Неметаллические полезные ископаемые.

Глава 21. Сырье для каменного литья (диабазы, габбро-диабазы, базальты, амфиболиты и другие породы).

Каменное литье (петрургия), то есть получение различных изделий из горных пород путем их расплавления с последующей отливкой в соответствующие формы и отжигом, получает все более широкое распространение. Такой способ получения изделий определенной формы гораздо проще, дешевле и быстрее по сравнению с механической обработкой горной породы. Во многих случаях литой камень может успешно заменять черные и цветные металлы, специальные стали, сравнительно дорогую керамику и другие дефицитные материалы.

Он обладает высокой кислото- и щелочестойкостью, высокой твердостью и устойчивостью к нагреванию, высокой прочностью на растяжение, сжатие и изгиб, огнеупорностью, термо- и морозоустойчивостью, декоративностью, высокими электроизоляционными свойствами. Литой камень технологичен: в отличие от природного он поддается электро- и газосварке. По сравнению с металлическими камнелитейные изделия не боятся коррозии и являются значительно более долговечными.

Продукция камнелитейного производства самая разнообразная. Это всевозможные плиты для лестничных ступеней, подоконников, полов и тротуаров, другие элементы строительных конструкций, станины для машин и механизмов, опоры для столбов электропередач и других несущих конструкций, тюбинги подземных туннелей, кислото- и щелочестойкие емкости и футеровочные плитки, футеровка и шары для мельниц, броня для каналов гидрозолоудаления на теплоэлектростанциях, всевозможные штуцеры и другие фасонные изделия, облицовочные плитки и пр.

Специфический продукт камнелитейного производства - минеральная вата, представляющая легкий материал, состоящий из тонких спутанных между собой высокопористых волокон и обладающий высокими тепло- и звукоизоляционными свойствами. Она нашла широкое применение в промышленном и гражданском строительстве для утепления стен, тепловой изоляции трубопроводов и производственной аппаратуры, для звукоизоляции. Минеральная вата не горит и не гниет, может применяться до 700-800°C; при более высоких температурах происходит спекание волокон с нарушением их пористости.

Петрургический процесс состоит из расплавления измельченной горной массы, отливки однородного расплава в формы и так называемого отжига - медленной раскристаллизации полученного изделия. Плавка раздробленной породы (размер кусков 50-150 мм) осуществляется в пламенных или электропечах при температурах 1350-1450°C до получения однородного расплава, не содержащего пузырей. Отжиг - в специальных печах, где отливка выдерживается при температурах 900-1000°C определенное время, в течение которого происходит кристаллизация отливки. Регулируя температуру и время отжига, можно из одной и той же исходной породы получить изделия с различной микроструктурой: фарфоровидной (стекловидной), сферолитовой и мелко-полнокристаллической.

Длительный отжиг отливок снимает в них внутреннее напряжение, предотвращая растрескивание, и обусловливает полную раскристаллизацию всей массы. Лишь после отжига изделие медленно охлаждается и (по необходимости) подвергается механической обработке. Нераскристаллизованный стекловатый продукт обладает пониженными прочностными свойствами и в общем случае бракуется; однако наивысшие электроизолирующие свойства обнаруживают отливки стекловатой (фарфоровидной) микроструктуры.

Главной минеральной фазой самого распространенного базальтового литья является моноклинный пироксен диопсид-геденбергитового ряда (до 90%), кроме того, в нем обычно фиксируются кристаллики магнетита (до 15%) и хромита (2%), а также тончайшие пленки стекла (до 15%); его структуры практически полнокристаллические (преимущественно сферолитовые), текстуры чаще однородные, массивные. Подобно базальтовому (пироксеновому), основной минеральные состав некоторых других распространенных видов каменного литья отражен в их вторых (в скобках) названиях: шлаковое (мелилитовое), светлокаменное (волластонит-пироксеновое), маложелезистое (жадеит-диопсидовое).

При производстве минеральной ваты вытекающий из печи жидкий расплав струей водяного пара или воздуха под давлением 0,7-1 МПа раздувается на отдельные капли, вытягивающиеся в этой струе в тонкие высокопористые волокна диаметром 5-12 мкм; не успевшие вытянуться затвердевшие капли (<корольки>) диаметром до 2-3 мм ухудшают качество получаемого продукта.

Рис. 94. Фигуративные точки составов пород (базальтов и диабазов различных месторождений), пригодных по составам для петрургического производства, на диаграмме альбит - анортит - диопсид (по Д.С.Белянкину).

Наилучшим природным сырьем для базальтового (пироксенового) каменного литья являются магматические породы основного состава: диабазы, базальты, андезито-базальты, габбро-диабазы и близкие к ним по валовому химическому составу метаморфические и осадочные породы: сланцы, амфиболиты, глины, пески и др. Как показывает практика, наилучшими литейными свойствами обладают расплавы, химический состав которых следующий, %: SiO₂ 43,5-49,0; A1₂О₃ 11,0-20,0; СаО 9,0-16,0; MgO 5,0-11,0; FeO 2,0-7,0; (Na₂O+К₂О) 1,2-5,5. На диаграмме системы "альбит-анортит-диопсид" (рис. 94) видно, что фигуративные точки пригодных для петрургического производства составов базальтов и диабазов различных месторождений располагаются близ котектической линии.

Если в расплаве повышенное содержание кремнезема (более 50-51%) либо глинозема, то он становится излишне вязким, плохо заполняет формы и трудно кристаллизуется. Оксид кальция и магния, закисное и окисное железо способствуют понижению вязкости и улучшению кристаллизационной способности расплавов. В случае пониженного содержания кремнезема (менее 40%) расплав отличается пониженной вязкостью, что также плохо, поскольку он быстро твердеет с образованием стекловатой микроструктуры и появлением трещин при охлаждении.

