Неметаллические полезные ископаемые.

Глава 18. Стекольное сырье (кварцевые пески, песчаники и кварциты).

Стекло - это материал, получаемый при остывании неметаллического расплава в виде аморфного, изотропного, хрупкого, в различной степени прозрачного твердого продукта. В отличие от кристаллических тел стекло при нагревании не плавится, а постепенно размягчается, переходя в высоковязкое тягучее, а затем и в жидкое состояние. Этот процесс обратим при охлаждении жидкой массы. При определенных температурных условиях стекло обнаруживает склонность к кристаллизации. Среди различных видов неорганического стекла господствующим является стекло, полученное на основе кремнезема (так называемое силикатное стекло). Стекло, содержащее только кремнезем и не более 1% различных примесей, называется кварцевым.

В соответствии с назначением стекольная промышленность выпускает разнообразную по своему ассортименту продукцию: листовое стекло, стеклотару, бытовое стекло (посуду), стекла специального назначения (оптическое, электровакуумное, химико-лабораторное, жаростойкое и др.), стекловолокно и т. д. В табл. 36 приведен химический состав некоторых промышленных стекол.

В последние годы вырос спрос на кварцевое стекло для получения волокнисто-оптического кабеля. Как потенциальный материал перспективных систем хранения информации кварцевое волокно превосходно: в его 1 г помещается 50 Гб информации.

Современная технология получения стекла включает ряд последовательных операций: подготовку необходимых сырьевых компонентов, их смешивание в определенных соотношениях в однородную шихту в соответствии с требуемым химическим составом, варку шихты в стекловаренных печах для получения однородной жидкой стекломассы, доведение этой стекломассы до оптимальной для формования изделий температуры и вязкости, формование изделий, постепенное охлаждение (отжиг) полученных изделий для ликвидации внутренних напряжений, обработку (термическую, химическую, механическую) отформованных изделий.

Сырьевые материалы, используемые в производстве стекла, подразделяют на главные и вспомогательные. К главному сырью относятся кремнезем (обычно в виде кварцевого песка или молотого кварца), борный ангидрит (в виде буры или борной кислоты), фосфорный ангидрит, оксид алюминия (в виде глины, каолина, полевошпатовых пород или чистого глинозема), оксиды щелочных металлов (в виде поташа, соды или безводного сульфата натрия, Li-содержащих минералов) и др.

К вспомогательным сырьевым материалам относят всевозможные осветлители (сульфаты натрия и алюминия, хлористый натрий и другие, способствующие удалению пузырей), обесцвечиватели (для окисления соединений железа), красители (оксиды различных металлов), глушители (различные фтористые соединения, рассеивающие свет, для получения белых малопрозрачных стекол) и восстановители (углеродистые вещества).

Для варки высококачественных бесцветных стекол кварцевый песок очищают физическими или химическими методами, причем размер его зерен должен находиться в пределах 0,1-0,5 мм.

Стекловарение ведется при температурах 1400-1600°C; в нем выделяется три стадии: провар, или собственно варка, когда происходят химическое взаимодействие между компонентами шихты и образование вязкой массы; очистка, или осветление, - удаление пузырьков и растворение остаточных кварцевых зерен; студка - охлаждение стекломассы до оптимальной температуры для получения из нее изделий.

Изготовление стекольных изделий из стекломассы производится специальными стеклоформовочными машинами методом прессования, прессовыдувания, выдувания, вытягивания, прокатки, отливки и моллирования.

Помимо обычных силикатных стекол продукцией стекольной промышленности являются растворимое стекло и ситаллы. Растворимое, или жидкое, стекло (применяется преимущественно в виде водных растворов) представляет собой расплав чистых силикатов натрия или калия или их смеси. Его состав выражают формулой R₂O^.mSiO₂ (где R₂O - Na₂O или К₂О). Благодаря отсутствию оксидов кальция и магния это стекло растворимо в воде. Его также получают в стекловаренных печах в виде силикоглыбы или силиката-гранулята. Заданная растворимость жидкого стекла определяется кремнеземным модулем SiO₂ (2-4,5), подбираемым шихтовкой кварцевого песка содой, или сульфатом натрия, или углем. Растворимое стекло применяют в электроизоляционной и лакокрасочной промышленности, для упрочнения грунтов, при изготовлении огнеупорных цементов, при флотации руд и т.д.

