CC BY
26
УДК 541.183
А. А. Щербаков (асп.)1, М. С. Клепиков (асп.)1, Н. Ф. Солодкий (к.т.н., науч. конс.)2, А. С. Сериков (асп.)1, В. В. Рукавишников (к.х.н., ст. преп)3, В. М. Жестков (к. т. н, доц.)4,
В. А. Белевитин (д. т. н., проф., зав. каф.)5
Физико-химические исследования кондиционных и некондиционных глин Нижнеувельского месторождения
Челябинской области
1 Челябинский государственный педагогический университет, кафедра химии
454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 69; e-mail: [email protected] 2ООО «Керамическое бюро» 457040, г. Южноуральск, Спортивная 13; e-mail: [email protected] 3Челябинский государственный университет, кафедра физической химии 454021, г. Челябинск, ул. Братьев Кашириных, 129; e-mail: [email protected] 4Южно-Уральский государственный университет 454080, г. Челябинск, пр. Ленина, 76 5Челябинский государственный педагогический университет, кафедра автомобилей и автомобильного хозяйства общетехнических дисциплин 454080, Челябинск, пр. Ленина, 69, e-mail: [email protected]
А. А. Sherbakov1, M. S. Klepikov1, N. F. Solodkii2, A. S. Serikov1, V. V. Rukavishnikov3, V. M. Zhestkov4, V. A. Belevitin5
Chemical composition of the conditioned and nonconditioned Nigneuvelyskaya's clay Chelyabinsk region
1 Chelyabinsk State Pedagogical University 69, Lenin Av., Chelyabinsk, Russia, 454080, e-mail: [email protected]
2«Ceramic Desk»»
13, Sportivnaya, Yuzhnouralsk, Russia, 457040, e-mail: [email protected]
3 Cheliabinsk State University
129, BratievKashirinih str, 454021, Cheliabinsk, Russia, e-mail: [email protected]
4 South Ural State University
76 Lenin av., 454080, Chelyabinsk, Russia 5 Chelyabinsk State Pedagogical University 69, Lenin av., 454080, Chelyabinsk, Russia, e-mail: [email protected]
Физико-химическими методами (рентгено-структурный анализ, дифференциально-термический анализ, масс-спектрометрия, атомно-эмиссионная спектроскопия) исследованы физико-химические свойства и химический состав глины Нижнеувельского месторождения. Образцы глины взяты из забоя действующего карьера и с отгрузочного склада. Проведен фракционный анализ глин, для каждой фракции и валовой пробы осуществлен химический анализ. Установлено, что глина Нижнеувельско-го месторождения относится к полукислому глинистому сырью. Установлена эмпирическая формула для Нижнеувельской глины.
Ключевые слова: Нижнеувельская глина; физико-химические свойства глин.
Дата поступления 02.09.11
Chemical composition of the Nigneuvelyskaya's clay was characterized by physical-chemistry methods (X-ray diffraction, differential thermal analysis, mass spectrometry, atomic emission spectroscopy). Samples were taken from a clay face acting career and shipping stock. Was also conducted fractional analysis of clay for each fraction and bulk samples was carried out chemical analysis. It was investigated that the Nigneuvelyskaya's clay could be classified as semiacidargillous raw material. It was found the empiric formula of the Nigneuvelyskaya's clay.
Key words: Nigneuvelyskaya's clay physical-chemical properties of clays.
Глинистые породы, благодаря наличию технически ценных свойств и доступности, имеют широкое применение в различных отраслях промышленности 1 Они используются в производстве изделий строительной, грубой и тонкой керамики, огнеупорных материалов,
цемента, в литейном производстве, бумажной,
2
резиновой промышленности и т. д. .
Россия располагает значительными ресурсами как огнеупорных и тугоплавких глин, так и высококачественных каолинов, хотя большинство керамических заводов России используют качественные, но дорогостоящие импортные глины. На территории Уральского региона сосредоточено около половины из разведанных в России запасов огнеупорных глин. К настоящему времени на Урале выявлено свыше 200 месторождений огнеупорных и тугоплавких глин. Однако изученность большинства из них еще далеко не достаточна.