При предварительной оценке магматических горных пород основного состава как возможного петрургического сырья обычно пользуются петрографическими критериями: минеральным составом и структурой породы. В идеальном случае содержание основного плагиоклаза (лабрадор-битовнит) должно быть около 50%, а из темноцветных существенно магнезиальный оливин должен преобладать над авгитом (напомним, что возрастание основности плагиоклазов и увеличение содержания магнезиального оливина повышают температуру плавления породы и улучшают кристаллизацию расплава).

Благоприятным признаком служат кристаллически-зернистые интерсертальные и офитовые структуры, свидетельствующие о высокой кристаллизационной способности породы; наоборот, наличие в ней стекловатых витрофировой, гиалопилитовой и других структур говорит об обратном. Должны также учитываться и такие признаки породы, как их однородность по всему месторождению, мелкозернистость, отсутствие ксенолитов и вкрапленников оливина и пироксена размером свыше 2 мм, невыветрелость.

Окончательная оценка о пригодности породы для каменного литья осуществляется в заводских условиях путем опытной плавки.

Такие жесткие требования, предъявляемые к качеству петрургического сырья и предполагающие выдержанность химического состава горной породы по всему месторождению или его крупным участкам (что не всегда наблюдается даже в крупных интрузивах), предопределяют его дефицит. Поэтому в каменнолитейной индустрии широко используются самые различные горные породы, которые в смеси с шихтовочными материалами (горными породами другого состава или шлаками горно-металлургических предприятий) по своему валовому химическому составу приближаются к оптимальному. Так, ультраосновные горнблендиты, обладающие высокой основностью, шихтуют кварцевым песком, а гранит, часто используемый для получения минеральной ваты, - основным металлургическим шлаком либо тем же горнблендитом.

При оценке месторождений петрургического сырья предполагается учет ряда экономических и природоохранных факторов. Учитывая большой объем перерабатываемой и транспортируемой горной массы, разработка этих месторождений производится лишь в экономически развитых районах близ перерабатывающих предприятий. Добыча носит, как правило, комплексный характер: например, одновременно с сырьем для плавки получают и строительный камень. В качестве компонентов петрургического сырья все больше используют промышленные отходы: металлургические шлаки черной и цветной металлургии, топливные шлаки теплоэлектростанций, хвосты обогащения ГОКов, отвалы пород шахтных терриконов и др.

Главным геолого-промышленным типом месторождений петрургического сырья для базальтового литья являются крупные протяженные горизонты выдержанного состава и структуры в массивных базитовых магматических горных породах различного возраста. Последние могут быть представлены гипабссальными интрузивными телами и дайками, покровами, потоками, силлами и экструзивными телами эффузивов.

Ко второму (подчиненному) типу относятся мощные горизонты метаморфических базитовых пород - амфиболитов, залегающих в толщах докембрийских кристаллических сланцев и гнейсов. Расплав, получаемый из этих пород без шихтующих добавок, обладает хорошими литейными и кристаллизационными свойствами, но изделия из него при их высокой прочности уступают базальтовым по химической устойчивости.

Основные магматические и метаморфические породы, образующие продуктивные залежи месторождений обоих выделенных геолого-промышленных типов, используются для каменного литья в России и на Украине, в Чехии, Германии, Польше, Болгарии, Японии, а также в Венгрии, Исландии, CШA, ЮАР и Ливии.

В нашей стране это месторождения Карелии, связанные с докембрийскими прионежскими габбро-диабазами и приладожскими амфиболитами, Норильского горнорудного района с его мезозойскими трапповыми образованиями, Приморья, где широко представлены многочисленные рвущие и стратифицированные базальты и диабазы (например, покровные палеогеновые базальты совгаванской свиты). На Украине промышленный интерес представляют докембрийские амфиболиты. Мезозойские месторождения первого типа имеются в Армении и Грузии, а палеозойские - в Казахстане и в нашей стране на Урале.

В Прионежье габбро-диабазы образуют пологозалегающий массив площадью в несколько тысяч км² среди средне- и нижнепротерозойских метаосадочных толщ. Массив вытянут вдоль западного побережья Онежского озера на 100 км, обнажаясь во многих местах. Мощность массива достигает 200 м, причем его верхняя часть, близкая по мощности к нижней, сложена кварцевыми габбро-диабазами изменчивого химического состава и поэтому непригодными для петрургии. Нижняя часть, наоборот, характеризуется исключительным постоянством состава слагающих ее нормальных габбро-диабазов; именно отсюда добывается сырье, поставляемое на Кондопжский и Московский заводы каменного литья.

Один из крупнейших районов мира по добыче строительного камня и сырья для камнелитейного производства находится на северо-востоке CШA вытягиваясь вдоль Атлантического побережья от Бостона на севере до Филадельфии на юге. В пределах этой полосы широким развитием пользуются покровы базальтов и силлы диабазов, переслаивающиеся с верхнеюрскими осадочными породами. Они выходят на поверхность в штатах Коннектикут, Массачусетс, Нью-Йорк, Нью-Джерси и Пенсильвания, слагая положительные формы рельефа. Их мощность колеблется от 15 до 300 м. Диабазовые силлы как и базальтовые покровы залегают согласно с напластованием вмещающих осадочных пород, но местами фиксируются и секущие взаимоотношения. Несмотря на близость составов базальтов и диабазов, последние отличаются полнокристаллическими, а не стекловатыми структурами, меньшей измененностью и менее развитой столбчатой отдельностью. На выходах этих диабазовых силлов и базальтовых потоков располагаются самые крупные в США карьеры по добыче камня для промышленного и дорожного строительства, а также диабазового петрургического сырья.

Назад | Содержание | Вперед