CC BY
31
СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ
УДК 669.24' 783:539.389.1
АБЗАЕВ ЮРИЙ АФАНАСЬЕВИЧ, докт. физ.-мат. наук, профессор, abzaev@tsuab.ru
ВОЛОКИТИН ГЕННАДИЙ ГЕОРГИЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, vgg-tomsk@mail.ru
СКРИПНИКОВА НЕЛЛИ КАРПОВНА, докт. техн. наук, профессор, nks2003@mail.ru
ВОЛОКИТИН ОЛЕГ ГЕННАДЬЕВИЧ, канд. техн. наук, доцент, volokitin_oleg@mail.ru
ШЕХОВЦОВ ВАЛЕНТИН ВАЛЕРЬЕВИЧ, студент, shehovcov2010@yandex.ru
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ПРИ ПОЛУЧЕНИИ КВАРЦЕВОЙ КЕРАМИКИ. ЧАСТЬ 1: АНАЛИЗ КВАРЦЕВОГО ПЕСКА*
Проведено исследование фазового состава отсевов кварцевого песка Туганского месторождения. Определен количественный состав фаз минерала БЮ2 в исходном состоянии отсевов кварцевого песка методом Ритвельда. Установлено, что исследуемый песок Туганского месторождения может быть использован при получении кварцевого стекла по плазменной технологии для производства кварцевой керамики методом высококонцентрированной вяжущей суспензии.
Ключевые слова: кварцевый песок; метод Ритвельда; кристаллическое строение; количественный фазовый анализ.
YURI ^ ABZAEV, DSc, Professor, abzaev@tsuab.ru
GENNADY G. VOLOKITIN, DSc, Professor, vgg-tomsk@mail.ru
NELLI К. SKRIPNIKOVA, DSc, Professor, nks2003@mail.ru
* Работа частично поддержана грантом РФФИ 14-38-50031 мол_нр.
© Ю.А. Абзаев, Г.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова, О.Г. Волокитин, В.В. Шеховцов, 2014
OLEG G. VOLOKITIN, PhD, Л/ Professor,
volokitin_oleg@mail.ru
VALENTIN V. SHEKHOVTSOV, Student,
shehovcov2010@yandex.ru
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
PLASMA TREATMENT OF QUARTZ CERAMICS. PART 1: SILICA SAND ANALYSIS
The paper presents research of the phase content in silica sand from Tuganskoe deposit (Tomsk region, Russia). The quantification analysis is provided for SiO2 phases in silica sand sifts using the Rietveld refinement method. It is stated that silica sand from Tuganskoe deposit can be used for plasma treatment of silica glass for the quartz ceramics production method based on high-concentration suspension of vitreous silica.
Keywords: silica sand; Rietveld refinement method; crystal structure; quantitative phase analysis.
Настоящая работа является первой в серии статей об исследованиях по использованию плазменной технологии при получении кварцевой керамики.
Цель работы - анализ структурного состояния отсевов кварцевого песка Туганского месторождения на основе SiO2, определение количественного состава фаз минерала SiO2 в исходном состоянии отсевов кварцевого песка методом Ритвельда.
Количественный фазовый анализ проводился на основе метода Ритвельда [1, 2]. Метод позволяет определить относительное содержание фаз на основе известных эталонных структур, пространственные группы фаз, уточнить параметры решетки, пространственное распределение атомов в кристаллических решетках. В процессе поиска неизвестных фаз в исследуемых веществах при идентификации структур полезным является применение открытых кристаллографических баз данных. Полученные результаты при дальнейшем анализе могут быть использованы для полнопрофильного количественного фазового анализа.
Исследовались отсевы кварцевого песка Туганского месторождения (Томская область) в исходном состоянии. Кварцевый песок представляет собой побочный продукт обогащения циркон-ильменитовых россыпей Туган-ского месторождения.
