ассор­тимента.

Огнеупорные глины представляют собой тонкообломочные (пелитовые) осадочные горные породы различного химико-минерального соста­ва, встречающиеся в природе в рыхлом или уплотненном состоянии. При обжиге они теряют химически связанную воду и при дальнейшем повыше­нии температуры приобретают механическую прочность, свойственную камню.

Залежи огнеупорных глин обычно не отличаются большой мощнос­тью и протяженностью; они образуют линзы и пласты среди песчано-глинистых пород и характеризуются большой изменчивостью своего состава по простиранию и вертикали, переходя в песчанистые разности, пески, гравий, углистые глины и угли.

Огнеупорным глинам свойственны следующие структуры: пелитовая, алевропелитовая, аренопелитовая и органопелитовая. Среди пелитовых струк­тур различают две основные группы: илистые структуры, когда глинистая порода преимущественно состоит из частиц размерами 0,01-0,001 мм, и гелевые структуры, когда преобладают частицы <0,001 мм; часто наблюда­ются смешанные структуры.

Огнеупорные глины характеризуются большим разнообразием текстур и структур. Они встречаются в природе в виде пластичных, тощих и камнеподобных разновидностей, известных под различными наименованиями, например «мыленка», «полусухарь», «сухарь», «кремневка», «кристалл» и т.д.

Многообразны состав и свойства огнеупорных глин. По минералогическому составу глины являются полиминеральными породами, в которых наиболее существенную роль играют каолинит, галлуазит и монотермит (иллит, гидромусковит) - в качестве глинообразующих минералов, а так­же кварц, слюды, гидрослюды, железистые (лимонит, пирит), известковистые (карбонаты кальция и железа) и органические соединения - в ка­честве минералов-примесей.

Кроме них в глинах почти всегда обнаруживаются те или иные акцессорные минералы. По преобладанию породообразующего минерала разли­чаются каолинитовые, галлуазитовые, монотермитовые или смешанные глины. Иногда содержание кварца или слюды бывает столь значительным, что глины делятся по основной минеральной массе на кварцево-каолинитовые или слюдисто-каолинитовые, кварцево-галлуазитовые и т.д.

Минеральные примеси в огнеупорных глинах бывают вредные (загрязняющие) и полезные (повышающие качество). К первым относятся железистые минералы- гидрооксиды железа, пирит, сидерит, а также карбонаты и сульфаты кальция, влияющие на окраску черепка и вызываю­щие образование мушки и выплавок при обжиге и снижение огнеупорнос­ти глин. Присутствие органических примесей в виде углистого вещества или растительных остатков в больших количествах также нежелательно, так как обусловливает высокую пористость черепка и вздутие его при обжиге. Полезными примесями в умеренном количестве могут считаться полевые шпаты или светлые слюды, снижающие температуру спекания глин; гли­ноземистые минералы в виде гиббсита или диаспора повышают огнеупор­ность, термическую стойкость и другие технически ценные свойства глин.

Химический состав, являясь функцией минерального состава, дает количественное представление о содержании в глинах важнейших оксидов (кремнезема и глинозема). По содержанию глинозема глины принято раз­делять: на основные - более 30 % Аl₂О₃, полукислые - от 15 до 30 % А1₂О₃ и кислые - менее 15 % А1₂0_з. Соотношением глинозема к кремнезему определяется химический характер глины: если соотношение близко 1: 2, это свидетельствует о том, что в составе глины преобладают минералы каолинитового типа. Значительные отклонения от указанного соотношения указывают либо на некаолинитовый характер глины (монотермитовый, гидрослюдистый), либо на большое содержание в ней кварца, либо на при­сутствие гидрооксидов алюминия.

При химическом анализе огнеупорных глин определяются, кроме крем­незема и глинозема, содержание Fe₂О_з, ТiO₂, СаО, МgО, К₂О, Nа₂0, поте­ри массы при прокаливании. Помимо классических химических анализов, все чаще применяют спектральные методы анализа глин.

Важнейшее значение для характеристики и технической оценки огне­упорных глин имеет их гранулометрический состав. Содержание различных по величине частиц в глинах сходного минерального состава дает основа­ния судить о физико-технических свойствах глин, позволяет отделить более тонкодисперсные глины от грубодисперсных, дает возможность установить зависимость некоторых важных свойств глин (пластичности, связности, усадки) от гранулометрического состава.

