Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ И МИНЕРАЛ00БРА30ВАНИЯ В РАСПЛАВАХ И СТЕКЛАХ НА ОСНОВЕ ГОРНЫХ ПОРОД (СИНТЕЗА СТЕКЛОКРЖЯАЛЛИЧЕ-СКИХ МАТЕРИАЛОВ) И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ .... 12
О развитии петрургии и синтеза ситаллов .... 15
Горные породы как сырье для получения стекло-кристаллических материалов 18
Строение силикатных расплавов и стекол 27
Образование, дифференциация и кристаллизация силикатных расплавов 37
Кристаллизация стекол . . 48
О роли технической петрографии в решении проблем петрургии и синтеза петроситаллов 54
Задачи исследования 58
Глава П. НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТОДИКИ 60
Глава Ш. МИНЕРАЛОГО-ПЕТРОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ГАББРО АГАДШСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ И ВОЛЛАСТО-НЙТОВЫХ СКАРНОВ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ДДАНГАЛЫК .... 67
Габбро Агаджанского месторождения 67
Волластонитовые скарны месторождения Джангалык . 79
Глава ІУ. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ГАББРО
НА КАМЕННОЕ ЛИТЬЕ И СИТАЛЛЫ 86
Минеральные превращения в процессах нагрева и плавления габбро 87
Фазовые превращения амфибола из габбро при термообработке 103
Расплав габбро, полученный путем медленного нагревания, и его кристаллизация 109
Расплав габбро, полученный путем резкого нагревания, и его кристаллизация 120
Особенности пироксенов, полученных путем кристаллизации расплава и стекла габбро 130
Поведение железа при плавлении габбро .... 135
Фазовые превращения в стеклах на основе габбро
при ситаллизации 144
Выбор исходных составов стекол 145
Влияние инициаторов на фазовые превращения
стекол 156
Силикато- и стеклообразование в синтетической шихте 166
Фазовые превращения в шихте на основе габбро
с добавкой оксида хрома 169
4.7.5. Роль фтористого кальция в силикато- и стекло-
образовании и процессах кристаллизации в
габбровых стеклах 176
Глава У. ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ВОЛЛАСТО-
НИТОВЫХ СКАРНОВ НА СИТАЛЛЫ 187
_ з -
5.1. Синтез стекол на основе волластонитовых
скарнов 187
Кристаллизационная способность стекол на основе волластонитовых скарнов 195
Фазовые превращения в процессах стекло- и ситаллообразования в шихтах на основе волластонитовых скарнов 206
Особенности поведения серы, натрия, цинка и
хлора в процессе формирования расплава . . . 213
Поведение красящих элементов (железо и марганец) при стеклообразовании и ситаллизации . 222
Свойства и структуры стеклокристаллических материалов на основе волластонитовых скарнов 241
Глава УІ. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЕТРУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗ
ВОДСТВА И ИХ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРОВЕРКА 254
Каменное литьё на основе габбро 254
Ситаллы на основе габбро 265
Ситаллы на основе волластонитовых скарнов . . 279
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 282
ЛИТЕРАТУРА 285
Введение к работе
Актуальность - для успешного осуществления Программы развития народного хозяйства страны, утвержденной ХХЛ съездом КПСС, потребуется значительное увеличение производства высокоэффективных материалов строительного и технического назначения, к которым по праву относятся и стеклокристаллические, обладающие целым рядом специфических свойств. Для среднеазиатского региона организация производства подобных материалов является особенно важным вопросом в связи с дальнейшим развитием там химической, горно-обогатительной, металлургической отраслей промышленности, сельского хозяйства и строительства - основных потребителей отеклокристаллических материалов. При этом большое значение приобретают вопросы поиска местного недефицитного сырья. Поскольку важнейшим процессом как в каменном литье, так и в производстве ситаллов является кристаллизация, её изучение в силикатных расплавах и стеклах уже давно стало и остается до сих пор актуальным научным направлением. Проведенные исследования, завершившиеся выработкой определенных взглядов на вопросы петрогенезиса основных пород и рудогенезиса в связи с ними, а также разработкой научно обоснованных предложений по организации в Средней Азии и на юге Казахстана новой для них отрасли промышленности - петрургии, отвечают актуальным задачам.
