Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Аналитический контроль минерального сырья в производстве силикатных материалов. Учебное пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

06.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

1 / 101 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

С. В. Водопьянова, Г. Г. Мингазова, А. З. Сулейманова

АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ

СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Учебное пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2018

УДК 666.651.2(075)

В62

Водопьянова С. В.

Аналитический контроль минерального сырья в производстве силикатных материалов : учебное пособие / С. В. Водопьянова, Г. Г. Мингазова, А. З. Сулейманова; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 100 с.

ISBN 978-5-7882-2353-7

ББК 35.41я7

В62

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. А. В. Корнилов

д-р хим. наук, проф. Е. В. Сагадеев

Содержит сведения о видах сырьевых материалов, используемых для

получения силикатных материалов, а также стандартные методы определения вещественного состава минерального сырья.

Предназначено для бакалавров всех форм обучения направления

18.03.01 «Химическая технология» (профиль «Технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов»), а также для магистров по программам 18.04.01 «Химия и технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов» и 18.04.01 «Технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов»).

Подготовлено на кафедре «Технология неорганических веществ и

материалов».

УДК 666.651.2(075) ББК 35.41я7

ISBN 978-5-7882-2353-7 © Водопьянова С. В., Мингазова Г. Г.,

Сулейманова А. З., 2018

технологический университет, 2018

ВВЕДЕНИЕ

Силикатными материалами называются материалы, состоя-

щие из смесей или сплавов силикатов, алюмо- и полисиликатов. Они представляют собой твердые кристаллические или аморфные материалы.

В основе силикатных материалов лежит самое распространенное сырье. Содержание в земной коре кремнезема составляет 12 % и плюс к этому еще 75 % SiO2 входит в состав алюмосиликатов. Насчитывается более 1500 видов природных силикатов.

Физические свойства силикатных материалов зависят от их вещественного состава и строения кристаллической решетки.

По происхождению силикаты подразделяются на природные и синтетические материалы.

Природные силикаты (минералы) используют как сырье в различных отраслях народного хозяйства: строительстве, металлургических процессах, производстве керамических материалов на основе глин и других.

При всем многообразии силикатные (синтетические) материалы подразделяются на три группы:

– минеральные вяжущие вещества;

– керамика;

– стекло.

Минеральными вяжущими веществами называют порошкообразные материалы, образующие при смешивании с водой пластичную массу, затвердевающую со временем в прочное камневидное тело.

Керамика – это искусственный камень, получаемый обжигом до спекания минерального (в основном – глинистого) сырья, прошедшего специальную технологическую подготовку.

Стекло – твердое аморфное состояние вещества. Образование стекла происходит при быстром охлаждении расплава веществ, когда затруднены условия кристаллизации. В результате постепенного увеличения вязкости стекло приобретает механические свойства твердых тел.

В наибольших объемах в производстве силикатных материалов используется природное сырье.

Основные его виды по химико-минералогическому составу можно разделить на 5 групп:

– кремнеземистое;

– глиноземистое;

– алюмосиликатное;

– карбонатное;

– сульфатное.

Большинство видов сырья используется во всех трех технологиях. Однако каждая технология предъявляет к конкретному сырью свои специфические требования.

При всех принципиальных отличиях стекла, керамики и вяжущих материалов их получение базируется на одних и тех же видах сырья, меняется лишь их количественное соотношение в сырьевых смесях. Так, кварцевый песок – основной компонент стекольной шихты и силикатных бетонов автоклавного твердения, а в технологии керамики – это добавка-отощитель. Другой пример – карбонатные породы являются основным сырьем в технологии цемента, в то время как при производстве стекла они всего лишь один из компонентов. Глина – основа производства керамики и одновременно – важнейший компонент сырьевой смеси для производства цемента и т.д.

В предлагаемой работе авторы приводят сведения о сырьевых материалах, используемых в технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов, стандартных методах определения вещественного состава сырья (минералогического, химического, гранулометрического), а также некоторые физические свойства сырья. Представленный перечень характеристик является достаточно полным, и на основе полученных результатов можно достоверно оценить качество минерального сырья и дать рекомендации по его использованию для получения различных видов силикатных материалов.

1. МИНЕРАЛЬНОЕ СЫРЬЕ ДЛЯ СИЛИКАТНОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Вещественный состав минерального сырья

Использовать минеральное сырье можно только после длительного изучения его технологических свойств.

Выбор способа технологической переработки базируется на результатах изучения его вещественного состава.

В задачу изучения вещественного состава минерального сырья и оценки его технологических свойств входят следующие стадии:

1) Определение химического состава, т.е. определение со-

держания главнейших химических элементов, входящих в состав минерального сырья.

Результаты определения химического состава силикатных горных пород и минералов выражают в виде оксидов определенных элементов.

Такой способ представления результатов анализа принят по следующим причинам:

– содержание кислорода ввиду отсутствия прямого метода не определяется, и поэтому его распределяют между элементами, в соединении с которыми он может находиться;

– сумма всех кислых и основных оксидов (включая воду), выраженная в процентах, должна быть равна 100, это дает возможность контролировать правильность выполненного анализа, и, кроме того, судить о содержании кислорода: если кислотные элементы (Cl–, F–, S и др.) не связаны с кислородом, их представляют в элементном виде (Cl, F, S и др.): сумма всех данных анализа в этом случае будет больше 100 %;

– при указанном способе выражения результатов анализа выявляется степень окисления элементов, например, соотношение

FeO: Fe2O3.

2) Определение минералогического состава, т.е. установление

наличия и содержания минералов, составляющих сырье, и выявление формы проявления важнейших элементов, входящих в состав сырья.

3) Определение гранулометрического (зернового) состава, т.е.

распределение по крупности минерального сырья в исходном состоянии, а также в продуктах дробления и измельчения.

4) Установление текстурных и структурных особенностей в

строении минерального сырья. Важно определить степень дисперс-

ности включений соответствующего минерала в отдельных

Модификация

Температура плавления

или трансформационного перехода, оС

Плотность,

г/см3

α-кварц

α-кварц ↔ β-кварц – 575 оС

(ΔНо 0,41 кДж/моль)

2,65

β-кварц

β-кварц ↔ β-тридимит – 867 оС.

(0,50 кДж/моль); 1550 оС, расплав

2,53

α-тридимит

α-тридимит ↔ β-тридимит – 115 оС

(0,27 кДж/моль)

2,30

β-тридимит

β-тридимит ↔ β-кристобалит – 1470 оС

(90,12 кДж/моль)

2,25

α-кристобалит

α-кристобалит ↔ β-кристобалит – 270 оС

2,33

β-кристобалит

1705 оС (Δ H

пл

9,6 кДж/моль)

2,23

Аморфный SiO2

1610 оС

2,21

компонентах или вмещающей породы. Характером минеральных включений определяется метод и необходимая степень измельчения минерального сырья.

5) Определение некоторых основных физических свойств

сырья и минералов, его составляющих (истинная плотность, насыпная плотность, твердость, влажность и др.).

1.1. Кремнеземистое сырье

Кремнезем – один из наиболее распространенных компонентов земной коры. В ней содержится 58,3 % мас. SiO2, причем в виде самостоятельных материалов (кварца, опала, халцедона) – до 12,6 % мас. SiO2.

Кремнезем является сырьем для производства бетонов, тонкой керамики, огнеупоров, стекла, эмали и др.

Кристаллические модификации SiO2. Диоксид кремния относится к тугоплавким оксидам (температура плавления – более

1700 °С). Кремнезем образует три основных группы модификаций:

1) группа кварца, в которую входят α-кварц и β-кварц;

2) группа тридимита, содержащая α-тридимит, β-тридимит и

γ-тридимит;

3) группа кристобалита, содержащая α-кристобалит и

β-кристобалит (таблице).

Структура и свойства различных форм кремнезема

Кварц является наиболее распространенной формой кремнезема. Он широко распространен в природе, где главным образом встречается в виде минерала кварца, а также тридимита и кристобалита.