Глины Нижнеувельского месторождения отличаются разнообразием по содержанию минеральных примесей. Большая часть глины не используется и считается некондиционной. Более 80% кондиционной глины, добываемой на Нижне-Увельском месторождение, является огнеупорной.
Целью данной работы являлось изучение химического, фракционного состава глины Нижнеувельского месторождения.
Материалы и методы исследования
Образцы глины взяты из забоя действующего карьера и с отгрузочного склада. Также был взят образец некондиционной глины. Фракционный анализ глины сделан по описанной в литературе методике с использованием набора сит 4. Для каждой фракции и валовой пробы был проведен химический анализ.
Химический анализ глин контролировали спектральными методами на приборе АИЬ-3410 с разложением пробы глин сплавлением с пероксидом натрия в железном тигле при температуре 800 0С, рентгенно-флуоресцентным анализом на СРМ-25. Образцы исследовали рентгенографически на дифрактометре ДРОН-ЗМ с Ка-излучением кобальта. Спектры дифференциально-термического и масс-спектро-метрического анализов получали на приборе Ке1гсЬ.1ир11ег. Анализ проводили со скоростью нагрева 20 0С в мин, в кислородно-аргоновой смеси от комнатной температуры до 1100 0С.
Обсуждение результатов
Химический состав проб Нижнеувельской кондиционной глины приведен в табл. 1. По содержанию А12О3 Нижнеувельская глина относится к полукислому глинистому сырью, по количеству Ре203 и ТЮ2 — к сырью со средним содержанием красящих оксидов. Химический состав отдельных фракций глины в сравнении с валовой пробой кондиционной глины приведен в табл. 2. По данным этой таблицы видно, что фракция выше 0.06 мм представляет собой чистый кремнезем с незначительным количеством примесей механического характера. Отмытые от кварца фракции глины менее 0.06 мм имеют более высокое содержание глинозема.
Термограмма Нижнеувельской кондиционной и некондиционной глины подтверждает ее каолинитовый состав. Эндо- и экзотермические эффекты у глины несколько размыты, протекают в более широком температурном интервале. Это, по-видимому, обусловлено воздействием модифицированных превращений кварца на поведение каолинита при нагревании (рис.1а и рис.1б).
Рис. 1а. Термограмма Нижнеувельской кондиционной глины (К-3)
Рис. 1б. Термограмма Нижнеувельской некондиционной глины
Химический состав кондиционных глин Нижнеувельского месторождения
* — массовое содержание Ре203К^0 и Ыа}0 контролировалось рентгено-флюоресцентным методом. **— ППП определялись по термограммам, полученным на приборе ЫеЬгсЩирНег и по стандартной методике согласно ГОСТ 3594.15-93 5
Таблица 2
Химический состав валовой пробы К-3 и ее отдельных фракций
Место отбора проб Содержание оксидов, %
Si02 AI2O3 ТЮ2 Fe203' СаО МдО К20* Na20* ппп"
Карьер валовая 57.74 27.18 1.36 2.96 0.24 0.48 0.36 0.26 9.42
Карьер К-1 58.42 27.34 1.28 1.40 0.28 0.40 0.68 0.36 8.32
Карьер К-2 54.35 27.60 1.50 3.34 0.30 1.70 0.71 0.18 10.16
Карьер К-3 60.30 25.17 1.38 1.78 <0.1 1.27 0.84 0.18 8.92
Карьер К-4 52.82 28.55 1.36 3.39 0.59 1.48 0.54 0.19 11.02
Склад С-1 63.09 24.05 1.30 2.16 0.28 0.36 0.54 0.20 8.02
Склад С-2 64.52 19.84 1.20 2.38 0.30 1.21 0.62 0.13 9.50
Проба Содержание в прокаленном веществе, %
ППП Si02 А120з ТЮ2 Fe203 СаО МдО К20
Валовая проба 10.16 54.35 27.60 1.50 3.34 0.30 1.70 0.71
Фракция >0.06 мм 0.48 96.92 - 1.54 1.02 0.56 — не олр.
Фракция <0.06 мм 9.19 58.56 29.42 - 1.39 0.69 0.72 не олр.
