Глины и Каолины

Глина — тонкодисперсная горная порода, состоящая в основном из глинистых минералов. Обычно в глинах содержится примесь пластического аллотигенного материала — зерен кварца, полевых шпатов и других минералов, и аутигенного материала — карбонатов, сульфатов, гидроксидов железа и др.

П. А. Земятчиыский определял глины как горные породы, способные образовывать с водой пластичное тесто, сохраняющее по высыхании приданную ему форму, а после обжига приобретающее твердость камня. Это сравнительно точное определение, однако не все разновидности глин им охвачены, поэтому оно неприменимо к так называемым «сухарным» глинам (флинтклеям), не размокающим в воде. В связи с этим Ф. В. Чухров предлагает флинтклей относить не к глинам, а к глиноподобным породам.

К камнеподобным относятся и уплотненные глинистые породы — аргиллиты, характерные для складчатых областей и древних отложений платформ. Их использование во многих случаях аналогично глинам. К глинам тесно примыкает такая горная порода, как каолин. Характерная особенность каолина — возникновение в результате преобразования исходных пород, которое протекало или в процессе выветривания, или реже гидротермальным путем. Глины же формируются, как правило, при переотложении дисперсного материала преимущественно в водной среде.

Глины и Каолины

Однако имеются горные породы, возникающие при преобразовании исходного материала па месте. Они также относятся к глинам — это некоторые разности бентонитовых глин, формирующиеся при подводном преобразовании вулканических пеплов.

Переходная порода между глинами и каолинами — вторичные или переотложенные каолины. В них в отличие от исходных первичных (остаточных) каолинов строение исходной породы не сохраняется. По качественным показателям вторичные каолины приближаются к огнеупорным глинам. Породы четвертичного возраста, переходные от глин к пескам, называют суглинками, если в них преобладает глинистая (тонкодисперсная) фракция, или супесями, если преобладает песчаная фракция.

Особое название получила порода — лёсс; это высокопористая глинистая порода, в строении которой большую роль играет алевролитовый материал и, как правило, имеется примесь карбонатов. Лёсс формируется в воздушной среде эоловым путем. Глины образуют постепенные переходы к карбонатным породам, при этом промежуточными разностями являются известковистые глины, глинистые известняки, мергели. К последним относят породы, состоящие на 50—75% из карбонатного материала.

К глинистым и близким к ним минералам, составляющим «глинистую субстанцию» глин, относится значительное число минералов, в том числе следующие: каолинит и минералы его группы с таким же составом — диккит и накрит, галлуазит, Al-моптмориллонит, Fe-монтмориллонит (нонтронит), гидромусковит (иллит) и близкий к нему монотермит (слагается каолинитом и гидрослюдой), хлориты, палыгорскит (аттапульгит), сепиолит, бейделлит, глауконит, сапонит (с небольшим количеством Al, Fe), вермикулит (см. характеристику слюд).

Следует отметить, что для обозначения минералов группы монтмориллонита часто употребляется термин смектиты. Между монтмориллонитами и бейделлитами предполагается серия взаимных переходов. Имеется существенное количество глинистых смешаннослойных образований, например, формирующих ряд между слюдами и смектитами. Не вполне определенного состава опаловидные, стекловатые глинистые минералы относят к группе аллофана. В настоящее время у аллофана установлены элементы структуры (отдельные слои), близкие к каолиниту.

В глинах обычно преобладают частицы диаметром менее 0,01 мм, при этом количество частиц от 0,001 мм до десятых долей микрона достигает в большинстве случаев не более 10—15%. По составу глинистой субстанции среди глин выделяют полиминеральные глины и близкие к мономинеральным. В небольшом количестве в глинах отмечаются углистые вещества, стяжения сульфидов (преимущественно пирит, марказит), а также амфиболы, слюды и др.; акцессорные минералы представлены рутилом, турмалином, магнетитом, цирконом и др. В некоторых разностях глин (в том числе в сухарных) установлены высокоалюминиевые минералы — диаспор, гидраргиллит и др.

Глины и Каолины

Глины характеризуются рядом свойств, которые учитываются при их промышленном использовании: пластичностью, воздушной и огневой усадкой, пористостью, огнеупорностью, спеканием, гигроскопичностью и набуханием, адсорбционными свойствами, связующей способностью, вспучиванием, зыбкостью, гидрофильностью.

Под пластичностью понимают их способность после смачивания водой деформироваться без разрыва сплошности и сохранять полученную в результате деформации форму. На степень пластичности оказывает влияние ряд факторов, в том числе степень дисперсности (чем мельче частицы, тем выше пластичность), минеральный состав (монтмориллонитовые глины высокопластичны), структурные особенности и др. Пластичность обычно повышается при увеличении количества глинистой субстанции в составе глин.

