Дослідження впливу середовища на процеси плавлення гірських порід базальтоподібного складу та змочування ними платини
Проведено дослідження впливу середовища на процеси плавлення гірських порід базальтоподібного складу. Представлено результати зміни крайового куту змочування базальтовим розплавом платинової пластини в окиснювальному та відновлювальному середовищах і в атмосфері гелію та азоту при температурах 1000―...
Saved in:
| Published in: | Современные проблемы физического материаловедения |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України
2008
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28635 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Дослідження впливу середовища на процеси плавлення гірських порід базальтоподібного складу та змочування ними платини / І.М. Дідук, Ю.М. Чувашов, О.М. Ященко, Н.І. Кошеленко, В.І. Божко, Г.Ф. Горбачов, В.М. Клевцов, Є.О. Рибалка, Ю.Й. Смірнов // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2008. — Вип. 17. — С. 111-117. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859634082795749376 |
|---|---|
| author | Дідук, І.М. Чувашов, Ю.М. Ященко, О.М. Кошеленко, Н.І. Божко, В.І. Горбачов, Г.Ф. Клевцов, В.М. Рибалка, Є.О. Смірнов, Ю.Й. |
| author_facet | Дідук, І.М. Чувашов, Ю.М. Ященко, О.М. Кошеленко, Н.І. Божко, В.І. Горбачов, Г.Ф. Клевцов, В.М. Рибалка, Є.О. Смірнов, Ю.Й. |
| citation_txt | Дослідження впливу середовища на процеси плавлення гірських порід базальтоподібного складу та змочування ними платини / І.М. Дідук, Ю.М. Чувашов, О.М. Ященко, Н.І. Кошеленко, В.І. Божко, Г.Ф. Горбачов, В.М. Клевцов, Є.О. Рибалка, Ю.Й. Смірнов // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2008. — Вип. 17. — С. 111-117. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современные проблемы физического материаловедения |
| description | Проведено дослідження впливу середовища на процеси плавлення гірських порід базальтоподібного складу. Представлено результати зміни крайового куту змочування базальтовим розплавом платинової пластини в окиснювальному та відновлювальному середовищах і в атмосфері гелію та азоту при температурах 1000―1500 °С.
|
| first_indexed | 2025-12-07T13:14:20Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 666-4
Дослідження впливу середовища на процеси
плавлення гірських порід базальтоподібного складу
та змочування ними платини
І. М. Дідук, Ю. М. Чувашов, О. М. Ященко, Н. І. Кошеленко,
В. І. Божко, Г. Ф. Горбачов, В. М. Клевцов, Є. О. Рибалка,
Ю. Й. Смірнов
Проведено дослідження впливу середовища на процеси плавлення гірських порід
базальтоподібного складу. Представлено результати зміни крайового куту
змочування базальтовим розплавом платинової пластини в окиснювальному та
відновлювальному середовищах і в атмосфері гелію та азоту при температурах
1000―1500 оС.
Вступ
Магматичні гірські породи базальтоподібного складу все більш
широке застосування знаходять у виробництві різних матеріалів та
виробів, у складі яких базальт піддається спеціальній технологічній
переробці ― плавленню.
В природних умовах розплави гірських порід типу базальтів у процесі
вулканічного виверження та доволі повільного остигання лави майже
повністю перейшли в кристалічний стан. Технологія виробництва волокон
з гірських порід має ряд особливостей, зумовлених природною
структурою та хімічним складом вихідної сировини.
Мінералогічний аналіз порід, які відповідають вимогам промисловості
для виробництва волокон, вказує на те, що вони в основному складаються
з залізомагнезіальних силікатів ― 50―52% ― піроксенів (із структурною
формулою R2[Si2O6] (R ― Mg, Fe, Ca, Al, Na) і в основному представлені
мінералами ― авгітом Ca(Mg, Fe, Al)[(Si, Al)2O6)], енстатитом Mg2[Si2O6]
та гіперстеном (Fe, Mg)2[Si2O6]) та олівіни (із структурною формулою
(Mg, Fe)2[SiO4], де атоми Mg, Fe ізоморфно заміщають один одного,
хімічний склад (%): MgO ― 45―50, FeO ― 8―20, Ni ― 0,01―0,3, Co ―
0,001―0,01); алюмосилікатами ― 41―43 плагіоклази (у вигляді
ізоморфного ряду альбіту Na[AlSi3O8] і анортиту Na[Al2Si2O8], хімічний
склад (%): SiO2 ― 43―68, Al2O3 ― 19―36, CaO ― 0―21, Na2O ―
0―10,8, спостерігаються включення K та Fe); магнетитами, скловидними
речовинами та рудними мінералами ― 6―9% [1―7].