Проводились дифракционные исследования образца в виде размолотого порошка кварцевого песка. Рентгеноструктурный анализ образца выполнялся на рентгеновском дифрактометре ДРОН4-07, который был модифицирован к цифровой обработке сигнала. Съемки производились на медном излучении (Ka) по схеме Брегга - Брентано с шагом 0,02° и временем экспозиции в точке 1 с в угловом диапазоне 17-92°.
На предварительном этапе идентификация структур песчаных смесей производилась с помощью базы кристаллографических данных COD. Из полученных данных следует, что в песчаной смеси могут присутствовать стабильные фазы SiO2, K2O, Mg2O и фазы в промежуточном состоянии O22Al20,
O22Al16 (kappa), SiO. Установленный набор фаз был использован для количественного фазового анализа на основе полнопрофильного уточнения, или метода Ритвельда. Для каждой эталонной фазы была рассчитана угловая зависимость интенсивности отраженного рентгеновского излучения, 1расч(29). В методе Ритвельда производилось уточнение фоновых, профильных и структурных параметров интенсивности 1расч(29) эталонных фаз. Степень близости интенсивности 1расч(29) к экспериментальной 1расч(29) при вариации указанных параметров оценивалась по критериям Rwp, Rp нелинейным методом наименьших квадратов по формулам
R =
wp
I W [ 1расч (26, ) - IЭксп (26, )]2
Rwp --
I w, [lэксп (26, )] ,
I w, |[ 1расч (26, ) - Iэксп (26, )]|
I w,|lэксп (26, )|
(1)
(2)
где Wi - статистический вес рефлексов. В результате вариации вышеуказанных параметров расчетных интенсивностей /расч(29) эталонных фаз достигаются минимальные значения критериев Ящ, и Яр.
К основным результатам применения метода Ритвельда относятся информация о пространственном распределении атомов и параметры суперячеек исследуемых фаз. Применение метода Ритвельда осуществлялось в программном пакете, описание которого приведено в [3]. Теоретическая дифрак-тограмма отдельных фаз, интегральной интенсивности, а также экспериментальная дифрактограмма представлены на рис. 1, 2.
50 60 70 29,град
Рис. 1. Количественный фазовый анализ минерала БЮ2 в исходном состоянии:
1 - теоретическая интегральная интенсивность; 2 - экспериментальная дифрактограмма; 3 - их разность
Как видно из рис. 1, экспериментальная дифрактограмма имеет сложный вид. Выделяются как интенсивные, так и слабые перекрывающиеся рефлексы кристаллических фаз. При количественном фазовом анализе методом Ритвельда была достигнута хорошая сходимость критериев Я^, Яр и расчет-
ных интегральных интенсивностей к экспериментальной для песчаной смеси. Критерии сходимости оказались равными Я№р = 8,72 и Яр = 6,83 % для исходного состояния.
20 30 40 50 60 70 S0 90 28,град
Рис. 2. Теоретические интенсивности отдельных фаз:
1 - 24[SiO2] (карточка № 96-901-3494); 2 - 6[SiO] (карточка № 96-101-1098); 3 -6[SiO](карточка № 96-101-1173)
На рис. 1, 2 видно, что указанным критериям соответствуют близкие значения расчетных и экспериментальных интенсивностей в зависимости от угла отражения. Полнопрофильное уточнение позволило выявить список эталонных фаз в песчаной смеси, которые вносят основной вклад в интегральную (экспериментальную) интенсивность.
Исследуемый состав представляет собой сложную смесь следующих структур с суперячейками: 24-[SiO2], 6-[SiO], 2-[Al8On] (kappa), 4-[Ka2O]. Установлено, что в исследуемой песчаной смеси доминирует фаза SiO2, ее доля составляет ~75,41 %, присутствуют также промежуточные оксиды SiO, Al8On (kappa), доля которых ~13,83 и 4,43 % соответственно, и Ka2O (~3,22 %).