Воздушная усадка — уменьшение объема смоченной водой глины на воздухе. Для уменьшения воздушной усадки в глины добавляют «отощающие» примеси, например, песок. Воздушная усадка у пластичных (несухарных) глин составляет в основном от 2—3 до 15%, реже 20% и более. Огневая усадка проявляется в процессе обжига глин и составляет для огнеупорных глин 7,5—20,5% при температуре 1200 °С и до 23% при 1300 °С.

Огнеупорность глин определяется температурой плавления. По температуре плавления среди глин выделяются высокоогнеупорные (свыше 1700°С), среднеогнеупорные (1650—1700°С), низкоогнеупорные (1580—1650°С), тугоплавкие (1350—1580°С) и легкоплавкие (ниже 1350 °С). Огнеупорность обычно повышается с возрастанием в глинах содержания Al2O3 и понижается с возрастанием щелочей, щелочноземельных металлов. Органические вещества не влияют на огнеупорность, но повышенное их количество приводит к тому, что продукт обжига (черепок) может характеризоваться увеличенной пористостью.

Спекание — частичное расплавление глин. Для оценки использования глин в керамике существенное значение имеет интервал спекания, т. е. тот интервал температур, при которых глина находится в стадии частичного расплавления. Увеличенные интервалы спекания благоприятствуют технологическому процессу. У глин интервал спекания от 100—140 до 350—400 °С.

Гигроскопичность — способность поглощать воду. У некоторых глин это происходит не только путем адсорбции, но и абсорбции, т. е. вода поглощается всей массой вещества. При этом глины набухают. У бентонитовых глин при набухании вода внедряется между плоскостями кристаллической рещетки, в связи с чем введено понятие о бентонитовом числе, определяющем набухание. Сорбция глин проявляется в поглощении не только воды, но и ряда веществ, в том числе различных катионов, анионов, органических веществ. При этом проявляется обменная способность глин. Она выражается в способности поглощать определенное количество вещества, выраженного (в г/моль — 103) 100-граммовой массой глин. У бентонитовых глин монтмориллонитового состава, емкость поглощения катионов 40—150, а анионов 20—30 г/моль — 103.

Связующая способность — способность пластичных глин связывать отощающие материалы, образуя при этом хорошо формирующееся тесто, достаточно прочное после сушки.

Вспучивание, т. е. способность при обжиге увеличиваться в объеме, расценивается положительно, если глины используются для производства легких заполнителей бетона, но оно является дефектом при производстве обычных керамических изделий. Повышенное вспучивание наблюдается у глин, обогащенных органическими веществами. Для повышения вспучивания в глины нередко добавляют/ некоторые вещества (например, мазут).

К отрицательным свойствам глин относится зыбкость — выделение воды при небольших нагрузках.

Гидрофильность глин — способность легко смачиваться водой — определяется соотношением теплоты смачивания водой и неполярным бензолом.

С учетом свойств и состава глин, обусловливающих их использование, можно выделить следующие группы:

  • каолины,
  • огнеупорные и тугоплавкие глины,
  • высокосорбирующие глины (отбеливающие),
  • легкоплавкие глины.

Каолины, точнее, первичные каолины, применяются большинством отраслей промышленности благодаря особенностям своего состава и набору свойств. Как правило, промышленностью используются обогащенные каолины, реже каолин-сырец. Обогащение каолина проводится путем отмучивания, флотации, магнитной и электромагнитной сепараций и другими методами.

Каолиновый концентрат в ряде случаев подвергается облагораживанию (путем обработки реактивами) для придания ему большей белизны. Попутные продукты обогащения каолина — кварц и нолевые шпаты — также используют в промышленности (керамической, толерубероидной, абразивной и др.). В числе важных свойств каолина следует отметить его высокую белизну в сыром и обожженном состояниях, сорбцию, гидрофильность, огнеупорность, пластичность, связующие способности, интервал спекания, усадку, дисперсность.

Каолиновый концентрат

Главные потребители обогащенного каолина — бумажная и керамическая промышленности, а также резиновая, мыловаренная, огнеупорная, химическая. В меньшей степени он используется в парфюмерно-косметической и кабельной отраслях промышленности, а также при: изготовлении клеенки, пластмасс, минеральных красок, карандашей, в производстве силумина (сплав Аl 87%, 81 13%) и др.

Каолин-сырец используется в цементной промышленности, при производстве полукислых огнеупоров. Особая разновидность каолинов — «щелочные каолины». В них содержится кроме примеси кварца существенное количество калиевых полевых шпатов. В «сыром» виде они могут использоваться в керамике, а в процессе обогащения из них получают кроме каолинитового и кварцевого полевошпатовый концентрат (или совместно с кварцем кварц-полевошпатовый). В огнеупорной промышленности широко используют вторичные каолины.