Огнеупорные глины, как правило, весьма разнообразны по грануло­метрическому составу. Пластичные разновидности их характеризуются вы­соким содержанием частиц <0,001 мм (60—80 %), в тощих глинах количествоуказанных частиц снижается в результате увеличения количества «средних» (0,01-0,001 мм) или «грубых» фракций (> 0,01 мм/

Важнейшими физико-керамическими свойствами огнеупорных глин являются пластичность и связность, воздушная и огневая усадка, спекаемость и огнеупорность. Под пластичностью понимают способность глины во влажном состоянии под влиянием внешних воздействий изменять свою форму без разрыва сплошности и сохранять приданную форму тогда, когда это воздействие устранено. Пластические свойства глин проявляются лишь в смеси с водой и с некоторыми другими жидкостями. Эти свойства зави­сят от ряда факторов: минерального состава, степени дисперсности и фор­мы частиц глины, присутствия в ней электролитов и гумусовых веществ, взаимоотношений дисперсной фазы (глинистых частиц) и дисперсионной среды (воды или другой жидкости). Пластичность является обратимым свой­ством глин при нагревании их до 110-150 °С; повышение температуры на­гревания постепенно ухудшает это свойство, после завершения процесса дегидратации глины (450-600 °С) пластичность может совсем исчезнуть. Пластические свойства глины легко снизить введением отощителей (квар­ца, шамота и др.), повышается же пластичность глин только после дли­тельного их вылеживания или тонкого измельчения или же при добавле­нии электролитов. По степени пластичности глинистые породы можно раз­делить на три группы: пластичные, полностью распускающиеся в воде; полупластичные, не полностью размокающие в воде, и непластичные (камнеподобные), совершенно не размокающие в воде. В тесной связи с плас­тичностью находятся другие свойства глин - связность и связующая спо­собность. Под первым понимается способность глины после высушивания на воздухе сохранять приданную ей форму, под вторым - способность связывать трещины другого вещества - отощителя в общую, достаточно прочную при высыхании массу.

С увеличением пластичности глин почти всегда увеличиваются их связ­ность и связующая способность. Полупластичные глины характеризуются низкими показателями этих свойств, непластичные полностью лишены их в естественном состоянии (до измельчения). Рассматривая такие свойства глин, как пластичность, связность и связующая способность, которые про­являются при воздействии воды, необходимо указать на различный харак­тер воды, находящейся в глинах. Вода в глинах содержится в виде: а) гиг­роскопической, б) воды затворения, или задельной, и в) конституцион­ной, или химически связанной.

Гигроскопическая вода поглощается глиной из атмосферного воздуха. Поглощение происходит до состояния так называемого гигроскопического равновесия, когда тело не отдает своей влаги в окружающую среду и не поглощает ее из этой среды.

Содержание гигроскопической воды в глинах находится в зависимос­ти от их гранулометрии, относительной влажности и температуры воздуха и может меняться в пределах от 1-2 до 15-20 %. В огнеупорных глинах содержание гигроскопической влаги обычно колеблется в сравнительно узких пределах (1-3 %). Под водой затворения следует понимать то количество воды, которое необходимо добавить в глину, чтобы она приобрела нормальное пластич­ное (рабочее) состояние, т.е. состояние оптимальной подвижности и формуемости (такое состояние для каждой глины легко установить опытным путем: недостаток этой воды ведет к «сухости», неформуемости глины, избыток же воды — к ее разжижению и липкости).

Количество воды затворения в огнеупорных глинах находится в зави­симости от их состава и свойств и составляет 20-35 %.

Конституционная или химически связанная вода входит в молекулу глинистого вещества - минерала, слагающего данную глину. При нагрева­нии эта вода удаляется, что сопровождается эндотермической реакцией в интервале температур 450-650 °С в зависимости от минерального состава глин. Нагревание вызывает глубокие изменения в структуре глинистого ве­щества, которые первоначально обусловливаются выделением воды, а за­тем его перекристаллизацией, совершающейся в твердой фазе. После уда­ления воды затворения при высущивании глины на воздухе глинистые ча­стицы сближаются между собой, происходит уменьшение объема глины, которое называется воздушной усадкой. Величина ее колеблется в зависи­мости от пластичности глины и способности ее к водопоглощению. Для пластичных разновидностей огнеупорных глин воздушная усадка составля­ет 6-8, для малопластичных 4-6 и для тощих 3-4 %. При обжигах глин на разные температуры одновременно с физико-химическими превращения­ми изменяется их объем, т.е. происходит огневая усадка. В сумме с воздуш­ной огневая усадка характеризует величину полной усадки глины при дан­ной температуре.

Максимум полной усадки соответствует спеканию глины, т.е. такому ее состоянию, при котором происходит наибольшее уплотнение черепка в результате реакций в твердом состоянии. Спекание — важнейшее свойство глин, зависящее главным образом от их минерального состава и в опреде­ленной мере от степени дисперсности. Огнеупорные глины чисто каолинитового состава без примесей — плавней имеют высокую температуру спе­кания, выше 1350-1400 °С; их принято называть трудно- или высокоспекающимися. Глины монотермитового или гидрослюдистого типа спекаются при сравнительно низкой температуре (1150-1250 °С), глины смешанных типов занимают обычно промежуточное положение. Примеси в виде желе­зистых, щелочных и щелочноземельных минералов оказывают большое влияние на спекаемость глин; при их значительном количестве заметно снижается температура спекания, что не всегда является благоприятным показателем, так как одновременно снижается и огнеупорность глин.

Огнеупорные свойства глин зависят прежде всего от их минерального состава. Наивысшие показатели по огнеупорности имеют чистые каолинитовые глины (1750-1770 °С), примеси кварца, слюды, гидрооксидов желе­за и других минералов (кроме гидратов глинозема), в той или иной степени снижают огнеупорность глин; большие количества примесей влекут за со­бой перевод таких глин из класса огнеупорных в класс тугоплавких с тем­пературой плавления ниже 1580 °С.

По данным Российского геологического фонда, на территории стра­ны учтено месторождение огнеупорных глин с суммарными запасами по категориям А + В + С более 2,6 млрд. т. Основная масса запасов огнеупорных глин сосредоточена в России (55 %) и на Украине (37 %). По добыче глин первое место принадлежит России (4,56 млн. т, или 52 %), второе - Укра­ине (3,27 млн. т, или 37 %).

В России большая часть запасов (до 70 %) приходится на Ленинград­ский, Воронежский, Тульский, Свердловский и Челябинский экономические административные районы, которые также занимают ведущее мес­то в добыче огнеупорной глины (86 % добычи по стране). В Новгородской области находятся широко известные Боровичско-Любытинские месторож­дения высококачественных огнеупорных глин (Большевик, Междуречье II, Артем, Брынкино Устье и др.). На базе этих месторождений, разрабатыва­емых преимущественно подземным способом, работает Боровичский ком­бинат огнеупоров.

В Тульской области на базе Суворовской группы месторождений огне­упорных глин (Березовское, Березово-Березовское, Балевское и др.) со­здано Суворовское рудоуправление. Добываемые здесь глины используются огнеупорными предприятиями Центра (Домодедовским, Подольским, Снигиревским. Внуковским заводами и др.) как в сыром, так и в обожженном виде.

В Воронежской области расположено крупнейшее Латненское место­рождение огнеупорных глин. На глинах этого месторождения работает Семилукский огнеупорный завод, они используются также огнеупорными заводами Московской области и некоторыми керамическими и огнеупор­ными предприятиями страны.

Основная масса балансовых запасов огнеупорных глин Свердловской области сосредоточена на трех месторождениях — Белкинском, Троицко- Байновском и Курьинском. Эти месторождения служат сырьевыми базами огнеупорного производства Нижнетагильского металлургического комбината, Богдановического огнеупорного и Сухоложского шамотного заводов.

Наиболее крупными месторождениями огнеупорных глин Южного Урала являются Нижне-Увельское и Бускульское в Челябинской области и Кумакское в Оренбургской области. На Южном Урале разрабатывается Бер­линское месторождение огнеупорных глин, располагающее мощными за­пасами, благоприятными горно-эксплуатационными и транспортными условиями.

В Сибири имеется крупное Трошковское месторождение высококаче­ственных глин, на базе которого работает Восточно-Сибирский огнеупор­ный завод.

Украина располагает мощной, хорошо разведанной сырьевой базой огнеупорных глин различного качества. Добыча высокосортных глин сосредоточена на Часов-Ярском, Ново-Райском, Положском, Кирово­градском и других месторождениях. Добываемые глины не только использу­ются на предприятиях Украины, но вывозятся и в другие страны СНГ.

В Казахстане, помимо Мойского месторождения в Павлодарской об­ласти, из ранее эксплуатируемых Кузнецким металлургическим комбина­том, за последние годы выявлено несколько новых месторождений огне­упорных глин (Карагандинское, Айзин-Томар, Сасык-Кара-Су и др.).

Крупнейшие запасы высококачественных бокситизированных глин в Казахстане. Наибольшее содержание А1₂О₃ имеют бокситсодержащие гли­ны крупнейшего месторождения Турайской группы в Аркалыкской облас­ти (Аркалыкское, Уштобинское, Нижне-Ашутское и др.). Добычу, усред­нение и поставку этого ценного сырья осуществляет Тургайское рудоуп­равление (г. Аркалык). Аркалыкские высокоглиноземистые глины использу­ют ряд предприятий Казахстана и России.

Огнеупорное сырье уникального Аркалыкского месторождения пред­ставлено широким ассортиментом алюмосиликатных пород. Литологичес- кий состав огнеупорных разновидностей сырья варьирует от каолина до боксита включительно, при этом содержание оксида алюминия в породах колеблется в пределах 28-65 %. Главные примесные минералы, отрицатель­но влияющие на физико-керамические свойства, в огнеупорном сырье пред­ставлены преимущественно гидроксидами железа.

Узбекистан располагает несколькими залежами огнеупорных глин, и среди них очень крупным Ангренским месторождением.

В других странах СНГ разведанные месторождения огнеупорных глин не имеют крупных запасов. Некоторые из них эксплуатируются, например Шрошинское - в Грузии, Туманянское - в Армении.

 

Каолины

 

Наряду с огнеупорными глинами для производства шамотных и полу­кислых изделий широко применяют каолины.

Каолин представляет собой типичную осадочную пелитовую горную породу, важнейшими минералами которой являются каолинит и кварц. По происхождению каолины делятся на первичные, или остаточные, отло­жившиеся на месте своего образования, связанные с корой выветривания щелочных алюмосиликатных пород, и вторичные, или переотложенные, перенесенные на большие или меньшие расстояния от мест залегания ма­теринских пород при содействии водной или воздушной среды.

Первичные каолины образуются в результате разложения (выветрива­ния) изверженных, метаморфических и осадочных горных пород, содержащих полевые шпаты и слюды. Важнейший породообразующий минерал - каолинит - образовался главным образом при разложении щелочных алюмосиликатов.

Простейшая схема каолинизации одного из представителей щелочных алюмосиликатов - ортоклаза может быть представлена в следующем общем виде:

К₂О • А1₂О₃ • 6SiО₂ + 2Н₂О + СО₂ =

ортоклаз углекислота

= А1₂О₃ • 2SiО₂ • 2Н₂О + 4Si0₂ + Ка₂СО_з

каолинит кварц поташ

или

К₂О • А1₂О₃ • 6SiО₂ + 2Н₂О = (КН)₂0 • А1₂О₃ • 2SiO₂(0Н)₂ + 4SiO₂.

ортоклаз гидрослюда кварц

 

Залежи вторичных, или переотложенных, каолинов образовались при отложении продуктов химического выветривания коренных пород преимущественно в водной среде. Вторичные каолины по сравнению с первичны­ми отличаются большим разнообразием минерального состава, наличием органических примесей, более высокими показателями пластичности и связ­ности, более тонким гранулометрическим составом. Вместе с тем указан­ные признаки настолько сближают переотложенные каолины с глинами, что иногда крайне трудно провести грань между ними. Переходные типы поэтому могут с равным правом называться и каолинами, и глинами.

Состав и свойства каолина в большой мере определяются условиями их образования. Остаточные каолины характеризуются довольно грубым гранулометрическим составом, они слагаются главным образам частицами 0,1-0,005 мм в диаметре и часто содержат включения крупнозернистого остаточного кварца и неразложившиеся обломки коренных пород. Поэтому для первичных каолинов необходимо обогащение, при котором происходит отделение грубых включений и частиц от «глинистой» составляющей, т.е. частиц размерами 0,01- 0,001 мм и меньше. Существующие разнообраз­ные способы обогащения первичных каолинов в конечном итоге сводятся к получению классифицированного по гранулометрии продукта (концент­рата) с максимально возможным выходом тонких фракций. Отходы от обо­гащения первичных каолинов обычно представляют собой почти чистые кварцевые пески (обычно не более 10 % каолина), которые вполне пригод­ны для использования в промышленных целях. Огнеупорная промышлен­ность также может использовать каолиновые отходы как отощающий мате­риал в полукислых изделиях и в качестве составной части шихты при изго­товлении динаса.

Вторичные каолины по гранулометрическому составу приближаются к глинам и характеризуются значительным содержанием частиц диаметром меньше 0,005—0,001 мм (до 60-80 %). Они обычно не нуждаются в обога­щении, будучи хорошо отсортированными в процессах длительного пере­носа и переотложения.

Химический состав каолинов является функцией их минерального состава. Первичные каолины характеризуются меняющимися количества­ми Si0₂ и А1₂О₃ вследствие непостоянства содержания в них каолинита и кварца по глубине залегания и площади распространения каолинизированных пород. Прочие примеси (в виде слюды, полевых шпатов, лимонита и других минералов), хотя и влияют на общее содержание щелочей, щелоч­ных земель и оксида железа, не имеют решающего значения для оценки химического состава каолинов.

Количество и характер минеральных примесей зависят от состава и текстуры коренной породы и степени ее разложения.

Химический состав переотложенных каолинов более постоянный, не­жели первичных, но вместе с тем и более разнообразный по содержанию отдельных оксидов в силу большей неоднородности их минерального со­става. В процессе переноса каолины ассимилировали различные вещества в виде минеральных составляющих, органических (гумусовых и др.) соеди­нений, а также остатки животного и растительного происхождения.

Физико-технические свойства каолинов зависят также от условий их образования и накопления. Первичные каолины представляют собой низкопластичные («тощие») глинистые породы, почти не обладающие связ­ностью. После обогащения каолинов эти свойства несколько улучшаются. Чешуйчатый характер каолинитовых частиц обусловливает зыбкие свой­ства каолинов, поэтому применение их в керамике и огнеупорах требует добавки высокопластичных глин, выполняющих роль связки.

Пластичность и связующая способность переотложенных каолинов значительно выше, чем у первичных, обогащенных. По этим свойствам вторичные каолины мало отличаются от пластичных глин.

Огнеупорность каолинов, за исключением сильно ожелезненных разновидностей, окрашенных оксидами железа в темно-желтые, бурые, красновато-бурые цвета, характеризуется интервалами 1700-1780 °С, причем первичные приближаются к нижним, а вторичные и обогащенные - верхним предельным температурам плавления.

Почти все каолины являются высокоспекающимся огнеупорным сы­рьем (спекаются в интервале 1450-1500 "С). Поэтому шамотные и полукис­лые огнеупорные изделия, вырабатываемые из каолинов, требуют более высокой температуры обжига, чем изделия из глин. При более высоких температурах обжигу подвергают и каолиновый шамот. Высокий обжиг обес­печивает необходимое уплотнение (спекание) черепка; во время спекания происходят все фазовые преобразования, определяющие в конечном счете свойства готового продукта.

Страны СНГ располагают богатейшими залежами первичных и вто­ричных каолинов, причем первые более широко распространены и харак­теризуются крупными запасами.