Середній хімічний склад базальтів, що відповідають вимогам, які
пред’являються промисловістю для виробництва базальтових волокон,
наступний (%): SіО2 ― 48―49; Аl2О3 ― 12―14; (Fe2O3 + FeO) ―
10―13,5; TiO2 ― 1,0―1,6; МnО ― 0,25; СаО ― 7,5―8,1; MgO ―
5,9―6,71; (Ka2O + Na2O) ― 2,7―3,81; SO3 ― 0,03; в. п. п. ― 2,7―3,81.
Одним з найбільш важливих технологічних процесів у виробництві
базальтових волокон є плавлення, основні етапи якого ― нагрів сировини,
© І. М. Дідук, Ю. М. Чувашов, О. М. Ященко, Н. І. Кошеленко,
В. І. Божко, Г. Ф. Горбачов, В. М. Клевцов, Є. О. Рибалка,
Ю. Й. Смірнов, 2008
111
її плавлення та отримання гомогенного аморфного розплаву, а також кут
змочування розплавом матеріалу фільєрного живильника.
В раніше проведених дослідженнях [8] вивчено процеси, які
відбуваються при нагріванні гірських порід базальтової групи. В інтервалі
температур 800―1000 оС базальт, що містить (%) магнетит (5), олівін (15),
піроксен (54) і плагіоклаз (25), змінює початковий сіро-чорний колір на
світло-бурий внаслідок окиснення магнетиту в гематит. Зерна інших
мінералів лишались без змін. Зі збільшенням температури поверхня зразку
знову почорніла із-за утворення навколо зерен олівіну темної склоподібної
кайми, збагаченої іонами двовалентного заліза. При температурі
1050―1100 оС склоподібна кайма біля кристалів олівіну збільшувалась і
надавала поверхні блискучого виду. Кристали плагіоклазу розплавлялись
і переходили в склоподібний стан. Кристали авгіту оплавлялись і
поступово розчинялись в склі. Ребра зразку округлялись. При температурі
1165 оС зразок повністю розплавлявся. В розплаві залишались рештки
крупних кристалів авгіту і олівіну, які при подальшому підвищенні
температури поступово зникали. Останніми при температурі 1295 оС
розчинялись дрібні кристали магнетиту. Температура 1295 оС вважається
температурою ліквідусу.
Звичайно в промислових умовах плавлення базальтоподібної сировини
магматичного походження здійснюють в печах при температурах
1400―1450 оС. При таких температурах основний нагрів (до 95%)
відбувається за рахунок теплового радіаційного випромінювання. Під дією
високих температур в розплавах проходять складні термохімічні реакції,
які зумовлені мінералогічним та хімічним складом гірської породи, сере-
довищем та температурою плавлення. При цьому слід зазначити, що тем-
пература плавлення олівінів знаходиться в межах 1205 оС, піроксенів ―
1540―1550 оС, альбіту ― 1100―1250 оС, анортиту ― 1550 оС.
Мета цієї роботи ― вивчити вплив середовища на процеси плавлення
гірських порід базальтоподібного складу та змочування ними платинової
пластини.
Матеріали та методика досліджень
Досліджувані зразки готували з сировини гірських порід
базальтоподібного складу, попередньо очищених від різного роду домішок
та пилу. Відбір та усереднення проб проводили за класичною схемою, яка
прийнята в мінералогії та силікатному аналізі. Плавлення гірської породи
здійснювали на платиновій пластині в лабораторних електропечах зі
спеціальними пристроями для створення відповідного атмосферного
середовища. Для порівняння дослідження виконували в різних умовах
плавлення сировини: в атмосферах водню, гелію та азоту.
На рис. 1 представлений знімок розплаву базальту на платиновій
підложці в окиснювальному середовищі в звичайних умовах, а на рис. 2 ―
на платиновій пластині в спеціальній печі-установці.
При нагріванні гірської породи рідка фаза починає з’являтися при
температурі 1100―1150 оС, а при досягненні температури 1180―1200 оС
основна маса базальту (до 90%) переходить в розплавлений стан
незалежно від умов утворення вихідного кристалічного агрегату. При
температурі 1250 оС кількість рідкої фази продовжує рости завдяки
плавленню кристалів магнетиту.
112
Рис. 1. Розплав базальту на платині в звичайних умовах.
а
б
в
г
Рис. 2. Змочування платини розплавом базальту в окиснювальному середовищі
при різних температурах (оС): а ― 1140; б ― 1200; в ― 1300; г ― 1350.
Нагрівання базальту на повітрі супроводжується оксидними
процесами, в результаті яких утворюється магнетит. Плавлення базальтів
починали при температурі 1100 оС. Першим плавиться піроксен, далі при
температурі 1200 оС ― плагіоклаз, при температурі 1350 оС отримано
відносно однорідне гомогенне скло без пухирців газів. Підвищення темпе-
ратури плавлення до 1600 оС дозволяє прогріти не лише поверхневий шар
розплаву базальту, а всю товщину за менший період часу.
Термохімічні процеси, що мають місце в розплаві безпосередньо під
газовими пальниками при різних температурах та тиску газоповітряної
суміші, підтверджують значний вплив оксидно-відновлювальних реакцій
на властивості розплаву, отримання та характеристики базальтових волокон.
Раніше показано, що в гірських породах базальтоподібного складу
залізо присутнє в різній валентності одночасно в вигляді силікатів і
оксидів. При нерівноважному протіканні процесу кристалізації можливі
113
різні зміни в кількісних співвідношеннях між вказаними кристалічними
фазами, які залежать від умов мінералоутворення [9―11]. Для створення
найбільш раціональних, з точки зору протікання, фізико-хімічних процесів
плавлення базальтоподібної сировини та умов роботи печі необхідний
точний вибір середовища пічного простору. Можна припустити, що
створення спеціальних умов отримання розплавів позитивно впливатиме
на потрібну кількість заліза в різних валентних станах.
При плавленні гірської породи в звичайних плавильних печах в
результаті окиснення закису заліза співвідношення Fe2O3 : FeO збільшу-
ється порівняно із співвідношенням їх у вихідній сировині. Корегувати
цей параметр доволі важко. Співвідношення оксидів заліза (Fe2O3 : FeO) в
розплаві залежить від середовища пічного простору. В оксидному
середовищі співвідношення Fe2O3 : FeO в розплаві значно зростає завдяки
утворенню, в першу чергу, досить великої кількості магнетиту, який не
завжди позитивно впливає на показники виробництва волокон.
Зменшення або збільшення співвідношення Fe2O3 : FeO впливає на процес
кристалізації оксидів заліза.
Відмінність в проходженні процесів плавлення можна прослідити на
прикладі зміни крайового кута змочування пластини розплавом при різних
умовах плавлення (середовище, температура, час) (рис. 3). При плавленні
в відновлювальному середовищі співвідношення Fe2O3 : FeO в розплаві
зменшується і можливість утворення магнетиту значно скорочується.
Надлишок FeO йде на утворення інших мінералогічних фаз. При цьому
змінюється температура плавлення, в’язкість, аморфність та інші
властивості. Такий підхід позитивно впливає на процеси плавлення і
гомогенізації, в’язкість, властивості виробки розплаву та в подальшому на
характеристики волокон. В процесі відновлювальних реакцій оксид заліза
переходить в закис, яка здатна утворювати в силікатних розплавах
шпінель FеО·Fе2О3 та складну шпінель типу AB2O4 або А(А, В)О4, де A —
Mg, Mn, Fe2+; B — Al, Fe3+, Mn, Ti4+.
В атмосфері водню одночасно з відновлювальними реакціями в
розплавах базальтів через активне поглинання водню платиновою
пластиною (розчинність водню в платині: 0,067 см3/100 г при температурі
409 оС та 0,93 см3/100 г при температурі 1342 оС) змінюються фізико-
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600
Температура, оС
Ку
т
зм
оч
ув
ан
ня
, г
ра
ду
с
К
ут
з
мо
чу
ва
нн
я,
г
ра
д
Температура, оС
Водень Гелій Азот Окислювальне середо
Рис. 3. Крайовий кут змочування платини розплавом базальту в різних
середовищах: ♦ ― водень; ▲ ― гелій; ■ ― азот; * ― окиснювальне.
114
а
б
Рис. 4. Змочування платини розпла-
вом базальту в середовищі водню
при різних температурах (оС):
а ― 1180; б ― 1250; в ― 1510.
хімічні властивості самої платини
(значно знизилася пластичність,
внаслідок чого відбулося розтріску-
вання пластини). Спостерігалася
також зміна фізико-хімічних
характеристик масивного базальто-
вого скла (рис. 4, 5).
в
Рис. 5. Знімки платинової пластини та краплі розплаву після витримки в
середовищі водню.
а
б
Рис. 6. Змочування платини розплавом
базальту в середовищі азоту при
різних температурах (оС): а ― 1250;
б ― 1320; в ― 1450.
