Каолины и глины для строительной и тонкой керамики
Каолин является основным компонентом керамических масс для производства изделий тонкой керамики, в том числе технических, и многих видов строительной керамики.
Образовавшиеся в результате выветривания кристаллических пород магматического и метаморфического происхождения и оставшиеся на месте образования каолины называют первичными. Они характеризуются наличием крупных зерен кварца. Из первичных каолинов распространены и имеют промышленное значение каолины, образовавшиеся по гранитам, метаморфическим гнейсам и магматитам. Это каолины Просяновского, Глуховецкого, Турбовского,. Алексеевского, Еленинского и других месторождений.
Вторичные каолины — это естественно обогащенные тонкодисперсные глинистые породы, образовавшиеся вследствие размыва и переотложения в водной среде первичных каолинов или продуктов выветривания остаточных месторождений.
Осадочные вещества отличаются по минералогическому и гранулометрическому составам и содержат примеси других глинистых и тонкозернистых минералов, органических веществ. Это, например, каолины Положского, Владимировского, Новоселицкого и других месторождений.
Область применения каолинов определяется их минералогическим составом, который влияет на выбор способа обогащения сырья, технологических параметров производства, определяет сортность вещества и возможность изменения физико-химических и технологических свойств.
По данным Ф. Д. Овчаренко, химический состав первичных каолинов промышленных месторождений, определяемый количественным соотношением основных породообразующих минералов и минералов-примесей, следующий:
Компонент Si02 А12Оэ Fe203
Содержание, % 50—75 17—40 0,1—2,5
Компонент СэО К2О Na20
Содержание, % 0,1—2,0 0,3—2,0 0,1—1,0
Глинистая часть каолинов представлена минералом каолинитом, общая формула которого Al203-2Si02-2H20, структурная формула — АЦ [Si4O10] (ОН) 8.
При обогащении первичных каолинов содержание каолинита увеличивается до 90 % и более вследствие удаления примесей кварца.
Из всех разведанных балансовых запасов каолинов в СССР более 30 % расположено в Украине, из 18 эксплуатируемых в СССР месторождений 12 месторождений УССР дают свыше 80 % всей добычи обогащенного каолина из первичных месторождений страны и практически полностью обеспечивают всю промышленность вторичным каолином.
Количество каолинита в указанных первичных каолинах составляет до 60 % массы породы, а в каолинах, обедненных кварцем,— до 90%.
Основной структурный элемент каолинита состоит из тетраэдрической кислородной и октаэдрической алюмогидрокислородной сеток, соединенных в единый слой вершинами тетраэдров и октаэдров.
Удельная поверхность частиц, количество связанной влаги и суммарная емкость катионного обмена зависят от кристаллической структуры каолинита, формы частиц и степени их кристаллизации, способности к изоморфным замещениям.
Каолинит характеризуется неупорядоченной структурой и как минерал слоистого строения имеет прочные связи между атомами одного слоя и слабую взаимосвязь между слоями.
От структурных особенностей зависит температура минимума эндотермического эффекта каолинита и каолинитовых минералов при их дегидратации в условиях термической обработки. Чем менее упорядочена структура, тем ближе численное значение температуры минимума к 500 °С.
В теоретическом составе минералов группы каолинита содержится 39,6 % А1203, 46,5 Si02 и 13,9 % Н20. Промышленное значение в производстве фарфора имеют месторождения каолинов, об-разовавшиеся на породах кислого, гранитоидного состава и содер-жащие минимальное количество красящих оксидов (Fe203, Ti02 и др.).
Минералогический состав материнских пород оказывает большое влияние на соотношение основных химических компонентов в каолинах. Химический состав каолинов некоторых месторождений приведен в табл. 1.1.
В зависимости от материнской породы химический состав пер-вичных каолинов изменяется как в пределах одного месторождения, так и в пределах одноименной литологической разновидности, что достаточно полно отражено в справочной литературе.
Глинистые материалы, применяемые в производстве керамики, классифицируют по огнеупорности, содержанию тонкодисперсных фракций, спекаемости, пластичности, содержанию крупнозернистых включений, а также по суммарному содержанию FeO и ТЮ2 в прокаленном состоянии (табл. 1.2). Огнеупорные свойства и основность глин определяются количеством оксидов алюминия и титана (IV) в прокаленном состоянии.