По данным Всесоюзного геологического фонда, балансом запасов полезных ископаемых по состоянию на 1 января 1991 г. на территории б. СССР учтено 53 месторождения каолинов, с запасами по категориям А+В +С 3,3 млрд. т. На территории б. СССР разрабатывалось 17 месторожде­ний каолина, общая добыча которого составл51ла около 12 млн. т. Из этого количества 85 % добыто на предприятиях Украины. Здесь известны такие крупные месторождения каолина, как Просяновское в Днепропетровской области, Глуховецкое и Турбовское в Винницкой области, Владимировс- кое, Богородицкое (Белая Балка) и Затишанское в Донецкой области, Новоселицкое в Черкасской области, Положское в Запорожской области и др. Наибольшее значение имеют первичные каолины, представляющие собой основную базу каолинового сырья СССР.

На территории России добыча каолина составляла 14 % общего объема.

Наиболее крупные месторождения каолинов в России находятся на Урале - в Челябинской (Кыштымское, Чекмакульское, Еленинское), Свердловской (Ключевское-Невьянское), Оренбургской областях (Домбаровское). Из сибирских месторождений следует назвать: Туганское в Томс­кой области, Краваль-Балайское в Красноярском крае, Чалганское и Святогоровское в Амурской области.

В Узбекистане разведанные запасы каолина сосредоточены на круп­нейшем Ангренском комплексном месторождении бурого угля, огнеупор­ной глины и каолина.

Месторождения каолина в Грузии, Азербайджане, Казахстане и Кир- гизстане изучены недостаточно, выявленные запасы невелики.

В производстве огнеупоров используют главным образом переотложен­ные каолины, их потребление для этих целей составляет примерно 15- 18 % от общей добычи. Наибольший интерес для изготовления огнеупоров представляют каолины Владимировского, Положского и Новоселицкого ме­сторождений (Украина), лучшие сорта которых позволяют вырабатывать вы­сококачественные шамотные изделия с содержанием глинозема более 40 %.

 

Кварциты и песчаники

Основным сырьем для производства динаса служат кварциты, кварце­вые песчаники и в качестве добавки - кварцевые пески.

Все эти виды кварцевого сырья представляют собой горные породы или минералы, главным образом осадочного и реже магматического про­исхождения

Кварцевые песчаники в зависимости от распределения зернистых и цементирующих составных частей (компонентов) встречаются трех видов:

1) с контактным цементом, когда цементирующее вещество только обволакивает зерна тонким слоем, а поры между зернами остаются пусты­ми или заполнены другим по составу веществом;

2) с пороконтактным цементом, когда и оболочка вокруг близко соприкасающихся зерен, и поровая масса состоят из однородного по составу и свойствам цемента;

3) с базальным цементом, когда последний заполняет все промежут­ки между удаленными друг от друга зернами, являясь в то же время од­нородным по своему составу и свойствам.

Цементирующим веществом в кремнистых песчаниках служат обычно криптокристаллический и реже — аморфный кремнезем. По количествен­ному содержанию его в породе принято различать цементные и кристалли­ческие (бесцементные) песчаники или кварциты. Термин «кварциты» зак­репился в технике за всеми кремнеземистыми песчаниками независимо от геологических условий их образования. Такое обобщение неправильно, так как кварцит является в той или иной степени метаморфизованным песча­ником и принадлежит уже к другой группе горных пород. Динамометаморфизм не мог не сказаться на минеральном составе и структуре кварцитов: они обычно характеризуются весьма плотным, массивным сложением, сплошным сцеплением зерен кварца между собой и почти полным отсут­ствием между ними цементирующего вещества. Такие измененные песча­ники, или, правильнее, кварциты, относятся к типу кристаллических (об­ладают большой твердостью и механической прочностью). Цементные квар­циты отличаются меньшей твердостью и прочностью, чем кристалличес­кие. Содержание цементирующего вещества обусловливает разделение цементных кварцитов на «жесткие» и «мягкие», иногда их дополнительно подразделяют еще на «полужесткие». Во всех случаях цементные кварциты представляют собой конгломерат кварцевых зерен различной формы и ве­личины, сцементированных большим или меньшим количеством скрытокристаллического или аморфного кремнезема. Кремнеземистым цемен­том в них служат мельчайшие зерна вторичного кварца либо халцедон, аморфный цемент представлен опалом с различным содержанием воды. Цементные кварциты (иногда их называют «аморфные») характеризуются различным количеством цементирующего вещества: плотные, или «жест­кие», содержат его 15—50 %, рыхлые, или «мягкие», 70—80 %, «полужес­ткие» кварциты занимают промежуточное положение. Все кварциты и пес­чаники характеризуются общими и специальными техническими показате­лями, отображающими их состав и свойства и позволяющими судить об их природе и качестве как промышленного сырья.