Химическая промышленность использует каолинитовый концентрат в производстве ядохимикатов, для получения сернокислого и хлористого алюминия и других продуктов. Различные отрасли предъявляют к качеству обогащенного каолина разные требования.

В производстве бумаги каолин используется как наполнитель и для покрытия бумаги. Так, каолин марки КП-80 применяют при получении печатной и писчей бумаги с применением древесной массы и беленой целлюлозы; КП-77, КП-67 — для производства той же бумаги из небеленой целлюлозы с древесной массой. Цифра после буквы обозначает минимальную гарантированную белизну каолина.

Для производства сернокислого алюминия применяют марку КАС, а хлористого алюминия КАХ-1 и КА-2. Минимальное содержание Al2O3в этих трех марках составляет соответственно 37; 36 и 35%, электротермического силумина и ультрамарина (в зависимости от марки минимум 0,4—0,8), электротехнических, керамических, санитарно-технических изделий (минимум от 0,7 до 1,2%), фарфора и фаянса (0,4—1%), шамотных изделий (марки Ш-1 до 1,5%, Ш-2 до 2,5%) и т. д.

В кабельной промышленности ограничено содержание меди (до 0,005%) И закиси марганца (до 0,01%). Для производства резинотехнических и пластмассовых изделий, а также искусственных кож и тканей, ограничивается содержание SO3 и водорастворимых солей. В ряде отраслей (силуминовая, керамическая) ограничено содержание СаО (до 0,6—0,8%).

Огнеупорные и тугоплавкие глины используются в производстве шамота (огнеупорный материал, применяемый в металлургии и других отраслях, в том числе для получения шамотного кирпича), сталеразливочного припаса, стеклоплавильных горшков, капселей (коробов для обжига фаянсо-фарфоровых изделий), фаянсовых и фарфоровых изделий, в том числе керамической плитки.

Тугоплавкие глины широко применяются для изготовления облицовочных блоков, дренажных труб. К глиняному огнеупорному сырью относятся пластичные, сухарные и полусухарные глины, а также некоторые глинистые сланцы. Один из основных показателей оценки качеств глин — огнеупорность, определяемая экспериментальным путем.

К высокосорбирующим, или отбеливающим, относятся бентонитовые, палыгорскитовые и сепиолитовые глины. Среди бентонитовых глин, главный минерал которых — монтмориллонит, выделяют натровые и кальциевые бентонитовые глины. Одни глины характеризуются достаточной активностью к абсорбции в естественном виде; в США их называют фуллеровыми землями.

кальциевые бентонитовые глины

Другие требуют предварительной активации путем обработки реактивами — кислотами, щелочами или воздействия Высоких температур. Бентонитовые глины применялись для обезжиривания сукон, в связи с чем они также называются сукновальными глинами. Эта группа глин применяется для изготовления буровых растворов, железорудных окатышей, очистки нефтепродуктов и вин, а также отработанного трансформаторного масла, изготовления формовочных смесей в металлургии (литейное дело), в керамике, для очистки вод от вредных элементов, в производстве керамзита, инсектицидов, в качестве биостимуляторов в животноводстве (добавка к кормам), в медицине, в ирригационном строительстве (для уменьшения фильтрации вод, что позволяет сократить расход воды в оросительных системах).

Буровые растворы, приготовленные из палыгорскитовых и сепиолитовых глин, характеризуются высокой устойчивостью против коагулирующего действия электролитов, поэтому при бурении для промывки можно использовать морскую воду. Добавка палыгорскита в минеральные удобрения препятствует их слеживанию. Палыгорскит используют в качестве катализатора при крекинге нефти; палыгорскит и сепиолит — в качестве минеральных сит для разделения (например, длинноцепочечных и ароматических углеводородов).

Легкоплавкие глины, суглинки и аргиллиты используются для производства керамзита и аглопорита (легких заполнителей бетона), кирпича, черепицы, цемента, при строительстве насыпных дамб, глинобитных сооружений и др. В составе этих глин существенное значение имеют железосодержащие минералы — вермикулиты, хлориты, нонтронит, сапонит, а также монтмориллонит, бейделлит, иногда глауконит.

Требования промышленности зависят от их использования. Так, для производства керамзита большую роль играет вспучивание; в производстве кирпича и черепицы — особенности гранулометрического состава, отсутствие явлений вспучивания, некоторых нежелательных включений (например, сульфатов и известковистых стяжений) и т. д.

Добыча глин и каолинов ведется в огромных масштабах. Считается, что ежегодная стоимость добычи глин превышает стоимость, ежегодно добываемого золота.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *