Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Аналитический контроль минерального сырья в производстве силикатных материалов. Учебное пособие
.pdf
1.2. Глиноземистое сырье
По распространенности в земной коре Al2O3 занимает второе
место после кремнезема (15,2 % мас.).
В природе встречается в виде корунда Al2O3 и гидроксидов:
гидраргиллита (гиббсита) Al(OH)3, бемита λ-AlO(OH), диаспора
α-AlO(OH), являющихся составной частью бокситов. Оксид алюминия
входит в состав многих глинистых минералов, полевых шпатов,
фельдшпатитов, минералов группы силлиманита, пироксенов и
амфиболов.
Глиноземистые минералы
Корунд – α-Al2O3 – высокотемпературная модификация
глинозема. Разновидности: наждак (зернистые агрегаты голубоватого
цвета), лейкосапфир (бесцветные разновидности), сапфир (синий).
Содержит примеси железа (до 2 %), хрома, титана, никеля и др.
элементов.
Корунд имеет высокую твердость (второй после алмаза) – 9,
высокую температуру плавления (2047 оС), плотность 3,95–4,10 г/см3.
Отличается высокой устойчивостью к действию кислых и основных
шлаков, металла и стекла, восстановительных и окислительных
реагентов.
Корунд встречается в виде рассеянных зерен и вкрапленности
в нефелиновых сиенитах, метаморфических породах.
Гиббсит (гидраргиллит) – Al(OH)3. Встречается в бокситах в
виде геля и мельчайших лучисто-листоватых агрегатов кристаллов и в
других видах. Цвет – белый или сероватый, зеленоватый, красноватый.
Твердость – 2,5–3,5, плотность – 2,43 г/см3. Медленно
растворяется в концентрированной H2SO4 и легко – в горячих
щелочах. При 196–202 оС гидраргиллит переходит в бемит, а при
950 оС – в γ-Al2O3.
Бемит – λ-AlO(OH) – иногда содержит примеси Ga2O3 и Fe2O3.
Встречается в виде тонкодисперсного скрытокристаллического
вещества. Цвет – бледно-желтый, также встречаются и бесцветные
разновидности.
Твердость – 3,5–4,0, плотность – 3,019 г/см3. В кислотах не
растворяется.
Диаспор – α-AlO(OH). Может содержать в качестве
изоморфных примесей Fe2O3 (до 7 %), Cr2O3 (до 5 %). Образует
плотные гелеподобные или микрозернистые и мелкочешуйчатые
11
агрегаты. Цвет – белый, желтовато-бурый, зеленоватый, светлофиолетовый.
Твердость – 6–7, плотность – 3,3–3,5 г/см3. В серной кислоте и
щелочных средах разлагается только при нагревании. При нагревании
постепенно переходит в α-Al2O3.
Нефелин – N3K(AlSiO4)4. Встречается в виде зернистых
массивных агрегатов. Чистые разновидности бесцветны. Примеси
придают нефелинам серовато-зеленый цвет.
Твердость – 5,5–6, плотность – 2,6 г/см3. Растворяется в
соляной кислоте с образованием осадка алюмокремниевого гидрата.
Температура плавления – 1100 оС.
Глиноземистые породы
Боксит – горная порода, состоящая в основном из минералов гидрооксидов алюминия – гиббсита, бемита, диаспора. В качестве примесей для бокситов характерны оксиды и гидроксиды
железа, каолинит, корунд. В небольших количествах встречаются
силикаты и карбонаты кальция и магния. Наиболее высокое
содержание Al2O3 в бокситах может достигать до 52 %, наиболее
низкое – 28 %.
В зависимости от химического состава и содержания примесей
бокситы применяют для получения электрокорунда, глинозема,
огнеупоров, цементов.
Нефелиновые шламы – шламоподобный продукт, содержащий
80–85 % белита (2CaO∙SiO2). Эти шламы получают как побочный
продукт при переработке нефелина в производстве глинозема, соды,
поташа. Нефелин перерабатывают термической обработкой известково-нефелиновой шихты с получением спека. В спеке глинозем и
щелочи находятся в виде растворимых щелочных алюминатов, а
кремнезем связан в виде нерастворимого в воде белита. Нефелиновый
шлам белитового состава в виде порошка используют в основном как
сырье в производстве портландцементного клинкера.