В работе была оценена степень кристалличности, равная относительной доле суммарной интенсивности (полнопрофильной) кристаллических фаз по отношению к интегральной интенсивности дифрактограмм. Результаты приведены на рис. 3.
Рис. 3. Экспериментальная дифрактограмма (1) и график степени кристалличности в БЮ2 исходного состояния (2)
Было обнаружено, что в кварцевом песке доля кристалличности в исходном состоянии равна ~0,39.
Таким образом, проведенное исследование позволило с высокой степенью достоверности определить относительное содержание фаз в отсевах кварцевого песка. Представленные данные позволяют сделать вывод, что отсев кварцевого песка Туганского месторождения имеет трансляционное распределение атомов SiO2. Установлено, что в исследуемой песчаной смеси доминирует фаза SiO2, ее доля составляет ~75,41 %, что согласуется с данными химического анализа. Установлены критерии сходимости Rwp = 8,72 и Rp = 6,83 %. Таким образом, можно сделать вывод о том, что исследуемый песок Туганского месторождения может быть использован при получении кварцевого стекла по плазменной технологии для производства кварцевой керамики методом высококонцентрированной вяжущей суспензии. Следующим этапом работы является получение высокотемпературного силикатного расплава в агрегатах низкотемпературной плазмы [4-10] и проведение физико-химических исследований продуктов плавления кварцевого песка Туганского месторождения.
Библиографический список
1. Основы рентгеноструктурного анализа в материаловедении / А.А. Клопотов, Ю.А. Абза-ев, А.И. Потекаев, О.Г. Волокитин // Томск : Изд-во ТГАСУ. - 2012. - 275 с.
2. Полнопрофильный рентгеноструктурный анализ клинкерного минерала C4AF / Ю.А. Абзаев, Ю.С. Саркисов, А.А. Клопотов, В. Д. Клопотов, Д.А. Афанасьев // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2012. - № 4. -С. 200-209.
3. Crystallography Open Database (COD). Open-access collection of crystal structures of organic, inorganic compounds and minerals. - Условия доступа : www.crystallography.net
4. Volokitin, O.G. Plasma treatment technology for silicate melt used in mineral fiber production / O.G. Volokitin, V.V. Shekhovcov, E.A. Maslov // Advanced materials research. -V. 880 (2014). - P. 233-236.
5. Исследование процессов, протекающих при плазмохимическом синтезе высокотемпературных силикатных расплавов (Часть 1): анализ отходов обогощения молибденовых руд / Ю.А. Абзаев, Г.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова, О.Г. Волокитин, В.В. Шехов-цов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. -2013. - № 4. - С. 197-202.
6. Исследование процессов, протекающих при плазмохимическом синтезе высокотемпературных силикатных расплавов (Часть 2): анализ продуктов плавления отходов обогащения молибденовых руд / Г.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова, Ю.А. Абзаев, О.Г. Волоки-тин, В.В. Шеховцов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2014. - № 1. - С. 80-85.
7. Получение силикатных расплавов с высоким силикатным модулем из кварц-полевошпатсодержащего сырья по плазменной технологии / О.Г. Волокитин, В.И. Верещагин, Г.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова, В.В. Шеховцов // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2014. - Т. 57. - № 1. - С. 73-77.
8. Получение высокотемпературных силикатных расплавов в плазменных установках / О.Г. Волокитин, В.И. Верещагин, Г.Г. Волокитин, Н.К. Скрипникова // Техника и технология силикатов. - 2013. - № 4. - С. 24-27.
9. Волокитин, О.Г. Особенности физико-химических процессов получения высокотемпературных силикатных расплавов / О.Г. Волокитин, В.И. Верещагин // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2013. - Т. 56. - № 8. - С. 71-76.
10. Пат. 2503628. Российская Федерация. МПК С03В37/04. Плазменная установка для получения тугоплавкого силикатного расплава / О.Г. Волокитин, Е.В. Тимонов, Г.Г. Воло-китин, А.А. Никифоров, В.К. Чибирков ; опубл. 10.01.2014, Бюл. № 1. - 6 с.
References
1. Klopotov A.A., Abzaev Yu.A., Potekayev A.I., Volokitin O.G. Osnovy rentgenostrakturnogo analiza v materialovedenii [Basics of X-ray diffraction analysis in materials science]. Tomsk : TSUAB Publ. 2012. 275 р. (rus)
2. Abzaev Yu.A., Sarkisov Yu.S., Klopotov A.A., Klopotov V.D., Afanas'ev D.A. Polnoprofil'nyi rentgenostrukturnyi analiz klinkernogo minerala C4AF [X-ray diffraction analysis of C4AF clinker mineral]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2012. No. 4. Pp. 200-209. (rus)
3. Crystallography Open Database. Open-access collection of crystal structures of organic, inorganic compounds and minerals. Available at: www.crystallography.net
4. Volokitin O.G., Shekhovtsov V.V., Maslov E.A. Plasma treatment technology for silicate melt used in mineral fiber production. Advanced Materials Research. 2014. V. 880. Pp. 233-236.
5. Abzaev Yu.A., Volokitin G.G., Skripnikova N. K., Volokitin O.G., Shekhovtsov V.V. Issledo-vanie processov protikajshih pri plazmohimicheskom sinteze v'sokotemperatypn'h silikatn'h rasplavov ( Chast' 1) Analiz othodov obagashenij molibdenov'h ryd [Study of plasma-chemical synthesis of high-temperature silicate melts. Part 1: Tailings of molybdenum ores beneficiation process]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2013. No. 4. Pp. 197-202. (rus)
6. Abzaev Yu.A., Volokitin G.G., Skripnikova N.K., Volokitin O.G., Shekhovtsov V.V. Issledovanie processov protikajshih pri plazmohimicheskom sinteze v'sokotemperatypn'h silikatn'h rasplavov ( Chast' 2) Analiz prodyktov plavlenij othodov obagashenij molibdenov'h ryd. [Study of plasma-chemical synthesis of high-temperature silicate melts. Part 2: Smelting of tailings of molybdenum ores beneficiation]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2014. No. 1. Pp. 80-85. (rus)
7. Volokitin O.G., Vereshchagin V.I., Volokitin G.G., Skripnikova N.K., Shekhovtsov V.V. Polu-chenie silikatnykh rasplavov s vysokim silikatnym modulem iz kvarts-polevoshpat-soderzhashchego syr'ya po plazmennoi tekhnologii [Silicate melts with high acidity index produced from quartz-feldspar raw materials using plasma technology]. News of Higher Education Institutions. Chemistry and Chemical Technology. 2014. V. 57. No. 1. Pp. 73-77 (rus)
8. Volokitin O.G., Vereshchagin V.I., Volokitin G.G., Skripnikova N.K. Polychenie v'sokotemperatyrn'h silikatn'h rasplavov v plazmenn'h ystanovkah [Receiving high-temperature silicate fusions in plasma installations]. Tekhnika i tekhnologiya silikatov. 2013. No. 4. Pp. 24-27 (rus)
9. Volokitin O.G., Vereshchagin V.I. Osobennosti fiziko-khimicheskikh protsessov polucheniya vysokotemperaturnykh silikatnykh rasplavov [Properties of physicochemical production processes for high-temperature silicate melts]. News of Higher Education Institutions. Chemistry and Chemical Technology. 2013. V. 56. No. 8. Pp. 71-76 (rus)
10. Volokitin O.G., Timonov E.V., Volokitin G.G., Nikiforov A.A., Chibirkov V.K. Plazmennaya ustanovka dlya polucheniya tugoplavkogo silikatnogo rasplava [Plasma apparatus for high-melting silicate production]. Pat. Rus. Fed. N 2503628. IPC С03В37/04. Publ. 10.01.2014, Bul. No. 1. 6 p.
