Сырье для керамики
КЕРАМИЧЕСКИЕ СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
При изучении состава, структуры и свойств керамических материалов необходимо иметь представление не только о всех процессах производства, но и о сырьевых материалах, используемых в этих процессах. Хотя и имеется чрезвычайно большое число разнообразных сырьевых материалов, используемых для производства керамики, традиционная керамическая промышленность в основном использует различные комбинации глинистых минералов, придающих пластичность, полевых шпатов, образующих вязкую жидкость при температуре обжига, и относительно тугоплавких кремнеземистых материалов, способных образовывать стекла. Кроме того, имеются широко используемые минеральные плавни, алюмосиликаты, тальк и связанные с ним минералы, огнеупорные сырьевые материалы и абразивы. Большинство этих материалов добывают и затем подготавливают для использования. Все большее число сырьевых материалов подвергают очистке; многие из них получаются как вторичный продукт из других исходных составляющих. В данной главе мы рассмотрим некоторые из наиболее обычных и широко используемых керамических сырьевых материалов.
Общие вопросы
Типы имеющихся в природе минералов определяются главным образом наиболее распространенными элементами и их геохимическими характеристиками. Так как кислород, кремний и алюминий составляют вместе около 90% элементов в земной коре, как это видно из рис. 2.1, то вполне естественно, что подавляющую часть минералов составляют кварц, силикаты и алюмосиликаты. Эти минералы вместе с другими минеральными соединениями кислорода со-ставляют подавляющую долю встречающихся в природе керамических сырьевых материалов.
Минеральные сырьевые материалы, используемые в керамической промышленности, являются главным образом неорганическими, неметаллическими, криталлическими твердыми материалами, образовавшимися в результате сложных геологических процессов. Их керамические свойства определяются главным образом кристаллической структурой и химическим составом их основной составляющей, а также природой и количеством присутствующих сопутствующих минералов. Минералогические характеристики таких материалов, а поэтому и их керамические свойства широко меняются в зависимости от месторождения или даже в пределах одного и того же ме-сторождения, от геологического окружения, в котором минеральное отложение образовано, а также в зависимости от того, какие физические и химические превращения оно претерпело за время своей геологической истории.
Условия образования. Наиболее важные керамические сырьевые материалы образуют (в смысле геологического происхождения) всего лишь три главные группы, которые классифицируются как изверженные, осадочные и метаморфические породы. Этй три группы могут быть далее подразделены на большее число групп в зависимости от преобладания тех или иных химических и физических условий. Минералогия каждой породы зависит от температуры и давления, при которых протекала ее кристаллизация, а также от изменений в химическом составе, которые претерпели слагающие ее материалы. Изверженные породы характеризуются тем, что они образовались либо при высоких, либо при средних температурах, при самых различных давлениях, но при относительно ограниченном изменении химического состава. Осадочные породы характеризуются тем, что они образовались при средних температурах (0—45° С) и в основном при постоянном атмосферном давлении. Такие материалы могли образоваться из самых разнообразных первичных материалов с широко меняющимся составом. Залежи метаморфических пород образовались в результате процессов, имевших место ниже зоны выветривания. Условия образования этих пород характеризуются широким интервалом температур, давлений и валового состава.
Отдельные минералы или комплексы минералов стабильны тогда, когда они обладают наименьшей возможйой свободной энергией при обычных физических, и химических условиях, 6 связи с чем онй не имеют тенденции к каким-либо изменениям. Минералы или комплексы минералов, стабильные при одном определённом соотношении физических и химических , условий, могут стать нестабильными при изменении этих условий. Поэтому полевые шпаты, вулканические стекла и другие алюмосиликаты, образовавшиеся при повышенных температурах в условиях вулканической деятельности, неустойчивы при других условиях, имеющих место в случае осадочных пород, и изменяются о. образованием Глинистых минералов, которые в этих условиях устойчивы. Большое число геохимических процессов, связанных с образованием горных пород и минералов, воспроизводится в контролируемых условиях температуры, давления и химического состава при изготовлении керамических изделий. Основные механизмы этих процессов сходны и могут быть хорошо поняты при рассмотрении принципов физики и химии твердого состояния, которые разбираются в последующих главах.
Добыча. Выбор методов добычи для данного минерального месторождения определяется главным образом экономическими условиями и такими факторами, как размер, форма и геологические характеристики месторождения. Открытые методы разработки месторождений более предпочтительны, чем дорогостоящие подземные. Крупные пластоподобные залежи, выходящие на поверхность или залегающие под вскрышей средней толщины, разрабатывают преимущественно открытыми методами, в то время как глубоко залегающие минеральные отложения могут разрабатываться лишь подземными методами. Гидравлическая разработка месторождений с помощью гидропушек используется для добычи некоторых видов каолина.
Обогащение. Экономические условия также определяют степень обогащения, которой подвергают керамические сырьевые материалы. Такое дешевое сырье, как кирпичные глины, обычно используется в том виде, в котором оно добывается, в. то время как более дорогие материалы, такие как высокосортный каолин и полевой шпат, могут быть обогащены путем механической концентрации и флотации. В некоторых из этих операций попутно получают и другие дополнительные минералы, также являющиеся ценным сырьем. Химическая очистка используется для особенно дорогих материалов. Высокочистые окись алюминия, окись магния, окись бериллия, двуокись титана и двуокись циркония являются продуктами, получаемыми химическими методами обогащения.
В эту главу может быть включен лишь краткий обзор геологических и экономических аспектов некоторых из наиболее важных керамических сырьевых материалов. Более подробную информацию по этому вопросу следует получить в дополнительной специальной литературе.