1.3. Алюмосиликатное сырье
Алюмосиликаты представляют собой группу природных и
синтетических силикатов, в которых алюминий замещает кремний в
кремнекислородном мотиве. Комплексные анионы – [AlSiO4]–,
[Al2Si3O10]2−, [AlSi4O10]−, в качестве катионов выступают Na+, K+, Mg2+,
Ca2+, Fe2+, Mn2+, а иногда Ba2+ и Li+.
12
Наиболее распространенными минералами являются природные, на их долю приходится до 50 % массы земной коры. К ним
относятся полевые шпаты, глинистые минералы, слюды.
Алюмосиликатные минералы
Полевые шпаты – самый распространенный вид минералов,
слагающих на 57,9 % толщу земной коры. Характерная особенность
минералов этой группы – их способность образовывать изоморфные,
бинарные ряды. По химическому составу полевые шпаты
подразделяются на калиево-натриевые, известково-натриевые (или
натриево-кальциевые) и калиево-бариевые.
Химическая формула калиево-натриевых полевых шпатов –
K2O∙Al2O3∙SiO2 или Na2O∙Al2O3∙6SiO2. Структурная формула –
(K, Na)[AlSi3O8] или K[AlSi3O8].
В природе наиболее распространены ортоклаз и микроклин,
имеющие общую формулу K[AlSi3O8] и содержащие Na2O в
количестве нескольких процентов. Ортоклаз имеет белый, кремовый
или розовый цвет в зависимости от вида примесей.
Твердость – 6–6,5. Плотность – 2,6 г/см3.
Известково-натриевые полевые шпаты представляют собой
смесь альбита Na[AlSi3O8] и анартита Ca[Al2Si2O8], смешивающихся в
различных пропорциях.
Альбит – член изоморфных рядов плагиоклазов и калиево–
натриевых полевых шпатов. В плагиоклазовом ряду к альбитам
относятся крайние минералы, содержащие 90–100 % Na[AlS3О8] и до
10 % Ca[Al2Si2О8].
Твердость – 6–6,5. Плотность – 2,6–2,63 г/см3.
Анартит – минерал бесцветный или белый, серый, иногда –
желтоватый, красноватый. Твердость – 6–6,5. Плотность – 2,76 г/см3.
Глинистые минералы
Каолинит – Аl2О3∙2SiO2∙2Н2О, Al4[Si4O10](OH)8 – входит в
состав осадочных пород, глин, мергелей, глинистых сланцев и др.
Цвет – белый, часто окрашен примесями в красноватый, коричневый
или серый. Атомные (изоморфные) замещения незначительны или
отсутствуют.
Твердость – 1. Плотность – 2,54–2,6 г/см3.
Монтмориллонит
– Al2O3 · 4SiO2 · H2O · nH2O,
(Al2,Mg3)[Si4O10](OH)2 ∙ H2O.
Наиболее характерные цвета монтмориллонита – белый,
белый c сероватым оттенком, голубоватый, бледно-розовый, цвета
13
буйволовой кожи, красный, желтый, зеленовато-желтый, зеленый,
черный. Такая разнообразная окраска монтмориллонита связана с
наличием в его составе элементов-примесей. Например, оттенки от
розового до красного в окраске монтмориллонита обусловлены
повышенным содержанием марганца; черный цвет вызван большим
содержанием органического вещества. Твердость – 1,5–2,5.
Плотность – 1–2 г/см3.
Он характеризуется способностью к разбуханию в присутствии
воды, увеличиваясь в объеме до 20 раз. Является породообразующим
минералом бентонитовых глин.
Главной особенностью монтмориллонита, в отличие от каолинита, является способность к адсорбции различных ионов (в основном, катионов), а также к ионному обмену. Такое различие обусловлено строением его кристаллической решетки. Наличие изоморфных
замещений, огромная удельная поверхность (до 600–800 м2/г) и
легкость проникновения ионов в межпакетное пространство
обеспечивают значительную емкость катионного обмена монтмориллонита (80–150 ммоль экв/100 г).
Гидрослюда (иллит) – К2О∙MgO∙4Аl2О3∙7SiO2∙2Н2О и др.
Отличие заключается в дефиците щелочей и более высоком
содержании воды, как молекулярной, так и в форме оксониевого
катиона Н3О+. Общая формула гидрослюды:
Kx(Al, Mg, Fe)2∙3 ∙[Si4∙xAlxO10]∙(OH)2∙nH2О,
где х = 0,5, … n.
