Метаморфічні гірські породи

У результаті перекристалізації магматичних і осадових гірських порід під дією високих температур і тиску утворюються метаморфічні породи. Процес кристалізації первинних порід в твердому стані відбувається за участю розчинів. Сукупність процесів, що приводять до зміни гірських порід, називається метаморфізмом.

Головними чинниками, що впливають на розвиток метаморфізму, є температура, тиск і концентрація циркулюючих розчинів. Джерелами тепла в земній корі є: I) магматичні маси, що формуються на різній глибині; 2) теплота надр, яка з глибиною на кожні 100 м занурення збільшується в середньому на 3^оС. Ця величина, що зветься геотермічним градієнтом, різна для різних ділянок земної кори; Найбільш висока вона в сейсмічних та рухомих районах; 3) процеси радіоактивного розпаду

У земній корі розрізняють гідростатичний тиск, пов'язаний із навантаження товщ гірських порід, що вище розміщені,і бічне (або стрес), пов'язане з гороутворюючими процесами і властиве лише верхнім зонам земної кори. Гідростатичний тиск приводить до зміни об'єму породи, бічне - викликає також і порушення форми залягання породи.

Велику роль при метаморфізмі грають легкі компоненти і особливо гарячі води, які, циркулюючи по тріщинах в гірських породах та вступаючи в хімічну взаємодію з складовими частинами гірських порід, приводять до утворення метаморфічних порід. У процесі метаморфізму кількість і може істотно мінятися. Розрізняють ізохімічний метаморфізм, що протікає без зміни змісту компонентів порід (тобто без привнесення), і метаморфізм, що протікає із зміною вмісту хімічних елементів (тобто з привнесенням), так званий метасоматизм. При метасоматизмі протікає перетворення гірських порід, що знаходяться в твердому стані, шляхом заміщення одних мінералів іншими із зміною хімічного складу.

У земній корі найпоширенішими гірськими породами є метаморфічні. Ними практично повністю складені фундаменти і щити платформ.

Структура і текстура метаморфічних порід відображають умови їх перекристалізації. Оскільки метаморфізм найчастіше відбувається в умовах бічного тиску (стресу), то найбільш поширеними є орієнтовані текстури. Вельми типовою для метаморфічних порід є сланцювата текстура, яка характеризується паралельним розташуванням лускатих, волокнистих і пластинчастих мінералів. Дуже часто метаморфічні породи сланцюватої текстури одночасно володіють також смугастою текстурою, яка виражається в чергуванні прошарків або смуг порід, головних породоутворюючих мінералів, що відрізняються вмістом. Розрізняють також наступні текстури: масивну, що характеризується відсутністю орієнтування породоутворюючих мінералів, плямисту, в якій є ділянки (плями), що відрізняються по складу, кольору, стійкості до вивітрювання і ін.

Об'єктами дослідження технічної мінералогії і петрографії є синтетичні мінерали, з'єднання і полімінеральні продукти, створені у виробничих і лабораторних умовах. Будучи продуктами різних технологічних процесів, технічні камені і полімерні матеріали мають специфічні особливості, відмінні від природного каменя.

Серед різноманітних по складу і структурі синтетичних неорганічних речовин - продуктів технологічних процесів виділяють власне штучні мінерали - структурно хімічні аналоги природних мінералів і неорганічні з'єднання, що часто не мають самостійних назв і розрізняються за хімічним складом, структурою і властивостями.

Штучні мінерали синтезують в промисловості або лабораторних умовах цілеспрямовано - для набуття заданих властивостей, частіше вищих, ніж у природних мінералів. Так, наприклад, синтетичні кристали рубіна перевершують по чистоті і якості кращі природні різновиди корунду. Назва штучних мінералів і їх аналогів найчастіше співпадають, проте є виключення. Наприклад, природний карбід заліза носить назву когеніт, а її штучний аналог - цементит, який вельми поширений в сталях.

Синтетичні неорганічні з'єднання – це продукти металургійних, хімічних, силікатних і інших виробництв, а також лабораторного синтезу вельми близькі по фізико-хімічних властивостях до мінералів, але що не мають природних аналогів.