Общей характеристикой этих пород служат: 1) механическая проч­ность; 2) пористость; 3) истинная и кажущаяся плотность; 4) минераль­ный состав; 5) химический состав. Специальные требования содержатся в стандартах или технических условиях и, помимо названных показателей, предусматривают другие, связанные с теми или иными требованиями тех­нологического процесса производства (строительства).

Кварциты и песчаники характеризуются следующими свойствами:

Пористость, %

кристаллические 0,1 - 2,5

цементные 1,0 -12,0

Плотность, г/см^

кристаллические 2,65 - 2,66

цементные 2,63 - 2,66

(иногда 2,42 - 2,51)

Сопротивление сжатию, МПа

кристаллические 25,0 - 35,0

цементные 20 - 80

Минеральный состав кварцитов и песчаников для производства дина­са различается не по главному породообразующему минералу, каковым почти всегда является кварц (β-форма), а по количеству и характеру мине­ральных примесей, присутствующих в них в виде полевых шпатов и слюд, гидрооксидов железа, карбонатов кальция и магния, глинистых минера­лов, гипса и др. Примеси эти в большей или меньшей степени влияют на качество кварцитового сырья. Наличие их устанавливается либо путем визуального осмотра кусков породы (макропримеси), либо микроскопическим исследованием ее в шлифах (микропримеси). Более точное количественное представление о примесях дает химический анализ породы.

Химический состав большинства кварцитов и песчаников для производства динаса относительно постоянный, %:

SiO₂ 92-98 МgО 0,1-0,5 Al₂O₃ 0,5-2,5

Fe₂О₃ 0,2-3,0 Щелочи 0,2-0,5 ∆m_прк 0,2-1,0

СаО.. 0,2-1,5

Важнейшим критерием пригодности кварцевого сырья для производ­ства динасовых изделий является высокое содержание в нем кремнезема (не менее 97 %) и весьма ограниченное вредных примесей, каковыми яв­ляются глинозем, оксид кальция и щелочи. Весьма существенное значение для оценки качества динасового сырья имеет поведение его при обжиге, т.е. скорость перерождения или перехода одной модификации кремнезема в другую, что обусловливается полиморфными превращениями кварца при нагревании.

Использование кварцитов и песчаников для производства динаса требует выполнения лабораторных испытаний, заключающихся в определениях их химического состава, микроструктуры и минерального состава в сыром и обожженном состояниях, установлении степени перерождения кварца в тридимит при высоких температурах (1450 °С), определении огнеупорности, кажущейся пористости, оценки внешнего вида, излома, засоренности посторонними включениями и примесями.

По внешнему виду кварциты и песчаники должны характеризоваться отсутствием заметных включений в виде гнезд или сростков слюды, скоплений и пятен сульфидов и оксидов железа; корочки карбонатов кальция или магния допускаются толщиной не более 0,5-1,0 мм. Они не должны быть загрязнены механическими примесями в виде глинистых примазков, кусочков известняка и других посторонних веществ. Включения слюды и железистых соединений влияют на снижение огнеупорности кварцитов и влекут к образованию крупных выплавок на динасовых изделиях, что отражается на шлакоустойчивости последних. Известковые корочки, попавшие в шихту при помоле кварцита, в результате обжига динаса вызывают появ­ление трещин и разрывов в изделиях вследствие резкого увеличения объе­ма образовавшейся негашеной извести (оксида кальция) при соприкосно­вении ее с влагой воздуха. Наличие глинистых загрязнений также снижает огнеупорность кварцита, а следовательно, и динаса, в который попадают легкоплавкие железистые алюмосиликаты.

Техническими условиями всегда оговариваются требования, предъявляемые к внешнему виду и степени засоренности поставляемого заводам сырья.