Фракция >1 мкм 9.82 56.43 28.40 1.62 2.81 0.53 0.75 0.69
На термограммах в области температур 20—600 °С наблюдаются два экзоэффекта, обусловленные удалением абсорбционной вла-ги- 150—170 °С и два эффекта, обусловленные разложением гидрослюд, что хорошо согласуется с литературными данными 6. Потеря массы в данном температурном интервале составляет 10—12 %. Дальнейшее нагревание пробы не ведет к изменению массы. Проведенный одновременно с термогравиметрическим масс-спектрометрический анализ показал, что при температурах 180 °С и 580 °С наблюдается максимум выделения воды (т/е=18).
Экзотермический эффект при 900—1000 °С соответствует фазовому превращению кварца в кристобалит. Структурные формулы Нижне-увельской прокаленной глины, рассчитанные по данным химического состава фракций ниже 1 мкм, имеют вид:
для кондиционной глины
А12Оз • 3.7Si02 • (0.02К20 • 0.01 СаО • 0.07 MgO • 0.05 Fe203 • 0.07 Ti02),
для некондиционной глины
А12Оз • 4,25Ю2 • (0.02К20 • О.ОЗСаО'- 0.07 N^0 0.14 Ре203 -0.07 ТЮ2).
Глинистая составляющая (фракция менее 1 мкм), судя по рассчитанным структурной и эмпирической формулам, а также проведенным рентгенографическим и термографическим исследованиям, соответствует каолиниту.
В нижнеувельской глине обнаружили галлуазит и свободный кремнезем. Кроме кремнезема в глинистой составляющей Нижнеувельской глины присутствуют в равномерно распределенном виде гидрослюды железа, придающие глине розоватый оттенок. Как видно из эмпирических формул, основное различие химического состава кондиционной и некондиционной глин заключается в повышенной концентрации оксида железа в последней. В некондиционной глине содержание оксида железа практически в 3 раза больше, чем в кондиционной. Поэтому эта глина не востребо-
Гранулометрический состав кондиционных глин
№ пробы Содержание фракций, % (диспергатор - пирофосфат нат рия)
>0.05 мм 0.05-0.01 мм 0.01-0.005 мм 0.005-0.001 мм <0.001 мм
1 2.52 1.66 1.37 13.36 80.00
2 - 4.18 1.18 8.46 86.18
3 19.87 16.64 6.91 11.26 45.32
4 5.60 2.52 1.30 11.12 79.46
5 20.01 67.88 4.55 9.66 53.67
6 6.65 5.06 6.45 23.92 47.92
7 5.36 9.54 10.02 21.86 53.22
8 1.21 4.95 6.22 21.57 66.05
вана, так как примеси оксида железа снижают ее огнеупорные свойства. Отметим, что дисперсность глин влияет на пластичность, связующую способность и усадку ее при сушке и обжиге.
Гранулометрический состав Нижнеувель-ских глин позволяет отнести их к тонко- и среднедисперсным. Содержание фракций менее 1 мкм изменяется в значительных пределах (табл. 3). Наиболее мелкодисперсным является ситовой остаток Нижнеувельской глины, основное количество зерен кварца в котором имеет размер 0.200—0.088 мм.
Таким образом, установлено, что глина Нижнеувельского месторождения относится к полукислому глинистому сырью. По количеству Ре203 и ТЮ2 кондиционная глина относится к сырью со средним содержанием красящих оксидов, а некондиционная не используется ввиду большого содержания оксида железа.
Литература
1. Солодкий Н. Ф., Шамриков А. С., Погребен-ков В. М. Минерально-сырьевая база Урала для керамической, огнеупорной и стекольной промышленности. / Под ред. проф. Г.Н. Масленниковой.— Томск: Аграф-Пресс, 2009.— 332 с.
2. Авидон В. П. Предварительные испытания глин в полевых условиях.— М.: Госгеолтехиздат, 1963.- 127 с.
3. Кащеев И. Д., Турлова О. В. // Стекло и керамика.- 2010.- №6.- С.10.
4. Августиник А. И., Юрчак И. Я. Методы исследования и контроля в производстве фарфора и фаянса.- М.: Легкая индустрия, 1971.- 432 с.
5. ГОСТ 3594.15-93 Глины формовочные огнеупорные. Метод определения потери массы при прокаливании.
6. Гегузин Я. Е. Физика спекания.- М.: Наука, 1967.- 360 с.
