2. Кварцевые материалы урала

Кварцевыми материалами называют природные материалы, которые в основном состоят из кремнезема (SiO₂).

Кварцевые материалы играют важную роль как отощающие компоненты в керамических массах, как составная часть полукислых огнеупорных изделий, как компонент, обеспечивающий протекание необходимых физико-химических превращений в керамике при обжиге (фарфор, фаянс). Наконец, кварцевые материалы являются сырьем для производства огнеупорного кислого кирпича – динаса (изготавливают главным образом из кварцитов), для производства строительного силикатного (известково-песчаного) кирпича. В глазурях кремнезем служит основным стеклообразующим компонентом. Кремнезем (SiO₂) является главной составной частью большинства промышленных стекол. Он встречается в природе в различных формах: в кристаллической (кварц), скрытокристаллической (халцедон, агат, яшма) и аморфной (опал, трепел, диатомит, маршаллит).

Кварц – одна из разновидностей диоксида кремния или кремнезема, которая наиболее широко встречается в природе и находит большое применение в керамической, стекольной и огнеупорной промышленности. В природе кварц распространен в виде β-кварца. По внешнему виду представляет собой шестигранные пирамиды. Чистая разновидность кварца называется горным хрусталем. Наличие в кварце красящих веществ придает ему ту или иную окраску. Так, кварц, окрашенный марганцевыми соединениями в лиловый цвет, называется аметистом, темноокрашенный – дымчатым топазом.

Кварц является твердым минералом. Его твердость по шкале твердости равна 7. Плотность кварца – 2,65 г/см³, обладает двойным лучепреломлением и используется в различных оптических приборах. В радиотехнике кристаллы кварца применяют в качестве стабилизатора частоты. Кварц прозрачен для ультрафиолетовых лучей. Он не взаимодействует с кислотами, за исключением фтористоводородной кислоты. Поддается влиянию щелочей. Разновидностью кварца является минерал халцедон, имеющий волокнисто-кристаллическое строение. Разновидности халцедона – агат, кремень, сердолик и «окаменелое дерево».

В природе наряду с кварцем встречаются другие модификации кремнезема: γ-тридимит и β-кристобалит. Ввиду ограниченности их распространения в качестве сырья для керамической промышленности они не применяются. Встречающиеся в природе кристаллические модификации кремнезема при нагревании претерпевают полиморфные превращения.

Последовательность фазовых переходов в системе SiO₂ представляют следующим образом :

	870оС		1470оС		1728оС
α - кварц	↔	α- тридимит	↔	α- кристобалит	↔	расплав
↓ ↑ 573оС		↓ ↑ 163оС		↓ ↑ 230оС
β - кварц		β - тридимит		β - кристобалит
		↓ ↑ 117оС
		γ – тридимит

Для керамики важным является как наличие той или иной модификации в изделии, так и те объемные эффекты, которые сопровождают указанные превращения. Кривая обжига должна быть построена так, чтобы эти превращения происходили медленно, в противном случае они вызовут разрыв черепка изделия.

Кварцевые пески – зернистый материал с размером частиц от 0,05 до 3 мм, образуется при разрушении кварцсодержащих пород. Обычно кварцевые пески содержат в своем составе различные примеси: оксиды железа, глинистые материалы, полевые шпаты, карбонаты и другие. Примеси придают песку окраску от желтого до красно-бурого цвета. Чистые кварцевые пески содержат до 99% кремнезема. Кварцевые

пески применяют в качестве одного из компонентов некоторых керамических масс, глазурей, а также для изготовления комбинированных добавок – флюсов, способствующих снижению температуры спекания керамических материалов из высокоогнеупорных оксидов, в частности из оксида алюминия.

Водные разновидности кремнезема – к ним относятся природные и искусственные гидраты кремнезема с общей формулой mSiO₂nH₂О, где m и n – целые числа. Природные разновидности кремнезема представлены опалом, опокой, трепелом, диатомитом и инфузоритами, они различаются по составу, структуре, плотности и прочности. Характерная их особенность состоит в наличии в них некоторого количества активного кремнезема, способного взаимодействовать с другими веществами при обычной температуре. Это обстоятельство позволяет использовать гидраты кремнезема для производства пуццоланового цемента. В керамической промышленности их можно применять в качестве компонентов для приготовления глазурей и в качестве заменителей кварца в составах керамических масс.

Диатомит состоит преимущественно из микроскопических кремниевых полых внутри панцирей одноклеточных диатомитовых водорослей. В диатомитовой породе присутствуют глинистое и опаловое вещества, зерна кварца, полевого шпата, гипса и иногда глауконита. Плотность диатомита 0,2–0,25 т/м³, его используют в производстве пористых и теплоизоляционных изделий.

Трепелы – состоят из тончайших зерен (0,005–0,02 мм) аморфного кремнезема неорганического происхождения, связанного с вулканической деятельностью, они содержат примеси глины, оксидов железа, на ощупь нежны и мало прочны, имеют весьма разнообразную окраску светло-бурых и красных тонов. В промышленности используются в направлениях аналогичных применению диатомитов. Встречаются сланцевидные разновидности. Как и диатомиты, трепелы отличаются малой плотностью 0,22–0,87 т/м³, большим водозатворением 50–80%, благодаря чему обладают низкой теплопроводностью.

Песчаники. К ним относят осадочные горные породы, состоящие из сцементированных зерен песка. В зависимости от состава цементирующего вещества различают известковые, глинистые, слюдяные, кремнистые и прочие песчаники. В огнеупорной промышленности употребляют только кремнистые песчаники, состоящие из более или менее крупных песчинок кварца, сцементированных преимущественно аморфным или кристаллическим кремнеземом. В технике кремнистые песчаники обычно называют кварцитами.

Кварциты – плотные твердые мелкозернистые горные породы, состоящие в основном из зерен кварца. В кварцитах содержится более 97% SiO₂, менее 1,6% Al₂O₃ и менее 0,7% Fe₂О₃, что соответствует огнеупорности около 1770^оС; в кварцитах, содержащих менее 8,0% Al₂O₃ и менее 1,5% CaO, огнеупорность около 1750^оС.

Общая пористость наиболее плотных кристаллических кварцитов составляет 0,1–2,5%, плотность 2,65–2,66 г/см³, твердость по Моосу равна 7.

Кремень – представляет собой кристаллическую разновидность кремнезема, встречается в природе в виде кусков различной формы, желваков, натечных образований бурого и серого цветов. После предварительного обжига лучшие сорта кремня применяются в качестве отощителя в производстве тонкой керамики. Кремневую гальку используют в качестве мелющих тел в шаровых мельницах для измельчения керамических масс и глазурей.

Пылевидный кварц (маршаллит) представляет собой природный пылевидный кварцевый материал от серовато-серого до белого цвета, обладающий высокой дисперсностью. Он не является чистым кремнеземом, так как содержит значительное количество оксидов щелочных и щелочно-земельных металлов. Пылевидный кварц имеет органическое происхождение и состоит из скопления скелетов (панцирей) морских водорослей. Это – рыхлые, землистые, легкие, пористые горные породы, применяющиеся в различных отраслях производства.

При оценке кварцевого сырья существенное значение имеет его чистота. Примеси, встречающиеся в кварцевых материалах, могут быть подразделены на два вида:

– снижающие качество кварцевых материалов, а в случае высокого содержания в сырье исключающие возможность его применения (окрашивающие примеси – оксиды железа, диоксид титана, слюда (биотит), другие железистые силикаты);

– не вызывающие дефектов изделий, например, не загрязненные железом глины и каолины.

Общих технических условий на естественные кварцевые пески не имеется. Основные требования к естественным кварцевым пескам заключаются в их чистоте: содержание SiO₂ должно быть не менее 98,5%, оксида железа не более 0,2–0,3%.

Кварцевые пески – основной компонент шихты для всех видов стекольной продукции. Требования к стекольным пескам очень высоки, особенно по химическому составу. ГОСТ 2251-77 строго регламентирует содержание кремнезема (не менее 95–99,8% в зависимости от марки песка), оксидов железа (не более 0,01–0,025%), глинозема (не более 0,1–4,0%). Нормируется также влажность (для обогащенных песков до 0,5%, для необогащенных 7,0%), содержание тяжелой фракции (до 0,05%) и зерновой состав.

На Урале кварцевые материалы распространены в Свердловской, Челябинской, Оренбургской, Пермской, Курганской областях и Республике Башкортостан.

Ниже приводится характеристика месторождений кварцевых материалов Урала.