* здесь и далее по тексту приведено массовое содержание

Таблица 2 Химический состав амфиболовых концентратов сухой и мокрой магнитной сепарации

* здесь и далее по тексту приведено массовое содержание

Анализируя минеральный и химический составы отходов обогащения железистых кварцитов, можно отметить, что указанное сырье несомненно представляет определенный интерес в качестве сырьевого компонента при получении силикатных материалов различного назначения.

На блок-схеме приведены исследованные пути утилизации отходов обогащения железистых кварцитов в силикатной промышленности.

Термическая обработка проб амфиболовых концентратов сухой и мокрой магнитной сепарации показала, что температуры их плавления составляют 1170-1230 и 1130-1170 °С соответственно.

Согласно данным дифференциально-термического анализа на термограммах обеих проб сырья отмечается наличие экзотермического эффекта при 450-455 ^оС, обусловленного окислением двухвалентного железа. Эндотермические эффекты при 540-550 и 720-740 ^оС связаны с  удалением основной части структурной и оставшейся части конституционной воды.

Рентгенофазовый анализ (рис. 1) показал, что минеральный состав отходов сухой и мокрой магнитной сепарации представлен кварцем, роговой обманкой, минералами группы хлоритов, гематитом, магнетитом. Присутствуют также в незначительных количествах анортит, кальцит, биотит.

Изучение влияния исследуемого сырья на технологические свойства керамических масс для производства стеновых материалов - кирпича и камней керамических показало, что отходы обогащения железистых кварцитов способны оказывать пластифицирующее действие, снижать формовочную влажность, а также уменьшать показатели чувствительности керамических масс к сушке и обжигу. При их использовании в сочетании с легкоплавкими глинами в температурном интервале обжига 1000-1050°С достигаются высокие показатели физико-химических свойств керамических образцов: воздушная усадка 5.5-8%, общая  линейная усадка 7-10 %, водопоглощение 7.7-13.3%, кажущаяся плотность 2130-2190 кг/м³, механическая прочность при сжатии 43-63 МПа, морозостойкость более 35 циклов, эффективная удельная активность радионуклидов менее 90 Бк/кг.

При введении отходов сухого и мокрого обогащения железистых кварцитов  возможно регулирование как степени спекания керамических материалов, так  и механической прочности образцов изделий. Установлено, что оптимальное содержание обоих видов отходов в шихте составляет 20 %.

С использованием отходов, вводимых в массы в количестве 8-10%, получены образцы керамических плиток для внутренней облицовки стен. Требуемый комплекс свойств керамических плиток (водопоглощение, механическая прочность при изгибе, температурный коэффициент линейного расширения) обеспечивается при температуре обжига 1050^оС. Водопоглощение образцов плиток составляет 14-16%, механическая прочность при изгибе - 17-23 МПа, температурный коэффициент линейного расширения образцов плиток -  (59-62)·10^-7 К^-1.

Рис. 1 - Рентгенограммы отходов сухого (а) и мокрого (б) обогащения железистых кварцитов, где ○ -  a-кварц; ● - хлорит; □ - роговая обманка; ■ - анортит; ∆ - гематит;  ▲ - магнетит;  - кальцит;       - биотит

Установлено, что изучаемое сырье благоприятно влияет на свойства керамических масс - снижает усадку, способствует расширению интервала спекания изделий и оказывает как отощающее, так и флюсующее действие. Доказана возможность использования отходов в количестве 5-20% в массах для получения майоликовых изделий бытового назначения с водопоглощением в пределах 16.5-20%, а также для плотноспекшихся керамических материалов низкотемпературного обжига с водопоглощением менее 5%.