Ситаллы - это микрокристаллические материалы, получаемые путем принудительной кристаллизации стекла. Микрокристаллическая структура предопределяет их высокую механическую и термическую прочность. Получены ситаллы, обладающие кратковременной жаростойкостью до 3000°C, выдерживающие резкую смену температур от 1000 до 0°С, обладающие свойствами чугуна и высоколегированных сталей. Освоена технология разливки расплавленного стекла в различные формы или его прокатки с последующей или одновременной ситаллизацией, что позволяет изготовлять различные конструкционные материалы, обладающие ценными свойствами.

Как уже отмечалось, основной компонент стекольной шихты (кремнезем) поступает в производство в виде кварцевого песка или молотого кварца, причем последний получают главным образом за счет измельчения кварцевых песчаников и кварцитов.

Главное требование стекольной промышленности к этому сырью - его чистота, определяемая содержанием SiO₂, а также вредных примесей TiO₂, Fe₂O₃ и других хромофоров; второе требование - гранулометрический состав (наиболее оптимальный размер зерен 0,1-0,5 мм). При оценке соответствующих месторождений решается вопрос об обогатимости сырья, то есть удалении или снижении содержания в нем вредных примесей.

Самое чистое кварцевое сырье, используемое для получения кварцевых и оптических стекол и представленное жильным и гранулированным кварцем, рассмотрено в гл. 13.1.

Мономинеральные кварцевые пески редки. Их промышленные концентрации образуются преимущественно в платформенных условиях в прибрежных частях эпиконтинентальных морей при поступлении с суши терригенного кварцевого материала из размывавшихся каолинитовых кор выветривания.

В ряде случаев в процессе катагенеза кварцевые пески могут цементироваться и перерождаться в песчаники. Иногда цементация частиц кварцевых песков и переход их в песчаники являются результатом метаморфизма. Наконец, среди древних докембрийских толщ достаточно обычными являются кварциты, нередко ассоциирующие с мраморами, гнейсами, кристаллическими и другими сланцами и понимаемые как продукт метаморфического преобразования (перекристаллизации) песчаников существенно кварцевого состава.

Главнейшие геолого-промышленные типы месторождений стекольного сырья приведены ниже.
1). Субгоризонтальные пласты и линзы кварцевых песков высокой степени сортировки, выдержанного химического и гранулометрического состава, мощностью метры-десятки метров, значительного площадного распространения в разрезах морских терригенно-осадочных платформенных толщ мезокайнозойского, реже палеозойского возраста (Люберецкое и Егановское месторождения в Московской области, Новоселковское и Авдеевское на Украине и др.).
2). Пласты и линзы кварцевых песчаников, иногда кварцитовидных, мощностью метры-сотни метров, значительной протяженности в субгоризонтальных и дислоцированных терригенно-осадочных, часто метаморфизованных толщах различного возраста (Черемшанское месторождение в Бурятии, многочисленные месторождения нижнедевонских кварцевых песчаников Орискани в складчатом поясе Центральных Аппалачей, США).
3). Пласты и линзы светлых кварцитов мощностью метры-сотни метров, значительной протяженности, залегающие в составе дислоцированных древних высокометаморфизованных алюмосиликатных и карбонатных метаосадочных пород (месторождения Нильсия в Финляндии, Бар Ривер в Канаде и др.).

Егановское месторождение кварцевых песков.

Месторождение находится в Московской области к западу от станции Раменское. Продуктивная толща кварцевых песков относится к верхневолжскому ярусу верхней юры и имеет среднюю мощность свыше 10 м. Она подстилается также верхневолжскими глауконит-кварцевыми песками и нижележащими оксфордско-келловейскми глинами. Иногда пласт глауконит-кварцевых песков выклинивается и продуктивные кварцевые пески залегают непосредственно на оксфордско-келловейских глинах.

Продуктивная толща кварцевых песков повсеместно перекрыта аллювиальными суглинками, моренными песчано-глинистыми образованиями и участками разнозернистыми песчаниками. Средняя мощность перекрывающих пород вскрыши составляет 6,7 м.

В разрезах продуктивной толщи выделяется три горизонта: верхний и нижний сложены желтыми песками, а разделяющий их средний - светло-серыми и серыми песками с подчиненными линзами желтых песков и иногда - белых кварцитовидных песчаников. Верхний и средний горизонты развиты не повсеместно, выклиниваясь на отдельных участках; их мощности варьируют в интервалах 0 - 12,1 м и 0 - 13,6 м. Нижний горизонт присутствует постоянно, достигая максимальной мощности 12,3 м. Пески преимущественно мелко- и среднезернистые.

Наибольшую промышленную ценность представляют пески среднего горизонта (табл. 37); содержание зерен кварца в них составляет 99,5 - 99,84%. Из других минералов отмечаются ильменит (0,16 - 0,50%), единичные зерна полевого шпата, ставролита и дистена. По гранулометрическому составу пески среднего горизонта практически целиком (около 95%) укладываются в диапазон 0,1 - 0,5 мм. После гидравлической классификации и оттирки, существенно снижающих содержание Fe₂O₃, они становятся пригодными в качестве стекольного сырья.

Пески нижнего и верхнего горизонтов помимо кварца также содержат незначительное количество ильменита и рутила, единичные зерна дистена и ставролита, но в отличие от песков среднего горизонта в них больше гидроксидов железа, а также появляется глауконит (нижний горизонт). Для использования в качестве стекольного сырья пески верхнего горизонта нуждаются в обогащении. Пески нижнего горизонта труднообогатимы, имеют высокую огнеупорность (свыше 1700°C), газопроницаемость 117 - 227 см/мин. и пригодны в качестве формовочного материала в металлургическом производстве. В 1999 г. ОАО <Раменский ГОК> производил 450 тыс т обогащенного стекольного кварцевого песка.

Выдержанность верхневолжской песчаной толщи на значительной площади по мощности и составу, хорошая сортировка, мономинеральный кварцевый состав и мелкозернистость - все это свидетельствует об отложении песков Егановского месторождения в условиях морского бассейна.

Черемшанское месторождение кварцевых и кварцитовидных песчаников.

Месторождение находится в нижнем течении р. Селенги в Прибайкальском районе Бурятии, среди дислоцированных и метаморфизованных осадочных толщ пород верхнепротерозойского возраста.

Структура месторождения определяется крупной антиклинальной складкой с шарниром, ориентированным в северо-восточном направлении. Центральная часть и крылья этой складки выполнены алевролитами, глинистыми сланцами, кварцевыми и кварцитовидными песчаниками итанцинской свиты, перекрытыми карбонатными породами бурминской свиты селенгинской серии. Юго-западная часть складки срезана интрузивом гранитоидов верхнепротерозойского баргузинского комплекса. Осадочные метаморфизованные образования указанных свит рассечены поясом даек кварцевых порфиров, гранит-порфиров, плагиогранитов и метадиабазов, имеющих господствующее северо-восточное направление.

Кварцевые и кварцитовидные песчаники итанцинской свиты образуют выдержанный пласт, фиксирующийся в призамковой части антиклинали, в северо-восточном и юго-восточном ее крыльях с падением на север-северо-восток, северо-восток и юго-восток под углами от 15 до 85°. Крутые в целом залегания пласта в крыльях складки осложнены его волнообразной гофрировкой. Пласт прослежен на расстояние свыше 10 км, средняя мощность 52 м.

Песчаники, образующие пласт, белые, мелкозернистые, плотные, массивные, сложенные на 99% и более зернами кварца. В качестве акцессорных минералов в них присутствуют единичные мелкие выделения серицита, пирита, циркона, рутила, лейкоксена, сфена, эпидота, роговой обманки, гетита, гидрогетита и магнетита. По размерам и морфологии кварцевых зерен, структурно-текстурным особенностям и некоторым отличиям в химическом составе (табл. 38) песчаники разделяются на три главные разновидности.

