Исследование плавкости в системе альбит-эгирин-пентаоксодисиликат натрия-кварц

Исследование плавкости в системе альбит - эгирин -пентаоксодисиликат натрия - кварц

В.Н. Макаров1'2, Н.М. Кулькова1'2, Д.В. Макаров1'2, О.В. Суворова1

хАпатитский филиал МГТУ

2'Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, Апатиты

Аннотация. C применением методов дифференциально-термического анализа и визуальной политермии исследована система альбит - эгирин - пентаоксодисиликат натрия - кварц. Дано математическое описание поверхности ликвидуса как функции состава.

Abstract. The paper investigates the system albite - aegirite - pentaoxodisilicate natrium - quartz using the methods of differentially-thermal analysis. The mathematical description of liquidus surface as a function of composition has been given.

1. Введение

Хотя нефелин относится к тугоплавким минералам, он образует легкоплавкие эвтектики с кварцем, полевыми шпатами, мелилитом, пироксенами (Минералы, 1974). Это послужило основанием для использования нефелина в качестве компонента в керамических массах (Смирнова, Жданова, 1972; Куликов, Лунева, 1976; Иващенко и др., 1976; Иващенко и др., 1977; Остапенко и др., 1978; Мороз и др., 1981; Гаврилов, Арав, 1981; Салтевская и др., 1984; Пустовалов, Панин, 1995; Айвазов, Щукина, 1999; Мадоян и др., 2000). Чаще всего нефелин или содержащие этот минерал продукты используют в составе керамических масс для производства керамических плиток - облицовочных, половых, фасадных. Основу масс составляет глина, а содержание нефелина варьирует в пределах от 3 до 40 мае. % (Куликов, Лунева, 1976; Остапенко и др., 1978; Мороз и др., 1981; Гаврилов, Арав, 1981; Салтевская и др., 1984). В некоторых случаях используют составы, не содержащие глины или содержащие ее в небольших количествах. Основу в этом случае составляет кварцевый песок. Нефелин вводят в количествах от 2 до 45 мае. % с таким расчетом, чтобы, взаимодействуя с кварцем в процессе спекания, он перешел в альбит. Составы позволяют получать высокопрочные материалы, обладающие высокой химической стойкостью и морозостойкостью, низкой пористостью и водопоглощением (Иващенко и др., 1977; Гаврилов, Арав, 1981; Айвазов, Щукина, 1999). Такие материалы могут найти применение в химической промышленности, в нефтепереработке, а также - для производства бордюрного камня, тротуарной плитки.

Все эти материалы можно получить, используя нефелиновый концентрат, являющийся товарным продуктом для производства глинозема и портландцемента (Китлер, Лайнер, 1962). В то же время, большая часть нефелина в настоящее время направляется в отвалы в составе хвостов апатитовой и нефелиновой флотации. Главной особенностью этих отвальных продуктов, отличающей их от нефелинового концентрата, является заметное количество эгирина или эгирин-авгита (табл.). Содержания остальных минералов-примесей (апатита, сфена и титаномагнетита) заметно ниже.

Присутствие эгирина может существенным образом влиять на процесс спекания вследствие изменения температуры ликвидуса и вязкости образующегося при температуре обжига силикатного расплава. В этой связи представляло интерес исследование диаграмм состояния в системе альбит -силикат натрия - эгирин - кварц.

2. Методика исследований

Изучение систем проводили с помощью дифференциально-термического и визуально-политермического анализа. Дифференциально-термический анализ проводили на установке, подобной описанной в работе (Скиба и др., 2000) в платиновых тиглях в атмосфере воздуха. В качестве эталона использовали прокаленный Al2O3. Навеска образца составляла 400 мг, скорость нагрева 10 град./мин. Визуальную политермию осуществляли с использованием высокотемпературного микроскопа МНО-2 фирмы Карл Цейсс. Использовали синтетические альбит, пентаоксодисиликат натрия, природный кварц Енского пегматитового месторождения и эгирин Ловозерского эвдиалитового месторождения. Чистоту и

мономинеральность природных минералов контролировали оптически и рентгенометрически. Хотя природные эгирины характеризуются значительными пределами изменения химического состава, использованный в экспериментах эгирин практически соответствовал стехиометрическому МаРе81206. Альбит №А18130§ и пентаоксодисиликат натрия №281205 синтезировали из реактивов квалификации "х.ч." путем сплавления в платиновых тиглях. Трудность изучения систем заключалась в том, что ни альбит, ни силикат натрия кристаллизовать не удалось. Поэтому с высокой точностью изучены поля кристаллизации эгирина и кварца. Поля кристаллизации альбита и силиката натрия исследованы лишь в первом приближении.

Таблица 1. Минеральный состав нефелинсодержащих продуктов

Минералы Содержание, мае. %

1 2 3

Нефелин 55-65 75-80 50-55

Полевые шпаты 8-12 8-16 2.5-4

Вторичные минералы по нефелину 3-7 1.5-10 0.5-2

Эгирин 7-11 1.5-10 23-27

Апатит 4-8 0.5-1.9 2-3.5

Сфен 1.5-3 0.5-1 4-5

Титаномагнетит 2-3 0.4-0.6 4-5

Примечание: 1 - хвосты апатитовой флотации; 2 - нефелиновый концентрат; 3 - хвосты нефелиновой флотации.

3. Результаты и их обсуждение

Система альбит - эгирин. Диаграмма состояния системы эгирин - альбит относится к диаграммам эвтектического типа. Поскольку эгирин плавится инконгруэнтно, большую часть линии ликвидуса представляет граница гематит + жидкость - жидкость. Двойная эвтектика при температуре 975°С соответствует составу 14 мае. % эгирина и 86 мае. % альбита. Линия ликвидуса на участке эгирин - эвтектика удовлетворительно описывается уравнением третьего порядка:

TL = 1305 - 4.525-Alb + 0.1727-Alb 2 - 0.00195-Alb3,

где Alb - содержание альбита в мае. %.

Остальные бинарные системы построены на основании литературных данных.

Система альбит - эгирин - пентаоксодисиликат натрия. В пределах системы выделяются четыре поля кристаллизации (рис. 1) - гематита, эгирина, альбита и пентаоксодисиликата натрия. С достаточной точностью определены границы полей кристаллизации первых двух. Так как синтезированные альбит и силикат натрия не удалось кристаллизовать, границы полей их кристаллизации определены приближенно. Не удалось точно определить и положение тройной эвтектики. Тем не менее, поля кристаллизации гематита и эгирина покрывают большую часть площади тройной системы, наиболее интересную с точки зрения утилизации хвостов обогащения апатит-нефелиновых руд.

Температура поверхности ликвидуса в пределах поля кристаллизации гематита описывается уравнением:

TL = 1305 - 4.525-Alb + 0.1727-Alb 2 - 0.00195-Alb3- 27.223-Ns + 0.3Ns2 + + 2.4723-Alb-Ns - 0.05134-Alb2Ns - 0.04183-Alb-Ns2 + 0.00071 -Alb2-Ns2 + 0.00018Alb3Ns,

где Ns - содержание пентаоксодисиликата натрия в мае. %.

Поле кристаллизации эгирина описывается уравнением:

TL = 1009 - 2.25-Ns - 0.0095Ns2 + 44.08-Alb - 0.569-Alb2-- 1.3164-AlbNs + 0.01077 -Alb2-Ns + 0.00957-Alb-Ns2.

Остальные тройные системы описаны по литературным данным.

Система эгирин - альбит - силикат натрия - кварц. В этой системе, кроме перечисленных выше, выделяются поля кристаллизации: кварца, тридимита и кристобалита. Эти поля, вследствие высоких значений температуры ликвидуса, в свете рассматриваемой проблемы не представляют интереса. Поэтому нами детально исследовано сечение 20 % кварца + 80 % эгирина : 20 % кварца + 80 % альбита : 20 % кварца + 80 % силиката натрия (рис. 2).

С учетом литературных данных температура поверхности ликвидуса в пределах поля кристаллизации гематита описывается уравнением:

Гь = 1305 - 4.525-Л/Ъ + 0.1727-Л/Ъ2 - 0.00195-Л/Ъ3- 27.223-N.s- + 0.3-^2 - 3.35-0 + 0.071402 + + 2.4723-Л1Ъ-Ш - 0.05134-Л/Ъ2-^ - 0.04183•Л/Ъ•Ns2 + 0.00071 -Л1Ъ2-Ш2 + 0.00018-Л/Ъ3-^ -- 0.31635-0-Л/Ъ + 0.00043-02-Л/Ъ2 - 0.000000287-03-Л/Ъ3 - 03938-0)-Ш + + 0.00023 0-Ш-Л1Ъ - 0.0000810ШЛ1Ъ2 + 0.0006240-Ш2-Л1Ъ,

где 0 - содержание кварца в мае. %.

Температура поверхности ликвидуса в пределах поля кристаллизации эгирина описывается уравнением:

Гь = 1009 - 2.25-^ - 0.0095-N52 + 44.08-Л/Ъ - 0.569-Л/Ъ2 + 3.9140 - 0.16502- 1.3164-Л/Ъ-ЖУ + 0.01077-Л1Ъ2-№ + 0.00957-Л1Ъ-Ш2-0.05160-Ш - 0.4261-0-Л/Ъ + 0.02323-0-Л/Ъ2 + + 0.00541-Л/Ъ-Жу-0 - 0.000984-Л/Ъ2-№--0 - 0.000121-Л1Ъ-Ш2-0>.

Пентаоксодисиликат натрия

Пентаоксодисиликат натрия

Альбит

10 20 30 40 50 60 70 80 90 ЭгиРин Рис. 1. Диаграмма плавкости системы альбит -эгирин - силикат натрия

Альбит

10 20 30 40 50 60 70

Эгирин

Рис. 2. Диаграмма плавкости системы альбит -эгирин - силикат натрия - кварц. Содержание кварца - 20 мас.%

4. Выводы

Исследовано взаимодействие в системе кварц - пентаоксодисиликат натрия - альбит - эгирин. С использованием полученных результатов и литературных данных построены диаграммы плавкости.

Работа выполнена в рамках программы Отделения химии и наук о материалах РАН "Научные основы ресурсо- и энергосбережения в процессах переработки минерального техногенного и возобновляемого сырья".

Литература

Айвазов М.И., Щукина З.А. Способ изготовления строительной керамики на основе природного песка и керамическое изделие. Патент 2135431 РФ С 01 В 35/14, Б.И., № 15, 1999.

Гаврилов Н.П., Арав Р.И. Масса для изготовления плиток. A.c. 958392 СССР, МКИ С 04 В 33/00, Б.И., № 34, 1981.

Иващенко П.А., Воробьев Х.С., Варламов В.П., Кашкаев И.С. Шихта для изготовления керамических изделий. A.c. 556122 СССР, МКИ С 04 В 33/13. 35/14, Б.И., № 16, 1977.

Иващенко П.А., Воробьев Х.С., Тимашев В.В. Шихта для изготовления керамических изделий. A.c. 537981 СССР, МКИ С 04 В 35/14, Б.И., № 45, 1976.

Китлер И.Н., Лайнер Ю.А. Нефелин - комплексное сырье алюминиевой промышленности. М., Металлургиздат, 237 е., 1962.

Куликов Г.В., Лунева H.A. Масса для изготовления строительной керамики. A.c. 488795 СССР, МКИ С 04 В 33/00, Б.И., № 39, 1976.

Мадоян A.A., Нубарьян A.B., Ратькова В.П., Яценко Н.Д. Керамическая масса. Патент 2148564 РФ С 04 В 33/00, Б.И., № 12, 2000.

Минералы. Диаграммы фазовых равновесий. М., Наука, вып.2, 489 е., 1974.

Мороз Б.И., Соболева В.Г., Крупа A.A., Кругловский H.H. Керамическая масса для изготовления фасадных плиток. A.c. 833825 СССР, МКИ С 04 В 33/00, Б.И., № 20, 1981.

Остапенко М.Я., Рашевская Е.Г., Ледняк О.П. Керамическая масса. A.c. 617434 СССР, МКИ С 04 В 35/00, Б.И., № 28, 1978.

Пустовалов В.П., Панин Г.Г. Шихта для изготовления керамических изделий. Патент 2041182 РФ С 04 В 35/14, Б.И., № 22, 1995.

Салтевская М.М., Ткач Г.А., Дмитрук В.И., Жуковин В.И. Керамическая масса для изготовления фасадных плиток. A.c. 1085959 СССР, МКИ С 04 В 33/00, Б.И., № 14, 1984.

Скиба В.И., Макаров Д.В., Шишаев В.А. Автоматизированная установка дифференциально-термического анализа. Заводская лаборатория, т.66, № 4, с.39-40, 2000.

Смирнова К.А., Жданова С.С. Керамическая масса для изготовления фильтрующих изделий. A.c. 338510 СССР, МКИ С 04 В 35/14, Б.И., № 16, 1972.