Блог

Потапов Д.С.

МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ШЛАКОВ

В данной работе были изучены металлургические шлаки нескольких крупных заводов: Челябинского электрометаллургического комбината (ЧЭМК); Саткинского чугуноплавильного завода (СЧПЗ); Средне-Уральского металлургического завода (СУМЗ); Горно-металлургического комбината «Норильский никель» (НН); Исторического завода «Пороги» (П). Для исследования металлургических шлаков были использованы следующие методы: оптическая микроскопия, рентгенофазовый анализ, силикатнай (химический) анализ.

Методы оптической световой микроскопии (изучение в шлифах и иммерсионных препаратах). Методы световой микроскопии представляют собой одно из важнейших и в то же время наиболее простых средств познания вещественного состава минерального сырья. Световой микроскоп является одним из основных технических средств, используемых для исследования вещественного состава минерального сырья и продуктов его технологической переработки. Современные методы световой микроскопии позволяют надежно идентифицировать исследуемый объект, выявлять особенности его строения и состава. Причем эти задачи могут быть решены при использовании таких малых количеств исследуемого материала, при которых применение других методов оказывается безрезультатным [Методы…, 1985].

Для изучения металлургических шлаков методами оптической световой микроскопии были изготовлены шлифы с покровным стеклом на канадском бальзаме. Так как большая часть образцов представляют собой пористые, довольно хрупкие агрегаты, то при изготовлении шлифов были некотрые трудности. Для того, чтобы образцы не разваливались в процессе изготовления, они предварительно были проварены в эпоксидной смоле. Микроскопическое изучение шлифов проводилось на поляризационном микроскопе ПОЛАМ Р-312, на котором также проводился иммерсионный метод. Фотографирование шлифов осуществлялось на микроскопе OLIMPUS BX 51 c цифровой камерой DP 12.

Изучение металлургических шлаков в шлифах дало следующие результаты. В каждом типе производства состав металлургического шлака характеризуется определенным набором (парагенезисом или ассоциацией) минералов. Для шлаков ферросплавного производства определены минералы: оливин (форстерит), моноклинный пироксен, ромбический пироксен, монтичеллит, мелилит, шпинель, рудные минералы. Для шлаков от выплавки цветных металлов (Cu, Ni) установлены: оливин (форстерит и фаялит), ромбический пироксен, амфибол, хлорит, рудные минералы. Для каждого минерала были определены их цвет, форма выделения, размеры. Установлены относительные процентные содержания минерального состава и стекловатой матрицы. Были определены микроструктурные характеристики шлаков (структуры спинифекс; структуры, приближенные к полнокристаллическим, средне-крупно зернистые, порфировидные).
 
С помощью иммерсионного метода определены оптические константы некоторых минералов металлургических шлаков: форстерит (Ng = 1.670); Np = 1.641. Двупреломление Ng – Np = 0.029), шпинель (1.720), акерманит (Ng = 1.542, Np = 1.534. Двупреломление Ng – Np = 0.010–0.012).

Рентгенофазовый анализ. Определение минерального (фазового) состава горных пород, руд и продуктов их технологического передела, как и любой смеси кристаллических фаз, рентгенографическими методами базируется на двух основных явлениях: 1) каждая кристаллическая фаза характеризуется своей индивидуальной дифрактограммой, диагностической для нее и в механической смеси, и в монофракции; 2) механическая смесь кристаллических фаз дает дифракционную картину, являющуюся наложением (сложением) индивидуальных дифракционных картин, и прямой пропорциональности интенсивности рефлексов каждой фазы ее содержанию в анализируемой пробе.
Аддитивность дифракционной картины многокомпонентной системы осложняет ее интерпретацию, так как неизбежно возникает перекрытие рефлексов различных фаз, искажающее истинное отношение интенсивностей, характерное для той или иной фазы; маскируются ослабленные дифракционные рефлексы фаз низкого содержания. Чем больше фаз присутствует в пробе, тем труднее корректная и однозначная расшифровка дифрактограмм. Рентгенофазовый метод дает надежные данные при анализе 6–8 компонентных смесей с содержанием каждого компонента, достаточным для выявления его диагностических рефлексов. Эти содержания, или порог обнаружения минерала, изменяются в зависимости от индивидуальных особенностей минерала – его состава и кристаллической структуры, определяющих интенсивность рассеяного им излучения, а также от минеральной ассоциации (т. е. от общего фазового состава пробы), от условий эксперимента, в частности выбора длины волны используемого рентгеновского излучения. Оптимальный метод фазового анализа – дифрактометрический с его высоким и регулируемым разрешением (возможность записи дифрактограммы с различной скоростью позволяет разделить 2–3 близких по углам θ рефлекса). Порог обнаружения минералов находится в интервале массовых долей от 0.5 до 3 % [Методы…, 1985].
Сначала для последующей более легкой диагностики минеральных фаз в образцах металлургических шлаков были выделены монофракции по цвету, внешнему облику и т. д. Затем выделеные монофракции были подвергнуты тщательному дроблению и истиранию в ступках Абиха и яшмовой до состояния пудры. Полученные порошки были отданы в рентгеновскую лабораторию для проведения анализов. Рентгенофазовый анализ проводился на дифрактометре ДРОН-2.0, CuK-излучение.