С ростом температуры происходят полиморфные превращения:

870 °С 1470 °С 1728 °С

кварц тридимит кристобалит расплав

Как внутригрупповые, так и межгрупповые превращения сопровождаются изменением плотности, а, следовательно, и объема.

Кварц обладает повышенной химической стойкостью к кислотам и щелочам, лишь при высоких температурах вступает во взаимодействие со щелочами. Растворяется в плавиковой кислоте, диэлектрик (электрический ток не проводит). Твердость его равна 7.

SiO2 является стеклообразующим оксидом. Оксид кремния является ценным минеральным сырьем. Он используется в генераторах ультразвука, в оптических приборах, в радиоаппаратуре и телефонной оптике (как пьезоэлектрик). Является основным сырьем в стекольной и керамической промышленности (чистый кварцевый песок и горный хрусталь). Применяется в производстве кварцевого стекла и кремнеземистых огнеупоров. В ювелирном деле многие разновидности используются как поделочные камни.

Аморфной разновидностью кремнезема является опал –

SiO

nH2O (гидрогель). Содержание воды в опалах обычно достига-

ет пределов от 1 до 5 %, иногда доходит до 20 %, некоторые виды опалов могут содержать до 34 % воды. При высыхании опалы теряют часть воды. Большая часть воды у одних видах опалов удаляется при нагревании до 100°С, у других – выше этой температуры. Примесями являются Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO и другие.

Твердость опала – 5–5,5, плотность – 1,9–2,5 г/см3. Хрупок, излом – от неровного до раковистого. Аморфный кремнезем более активен, чем кварц. Под паяльной трубкой сильно растрескивается, но не плавится. В кислотах не разлагается. Довольно легко растворяется в KOH и в НF.

Кварц и кварцевые материалы в природе

Кварцевые пески

К песчаным относятся зерна размером от 0,05 до 2,0 мм, к гравийным – от 2,0 до 10,0 мм. В основном к пескам относятся рыхлые зернистые породы с крупностью зерен от 0,1 до 1,0 мм. Пески в зависимости от размера зерен подразделяются следующим образом:

– более 2 мм – гравий;

– от 2 до 1 мм – очень крупный (грубый) песок;

– 1 до 0,5 мм – крупный (грубый) песок;

– 0,5 до 0,25 мм – средний песок;

– 0,25 до 0,1 мм – мелкий (тонкий) песок;

– 0,1 до 0,05 мм – очень мелкий (тонкий) песок;

– 0,01 – ил, глина.

По минералогическому составу различают пески кварцевые, полевошпатные, известняковые, доломитовые и другие, образовавшиеся в результате выветривания соответствующих горных пород.

Кварцевые пески являются продуктом выветривания кварцсодержащих пород. По условиям образования различают: овражный песок с зернами остроугольной формы, нередко загрязненный глинистыми примесями; речной песок – это довольно однородная и достаточно чистая порода, отличающаяся от овражного песка большей окатанностью зерен; морской песок – совершенно отмученный от глинистых примесей, для которого характерны исключительная окатанность зерен; дюнный песок – самый легкий и мелкий, он отлагается под действием ветра на морском побережье.

Пески состоят преимущественно из минерала кварца, который наиболее устойчив к химическому выветриванию. Чистые кварцевые пески светлой окраски являются мономинеральными породами. Смешанные (полимиктовые) пески состоят из смеси минералов, в которых кроме кварца находятся полевые шпаты, слюды, амфиболы и др. Среди них наибольшее распространение имеют аркозовые пески красного или серого цвета, преимущественно кислого полевошпатового состава с небольшой примесью кварца и других минералов.

Вредной примесью в песках являются глинистые и пылеватые фракции (0,05–0,005 мм), карбонаты, оксиды железа. При оценке качества песка как строительного материала учитывают его

минералогический и гранулометрический составы, форму зерен, физические свойства, такие как пористость, коэффициент фильтрации и др. Плотность песков – 2,64 г/см3, а средняя плотность – 1800 кг/м3.

