ТЕПЛОВАЯ ОБРАБОТКА И ИЗМЕНЕНИЕ СООТВЕТСТВУЮЩИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БАЗАЛЬТОВ

АННОТАЦИЯ

В данной работе представлены результаты анализа качества базальтов, их термообработки и исследования изменения химического состава базальтов, что приводит к изменению внешней окраски частично переработанного базальтового сырья (далее полуфабриката). Приведены результаты исследования очищенного базальта от шламов, примесей и гидроксидов, изменения химического состава базальтовой породы. Показана перспективность теплообработки полуфабриката и получения разноцветной продукции из минерального сырья. Найдены оптимальные температуры обжига полуфабриката, возможные варианты изменения внешней окраски и критерийные точки термического воздействия, при которых базальтовый полуфабрикат меняет внешний оттенок. Эти высказывания представляют большой научный и практический интерес тем, что в процессе термической обработки полуфабриката базальты легко перегреваются и постепенно приобретают другую окраску, что происходит до температуры ликвидуса и позволяет в перспективе планировать получение из базальтов качественной разноцветной продукции, например изделия для дизайна.

ABSTRACT

This paper presents the results of the analysis of the quality of basalts, their heat treatment and the study of changes in the chemical composition of basalts, which leads to a change in the external color of partially processed basalt raw materials (hereinafter semi-finished product). The results of the study of purified basalts from slimes, impurities and hydroxides, changes in the chemical composition of basalt rock are presented. The prospects of heat treatment of semi-finished products and obtaining multi-colored products from mineral raw materials are shown. It was found that the optimal firing temperatures of the semi-finished product, possible variants of changing the external color and the criterion points of thermal action, at which the basalt semi-finished product changes the external shade. These statements are of great scientific and practical interest in that during the heat treatment of the semi-finished product, basalt easily overheats and gradually acquires a different color, which occurs up to the liquidus temperature and makes it possible in the future to plan to obtain high-quality multi-colored products from basalts, for example, design products.

Ключевые слова: обжиг, базальтовая порода, исследовательская работа, теплообмен, термическая обработка, окраска материала, материал.

Keywords: roasting, basalt rock, research, heat transfer, heat treatment, process variable, material coloring, material.

Введение. В последние годы растет потребность Узбекистана в новой, дешевой, конкурентоспособной продукции из местных сырьевых ресурсов, которые непосредственно связаны с расширением и развитием возможностей горно-металлургической и перерабатывающей отраслей. В таких условиях решение данной задачи является весьма актуальной проблемой и требует проведения дополнительных комплексных исследований по освоению полезных ископаемых. В данном случае речь идет о расширении возможности использования местного базальтового сырья. Изложенные в данной работе результаты исследования являются итогом изучения состояния сухой переработанной породы и получения измельченных базальтов, изменения свойств и вещественного состава сырья путем термической обработки.

На первом этапе исследования изучены материалы технической литературы отечественной и мира. Обнаружено достаточно информации о каменном литье базальтовой породы. Получено достаточно информации, связанной с термическим воздействием на базальты, где процесс заканчивается плавлением породы и получением ее расплава. Имеется информация об изменении свойственных и вещественных показателей базальтовой породы в процессе механического воздействия на базальты, которое осуществляется дроблением, измельчением, классификацией, прессованием породы. Однако не обнаружены сведения об изменении свойственных показателей базальтов путем термической обработки, где процесс заканчивается изменением внешнего оттенка сырья [3; 7; 4; 6]. Представляет важный научный и практический интерес переработка сырьевых материалов, особенно минеральных горных пород, под влиянием тепловых воздействий. В таких случаях особенно выделяется специфическая особенность породы, в частности базальтов. В данном случае речь идет о том, что минерал в процессе термической обработки может испытывать целенаправленные фазовые изменения химического состава, восстановление структуры и свойств жидкой или твердой фазы сырья. На практике из базальта перерабатывающими предприятиями Узбекистана в основном производятся базальтовые теплоизоляционные материалы и арматуры.