С помощью рентгенофазового анализа удалось, например, подтвердить предположение о том, что в металлургических шлаках феррохромного производства ЧЭМК помимо форстерита присутствует шпинель; и что основная масса этих шлаков биминеральна, – в серой массе форстерита в виде скелетных кристаллов присутствует шпинель. Для стекловатых металлургических шлаков производства силикомарганца того же завода ЧЭМК было установлено, что сферолитовые выделения в основной матрице аморфного стекла представлены бустамитом (Mn,Ca)3Si3O9 – высокотемпературной триклинной полиморфной модификацией йохансенита (гр. пироксенов).
 
Также установлено нахождение в шлаках ферросплавного производства, не встречающегося в природных образованиях, а только в металлургических шлаках, минерала акерманита (гр. мелилита).

В шлаках от выработки цветных металлов, в частности меди на СУМЗе, с помощью данных рентгенофазового анализа было подтверждено, что оливин представлен не форстеритом как на ЧЭМК, а фаялитом – железистой разновидностью оливина. Кроме того, в образцах шлаков этого же завода (СУМЗа) было установлено, что рудная минерализация представлена магнетитом, что сложно было установить методом микроскопического изучения в шлифах в проходящем свете.

Силикатный (химический анализ) был проведен в химической группе лаборатории минералогии техногенеза и геоэкологии ИМин УрО РАН. Результаты представлены в таблице.

Металлургические шлаки, так же как и горные породы, по величине кислотности-основности классифицируются на группы: ультраосновные, основные, средние и кислые. Для определения, к каким же из этих групп относятся наши шлаки, полученные данные силикатного анализа были вынесены на классическую диаграмму «сумма щелочей – кремнезем» для классификации вулканических пород [Классификация, 1997].

Таблица
Результаты силикатного анализа металлургических шлаков
Окислы НН-1 САТ-19-05 CAT-05-04 ЧЭМК-1 ЧЭМК-3 ЧЭМК-6 СУМЗ-0111-2 П-01-04
SiO2 40.68 33.68 33.74 41.44 45.18 41.60 36.60 45.76
TiO2 0.36 0.24 0.24 0.20 0.29 0.12 0.39 0.14
Al2O3 10.55 7.86 5.92 13.06 14.29 13.21 4.01 14.15
Fe2O3 0.93 0.16 0.05 0.15 0.05 <0.05 3.71 0.92
FeO 19.52 <0.10 0.14 0.69 0.49 0.37 36.76 0.49
MnO 0.57 6.17 7.73 0.08 13.51 0.10 0.05 0.12
MgO 17.70 9.65 9.60 29.90 1.44 27.40 0.99 30.63
CaO 7.07 38.78 41.48 2.57 17.44 2.95 6.49 7.31
Na2O 0.94 <0.01 <0.01 0.15 0.90 0.08 0.56 0.34
K2O 0.36 0.01 0.02 0.24 2.89 0.16 0.77 0.16
H2O <0.01 <0.10 <0.10 <0.10 <0.10 <0.10 <0.10 <0.10
P2O5 0.21 0.08 0.15 0.11 0.09 0.14 0.13 0.07
Cr2O3 0.41 0.02 0.02 1.93 0.02 2.49 0.04 –
SO3 <0.10 1.44 1.10 <0.10 0.93 0.19 2.01 –
H/О – – – 10.90 – 9.84 – –
ппп 1.98 1.34 0.92 0.26 1.16 0.30 5.22 –
Сумма 99.30 98.08 100.19 101.42 97.52 98.95 92.51 99.46
Примечание. Анализы выполнены в лаборатории минералогии техногенеза и геоэкологии ИМин УрО РАН. Аналитик Ю. Ф. Мельнова.
Дополнительные сведения: в сумму входят содержание оксида хрома, общая сера, нерастворимый осадок (Н/О). П.П.П. со знаком «+» в сумму не входит.

На диаграмме видно, что наши шлаки попадают в группу ультраосновных и основных пород. Из диаграммы видно, что шлаки различных производств попадают в поля определенных пород. Так, шлаки с Саткинского чугуноплавильного завода и Средне-Уральского металлургического завода попадают в поле щелочных пикритов. Шлаки с Челябинского электрометаллургического комбината производства феррохрома попадают в область нормальных пикритов, а шлаки производства силикомарганца попадают в поле трахибазальтов. Шлаки с Норильского никеля попадает на границу между нормальными пикритами и щелочными пикритами. А шлак с исторического завода «Пороги», как уже указывалось выше, относится к основным породам и попадает в поле пикробазальтов и пикродолеритов.

Минералогические методы исследования можно применять не только для исследования горных пород, минералов, но и использовать их для изучения техногенных образований, в частности, металлургических шлаков. Совокупность этих методов дает полную и достоверную картину исследуемого объекта.

Литература

Классификация магматических (изверженных) пород и словарь терминов. Рекомендации Подкомиссии по систематике изверженных пород Международного союза геологическх наук: Пер. с англ. М.: Недра, 1997. 248 с.
Методы минералогических исследований: Справочник / Под ред. А. И. Гинзбурга. М.: Недра, 1985. 480 с.