Цель работы - разработка научных основ переработки минеральных ресурсов среднеазиатского региона, имея в виду создание сырьевой базы для петрургической промышленности региона, обеспечения его каменным литьем, техническим и декоративным ситаллами.
В связи с этим в задачу работы входи-л о:
изучение особенностей плавления обогащенных метасиликатами габбро и волластонитовых скарнов (динамики фазовых превращений при нагреве);
исследование особенностей кристаллизации расплавов и стекол на основе этих горных пород, полученных при разных режимах и инициаторах кристаллизации;
изучение процессов фазовых превращений при синтезе стекол и стеклокристаллических материалов на основе габбро и волластонитовых скарнов и в связи с этим выяснение некоторых аспектов породо- и рудообразования и роли инициаторов кристаллизации;
исследование структур стекол и ситаллов, установление связи между структурой и свойствами материалов;
определение основных параметров плавления и кристаллизации при получении каменного литья и ситаллов и разработке на этой основе рекомендаций для промышленности;
лабораторная и опытно-промышленная проверка возможности использования вышеуказанных горных пород в качестве сырья пет-рургии;
выдача практических рекомендаций, обсуждение вопроса о возможности создания петрургической отрасли промышленности в среднеазиатском регионе.
Научная новизна и науч на я з н а -ч и м о с т ь проведенной работы заключается в следующих новых экспериментальных данных и сделанных на их основе выводах:
- выявлено, что основные расплавы одного и того же состава
в зависимости от способа плавления шихты (резкий или медленный
режим разогрева) имеют разные свойства. Для расплавов, получен
ных путем резкого плавления, характерна глубокая дифференциация
по составу, приводящая к уменьшению содержания пироксеновой фа
зы в конечном продукте кристаллизации;
- б -
установлено, что пироксены, образующиеся при кристаллизации расплава и стекла одного и того же состава, обладают разными свойствами и составом;
за счет метасиликата типа роговой обманки и магнетита (в составе породы) при термическом воздействии в значительном количестве образуется ферромагнитный оксид железа. Внедрение магмы, гидротермальные растворы, тепло контактового метаморфизма могли бы оказать аналогичное воздействие на вмещающую среду, содержащую магнетитовую минерализацию, и благоприятствовать возникновению за счет её кубического оксида железа, т.е. не исключено, что маггемит в природе имеет более широкое распространение, чем это известно в настоящее время;
в результате твердофазовых реакций, протекающих в ходе нагрева шихты, преобладающая масса габбро переходит в расплав, будучи в пироксеновой группировке;
установлен предел насыщения метасиликатного расплава оксидом хрома;
валентные и координационные состояния атомов железа и марганца изменяются в процессах плавления метасиликатных пород и последующей кристаллизации их расплавов;
волластониты (J> и oL ) способны растворять значительное количество железа и марганца, чем объясняется белизна петроситал-лов на основе одноименных скарнов;
доказана принципиальная возможность получения каменного литья и петроситаллов на основе новых видов сырья - габбро и волластонитовых скарнов.
Таким образом, выполненная работа посвящена расплаво- и стек-лообразованию и синтезу стеклокристаллических материалов и подводит основные итоги проведенного автором экспериментального и теоретического изучения формирования фазового состава и структу-
ры каменного литья и ситаллов, т.е. вносят вклад в техническую петрографию и минералогию. В ней проанализированы и обобщены большие объёмы литературных и полученных автором экспериментальных данных по фазовым превращениям в ходе плавления и кристаллизации расплавов горных пород при производстве стеклокристалличе-ских материалов. На этой основе разработан ряд практических рекомендаций для организации петрургического производства в пределах среднеазиатского региона и юга Казахстана. Полученные результаты направлены на выяснение петрологических вопросов и на расширение минерально-сырьевой базы петрургии; они могут быть также использованы в петрографии основных магматических и кон-тактово-метасоматических образований.
