Введение к работе
и ее актуальность.
В настоящее время в России и мире глинистые алюмосиликатные породы пшроко применяются в различных отраслях промышленности: в производстве изделий строительной и тонкой керамики, огнеупорных материалов, цемента, глинистых растворов для буровых установок, в литейном производстве, в бумажной, промышленности, для очистки нефтепродуктов и жиров, в производстве минеральных красок и т.д. По данным [1] алюмосиликатные материалы в мире составляют 62%, материалы из древесины - 23%, черные металлы -12% и др. По темпам наращивания производства лидируют алюмосиликаты (8,7%), полимеры (7,9%) и цветные металлы (5,9%). Масса ежегодно производимых в мире алюмосиликатных материалов составляет более 4,2 млрд. тонн в год. Согласно прогнозам ЮНЕСКО такие объемы производств будут сохраняться и в последующие годы.
Устойчивый интерес к минеральному сырью традиционен, поскольку оно является важным источником для получения как индивидуальных химических элементов, так и соединений на их основе. В условиях быстрого роста производства алюмосиликатных материалов, с учетом повышения требований к стабильности и качеству выпускаемой продукции, все большее значение приобретает проблема непостоянства химического, гранулометрического и минералогического составов природного алюмосиликатного сырья.
На территории Уральского региона сосредоточено около половины запасов огнеупорных глин из разведанных месторождений России. К настоящему времени на Урале выявлено свыше 200 месторождений огнеупорных и тугоплавких глин. В Челябинской области на двух разрабатываемых месторождениях (Нижне-Увельском и Южноуральском) сосредоточено 29,6 % всех запасов России, а объем добычи составляет 44,1% от всей добычи по стране. По минеральному составу эти глины в основном состоят из каолинита, гидрослюд, монтмориллонита. Вместе с тем содержат сравнительно высокое количество оксидных соединений железа (до 6%), в виде магнетита, сидерита, ильменита, пирита и др., а также соеди-
нений других металлов. Отметим, что повышенное содержание в глинах соединений железа ведет к резкому снижению качественных показателей строительной и тонкой керамики, а также огнеупорных материалов, в частности для огнеупоров содержание оксидов железа в глине не должно превышать 3% мас. в пересчете на Fe203.
В связи с вышеизложенным актуальной научной и практической задачей выступает необходимость разработки высокоэффективных методов модификации и обогащения глинистого сырья, в частности снижение в нем содержания оксидных соединений железа. Это позволит расширить выпуск алюмосиликатных материалов за счет переработки некондиционного глинистого сырья.
Целью диссертационной работы являлось комплексное исследование физико-химических свойств и разработка способов модификации состава глин Нижнеувельского месторождения Челябинской области со значительной вариацией природного сырья по химическому и минералогическому составам.
Конкретными задачами исследования являлись:
Выбор представительных проб данного месторождения для исследования; изучение их химического, гранулометрического и минералогического составов.
Исследование влияния параметров гидротермальной обработки некондиционной представительной пробы (температура, концентрация НС1 в растворе, время термообработки) на изменения фазового, химического составов; определение наиболее эффективных режимов процесса.
Исследование влияния параметров термообработки некондиционной представительной пробы при кипячении в растворах соляной кислоты (концентрация НС1 в растворе, время термообработки) на изменение фазового, химического составов; определение наиболее эффективных режимов данного процесса.
Наработка укрупненных лабораторных проб модифицированных глин Нижнеувельского месторождения методами гидротермальной автоклавной обработки и термообработки в растворе НС1.
Исследование физико-механических свойств керамических материалов, полученных из модифицированных некондиционных глин Нижнеувельского месторождения.
На защиту выносятся:
Анализ результатов модифицирования некондиционных глин Нижнеувельского месторождения гидротермальным автоклавным методом и кипячением в водном растворе соляной кислоты.
Зависимости изменений химического и минералогического составов некондиционных глин от параметров термообработок.
Способы достижения заданного химического и минерального составов модифицированных глин, полученных из некондиционных глин в результате термообработки при оптимальных условиях.
Результаты исследования физико-механических свойств готовых огнеупорных изделий, полученных из модифицированных нижнеувельских глин, в сопоставлении с требованием ГОСТ № 4071-80.
Научная новизна состоит в следующем:
Впервые исследованы закономерности изменения химического и минералогического составов некондиционных глин Нижнеувельского месторождения автоклавным гидротермальным методом. Данная методика позволяет снизить в глинах содержание оксидных соединений железа в ~ 2 раза, что соответствует требованиям ГОСТ №3226-93 для использования модифицированных глин в производстве огнеупорных материалов.
Исследован процесс обогащения некондиционных глин Нижнеувельского месторождения методом кипячения в растворах соляной кислоты. Данный метод позволяет снизить в глинах содержание оксидных соединений железа в ~ 1,5 раза, и применим для переработки глин с содержанием оксидных соединений железа менее 3,5 мас.%.
3. Впервые показано, что в результате гидротермальной обработки, область применения глин Нижнеувельского месторождения расширяется, в частности, разработаны составы керамических масс с использованием этих глин для изготовления керамического гранита.
Практическая значимость работы состоит в следующем:
Разработаны оптимальные режимы для обогащения некондиционных глин методами гидротермальной автоклавной обработки и кипячения в растворе НС1.
Впервые изготовлены опытные образцы огнеупорных материалов из некондиционных модифицированных глин Нижнеувельского месторождения, которые по своим физико-механическим показателям удовлетворяют требованиям ГОСТ № 4071-80 (материалы огнеупорные).
По результатам проведенных исследований поданы заявки на два патента РФ («Керамическая масса», регистрационный номер 2012103130 и «Керамическая масса для изготовления керамического гранита», регистрационный номер 2012103132).
Личный вклад соискателя:
Проведение отбора представительных проб глин, их физико-химическое исследование, а также анализ и выявление зависимости физико-механических свойств готовых изделий от химического и минерального составов исходных и модифицированных глин, активное участие в анализе результатов и написании статей.
Публикации и апробация работы
Основные результаты и положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на VII Всероссийской научной конференции «Керамика и композиционные материалы» (г. Сыктывкар, 2010), Всероссийской конференции «Химия твердого тела и функциональные материалы» (г. Екатиринбург УрО РАН, 2012,2011). По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК, тезисы 3 докладов на Всероссийских конференциях, 1 справочное пособие.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка цитируемой литературы из 98 наименований. Работа изложена на 101 странице, содержит 14 таблиц и 25 рисунков.