в
115
а
б
в
Рис платини розплавом
Відновлювальне середовище
так ива
и і
грівається із середини, здійснюється
роз
в
гірських порід базальто-
под я
и
их порід базальтоподібного
скл
я в
. 7. Змочування
базальту в середовищі гелію при різних
температурах (оС): а ― 1210; б ―
1375; в ― 1450.
ож позитивно впл є на теплові
процеси, оскільки відновлення
заліза пр плавленн силікатних
розплавів проходить з виділенням
тепла. Завдяки цьому розплав про-
більш повна гомогенізація розплаву.
В атмосфері азоту крайові кути змочування платинової пластини
плавом змінюються більш плавно протягом всього досліду, що
свідчить про поступове зниження в’язкості розплаву майже при сіх
температурах (рис. 6). В атмосфері гелію крайові кути змочування
пластини розплавом також змінюються більш плавно в порівнянні з
оксидним середовищем (рис. 7).
Загальними особливостями плавлення
ібного складу в різних умовах є зменшенн крайових кутів змочування
з підвищенням температури, але діапазон значень має доволі суттєві
відмінності (див. рис. 3). Крайовий кут змочування базальтовим розплавом
платинової пластини в оксидному середовищі (41о) менший від такого в
атмосфері гелію (95о) та азоту (84о) при температурі 1200 оС та витримці
30 хв, при температурі 1350 оС він складає відповідно 7, 61 і 68о, а при
температурі 1400 оС ― відповідно 5, 48 і 61о. Можна припустити, що зміна
умов плавлення позитивно вплине на технологічні параметри одержання
волокон у виробництві завдяки зменшенню властивості затікання
розплавом базальтоподібної сировин фільєрного поля.
Висновки
Вплив середовища на плавлення гірськ
аду в звичайних умовах демонструє співвідношення Fe2O3 : FeO, яке в
результаті окиснення закису заліза збільшується порівняно із
співвідношенням у вихідній сировині завд ки утворенню, першу чергу,
досить великої кількості магнетиту. При плавленні у відновлювальному
середовищі співвідношення Fe2O3 : FeO в розплаві зменшується і
можливість утворення магнетиту значно скорочується, надлишок FeO йде
на утворення в силікатних розплавах шпінелі FеО·Fе2О3 та складної
116
шпінелі типу AB2O4 або А(А, В)О4, де A — Mg, Mn, Fe2+; B — Al, Fe3+,
Mn, Ti4+.
При плавленні гірських порід базальтоподібного складу характерним
є зм
озплавом в
різн
о
1. ий Г. Б. Кристаллохимия. ― М., 1960.
тных стекол. ― Минск, 1968.
,
ов Е. А. Петрография магматических и метаморфических пород. ― М.,
ва А. М. Петрография магматических горных пород. ― М.: Недра,
мические свойства стеклянных волокон. ― М.:
лак Л. И. Кристаллография и минералогия. ― Л.:
еншення крайових кутів змочування платинової пластини розплавом з
підвищенням температури в усіх досліджуваних середовищах.
Діапазон значень крайового кута змочування пластини р
их середовищах має доволі суттєві відмінності. Крайовий кут
змочування базальтовим р зплавом платинової пластини в оксидному
середовищі (41о) менший за крайовий кут змочування в атмосфері гелію
(95о) та азоту (84о) при температурі 1200 оС та витримці 30 хв, при
температурі 1350 оС він становить відповідно 7, 61 і 68о, а при температурі
1400 оС ― 5, 48 і 61о .
Бок
2. Безбородов М. А. Синтез и строение силика
3. Бондарев В. П. Основы минералогии и кристаллографии. ― М.: Высш. школа
1978.
4. Кузнец
1956.
5. Дамино
1967. ― С. 230―232.
6. Зак А. Ф. Физико-хи
Росхимиздат, 1962.
7. Торопов Н. А., Бу
Стройиздат, 1972. ― С. 503―504.
8. Волдан Я. И. Исследование процесса плавления и кристаллизации горных
пород типа базальта // Проблемы каменного литья. ― К.: Изд-во АН УССР,
1963. ― С. 65―77.
9. Котлова А. Г. Некоторые данные по кристаллизации базальтовых и
пироксеновых расплавов и стекол // Тр. Ин-та геологии, руд. месторождений,
петрографии, минералогии и геохимии. ― 1958. ― № 30. ― С. 55―88.
10. Кутолин В. А., Широких В. А. Влияние оксидов железа в базальтовом сырье
идів
на качество базальтовой ваты и непрерывных волокон // Докл. Всерос. науч.-
практ. конф. „Техника и технология производства теплоизоляционных
материалов из минерального сырья. ― М.: Химмаш, 2005. ― С. 31―37.