Песчаники первой разновидности кварцитовидные, очень крепкие, иногда обнаруживают пятнистую текстуру, обусловленную появлением округлых (до 20x50 мм) обособлений более пористых и менее метаморфизованных песчаников. Зерна кварца имеют зубчатые и полигональные очертания, диаметр в основном от 0,1 до 0,7 мм. Структура псаммитовая, участками гетеробластовая, зубчатая, мозаичная.

Песчаники второй разновидности сахаровидные, крепкие, но иногда слабые, массивные. Зерна кварца, как правило, имеют ровные, реже зазубренные контуры; их диаметр составляет интервал 0,1-0,3 мм. Структура преимущественно мозаичная, текстура массивная.

Песчаники третьей разновидности кварцитовидные, крепкие и очень крепкие. Зерна кварца изометричные, ксеноморфные, диаметром 0,3-0,4 мм, слагают зубчато-мозаичные, псаммитовые и гетеробластовые структуры; последние свойственны очень крепким кварцитовидным разностям.

На месторождении выделено несколько участков, где преобладает та или иная разновидность песчаников.

В целом кварцевые песчаники месторождения представляют высококачественное сырье, пригодное для производства листового, оптического, увиолевого и других ценных видов технических стекол. Они пригодны также для получения металлического кремния, используемого для изготовления электронных приборов и солнечных батарей. Вредные примеси (в первую очередь оксиды железа и титана) в песчаниках сравнительно легко удаляются при обогащении. С 1992 года месторождение отрабатывается открытым способом ЗАО "Черемшанский кварцит". Основной продукцией горнодобывающего предприятия является кусковый кварцитовидный песчаник (фракция +20 - 120 мм), содержащий (%) оксиды кремния 99,2-99,6; железо до 0,14; алюминий до 0,40; кальций до 0,03.

По представлениям одних исследователей песчаники имеют осадочное происхождение - цементация осуществлялась при диагенезе и катагенезе; другие считают их образование как результат метаморфизма кварцевых песков.

Месторождение кварцитов Нильсия в Финляндии

Северо-восточнее г. Куопио (Центральная Финляндия) в коммуне Нильсия действуют кварцево-песчаные карьеры и установки для промывки породы. Это месторождение приурочено к полосе кварцитов Кинахми, протягивающихся в меридиональном направлении приблизительно на 35 км, шириной от 0,5 до 4 км. Кварциты входят в состав ятулийской сланцевой толщи, располагаясь вместе с базальными конгломератами в ее основании на досвекофеннском фундаменте.

На фоне равнинной местности полоса кварцитов морфологически выделяется в виде выступающего холмистого гребня с отметками 200-300 м над уровнем моря. К западу от этих кварцитов обнажаются досвекокарельские отложения фундамента, на контакте с которыми залегают базальные конгломераты, а местами - посторогенные метадолериты.

Кварциты Нильсия представляют собой серовато-белые или желтовато-белые мягкие серицитовые разновидности, образующие согласные пластовые залежи, соответствующие зонам рассланцевания близ разломов среди твердых розовых или серых кварцитов. Твердые кварциты представляют очень крепкие образования, выполненные на 90% кварцем. Мягкие кварциты сложены округлыми зернами кварца размером 0,1-2,0 мм, составляющими в породе 85-99%, окруженными серицитом, каолинитом, пирофиллитом и хлоритом. При их промывке образуются чистые кварцевые пески, имеющие следующий химический состав: SiO₂ 99,0%; Al₂О₃ 0,6%; Fe₂O₃ 0,03%; п.п.п. 0,28%.

Добыча кварцитов осуществляется в карьерах с высотой уступов 12,5 м. Для производства кварцевого песка пригодны лишь мягкие типы кварцитов, встречающиеся во многих местах полосы кварцитов Кинахми. Полученный кварцевый песок разделяется по сортам и используется как сырье для стекловолокна, в литейном деле, в качестве абразивного материала, а также в сталелитейной промышленности для футеровки печей. Твердые кварциты используются как естественный строительный камень и для различных других целей. Годовая производительность рудника составляет около 100 тыс т кварцитов с получением из них около 75 тыс т кварцевого песка.

Считается, что кварциты являются остаточными осадками. Образование мягких кварцитов связывают с разрушением твердых в ходе тектонических движений и последующим выщелачиванием легко растворимого материала.

Назад | Содержание | Вперед