Наиболее чистые пески применяются в производстве стекла, непрозрачного кварцевого стекла и тонкой керамики. Достаточно чистые пески входят в состав масс для литейных форм. Более загрязненные пески также используются в производстве грубой керамики, керамического кирпича, при приготовлении растворов и бетонов.

Кварцевые пелиты (маршалиты) – рыхлая порода, состоящая из зерен кварца размером меньше 0,06 мм. Пелиты применяются в производстве огнеупоров, тонкой керамики, в литейном деле и др.

Песчаники являются осадочными породами, состоящими из зерен кварца и связующего цемента – кварцевого, халцедона, опала и др. Они возникли при проникновении в толщу кварцевого песка водных растворов цементирующих веществ. Песчаники применяются в строительстве.

Песчаники, сцементированные кремнеземом, называются кварцитами. Они метаморфизировались в результате окварцевания и перекристаллизации цемента, вследствие большой твердости трудно обрабатываются. Кварциты используются при производстве динаса и ферросилиция.

Тридимит встречается в небольших количествах в вулканических породах. Также известен тридимит метеоритного происхождения. Он образуется лишь в присутствии минерализаторов. Является ценной минералогической составляющей динаса, ограничивающей его расширение при нагревании.

Кристобалит, подобно тридимиту, в природе встречается редко. Иногда встречается в виде мелких кристаллов, включенных в лаву. Он представлен в природе также в виде волокнисто-столбчатых сферулитов минерала луссатита.

В природе чаще всего встречаются следующие разновидности аморфного кремнезема.

Диатомит – осадочная порода, образованная из панцыревых остатков одноклеточных микроскопических водорослей – диатомей. Опаловая порода, состоящая в основном из скелетов радиолярий, называется радиоляритом. Опаловая осадочная порода, состоящая из

мельчайших телец опала без признаков строения скелетных или панцирных частей организмов, называется трепелом. Уплотненной разновидностью трепела является опока.

Плотность диатомита – 2,03–2,20 г/см3.

Применяется как адсорбент, мягкий абразив, фильтрующее и очищающее средство, огнеупорный материал.

Опока – прочная, тонкопористая кремнеземистая горная порода, состоящая из водного аморфного кремнезема (до 97 %) с примесью песка и глинистых частиц. Цвет от светло-серого до темносерого, почти черного. От сходных по составу трепелов отличается большей однородностью, раковистым изломом, а также большей плотностью (2,3–2,4 г/см3).

Чистые сорта опоки используются в качестве адсорбентов. Используется в качестве гидравлической добавки в цементах.

Трепел – тонкопористая осадочная горная порода рыхлая или слабо сцементированная. Состоит из микроскопических зерен опалового кремнезема. По физико-химическим свойствам близок к диатомиту, но содержит мало органических остатков. Трепел содержит 2–10 % воды и много примесей (оксиды железа и алюминия, оксиды кальция и магния и др.). Цвет – от белого и сероватого до бурового, красного и черного.

Плотность – 0,7–1,15 г/см3, твердость 1–3, пористость 55–69 %.

Применяется как изоляционный, фильтрующий, абразивный, строительный материал, наполнитель, адсорбент и др.

Чистые трепелы и диатомиты огнеупорны. Они применяются в качестве гидравлической добавки при производстве тепло- и звукоизолирующих материалов, жидкого стекла по мокрому способу, обесцвечивании нефти и масел.

Халцедоны SiO2 – широко распространенные в природе метаколлоидные минералы кремнезема. Агрегаты халцедонов имеют вид сплошных масс и различных натеков. Под микроскопом для них характерно радиально-лучистое строение; весьма обычны сферолиты и сферолитоподобные агрегаты, иногда наблюдается выделение мелких кристаллов кварца. Окраска халцедонов весьма различная.

Твердость – как у собственно кварца. Плотность –

2,59–2,61 г/см3, т.е. несколько меньше, чем у кварца.

1 / 101 2 3 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]