Глины с огнеупорностью менее 1350 °С относятся к легкоплавким (J1), с огнеупорностью 1350—1580 °С — к тугоплавким (Т), с огнеупорностью свыше 1580 °С — к огнеупорным (О).
По температуре спекания классифицируют только спекающиеся глины. Низкоспекающимися считают глины с температурой спекания до 1100°С. Глины, спекающиеся при температуре свыше 1100 °С, относятся к группе глин высокотемпературного спекания.
Степень спекания глин определяют по величине водопоглощения В спекшегося образца без признаков пережога и различают силь- носпекающиеся (В^2 %), среднеспекающиеся (В^5 %) и неспекающиеся (В>5 %) глины.
По числу пластичности глины разделяют на высокопластичные (Ч.П.>25), среднепластичные (Ч.П.= 15...25), умеренно пластичные (Ч. П.=7...15) и малопластичные (Ч. П.<7). Непластичные глины не дают пластичного теста.
По содержанию частиц размером менее 1 мкм глины классифицируют на тонкодисперсные (Т. Ч.>60 %), дисперсные (Т. Ч.=20... ...60 %) и грубодисперсные (Т. Ч.<20 %).
В высокосортном сырье содержание оксидов железа и титана (IV) не должно превышать 0,8 %. В глинах с низким содержанием красящих оксидов оксида железа (III) должно быть менее 1,5 %, а оксида титана (IV) —менее 1 %. В производстве тонкой керамики глины, содержащие красящих оксидов больше указанного количества, используются только при равномерной, одинаковой интенсивности окраски обожженного черепка.
Глины так же, как и каолины, имеют различный минералогический состав, отражающий условия их образования. По преимущественному содержанию основного глинистого минерала различают каолинитовые, монтмориллонитовые, гидрослюдистые глины и смешанные образования.
Все виды глин содержат определенное количество примесей. Ко-личество основной примеси — кварцевого песка — даже в пределах одного пласта изменяется от 10—20 до 40 % и более. Распростра-ненными примесями являются также оксиды железа, кальцит, кар-бонатные включения, мусковит, полевошпатные соединения.
В производстве керамических изделий используют каолинитовые, и каолинит-гидрослюдистые глины, а также гидрослюдисто- каолинитовые и монтмориллонитовые. Минералогический состав и дисперсность оказывают преимущественное влияние на керамические свойства.
Наличие в глинах монтмориллонита или других смешанослойных образований, имеющих склонность к разбуханию в воде, увеличивает пластичность глины, повышает величину воздушной усадки и склонность к трещинообразованию в процессе сушки изделий, отформированных шликерным литьем или пластическим способом.
В производстве фарфора и санитарно-строительных изделий, меняют беложгущиеся преимущественно огнеупорные каолинитовые и каолинит-гидрослюдистые глины, реже тугоплавкие. Содержание фракции размером менее 1 мкм должно составлять более- 40 %. Широкое применение нашли глины Дружковского месторождения — новошвейцарская, веселовская, новорайская, минералогический состав которых представлен каолинитом, монотермитом и гидромусковитом, а также глины Трошковского месторождения. Поскольку трошковские глины содержат минимальное количество красящих оксидов, фарфоровые изделия из них имеют высокую степень белизны черепка.
Характеристика глин, используемых в промышленности, приведена в табл. 1.3.
В промышленности используют бентонитовые глины, образовавшиеся из стекловидной фазы вулканического пепла. Эти глины характеризуются высокими степенью дисперсности и пластичностью, способностью поглощать значительные количества влаги. Основным глинообразующим минералом таких глин является монтмориллонит. В используемом в промышленности бентоните Огланлинского месторождения кроме обычных примесей содержится гипс. В Украине применяют бентониты Пыжевского, Черкасского, Горбского и других месторождений.
Для контроля химического, минералогического и гранулометри-ческого составов глинистых компонентов применяют различные методы.
Химический состав изучают методами качественного и количе-ственного химического анализа: определяют количества оксидов алюминия, кремния (IV), щелочных и щелочно-земельных металлов, красящих оксидов, количества вещества Н20, С02, S03.
Для ускоренного анализа используют плазменный фотометр (физический метод; определяют количества К20, Na20, Li20).
Таблица 1.3. Характеристика основных глин, используемых в керамической промышленности
Область применения
Местоположение карьера
Карьер
Краткая характеристика сырья
Веселовский
Донецкая обл., 15— 20 км от ж.-д. ст. Друж- ковка
Основные и полукислые глины; огнеупорные и тугоплавкие; светложгу- щиеся, спекающиеся, низкотемпературного или высокотемпературного спекания
Облицовочные, фасадные плитки, плитки для полов, санитарные изделия, кислотоупоры, канализационные трубы
То же
Донецкая обл., 10 км от ж.-д. ст. Дружковка
Ново-Райский
Санитарные изделия, плитки для полов, фасадные плитки, кислотоупоры
Донецкая обл., в р-не ж.-д. ст. Часов-Яр
Часовъярский
кэ
Федоровский
Ростовская обл., 50 км от г. Шахты
Основные, полукислые и кислые глины, тугоплавкие., светложгущиеся, спекающиеся
Санитарные изделия* кислотоупорные, канализационные трубы
Облицовочные плитки, плитки для полов, санитарные изделия, кислотоупоры, канализационные трубы
Артемовский
Донецкая обл., 4—5 км Полукислые, кислые, тугоплавкие, тем- Фасадные плитки, плитки для полов, от г. Артемовен ножгущиеся, спекающиеся кислотоупоры, канализационные трубы
Фасадные плитки, плитки для полов
Николаевский
Донецкая обл., 15 км от То же ст. Славянск
То же
Никифоровский
Донецкая обл., 25— 30 км от г. Славянск
Лукошнинский. Липецкая обл., 67 км от ж.-д. ст. Извалы
Облицовочные плитки, плитки для полов, кислотоупоры, канализационные трубы
Продолжение табл. 1.3
Карьер
Местоположение карьера
Область применения
Краткая характеристика сырья
Печорский
Псковская обл., 5 км Полукислые, кислые, тугоплавкие, тем- от ж.-д. ст. Печора ножгущиеся, спекающиеся
Облицовочные, фасадные плитки, плитки для полов, кислотоупоры, канализационные трубы
Челябинская обл., 80 км Основные и полукислые, огнеупорные, от г. Челябинск спекающиеся и неспекающиеся, светло-
Нижнеувель- _ ский
То же
W
жгущиеся
Запорожская обл., близ ст. Пологи
Положений
Фасадные плитки, кислотоупоры Облицовочные плитки
То же
Оренбургская обл., 23 км от г. Орск
Кумакский
Латненский
Воронежская обл., 25 км от г. Воронеж
Фасадные плитки, санитарные изделия, кислотоупоры, канализационные трубы
Минералогический состав определяют рентгенофазовым, электронно-микроскопическим, термогравиметрическим методами. В по-следнем случае сравнением полученных термограмм с имеющимися стандартными термограммами легко определить основной глино- образующий минерал, по температурам минимума эндотермических эффектов — степень упорядоченности структуры, по площади эндо-термического эффекта и коэффициенту потенциалопроводности — количество химически связанной воды в кристаллической решетке и тип минерала. Кроме того, полученные термогравиметрические данные могут быть основой прогнозирования тепловых режимов производства.
Гранулометрический состав определяют гранулометрическим анализом мокрым способом, суть которого заключается в следующем. Приготовляют суспензию из 100 г предварительно разрыхленной и замоченной на 20 мин глины и пропускают суспензию с промывом через набор сит 01, 02, 009, 0056, 0085. Промытый на каждом сите остаток выпаривают и взвешивают оставшийся осадок.
Для глин применяют также контроль гранулометрического состава методом отмучивания с отделением частиц диаметром менее 0,01 мм на приборе Сабанина, седиментационный метод с использованием подвижной пипетки или торсионных весов.
Количество осажденных на весах частиц различных фракций определяют по эмпирическому времени: для частиц размером 0,05— 0,01 мм принимают 25—15 с, для частиц 0,01—0,005 мм— 128 мин 15 с; по разнице между общей массой частиц и массой частиц, осевших на сите, определяют содержание частиц размером менее 0,005 мм. Для более точного определения используют методы физической химии.
Продажа вторичные каолины