Данное обстоятельство объясняется слабой изученностью химико-минералогического состава, возможностей данной породы и свойств базальтовой породы, а также отсутствием эффективных инновационных методов получения базальтовой продукции и внешней инвестиции [4; 6; 1].

В настоящее время в практике мира известны четыре способа переработки базальтов, которыми являются: способ получения каменного литья для волокон; плавильные операции для получения расплава металлозаменителей; растворение базальтового волокна в кислотных средах для получения композитов; получение продукции путем сухой переработки [4; 6; 1; 5]. Большая часть используемых на практике методик определения химического состава вещества основана на анализе состава растворов, в которых содержатся определенные элементы. Такие методики используются и при анализе образцов неорганического происхождения (породы, руды, минералы, сланцы и т.д.). Обычно их растворяют в кислотах или обрабатывают различными химическими реагентами при высокой температуре [6].

Изучение производственного состояния и опыт предприятий, перерабатывающих базальты Узбекистана, показывают, что они в основном заняты производством базальтовых кристаллических теплоизоляционных материалов. Причиной тому являются различные объективные и субъективные аргументы и факты, которые нельзя игнорировать. Поэтому в данный момент для улучшения сложившейся ситуации и расширения области использования базальтов для организации производства новой базальтовой продукции целесообразным является использование различных нетрадиционных методов переработки базальтов. В данном случае предлагается получить базальтовую продукцию путем термической обработки породы. Учитывая вышесказанное, представляет научный и практический интерес изучение свойственного и вещественного состояния базальтов, находящихся под тепловым воздействием. Для этого предлагаем использовать очищенные от шламов, примесей и гидроксидов (далее – шламов), которые отрицательно влияют на качественные показатели продукции. Предлагается использовать очищенное, предварительно дробленное и измельченное сырье. Опыт показывает, что сырье в таком состояние легко подвергается термической обработке, является чувствительным к тепловым воздействиям и легко меняет внешние оттенки.

По данным Госкомприроды, степень засоленности орошаемых земель нашей республики высокая, в том числе тех земель, где расположены базальтовые месторождения. Этими территориями являются: Наманганская, Навоийская, Ташкентская, Джизакская области. Средняя засоленность земель Наманганской области доходит до 28%, Джизакской области – 85,4% и Навоийской – 92,9% [3]. Факты свидетельствуют, что неочищенные от шламов и солей базальты во влажной среде не только разрушают базальтперерабатывающее оборудование, но и портят продукцию.

Изучение и анализ последствий переработки базальтов и использование теплоизоляционных материалов, полученных из неочищенной базальтовой породы, показали, что они склонны к вызову коррозии. Выявлено, что, оставаясь в породе и в готовой продукции, вредные примеси легко могут контактировать с окружающей средой или с влажным пространством и вызывать коррозию. В результате становятся причиной сокращения сроков использования перерабатывающего оборудования и готовой продукции. Если учесть, что теплоизоляционная базальтовая продукция используется в энергетике, строительстве, дорожном и автомобильном строительстве и пр., то легко можно оценить эффективность ее применения. Поэтому исследование влияния шламов на процесс и на качество продукции также имеет важный научный и практический интерес [7].

Материалы и методы. Экспериментальные исследования осуществлялись следующим образом. Вначале изучены элементы химического состава породы месторождения «Айдаркуль». Результаты исследования в суммарном виде данных представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Экспериментальные данные химического состава базальтов месторождения «Айдаркуль», в %

При сопоставлении полученных данных химического состава базальтов месторождения «Айдаркуль» с другими месторождениями Узбекистана и зарубежных стран установлено, что эти данные резко отличаются друг от друга. Это, в свою очередь, требует особого подхода к технологическому процессу переработки базальтов. Наблюдается значительное содержание в составе базальтовой породы «Айдаркуль» таких химических соединений, как SiO₂, CaO, Al₂O₃. Такие компоненты, как MnO, Fe₂O₃, FeO, в процентном соотношении содержатся в меньшем количестве у базальта месторождения «Айдаркуль», чем у других месторождений Узбекистана [7; 4].