Технічний камінь - зазвичай полікристалічний матеріал, що складається з декількох (рідше з одного) штучних мінералів або неорганічних з'єднань, які випускаються в масовій кількості і знаходять широке застосування в техніці. Синтезована рудна сировина (залізорудні агломерати, обкотиші, штейни і файнштейни кольорової металургії), різні будівельні матеріали, вогнетриви, шлаки, кераміка і скло і ін., що випускаються мільйонами і сотнями тисяч тонн, є найважливішими різновидами технічного каменю. Технічний камінь, як правило, отримують шляхом термічної і (або) хімічної дії на гірські породи і мінерали. Головними компонентами технічного каменю є кремній, кисень, алюміній, залізо, магній, кальцій, титан, вуглець і ін., що мають найбільш широке розповсюдження в природі. Не дивлячись на присутність з'єднань різних класів, переважаючими в мінеральному складі є силікати і алюмосилікати, а також прості і складні оксиди (мінерали кремнезему, оксиди заліза, глинозем, шпінеліди і ін.).

На відміну від гірських порід, що утворюються при високому тиску і наявності мінералізаторів (води, вуглекислоти і ін.), кам'яні продукти отримують найчастіше при нормальному тиску і в "сухих" умовах. Тривалість геологічних процесів мінералоутворення обчислюється мільйонами, а іноді і мільярдами років, в той же час синтез технічного каменю відбувається в незрівнянно короткий час. Шляхом варіювання складу шихти, умов синтезу в технічному камені можуть бути отримані такі поєднання з'єднань і штучних мінералів, які неможливі в природі.

Технічна мінералогія - вчення про штучні мінерали і близьких до них по складу і властивостях неорганічних з'єднаннях. Об'єктами технічної мінералогії є штучні кристали з певним хімічним складом і кристалічною структурою.

Технічна петрографія (петрографія технічного каменю) вивчає різноманітні мінеральні продукти: силікатні і оксидні матеріали, неметалічні включення в металах і сплавах, синтезована тверда сировина, стекло, сітали, будівельні композиційні і інші матеріали. Об'єктами технічної петрографії є з’єднання або композиції фаз багатокомпонентних систем.

Вельми численні способи отримання в промисловості штучних мінералів і

технічних каменів і монокристалів неорганічних з'єднань. Найширше

застосовуються наступні методи:

1. Високотемпературний твердофазний синтез.

2. Отримання кристалічних і аморфних матеріалів з розплавів.

3. Кристалізація з розчину.

4. Кристалізація з розчину – розплаву.

5. Кристалізація з газової (парової) фази.

При високотемпературному твердофазному синтезі визначальною стадією технології є термічна обробка, тобто теплова дія по заданому режиму, при температурах, нижчих за точку плавлення основного матеріалу. При цьому відбуваються різні фазові і структурні перетворення, що протікають переважно в твердому стані. При виробництві керамічних матеріалів поведінка мінеральної речовини при нагріванні має схожість з деякими високотемпературними процесами контактного метаморфізму. Одним з найважливіших високотемпературних технологічних процесів виробництва є спікання керамічних і інших технічних каменів. Метою спікання є зміцнення і ущільнення. Високотемпературні твердофазні перетворення грають істотну роль в технології керамічних оксидних і силікатних матеріалів і виробів масового виробництва.

З розплаву отримують продукти скляного виробництва, кам'яне литво, сітали, металургійні шлаки, плавлені вогнетриви і клінкери для виробництва глиноземистого і високоглинеземистого цементу і інші полікристалічні матеріали. Технологічний процес синтезу мінеральної речовини з розплаву складається з наступних стадій: підготовка шихти, нагрівання до температури повного розплавлення, охолоджування розплаву з оптимальною швидкістю. Процес отримання тугоплавких плавлених кристалічних неорганічних матеріалів ведуть в електродугових печах, а виробництво склокристалічних і аморфних матеріалів - в промислових печах з тепловим обігрівом.

Процеси кристалізації з розчинів мають важливе значення при вирощуванні кристалів спеціального призначення - монокристалів штучного кварцу і його численних забарвлених різновидів, ісландського шпату, синтетичної ювелірної сировини і ін. Мінералоутворення з розчинів може супроводжуватися гідратацією, гідролізом, карбонатизацією і процесами перекристалізації в розчині. При гідротермальному синтезі можлива кристалізація з дійсних і колоїдних розчинів. Гідротермальні процеси широко застосовуються в гідрометалургії для витягання металів з руд, промислових відходів і отримання автоклавних металевих порошків. Ці процеси використовують при вирощуванні нерозчинних в звичайних умовах монокристалів, а також для інтенсифікації гідратаційного зміцнення будівельних і інших матеріалів.

Шляхом кристалізації з парогазового середовища отримують монокристали, ниткоподібні і пластинчасті кристали, а також епітаксіальні моно- і полікристалічні плівки і ультрадисперсні порошки. Крім того, з газової фази отримують аморфні плівки оксидів, фторидів і інших з'єднань.

Під час експлуатації в різних умовах матеріалів, виробів і конструкцій протікають процеси зміни первинного мінерального складу і початкової структури технічного каменю, так звані вторинні фазові і структурні перетворення. Ці перетворення протікають при зміні термодинамічних параметрів середовища (температури, тиску, концентрації активних компонентів і ін.). У промислових умовах мінеральна речовина найчастіше піддається дії розплавлених реагентів, одностороннього нагріву, газової фази і розчинів різної агресивності. Діагностика мінеральної речовини, тобто визначення хімічного складу і кристалічної структури здійснюється за допомогою тих же методів, що і природних мінералів і гірських порід.

Для штучних мінералів використовується хімічна класифікація, що виділяє типи, класи і групи неорганічних з'єднань. Згідно з цією класифікацією все різноманіття штучних мінералів і близьких до них за фізико-хімічними властивостями неорганічних з'єднань відносять до шести типів і десяти класів. Класи у свою чергу включають десять груп, кожна з яких представлена самостійними хімічними сполуками, за своєю природою ідентичних природним мінеральним видам.

Неметалічні включення утворюються при виплавці, випуску, розливанні і кристалізації чавуну і сталі. Ці включення з'являються в результаті різних хіміко-металургійних реакцій, що відбуваються між складовими сталі і шлаком, вогнетривами і добавками, що вводяться в сталь, а також унаслідок зміни ступеня розчинності кисневих і інших з'єднань у процесі охолоджування рідкої сталі, кристалізації зливка і термічної обробки, а також частково вносяться до сталі шихтовими матеріалами.

Ступінь забрудненості сталі неметалічними включеннями - головний чинник, що знижує якість сталі. Властивості сталі визначаються також природою формою, розміром і розподілом включень, які залежать від складу сталі, способу виплавки, розливання і розкислювання, умов твердіння і подальшої деформації. Присутність навіть незначної кількості неметалічних включень міняє розподіл пружної і пластичної деформації, концентрацію напруги, умови кристалізації, отже, величину зерна, структуру, оброблюваність і інші властивості стали. Їх вплив на властивості сталі може бути і сприятливим, але в більшості випадків він шкідливий.

Вивчення включень кристалооптичним (петрографічним) методом разом з дослідженням шлаків, пічних і сталерозливних вогнетривів дозволяє виявити джерела утворення цих включень, розкрити механізм формування і визначити чинники, що впливають на процеси їх утворення. Так, наприклад, наявність серед неметалічних включень кристалів магнезійної шпінелі з реліктами периклазу вказує на їх вогнетривке походження. Знаючи фазовий склад і мікроструктуру кінцевих пічних шлаків, можна визначити які з неметалічних включень мають шлакове походження. Таким чином, петрографічний метод дослідження дозволяє особливо чітко виявити роль окремих технологічних чинників в процесі формування неметалічних включень.

Склад неметалічних включень, які містяться в сталі, визначають комплексним дослідженням, що включає в себе металографічний, петрографічний, мінераграфічний, хімічний, мікрокристалооптичний, рентгеноструктурний і электронномікроскопічний методи. Для визначення складу неметалічних включень служать шліфи металів і осади включень, виділені електролізом із стандартних зразків.

Неметалічні включення, що зустрічаються в сталі, за походженням діляться на три групи:

Ендогенні включення, що зароджуються в металі в результаті процесів, які відбуваються при виплавці і розливанні.

Екзогенні включення, що потрапляють в метал ззовні (з вогнетривких матеріалів, при виплавці і розливанні, а також з шихти).

Включення взаємодії, що утворюються в результаті взаємодії екзогенних включень з ендогенними.

Найбільш великою групою включень в промислових сталях є включення взаємодії; група чисто ендогенних включень малочисельна; а група екзогенних включень містить зовсім мало різновидів.

Оскільки неметалічні включення породжуються в сталі головним чином металоїдами - киснем, азотом, кремнієм, сіркою і фосфором, для них прийнята наступна класифікація: I)прості оксиди, 2)складні оксиди,

3) силікати, 4) складні кисневі включення, 5) некисневі і фторутримуючі включення. Розглянемо деякі включення, що найбільш часто зустрічаються.

Дата добавления: 2014-10-22