Важное значение для оценки качества динасового сырья имеет установление характера его поведения в обжиге при высоких температурах. Определение скорости перерождения кварца в тридимит является важнейшим показателем в технологии динаса. Испытания заключаются в обжиге кварцитов или песчаников при 1450-1460 °С, микроскопическом исследо­вании и определении истинной плотности обожженных образцов. По изме­нению истинной и кажущейся плотности после обжига судят о скорости перерождения кварца. Сравнительно небольшое изменение (уменьшение) истинной плотности обожженного образца против сырого свидетельствует о медленном перерождении, наибольшее понижение - о быстром перехо­де кварца в тридимит. По данному признаку различают:

1) медленноперерождающиеся, 2) среднеперерождающиеся и 3) быстроперерождающиеся кварциты и песчаники, которые и характеризуются соответственно следу­ющей истинной плотностью после однократного обжига: 1 - выше 2,45; 2 - от 2,40 до 2,45 и 3 - ниже 2,40 г/см³.

К первой группе относится большинство кристаллических кварцитов, которые сохраняют после обжига плотную структуру без трещин и разрыхлений. Ко второй группе принадлежат кварцито-песчаники (цементные квар­циты), имеющие после обжига плотную, зернистую в изломе структуру. Кварциты и кварцевые песчаники третьей группы характеризуются либо плотной, роговиковой в изломе, структурой, либо зернистой, песчанико­вой. Ввиду слишком быстрого перерождения во время обжига из них трудно получать изделия без трещин и разрыхления. Поэтому такие кварциты чаще всего используют в качестве добавок в динасовые массы, составленные на основе сырья первой или второй группы.

Россия и страны СНГ располагают разнообразным динасовым сырь­ем, месторождения которого достаточно широко распространены.

По данным геологического фонда, в целом на 1 января 1990 г. учтено 40 месторождений кварцитов и кварцевых песчаников и 12 месторождений кварца, имеющих балансовые запасы по различным категориям. Из них около 45 ме­сторождений содержат сырье, пригодное для производства динаса.

В странах СНГ общие запасы сырья, пригодного для производства динаса, могут быть оценены лишь приблизительно, ибо не все месторожде­ния его достаточно изучены и технологически опробованы применительно к данным целям.

Большая часть балансовых запасов кварцитов и песчаников для производства динаса стран СНГ расположена на территории России.

Производство динасовых огнеупоров удовлетворяется в основном за счет местных сырьевых ресурсов. Первоуральский динасовый завод исполь­зует кристаллические кварциты горы Караульной, находящейся в районе г. Первоуральска Свердловской области, огнеупорный цех Магнитогорско­го металлургического комбината — кварциты Бобровского месторожде­ния, близ г. Троицка Челябинской области.

Огнеупорная промышленность Украины полностью обеспечивается кристаллическими кварцитами Овручского месторождения в Житомирс­кой области.

Для черной металлургии Казахстана подготовлено Ново-Осокаровское месторождение кварцитов в Карагандинской области.

Сырьевая база огнеупорной промышленности стран СНГ при необходимости может быть значительно расширена вводом в эксплуатацию ряда крупных перспективных месторождений кристаллических кварцитов на Украине, Урале, в Сибири, Средней Азии.

 

Высокоглиноземистые материалы

 

Сырьем для производства высокоглиноземистых огнеупоров могут служить природные полезные ископаемые: корунд, андалузит, кианит, силлиманит, дюмортьерит, диаспор, бемит, гидраргиллит, а также боксит.

Корунд представляет собой минерал из класса оксидов, по химическо­му составу отвечающий теоретической формуле А1₂О₃.

В природе корунд встречается как в чистом, так и (более часто) в загрязненном виде. Разновидности прозрачного корунда, окрашенные в различные цвета, представляют собой драгоценные камни (сапфир, ру­бин, лейкосапфир и др.). Твердость корунда равна 9 (по Моосу), истинная плотность 3,9-4,1 г/см³ (в зависимости от примесей), огнеупорность колеблется от 1850 до 2030 °С. Более чистые разновидности корунда содержат 95-98 % А1₂О₃. Зернистый корунд в смеси с магнитным железняком и небольшим количеством кварца называется наждаком. Месторождения ко­рунда связаны с глубинными магматическими породами (корундовыми сиенитами и анортозитами), также образуются контактово-метасоматическим путем в кристаллических известняках по соседству с изверженными породами. Известны примеры образования корунда в результате региональ­ного метаморфизма за счет б