Апробация амфиболовых концентратов при синтезе стекол была направлена на расширения сырьевой базы в производстве окрашенных стеклоизделий (стеклотары, некоторых видов архитектурно-строительного стекла). Стекла, синтезированные с использованием амфиболовых концентратов, имеют интенсивную окраску, в связи с чем интегральное светопропускание в видимой области спектра составляет 50-65%. Высокий уровень поглощения обусловлен наличием в составе амфиболов оксидов 3d-элементов (железа, титана, марганца). Сине-зеленая окраска стекол связана, главным образом,  с присутствием ионов железа, а регулирование их спектральных характеристик обусловлено изменением соотношения  Fe²⁺/Fe³⁺. При окислительном потенциале газовой среды максимум пропускания на спектрах стекол находится в области длин волн 560-570 нм, что отвечает зеленому цвету. При восстановительном потенциале газовой среды  максимум пропускания сдвигается в более коротковолновую область спектра (490-500 нм), что отвечает голубым тонам. В этом случае усиливается поглощение в ближней инфракрасной области спектра, что связано с увеличением соотношения Fe²⁺/Fe³⁺. Возможно расширение цветовой гаммы железосодержащих стекол при использовании комбинаций красителей, например  Fe₂O₃(FeO)-Se-CoO, Fe₂O₃(FeO)-NiO, Fe₂O₃(FeO)-Cr₂O₃. При этом получены образцы спектрально сложных цветовых тонов (шоколадного, коричневого, зеленовато-желтого, серо-зеленого).

Физико-химические свойства опытных стекол находятся на уровне показателей промышленных составов и воспроизводятся при использовании отдельных проб минерального сырья.

С использованием отходов обогащения железистых кварцитов получены стекловидные глазурные покрытия для декорирования различных керамических изделий: майоликовых изделий, печных изразцов и черепицы, окрашивание которых достигнуто без применения дорогостоящих импортных пигментов. Полученные глазури различной фактуры (от матовой до блестящей), характеризуются хорошей кроющей способностью, цветовая гамма представлена красно-коричневыми, шоколадными, темно-коричневыми и желто-зелеными тонами. Экспериментальные значения ТКЛР исследуемых глазурей составляют (55,5-68,8)´10^-7К^-1, микротвердость  5100-6580 МПа, термостойкость покрытий 200-250^оС. Предельное содержание вводимых амфиболов в шихтах составляло 45-75%.

Амфиболовые концентраты использовались также для синтеза полуфриттованных и нефриттованных глазурей с повышенной устойчивостью к истиранию, предназначенных для декорирования плиток для полов однократного обжига, выпускаемых на поточно-конвейерных линиях типа RKS (Италия). Содержание отходов варьировалось от 10 до 50%. Получены покрытия со следующими характеристиками: третья степень износостойкости; ТКЛР покрытия 58,2×10^-7 К^-1; микротвердость 8860 МПа;  твердость по  Моосу 7; термостойкость 125°С; белизна 79%; блеск 17.3%.

При получении стеклокристаллических материалов вышеуказанное сырье служило основным компонентом и вводились в количестве 85-95 %. В этом случае процесс кристаллизации активно стимулируется присутствующими непосредственно в сырье оксидами железа и дополнительно вводимым хромитовой рудой небольшим количеством (1 %) оксида хрома. Установлено, что на основе стекол оптимального состава возможно получение двух типов материала: петроситалла с температурой кристаллизации при термообработке 820^оС и каменного литья с температурой кристаллизации горячей отливки 800-810^оС. Эксплуатационные  свойства синтезированных материалов следующие: плотность 2945-3016 кг/м³, кислотостойкость до 98% в 1 н HCl, износостойкость 0.03-0.04%/ч.

Фазовый состав материала представлен пироксеновым твердым раствором на основе пижонита и авгита, который, как известно, обладает уникальной способностью к широкому изо- и гетеровалентному изоморфизму, что обеспечивает вхождение в его кристаллическую решетку значительного числа различных химических элементов.

Полученные петроситаллы и каменное литье имеют однородную структуру, мономинеральный фазовый состав, высокую износоустойчивость, химическую стойкость и могут быть рекомендованы для отраслей промышленности и техники, сопряженных с работой деталей в условиях совместного воздействия трения различной природы и агрессивных сред.

Таким образом, установлено, что отходы обогащения железистых кварцитов благодаря своему химико-минералогическому составу можно отнести к перспективным ресурсам недр Республики Беларусь, на основе которых возможно получение ряда силикатных материалов многофункционального назначения. Разработка Околовского месторождения может внести весомый вклад в расширение сырьевой базы Республики Беларусь и номенклатуры выпускаемых силикатных изделий различного назначения, а также позволит организовать утилизацию отходов, образующихся при обогащении железных руд.

Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья том 2