Результаты исследования показывают, что увеличение в составе базальтов содержания Fe₂O₃, SiO₂ и TiO₂ повышает температуру их плавления и снижает литейные свойства расплава. Снижается плотность породы, и она становится более пригодной для дробления и измельчения. Наблюдается повышение удельной сопротивляемости литого продукта внешним ударам.

Как было выше отмечено, повышение в составе базальтов содержания SiO₂ более чем на 50%, иногда до 60 %, и TiO₂ до 2,5% способствует снижению вязкости, литейных свойств расплава, и плавление базальтов будет невыгодным. Поэтому базальты с таким содержанием SiO₂ легко поддаются дроблению и измельчению.

Отмеченное различие в соотношении химических элементов в базальтах может заметно влиять на их технологические свойства, не говоря о свойственных и вещественных показателях. Все эти свойства играют важную роль при определении назначения и расширении ассортимента выпускаемой продукции на основе данной породы.

Для проверки эффективности рекомендованного метода очистки был проведен эксперимент по промывке базальтов от шламов. Эксперименту подвергались по 200 кг образцов базальтов объектов исследований. Эксперимент проводился по следующей схеме.

Результаты проведенного эксперимента внесены в табл. 2.

Таблица 2.

Показатели механической очистки базальтов месторождений «Гавасай», «Асмансай» и «Айдаркуль»

Рисунок 1. Показатели механической очистки базальтов месторождений «Гавасай», «Асмансай» и «Айдаркуль»

Особый интерес в процессе переработки базальтовой породы представляет промывка, которая происходит после дробления базальтов, т.е. до стадии грохочения. Для сопоставления количества шламов в базальтах Узбекистана изучали состояния базальтовых пород месторождений «Айдаркуль», «Асмансай» и «Гавасай». Промывка базальтовой породы производилась по методу профессора А.А. Курбанова на промывочной машине – бутаре, которая после дезинтеграции специализирована под грохочение [7].

В данном процессе порода после промывки подается на среднее дробление, т.е. после разделения базальтов крупных размеров 250–300 мм на более мелкие куски (по характеристике оборудования на – 40 мм). После первой стадии дробления породы на дробилке на поверхности базальтовой породы могут остаться плотно прилепившиеся цементированные прослойки, а в некоторых случаях – и следы грязи.

По очередности в бутаре осуществлялась механическая промывка всех трех образцов породы. После промывки все образцы базальтовой породы подвергались сушке. Исследования показывают, что после процесса дробления выделенная из каждых 200 кг масса примесей породы составила в среднем 0,5% (примерно 0,5 кг) от общей массы. Показатель изменения массы породы после промывки составил 0,5%. Масса выделяемых шламов увеличивается с повышением засоленности почвы месторождения.

Одним из свойств горных пород является их пористость. В отличие от других минералов, в базальтах редко допускается проникание внутрь породы вредных примесей. Замечено, что базальтовые породы химически устойчивы и высокопрочны. Поэтому базальтовый камень подвергается химической очистке редко. В результате анализа базальтов выявили, что на поверхности отдельных кусков базальта содержатся NaCl, KCl, CaCl₂, CaO и т.д., образующиеся в экзогенных и гидрофобных природных процессах, которые можно удалить в процессе дробления (частично) и механической промывки.

Таким образом, выявлено, что экологическая чистота базальтов может быть обеспечена только в том случае, если в процессе переработки базальтовая порода подвергается промывке путем механической очистки. Данный метод играет важную роль в предотвращении появления коррозии на поверхности рабочих органов перерабатывающих машин.

Для этого были изготовлены образцы породы в виде таблетки, которые затем поместили в прибор IRTracer 100 SHUMADZU в области длины волн 400–4000 см^–1. После чего сняли ИК-спектры. Полученные спектры представлены на рисунках 3 а, б и в.

Для изучения взаимодействия различных силикатных соединений в базальтах месторождения «Айдаркуль» использовали реактивы в следующем виде:

а) кислоты – HCl, H₂SO₄, HNO₃;

в) основание – NaOH, Ca(OH);

c) соли – AgNO₃, BaCl, CaCl, K₄[Fe(CN)₆].

Произвольно выбранную массу – 10 г базальта – перемешивали с дистиллированной водой, через 30 минут образовалась суспензия. Затем суспензию отфильтровали. В данном процессе коллоидный раствор, который имел бледно-желтый цвет, выливали в другой стакан. Далее образец с помощью воронки Бюхнера, который предназначен для фильтрации растворов, фильтровали и декантировали несколько раз дистиллированной водой.

Вторую часть осадка таким же образом фильтровали и промывали водой. Оба осадка высушивали в сушильном шкафу при температуре 60–70 °С.

Проведены некоторые качественные реакции с фильтратом к ионам: Na⁺, Mg⁺, Ca⁺, Fe⁺ и т.д. Эти ионы не обнаружены в растворе. Это означает, что в данном случае переход ионов из состава базальтов в раствор не произошел.

Таким образом, результаты исследований показывает, что у базальтов «Айдаркуль» имеются силикатные и алюмосиликатные примеси, которые отделяются в виде коллоидного раствора. На основе этого можно сделать вывод о том, что перед началом термической обработки базальтовой породы необходимо избавить ее от шламов, глинистых примесей и гидроксидов.

После получения качественных очищенных от шламов базальтов проведено экспериментальное исследование теплового воздействия на породы и исследование структурных изменений базальтов. Поэтому проведен процесс изучения теплового воздействия на базальтовый полуфабрикат, который в настоящее время широко практикуется в исследовательских работах [5; 2].

Для исследования структурного изменения базальтов изучаем последствия термической обработки породы, что опирается на их свойственные показатели. Исследование процесса термического воздействия на базальты, где происходит превращение базальтовой породы, показано на дериватограмме, представленной на рисунке 2. В данном исследовании использован прибор Labybsys IVO, где температура нагрева достигает от 50 до 1200 °C. При этом скорость нагрева – 5 °С/мин.

На основании полученных результатов исследования по дериватограмме образцы подвергали термической обработке при температурах: 100, 300, 500, 700, 900, 100 и 1200 °С. Для термической обработки использовали муфельную печь.

Изучено проявление эндотермического эффекта процесса термолиза, который появляется при температуре 80–240 °С. Он показывает разложение глинистых примесей или удаление гигроскопической воды, содержащейся в породах.

В дальнейшем при температуре 520 °С наблюдается ослабление эффектов и увеличение на незначительной величине массы, что соответствует взаимопревращению составной части базальтов.

Рисунок 2. Дериватограмма результатов термической обработки образцов базальтов «Айдаркуль»

Однако, когда температура достигает 820 °С, наблюдаются глубокие эндотермические эффекты и потери массы до 16 мг от произвольно выбранной массы образца (это примерно 37,72% массы), что соответствует разложению карбонатов и силикатов, содержащихся в базальтовых породах.

Таким образом, при термической обработке базальтовых пород месторождения «Айдаркуль» происходит термическое разложение силикатов и алюмосиликатов, а также карбонатов. В процессе термической обработки силикатные составляющие базальтов: пироксены, оливины и плагиоклазы – также испытывают структурное изменение и создаются продукты взаимопревращения.

Для получения достаточной информации и взаимопревращения базальта при термической обработке использовали метод ИК-спектроскопии.

а)

б)

в)

Рисунок 3 а, б и в. ИК-спектры базальтов «Асмансай»

Известно, что для исследования свойственных и вещественных показателей пород широко практикуется изучение функциональных групп, содержащихся в составе различных карбонатов, силикатов и кристаллизационной воды. Поэтому в данном случае для выявления изложенных факторов в процессе использовали инфракрасный спектрометрический (ИК) метод.

Результаты экспериментального исследования показывают, что в ИК-спектрах заметны полосы поглощения. Такие полосы особенно можно заметить в области 756–800 см^–1, относящейся к деформационному колебанию М_с – ОСО группы, исчезает после термической обработки (900 °С), что подтверждается разложением (–СО₃) карбонатов. В полосе поглощения в области 1000 см^–1 замечается широкий спектр, относящийся к группе ν(СО)P_r(–OH)ν(–SiO).

Полосы поглощения в области 1639, 1620 см^–1 относятся к деформационным колебаниям δ(H₂O), которые в спектрах после обработки интенсивности становятся короткими. В области 3400 и 3600 см^–1 полосе поглощения соответствуют группы ОН воды и остатки минеральных кислот, такие как [СО₄]^2– [SiO₄]^2– и [^–Al(OH)₄]^–.

Таким образом, полученные данные ИК-спектра утверждают, что при термической обработке базальтовые породы месторождения «Айдаркуль» испытывают изменение минералогического состава.

Результаты физико-химического анализа показывают, что исходные образцы базальтов месторождения «Айдаркуль» содержат в составе примеси различных карбонатов, металлов, гигроскопические и кристаллизованные воды, которые при термической обработке при температуре 480 и 580 °С полностью удаляются из состава базальтов. В перспективе изложенные данные дают предпочтения сухой переработке базальтов для организации производства различного назначения.

Выводы

С помощью табличных данных выявлены показатели химического состава базальтов месторождения «Айдаркуль», которые представлены в табл. 1. Помимо этого, по данным дериватограммы наблюдаются эндотермические эффекты процесса термического анализа, особенно при температурах 80–240 °С, которые отвечают за разложение или удаление глинистых примесей, гигроскопических вод, имеющихся в породе.

При температуре 520 °С наблюдаются слабые эндоэффекты и незначительное увеличение массы, что соответствует взаимопревращению составной части базальтов «Айдаркуль». Установлено методами ИК-спектрометрии присутствие силикатных и алюмосиликатных глинистых пород в виде останков шламов в базальтах месторождения «Айдаркуль».

На основе результатов исследований выявлено, что при переработке базальтов «Айдаркуль» необходимо вначале организовать очистку породы от шламов и гидроксидов в виде коллоидного раствора или суспензий с применением промывки водой и разделением осадков. На основании полученных результатов исследования по дериватограмме образцы подвергали термической обработке при температурах: 100, 300, 500, 700, 900, 100 и 1200 °С. Для термической обработки использовали муфельную печь. Выявлено, что при термической обработке, когда температура нагрева достигла 700–750 °С, замечены красноватые оттенки измельченной массы базальта. В пределах температуры 800–850 °С выделялась темно-коричневая окраска, и при температуре 900–950 °С появилась темная окраска.

В целом полученные результаты исследования способствуют правильному выбору метода переработки базальтов для расширения области их применения путем организации производства новой разного цвета промышленной продукции. Это достигается применением сухого способа переработки базальтов, где отсутствуют процессы плавления породы, тем самым сокращаются технологические затраты производства по выпуску базальтовых изделий.

Список литературы:

1. Базальт: Инновационные технологии каменного литья: учеб. пособие / А.Е. Воробьев, К. Дребенштедт, Т.В. Чекушина, Е. Чекушина. – М. : РУДН, 2007. –200 с.
2. Беллами И. Инфракрасные спектры органических соединений. – М. : Мир, 1968. С. 118.
3. Курбанов А.А., Абдурахмонов С.А., Тураев А.С. Основы переработки базальтов Кызылкума. – Ташкент : Фан, 2010. – 167 с.
4. Курбанов А.А., Тураев А.С. Краткий обзор о базальте и о получаемых базальтовых материалах // Научно-технический и производственный журнал Горный вестник Узбекистана. – Навои, 2007. – № 3. – С. 82–85.
5. Накомата К. Инфракрасные спектры неорганических веществ и координационных соединений. – М. : Мир, 1961. – 200 с.
6. Abdirakhimov I. Development of effective demulsifiers on the basis of local raw materials // Universum: технические науки: научный журнал. – М. : Изд. «МЦНО», 2021. – № 2 (83). Ч 4 / [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://7universum.com/ru/tech/archive/category/283.
7. Kurbanov А.А. Work out of rational technology of reprocessing different type of basalts of Uzbekistan: Автореф. дис. … д-ра техн. наук. – Ташкент, 2016.
8. Sattorov L.Х., Кurbanov A.A. The flexural stiffness and tension state of basalt filter // RMZ – Materials and Geoenvironment. – 2017. – Vol. 64. – P. 053–062.