Основные защищаемые положения следующие:
Экспериментально установлено, что в условиях плавления основных пород происходит постепенное изменение состава расплава с накоплением в придонных слоях железа, магния, титана, а в верхних - кремния, алюминия и щелочей. Степень дифференциации увеличивается с ростом скорости плавления. Установленный факт дифференциации расплава, обусловленной кинетическими, ликвационными факторами и вмешательством гравитационных явлений, может быть использован для теории петрогенезиса и их фациальности.
Впервые показано, что в зависимости от способа получения, у основных расплавов меняется характер кристаллизации (последовательность и количественные соотношения фаз). Значительное пироксен ообразование - основное условие синтеза стеклокристалличе-ских материалов - обеспечивается при кристаллизации метасиликат-ных расплавов медленного режима плавления.
Твердофазовые реакции сопровождаются окислением железа и выделением маггемита и протекают по схеме: роговая обманка обык-
новенная - ромбический пироксен - моноклинный пироксен, т.е. в расплав преобладающая масса габбро переходит будучи в пироксено-вой структурной группировке, вследствие чего создаются благоприятные условия для образования преимущественно пироксеновых продуктов при кристаллизации полученного расплава и стекла. Пирок-сены, образующиеся при кристаллизации расплава и стекла, из-за различий в кинетике их кристаллизации обладают разными составом и свойствами.
Установлен ранее неизвестный факт образования ферромагнитного оксида железа как продукта фазовых превращений при термической обработке горных пород, содержащих роговую обманку, что позволяет утверждать более широкое его распространение в природе, чем это известно ныне, и это явление должно учитываться при расшифровке магнитных аномалий.
Экспериментально определен предел насыщения метасиликатно-го расплава оксидом хрома - 0,3 масс.%. При превышении его из расплава и стекла выделяются собственные минералы хрома - хром-шпинелиды, что вполне согласуется с геохимическими наблюдениями за поведением хрома в магматических расплавах основного и ультраосновного состава, где первым признаком потенциальной хромито-носности считается повсеместное развитие в них акцессорных хром-шпинелидов.
Валентные и координационные состояния атомов железа и марганца в процессе плавления и кристаллизации меняются. В воллас-тоните и поевдоволластоните скарнов и ситалла красящие /ё и Мн занимают позиции атомов кальция. Определенная часть атомов железа играет при образовании стекла роль стеклообразователя Lfefiu)\ а другая часть остается в состоянии, характерном для положения в кристаллах [FeOsJ . Изменения состояния Fe и А в кристаллизующемся стекле путем образования твердых растворов в J> и о( -вол-
ластоните, кристаллические решетки способны растворить значительное количество Ft ъ Мп в низкой валентной и высокой координации, объясняет белизну петроситаллов.
7. Доказана принципиальная возможность использования габбро и волластонитовых руд для получения каменного литья и петроситаллов высоких физико-химических и механических свойств.
Практическая значимость заключается в разработке технологических рекомендаций по получению каменного литья и ситаллов на основе габбро, а также белых ситаллов на основе волластонитовых скарнов. Таким образом, вовлекаются в пет-рургическое производство новые виды сырья. Рекомендации по их использованию могут быть перенесены и на другие месторождения. Разработанные методы и технические обоснования могут служить основой для организации петрургического производства и в других промышленных регионах, а результаты и рекомендации, в своей основе, применимы для подобного сырья других месторождений.
На основе габбро в опытно-промышленных условиях получены сте-клокристаллические материалы - каменное литье и ситаллы, отвечающие всем требованиям, предъявляемым к такого рода материалам. Полученная партия плит и труб массой более 10 тонн ныне используется на обогатительной фабрике Зыряновского свинцового комбината. Результаты исследований с практической рекомендацией о возможности и экономической целесообразности применения габбро Агаджанского месторождения в петрургическом производстве с актами промышленных испытаний переданы Управлению геологии при Совете Министров Таджикской ССР (см.приложение), по предложению которого и была выполнена работа. Согласно акту Управления геологии, научные результаты данной работы будут использованы в практической деятельности геологоразведчиков при комплексной оценке месторождения и расшифровке природы магнитных аномалий.