11. Дідук І. І., Чувашов Ю. М., Ященко О. М. та ін. Дослідження впливу окс
заліза в складі гірських порід на технологічні параметри отримання розплавів
та характеристики волокон // Наук. нотатки Міжвуз. зб. Луцького держ.
ун-та. ― Луцьк: ЛДТУ, 2007. ― № 2, вип. 20. ― С. 47―50.
117
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-28635 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0073 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T13:14:20Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Дідук, І.М. Чувашов, Ю.М. Ященко, О.М. Кошеленко, Н.І. Божко, В.І. Горбачов, Г.Ф. Клевцов, В.М. Рибалка, Є.О. Смірнов, Ю.Й. 2011-11-15T16:38:19Z 2011-11-15T16:38:19Z 2008 Дослідження впливу середовища на процеси плавлення гірських порід базальтоподібного складу та змочування ними платини / І.М. Дідук, Ю.М. Чувашов, О.М. Ященко, Н.І. Кошеленко, В.І. Божко, Г.Ф. Горбачов, В.М. Клевцов, Є.О. Рибалка, Ю.Й. Смірнов // Современные проблемы физического материаловедения: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2008. — Вип. 17. — С. 111-117. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. XXXX-0073 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28635 666-4 Проведено дослідження впливу середовища на процеси плавлення гірських порід базальтоподібного складу. Представлено результати зміни крайового куту змочування базальтовим розплавом платинової пластини в окиснювальному та відновлювальному середовищах і в атмосфері гелію та азоту при температурах 1000―1500 °С. uk Інститут проблем матеріалознавства імені І.М. Францевича НАН України Современные проблемы физического материаловедения Дослідження впливу середовища на процеси плавлення гірських порід базальтоподібного складу та змочування ними платини Article published earlier |
| spellingShingle | Дослідження впливу середовища на процеси плавлення гірських порід базальтоподібного складу та змочування ними платини Дідук, І.М. Чувашов, Ю.М. Ященко, О.М. Кошеленко, Н.І. Божко, В.І. Горбачов, Г.Ф. Клевцов, В.М. Рибалка, Є.О. Смірнов, Ю.Й. |
| title | Дослідження впливу середовища на процеси плавлення гірських порід базальтоподібного складу та змочування ними платини |
| title_full | Дослідження впливу середовища на процеси плавлення гірських порід базальтоподібного складу та змочування ними платини |
| title_fullStr | Дослідження впливу середовища на процеси плавлення гірських порід базальтоподібного складу та змочування ними платини |
| title_full_unstemmed | Дослідження впливу середовища на процеси плавлення гірських порід базальтоподібного складу та змочування ними платини |
| title_short | Дослідження впливу середовища на процеси плавлення гірських порід базальтоподібного складу та змочування ними платини |
| title_sort | дослідження впливу середовища на процеси плавлення гірських порід базальтоподібного складу та змочування ними платини |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/28635 |
| work_keys_str_mv | AT dídukím doslídžennâvplivuseredoviŝanaprocesiplavlennâgírsʹkihporídbazalʹtopodíbnogoskladutazmočuvannânimiplatini AT čuvašovûm doslídžennâvplivuseredoviŝanaprocesiplavlennâgírsʹkihporídbazalʹtopodíbnogoskladutazmočuvannânimiplatini AT âŝenkoom doslídžennâvplivuseredoviŝanaprocesiplavlennâgírsʹkihporídbazalʹtopodíbnogoskladutazmočuvannânimiplatini AT košelenkoní doslídžennâvplivuseredoviŝanaprocesiplavlennâgírsʹkihporídbazalʹtopodíbnogoskladutazmočuvannânimiplatini AT božkoví doslídžennâvplivuseredoviŝanaprocesiplavlennâgírsʹkihporídbazalʹtopodíbnogoskladutazmočuvannânimiplatini AT gorbačovgf doslídžennâvplivuseredoviŝanaprocesiplavlennâgírsʹkihporídbazalʹtopodíbnogoskladutazmočuvannânimiplatini AT klevcovvm doslídžennâvplivuseredoviŝanaprocesiplavlennâgírsʹkihporídbazalʹtopodíbnogoskladutazmočuvannânimiplatini AT ribalkaêo doslídžennâvplivuseredoviŝanaprocesiplavlennâgírsʹkihporídbazalʹtopodíbnogoskladutazmočuvannânimiplatini AT smírnovûi doslídžennâvplivuseredoviŝanaprocesiplavlennâgírsʹkihporídbazalʹtopodíbnogoskladutazmočuvannânimiplatini |