CC BY
110
Ракитина Елена Юрьевна,
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, rakitina@chemy.kolasс.net.ru
Grishin Nikolay Nikitovich,
Dr.Sc. (Chemistry), I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, grishin@chemy.kolasс.net.ru Ivanova Alla Gennadjevna,
I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, ivanova@chemy.kolasс.net.ru Rakitina Elena Yurievna,
I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, rakitina@chemy.kolasс.net.ru
УДК 691.278:735.29
КЕРАМОВЕРМИКУЛИТ НА ОСНОВЕ СМЕШАННОСЛОЙНОГО ВЕРМИКУЛИТА КОВДОРСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
H. Н. Гришин, Н.Ф. Щербина, Т.В. Кочеткова
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН, Апатиты Россия
Аннотация
Приведены результаты исследований по влиянию серпентинита на свойства керамовермикулита. Введение природного магнийсодержащего материала в массу увеличивает прочность образцов при пониженных величинах усадки и плотности. Совместное введение серпентинита, угля (как выгорающая добавка) и нефелина позволило получить керамовермикулиты с высокими теплофизическими показателями.
Ключевые слова:
керамовермикулит, шликер, серпентинит, нефелин, обжиг.
CERAMIC VERMICULITE BASED ON MIXED-LAYER VERMICULITE FROM THE KOVDOR DEPOSIT
N.N. Grishin, N.F. Scherbinа, T.V. Kochetkova
I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Kola ScienceCentre of the RAS, Apatity, Russia
Absrtact
The results of research on the effect of serpentinite on ceramic vermiculite are presented. Admixing of a natural magnesium-containing material to the compound was found to enhance the sample strength while diminishing the shrinkage and density. By simultaneously adding serpentinite, coal (as a combustible additive) and nepheline we obtained ceramic vermiculite with high thermal-physical properties.
Keywords:
ceramic vermiculite, slurry, serpentinite, nepheline, sinterin.
Известно, что силикаты магния, в том числе и серпентинитомагнезит, применяются в качестве флюса, улучшающего спекание керамических масс, а также используются в составе шихты при производстве керамической плитки и для обмазки сварочных электродов [1]. Для снижения стоимости керамовермикулита и улучшения его температуроустойчивости были проведены исследования по замене магнийсодержаших компонентов шихты на природные серпентиниты с высоким содержанием оксидов магния.
Для исследований в качестве природных материалов использовали освоенные промышленно халиловские серпинтиниты.
Все основные минералы серпентиновой группы имеют состав, приблизительно отвечающий формуле Mg3Si2O5(OH)4 или 3Mg02SiO2H2O с приблизительным химическим составом MgO - 43.50%, SiO2 - 43.46%, H2O - 13.4% [2]. В настоящее время имеется достаточно доказательств, что все серпентиновые минералы обладают слоистой структурой, главным составным элементом которой является серпентиновый слой. Одна из частей серпентинового слоя представляет собой псевдогексогональную сетку связанных друг с другом тетраэдров SiO4. Все тетраэдры в этом слое обращены в одну сторону и соединяются с бруситовым слоем.
65
Бруситовый слой состоит из двух гидроксильных слоев, между которыми располагается слой атомов Mg, причем каждый атом Mg окружен шестью группами ОН. Такая структура аналогична структуре вермикулита. В каждом бруситовом слое с одной стороны два из трех гидроксилов заменяются атомами кислорода, представляющими собой вершины тетраэдров (SiO4)4- [3].
Серпентин Mg6(OH)8[Si4Oio] имеет пластинчатую структуру и придает растворным смесям высокую текучесть. К тому же серпентинит и по ГОСТ 2642.0-86 является огнеупорным материалом и может применяться в качестве наполнителя (вместо шамота) в жаростойких смесях для печей и каминов. В ряду традиционных наполнителей серпентин выгодно отличается низким коэффициентом теплопроводности, почти равным коэффициенту теплопроводности асбеста.
Выделяющиеся в процессе термического разложения серпентина мелкодисперсный диоксид кремния и оксид магния являются химически активными (in situ) и могут взаимодействовать с компонентами шихты с упрочняющим эффектом. Благодаря этим свойствам термоактивированный серпентин является перспективным наполнителем строительных смесей и растворов, улучшающим их физико-механические и теплофизические свойства [4].
Появление в системе огнеупорной форстеритовой структуры (Mg2SiO4) из термоактивированного серпентина может придавать композициям на ее основе дополнительные огнеупорные свойства.
Химический состав серпентина в мас. %: SiO2 - 36.68, MgO - 31.80, FeO+ Fe2O3 - 4.15, Al2O3 - 0.20, CaO - 0.57, п.п.п. - 14.69.
Для изучения влияния серпентина на свойства керамовермикулита готовились смеси. Добавки вводили в количестве 10-30 мас. % сверх 100%. При добавлении серпентинита в глиняный шликер он приобретал, вследствие пластинчатой структуры серпентинита, повышенную текучесть, что обеспечивало более равномерное распределение в нем вермикулитового наполнителя и улучшало условия формования образцов.
Образцы с серпентинитом при обжиге в исследуемом интервале температур имеют достаточную прочность при пониженных величинах усадки и плотности. Изучение зависимости свойств получаемого материала от содержания добавки не установило их заметного изменения. На рис.1-3 представлен фазовый состав полученного керамовермикулита.
Рис.1. Рентгенограмма керамовермикулита с добавкой 10 мас. % серпентинита. Температура обжига 1200°С, выдержка 4 ч, с промежуточной выдержкой при температуре 650°С - 1 ч
Рис.2. Рентгенограмма керамовермикулита с добавкой 20% серпентинита. Температура обжига 1200°С, выдержка 4 ч, с промежуточной выдержкой при температуре 650°С - 1 ч
66
Рис.3. Рентгенограмма керамовермикулита с добавкой 30% серпентинита. Температура обжига 1200°С, выдержка 4 ч, с промежуточной выдержкой при температуре 650°С - 1 ч
Как следует из рисунков, фазовый состав образцов, содержащих разное количество серпентинита, идентичен и представлен в основном кордиеритом, в заметных количествах появляется муллит. У образцов с содержанием 30 мас. % серпентинита дополнительно присутствует шпинель.
Для снижения плотности образцов в состав, содержащий серпентинит в качестве выгорающей добавки вводили уголь в количестве 15 мас. % от веса глины. Обжиг проводили в интервале температур 1000-1200°С.
При изучении фазового состава установлено, что при введении угольной составляющей в керамическую массу в фазовом составе появляется дополнительно высокотемпературная фаза -алюмомагниевая шпинель. С увеличением температуры обжига увеличивается содержание шпинели и кордиерита (рис.4).
Рис. 4. Рентгенограмма керамовермикулита с добавкой 10 мас. % серпентинита и 15 мас. % угля:
1 - обжиг при температуре 1000оС с выдержкой 4 ч, с промежуточной выдержкой при температуре 650°С - 1 ч; 2 - обжиг при температуре 1200оС с выдержкой 4 ч, с промежуточной выдержкой при температуре 650С - 1 ч
При замене в керамической массе магниевых реактивов на серпентинит предел прочности при сжатии увеличился с 2.2 МПА до 5.3 МПА без увеличения значений усадки и при некотором увеличении плотности.
67
На рисунке 5 представлены структуры образцов керамовермикулита, содержащих серпентинит и обожженных при разных режимах.
а б
в
г
Рис. 5. Структуры образцов керамовермикулита, содержащих серпентинит и обожженных при разных режимах:
а - температура обжига 650PC, выдержка 2 ч; б - температура обжига конечная 1200PC, выдержка 4 ч, при 650°C - 1 ч; в - температура обжига конечная 1200°C, выдержка 1ч, при 650°C - 1 ч; г - температура обжига конечная 1300PC, выдержка 1ч, при 650PC - 1 ч
Из представленных рисунков видно, что с увеличением температуры обжига пористая структура материала сохраняется до температуры 1300°C, которую можно принять за предельную температуру применения.
В таблице 1 представлены данные зависимости теплопроводности от плотности образцов при разных температурах обжига с различными видами добавок. Из таблицы следует, что образцы с добавкой нефелина или серпентинита и угля имеют самую низкую теплопроводность. Применение этих добавок позволило увеличить предел прочности при сжатии образцов относительно образцов без добавок практически в 2 раза, снизить теплопроводность и плотность в интервале температур 1000-1100°C.
Замена магнийсодержащих реактивных материалов на природные привело к увеличению прочности образцов с 0.7-2.2 МПа до 5.3 МПа при снижении усадки. Плотность образцов с природными компонентами выше.
Таблица 1. Зависимость теплопроводности образцов керамовермикулита от плотности и температуры обжига
Состав шихты Температура обжига, оС Теплопроводность, Вт/(моС) Плотность, кг/м3
Вермикулит, глинистый шликер 1000 0.150 728
1100 0.179 764
1200 0.193 809
Вермикулит, глинистый шликер, серпентинит 1000 0.186 788
1100 0.189 814
1200 0.217 799
Вермикулит, глинистый шликер, серпентинит, уголь 1000 0.168 715
1100 0.180 669
1200 0.235 815
Вермикулит, глинистый шликер, нефелин, уголь 1000 0.135 679
1100 0.176 745
1200 0.171 915
Выводы
Введение в шихту природных добавок с высоким содержанием магния за счет химической активности вновь образующихся фаз и присутствующих щелочных агентов позволило получить керамовермикулиты с высокими теплофизическими показателями (теплопроводность - 0.171-0.217 Вт/(моС)).
Образование при термообработке шихт, содержащих природные серпентиниты, высокотемпературных фаз (форстерита, шпинели) с температурами плавления 1900-2300°С и повышенных термомеханических характеристик образцов открывает перспективы получения на основе вермикулита и огнеупорных каолинитовых глин керамовермикулита с температурой применения выше 1300° С.
68
Литература
1. Егоров Ю.А.Серпентинит в защите ядерных реакторов. М., 1973. 543 с.
2. Вайвад А.Я. Магнезиальные вяжущие вещества. Рига: Зинатне, 1971. 329 с.
3. Брэгг У.Л., Кранингбулл Г.Ф. Структура минералов. М.: Мир, 1967. 390 с.
4. Иванова В.П., Касатов Б.К. Термический анализ минералов и горных пород. Л.: Недра, 1974. 399 с.
Сведения об авторах
Гришин Николай Никитович,
д.х.н., Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, e-mail: grishin@chemy.kolasa net.ru Щербина Нина Федоровна,
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, e-mail sherb_nf@chemy.ko1asc.net.ru Кочеткова Татьяна Викторовна,
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, e-mail Koche_TV@chemy.kolasc.net.ru
Grishin Nikolay Nikitovich,
Dr.Sc. (Chemistry), I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, e-mail: grishin@chemy.ko1asс.net.ru Sherbina Nina Fedorovna,
I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, e-mail: sherb_nf @chemy. kolasc.net.ru Kochetkova Tatiana Viktorovna,
I.V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the KSC of the RAS, Apatity, Russia, e-mail: Koche_TV @chemy. kolasc.net.ru
УДК 330.15
ВОСПРОИЗВОДСТВО МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ БАЗЫ РФ:
ТЕКУЩИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ФОРМЫ РЕАЛИЗАЦИИ
Л.В. Иванова
Институт экономических проблем им. Г.П. Лузина Кольского научного центра РАН, Апатиты, Россия Аннотация
Рассматриваются современные проблемы воспроизводства минерально-сырьевой базы России. Становится все более очевидным, что созданный в советское время потенциал истощается и необходимо принимать меры по возобновлению эффективной работы в направлении его воспроизводства. Решение этой проблемы осложняется целым рядом обстоятельств, прежде всего нечеткостью распределения полномочий между государством и бизнесом в сфере недропользования. Требуется дальнейшее совершенствование законодательства, развитие существующих и разработка новых более эффективных форм взаимодействия государственных и бизнес-структур для достижения реальных результатов в решении проблемы воспроизводства минерально-сырьевой базы России.
Ключевые слова:
минеральные ресурсы, воспроизводство, государство, бизнес, недропользование.
REPLACEMENT OF THE MINERAL RESOURCE BASE IN THE RF:
CURRENT CHALLENGES AND FUTURE FORMS OF IMPLEMENTATION
L.V. Ivanova
G. P. Luzin Institute for Economic Studies of the Kola Science Centre of the RAS, Apatity, Russia Abstract
The article discusses the current issues of replacement of the mineral resource base of Russia. It is becoming increasingly clear that the created during the Soviet period potential of mineral reserves is being exhausted and it is necessary to take measures for resumption of effective work for its replacement. Solving this problem is complicated by a number of circumstances, first of all, unclear division of responsibilities between the state and business in the sphere of subsoil use. It requires further improvement of the legislation, development of the existing and elaboration of new more efficient forms of cooperation between the state and business structures in order to achieve real results in tackling the problem of replacement of the mineral resource base of Russia.
Keywords:
mineral resources, replacement, the state, business, subsoil use.
69