Цвет – белый, светло-серый, в зависимости от вида примесей
может быть окрашен в другие оттенки. По составу схожи с
мусковитом, но содержат меньше K и больше Si. Твердость – 1–2.
Плотность – 2,5–3,0 г/см3.
Слюды
Мусковит и флогопит – минералы группы слюд. К основным
минералам относятся мусковит KAl2[AlSi3O10(OH, F)2] и флогопит
KMg3[AlSi3O10(F,OH)3]. Окраска мусковита – бесцветная или с
бледными оттенками зеленого, серого или коричневого, флогопита –
от бледно-желтой до коричневой или зеленоватая и коричневатая.
Твердость мусковита – 2–3, плотность – 2,8–2,9 г/см3.
Мусковит устойчив к действию кислот. Твердость флогопита – 2,5,
плотность – 2,8–3,4 г/см3, повышающаяся с увеличением содержания
железа.
14
Полевые шпаты. В составе полевых шпатов в виде
структурных изоморфных примесей могут присутствовать барий,
титан, железо, магний и др. Ряд химических элементов привносится с
тонкодисперсными включениями других минералов: гематита,
ильменита, рутила. Вследствие этого химический состав природных
полевых шпатов значительно отличается.
Общая формула:
WAl(Al,Si)Si2O8,
где W = Na, K, Ca, Ba.
Особенностью полевых шпатов является способность плавиться при низких температурах с образованием стекла. Эта особенность позволяет широко применять их в промышленности. После
сплавления полевых шпатов с другими составляющими (каолином,
кварцем и др.) образуется плотный просвечивающий белый черепок,
который называется фарфором.
В зависимости от содержания кварца сырье подразделяют на
полевошпатовое (кварца менее 10 %), кварцево-полевошпатное
(кварца не более 30 %).
Общий показатель, определяющий основное различие требований потребителей к качеству полевошпатового сырья – отношение содержания оксида калия к оксиду натрия (калиевый модуль). По этому
показателю полевошпатовую продукцию подразделяют на группы:
– высококалиевое сырье с калиевым модулем не менее 3,
которое используется в электротехнической и абразивной промышленности, а также для изготовления сварочных электродов;
– калиевое сырье с модулем не менее 2 для фарфоро-фаянсовой
и электротехническое промышленности;
– калий-натриевое сырье с модулем не менее 0,9 для
строительной керамики;
– натриевое сырье с ненормированным калиевым модулем для
стекольной промышленности, производства эмалей и др.
По гранулометрическому составу полевошпатовую и кварцполевошпатовую продукцию подразделяют на тонкомолотую – размер
частиц менее 0,063 мм, молотую – менее 1,25 мм и кусковую –
20–200 мм.
Основные потребители полевошпатного сырья: стекольная,
фарфорово-фаянсовая, строительно-керамическая, электротехническая
промышленность.
15
Глинистое сырье
Глинами называются осадочные горные породы, состоящие в
основном из глинистых минералов (каолинита, монтмориллонита и
гидрослюд) и примесей других минералов и обладающие пластичностью.
Глинистые материалы образуются на поверхности земной коры
в результате различных геологических процессов. Наиболее активным
из них является выветривание, т.е. механическое разрушение и
физико-химическое разложение горных пород, содержащих кремнезем
SiО2 и глинозем Аl2О3.
Главными химическими элементами глинистых пород
являются SiO2, А12О3, Н2О, в подчиненных количествах присутствуют
TiO2, Fe2O3, FeO, MnO, MgO, CaO, Na2O, K2O, SO3 и органические
вещества.
Мономинеральные глины состоят преимущественно из
одного минерала, полиминеральные глины – из нескольких
минералов.
Мономинеральные глины, состоящие преимущественно из
каолинита или минералов каолинитовой группы, называются
каолином. Каолин, в отличие от других глин, содержит больше оксида
алюминия Аl2О3, обладает меньшей пластичностью и свойством
придавать повышенную белизну обожженному керамическому
материалу.
В составе глинистого сырья в виде примесей встречаются
зерна кварца, слюды, полевых шпатов, оксиды и гидрооксиды железа
и марганца, а также органические вещества, растительные и животные
остатки.
Важнейшие свойства глин: пластичность, набухание, усадка,
огнеупорность, спекаемость, способность образовывать устойчивые
суспензии.
Классификация глин:
– по содержанию красящих оксидов (Fe2O3 + ТiO2), от которого
зависит цвет глиняного черепка, глины подразделяют на четыре
группы:
а) с весьма низким содержанием (до 1 %) красящих оксидов;
б) с низким содержанием красящих оксидов (менее 1,5 %
Fe2O3, менее 1 % ТiO2);
в) со средним содержанием красящих оксидов (1,5-3 % Fe2O3,
1–2 % ТiO2);
16
г) с высоким содержанием красящих оксидов (более 3 % Fe2O3,
более 2 % ТiO2);
– по минеральному составу (преобладающему содержанию
того или иного глинистого минерала) различают каолинитовые,
гидрослюдистые (в том числе глауконитовые), монтмориллонитовые,
палыгорскитовые и полиминеральные (смешанного состава) глины;
– по содержанию глинозема в прокаленном состоянии
глинистые породы подразделяются:
а) на высокоглиноземистые (свыше 45 % А12О3);
б) высокоосновные (38–45 % А12О3);
в) основные (28–38 % А12О3);
г) полукислые (14–28 % А12О3);
д) кислые (менее 14 % А12О3).
Глинистые породы используется в производстве изделий
строительной, грубой и тонкой керамики, огнеупорных материалов,
цемента, керамзита, а также для очистки нефтепродуктов и жиров,
окомкования железорудных и флюоритовых концентратов, в литейном
производстве, буровом деле, химической промышленности.
Каолины. Породообразующим минералом является каолинит.
Характеризуется наличием значительного количества частиц меньше
0,01 мм. Каолины обычно бывают светлыми до чисто белого цвета и
содержат примеси кварца, опала, а также близкие к каолиниту
минералы (монтмориллонит и др.).
По происхождению каолины делятся следующим образом:
– первичные – образовавшиеся на месте залегания; такие
каолины содержат значительное количество кварца и примеси
мусковита, гидроксидов железа, магнетита и др.; по химическому
составу первичные каолины отличаются от каолинита по содержанию
SiO2;
– вторичные – переотложенные первичные каолины, которые
по составу чище первичных; кварц и остатки иных минералов в них
практически отсутствуют.
Каолин является основным сырьем для производства
художественных и хозяйственных фарфоровых и фаянсовых изделий,
керамики, облицовочных плит, а также для бумажной и резиновой
промышленности.
Первичные каолины обычно применяют в обогащенном виде,
вторичные же используются необогащенными.
Огнеупорность каолинов – 1750–1800 °С.
17
Бентонитовые глины (бентониты) – тонкодисперсные
породы, состоящие преимущественно из глинистых минералов
монтмориллинитовой группы с более или менее значительной
примесью кварца, каолинита, гипса, цеолита, биотита, пирита, оксидов
железа и др. Окраска – голубовато-зеленого, серого, желтого или
коричневого цвета, в зависимости от вида примесей.
Для бентонитов характерны высокая дисперсность и пластичность, клейкость и высокая связующая способность, сильная
набухаемость в воде, высокая водопоглощаемость, высокая сорбционная способность и хорошие отбеливающие свойства. Огнеупорность
бентонитов – 1350–1430 °С, температура спекания 900–950 °С.
1.4. Карбонатное сырье
К карбонатам относятся соли угольной кислоты H2CO3. Количество карбонатных отложений в земной коре составляет 15–25 % от
всех осадочных образований. Наиболее распространены карбонаты
кальция и магния. Из других чаще встречаются карбонаты железа,
натрия, бария, меди и др.
Большинство карбонатов образуется путем выветривания
из горячих и холодных водных растворов. Они могут образовываться и вследствие жизнедеятельности организмов (известнякракушечник, мел). Основная масса карбонатов относится к осадочным
породам.
Карбонаты используются как естественные строительные
(каменные) материалы (известняк, мрамор, доломиты, магнезиты), а
также как сырье для производства искусственных строительных
материалов, огнеупорных материалов, в химической промышленности.
Карбонатные минералы
Кальцит – СаСО3. Для него характерна высокая способность к
изоморфным замещениям. Он образует изоморфный ряд с карбонатами марганца и неполный ряд с карбонатами железа, цинка, кобальта,
магния. Содержит примеси стронция, бария, свинца. Цвет – белый,
встречаются бесцветные разновидности.
Твердость – 3, плотность – 2,7–2,8 г/см3. Термическая
диссоциация с образованием оксида кальция и диоксида углерода
происходит на воздухе при температуре 900 оС. Легко растворяется в
холодной разбавленной соляной кислоте со вскипанием.
18
Арагонит – СаСО3. Часто содержит примеси стронция
(до 5,6 %). Является полиморфной разновидностью кальцита. Отличается формой кристаллов и повышенной твердостью. Бесцветный,
белый, серый, фиолетовый до черного.
Твердость – 3,5–4,0, плотность – около 3,0 г/см3.
Магнезит – MgCO3. Встречается в виде кристаллической и криптокристаллической (массивной, аморфной) разновидности. Примесями в нем являются CaCO3, FeCO3, MnCO3, Al2O3
и SiO2.
Диаметр иона кальция на 36 % больше, чем диаметр иона
магния, поэтому они не замещают друг друга изоморфно. Радиусы
ионов магния и железа различаются только на 6 %, и они могут
замещать друг друга, составляя ряд от магнезита через брейнерит
(от 5 до 30 % FeCO3) до седерита, а также ряд от доломита до
CaCO3∙FeCO3. Вследствие изоморфной несмесимости на месторожде-
ниях магнезита, кальцит и доломит находятся как механические
примеси.
Твердость – 4,0–7, плотность – 2,9–3,1 г/см3. В соляной кислоте
слабо растворяется в тонкоизмельченном виде. Термическая диссоциация на воздухе с образованием оксида магния и диоксида углерода происходит при 690–690 оС. Входит в состав некоторых метаморфических горных пород (хлоритовых и тальковых
сланцев).
Доломит – СаСО3·MgCO3. В виде изоморфных примесей
содержит двухвалентное железо, марганец, кобальт, свинец, цинк.
Из минералов-примесей встречаются глинистые минералы, гидроксиды железа и др. Цвет – серовато-белый, часто с желтым, зеленоватым
или красноватым оттенками.
Твердость – 3,5–4,0, плотность – 2,9–3,2 г/см3. В соляной
кислоте растворяется только при нагревании в тонком порошке.
Термическая диссоциация на воздухе происходит в две стадии:
1) 600–690 оС; 2) 900–950 оС.
Карбонатные породы
К ним относятся породы, состоящие главным образом из
кальцита и доломита, обычно с той или иной примесью песчаных и
глинистых частиц. Основными их представителями являются
известняки, доломиты и мергели.
Известняки являются одной из наиболее распространенных
карбонатных пород. Они сложены в основном кальцитом, реже –
19
арагонитом. В виде примесей в известняках встречаются глинистые
минералы, глинозем и доломит. Иногда они содержат сидерит, оксиды
и гидроксиды железа, гипс, сернистые минералы и органическое
вещество. Окраска известняков весьма разнообразна и зависит от
примесей.
Плотность – 2–2,6 г/см3 (у ракушечников – 1,2–1,5 г/см3).
Известняки используются в металлургии (флюсы), строительстве, химической промышленности и др.
В зависимости от условий образования среди известняков
выделяют несколько типов.
Органогенные известняки. Они образуются в результате
массового накопления и последующего диагенеза на дне моря
скелетов и раковин мелких морских животных. Процесс отложения
может идти или путем непосредственного образования плотных масс
(коралловых известняков), или путем выделения организмами
химического вещества, которое вступает в реакцию с соединениями,
растворенными в воде. В результате происходит отложение карбоната
кальция. Этот процесс носит название биохимического. При построении скелета или раковины организмы поглощают различные
вещества из раствора. После их смерти твердые части – скелеты и
раковины – скапливаются на дне моря: этот процесс – биомеханический.
Органогенные известняки – плотные или мелкокристаллические породы, содержащие то или иное количество скелетных
остатков. В тех случаях, когда они состоят из полностью
сохранившихся раковин, их называют ракушечным известняком, или
ракушечником.
К органогенным известнякам относится мел, очень мягкая,
тонкозернистая порода, состоящая из частиц кальция с незначительной примесью глинистых и песчаных частиц. Основную
массу мела составляют остатки органогенного происхождения.
Они отличаются чистотой состава, иногда состоят исключительно из
СаСО3.
Плотность мела – 1,5–1,6 г/см3, пористость – 40–50 %,
естественная влажность – до 25–35 %.
Мел широко применяется в лакокрасочном производстве, как
наполнитель в бумажной и резиновой промышленности, используется
для производства стекла, извести, цементов.
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]