Разработки по получению белых высокопрочных ситаллов на основе волластонитовых скарнов Джангалыкского месторождения также приняты Управлением геологии Таджикской ССР (см.приложение). Рекомендованные состав компонентов, режимы варки стекла, кристаллизация ситалла проверены в процессе промышленных испытаний и получены положительные результаты. Практическое внедрение результатов работы предусмотрено в плане работ Министерства промышленности строительных материалов КазССР на Л пятилетку. Кроме того, результаты, изложенные в диссертации, будут использованы предприятием, заинтересованным в вовлечении новых материалов технического назначения для своих нужд (см.приложение).
В основу работы положены результаты исследований, проводившихся автором в лаборатории синтеза ситаллов в Казахском химико-технологическом институте с 1969 г. в соответствии с Координационными планами научно-исследовательских работ АН КазССР на 1976-80 годы, направленных на решение, в частности, проблемы "Синтеза стекол и стеклокристаллических материалов из горных пород и отходов промышленности КазССР и Средней Азии, исследование их структуры и фазовых превращений", регистрационный № 77042279. За это время разработаны соответствующие методики и поставлено более 300 экспериментов, выполнен необходимый объём лабораторных и опытно-промышленных испытаний. Исследования, материалы которых включены в диссертацию, выполнены автором частично индивидуально, частично в соавторстве с С.Т.Сулейменовым, Т.А.Абдувалиевым, А.А.Абдураимовым, Т.У.Искаковым, И.Д.Сепбае-вым. В использованных совместных работах автору принадлежит основной научно-методический вклад и методическое руководство работой. Большая помощь в исследованиях была оказана работниками лабораторий рентгеновского (В.Ф.Миллер), электронно-микроскопического (И.И.Сорокина), ИК-спектрального (Т.И.Новик) анализов,
- II -
а также центральной химической лаборатории Министерства геологии УзССР, химической лаборатории Казахского института минерального сырья (М.А.Менделеева), лаборатории исследований ЭПР Ташкентского НИИСТРОШроекта (М.Я.Бикбау) и др.
Апробирование работы. По теме диссертации опубликовано более 30 статей. Результаты работы в процессе её выполнения докладывались на ежегодных научно-технических конференциях Казахского химико-технологического института (1970-1982 гг.)» на Всесоюзном семинаре "Теория и практика производства камнелитейных труб" (Чимкент, 1972), на Всесоюзном научно-техническом совещании по проблеме петрургии (Киев, 1972), на IX Всесоюзном совещании по экспериментальной и технологической минералогии и петрографии (Иркутск, 1973), на УП Всесоюзной научно-технической конференции "Строение и свойства стеклокристалли-ческих материалов на основе горных пород и шлаков" (Чимкент, 1974), на У Всесоюзном петрографическом совещании (Алма-Ата, 1976), на X Всесоюзном совещании по экспериментальной и технической минералогии и петрографии (Киев, 1978), на совещании по проблеме стеклокристаллических материалов (Кривой Рог, 1981) и
др.
В процессе выполнения работы автор пользовался консультациями, советами, критическими замечаниями акад. АН КазССР С.Т.Су-лейменова, акад. АН УзССР, лауреата Ленинской премии И.Х.Хамра-баева, лауреата Ленинской премии, проф. Н.М.Павлушкина, заслуженного деятеля науки УзССР, проф. С.Т.Бадалова, докторов наук В.В.Лапина, Л.А.Жуниной, А.Н.Лазарева. Всем им, а также коллегам по кафедре и другим товарищам, способствовавшим выполнению работы, автор выражает свою признательность и благодарность.
