Цель работы: определить активность извести, скорость и температуру гашения.

Основные понятия

Строительной воздушной известью называется продукт, получаемый путём обжига кальциево-магниевых горных пород до возможно более полного выделения углекислоты. Известь применяют в смеси с различными добавками для получения различных вяжущих: известково-кварцевых, известково-шлаковых, известково-глинистых и др. Из неё изготавливают силикатный кирпич, силикатные блоки, армированные крупноразмерные силикатные детали и различные другие строительные изделия.

Основным процессом при производстве воздушной извести является обжиг, при котором известняк декарбонизируется и превращается и превращается в известь по следующей реакции:

CaCO 3 + 178,58 кДж → CaO + CO 2

В лабораторных условиях диссоциация углекислого кальция протекает примерно при 900 °С, в производстве температура обжига составляет 1000-1200 °С.

Негашёная известь бывает комовой и молотой. Её получают в виде кусков светло-жёлтого или серого цвета. Она интенсивно присоединяет влагу и поэтому хранить её рекомендуется в герметично упакованном состоянии. Если в сырье содержится более 6% глинистых примесей, то продукт обжига проявляет гидравлические свойства и называется гидравлической известью.

Качество получаемой извести оценивают по активности, которая показывает общее содержание свободных оксидов кальция и магния, находящихся в активном состоянии. Кроме них в извести могут находиться оксиды MgO и CaO в неактивном состоянии; это неразложившийся карбонат и крупнокристаллические включения (пережог).

В зависимости от содержания активных CaO и MgO известь выпускается трёх сортов (табл. 9.1).

Таблица 9.1

Классификация извести по сортности

Воздушная известь может применяться в гашёном виде.

Гашёная известь бывает в виде пушонки, теста или молока. Содержание влаги в пушонке не превышает 5%, в тесте менее 45%. Процесс гашения протекает по следующей схеме:

CaO + H 2 O ↔ Ca (OH ) 2 +65,1 кДж

и сопровождается выделением тепла, что вызывает подъём температуры, способный воспламенить дерево. Гидратация оксида кальция – реакция обратимая, её направление зависит от температуры и давления водяных паров в окружающей среде. Упругость диссоциации Ca(OH) 2 на CaO и H 2 O достигает атмосферного давления при 547 °С, при более высокой температуре гидроксид кальция может частично разлагаться. Чтобы процесс шёл в нужном направлении, необходимо стремиться к повышению упругости водяных паров над Ca(OH) 2 и не допускать слишком высокой температуры. Вместе с тем следует избегать и переохлаждения гасящейся извести, так как это сильно замедляет гашение. Более половины её зёрен имеют размер, не превышающий 0,01 мм. Парообразование защищает материал от чрезмерного повышение температуры.

Объём пушонки при гашении извести в 2-3 раза превышает объём исходной негашёной извести за счёт увеличения объёма пустот (пор) между отдельными зёрнами образующегося материала. Плотность негашёной извести в среднем равна 3200, а гашёной – 2200 кг/м 3 .

Для гашения извести в пушонку теоретически необходимо добавлять 32,13 % воды по массе. Практически в зависимости от состава извести, степени её обжига и способа гашения, берут примерно в два, а иногда в три раза больше воды, так как под действием тепла, выделяющегося при гашении, происходит парообразование, и часть воды удаляется.

В зависимости от температуры, развиваемой при гашении, различают высокоэкзотермичную (t гаш. >50 °C) и низкоэкзотермичную (t гаш. <50 °C) известь, а по скорости гашения: быстрогасящуюся (не более 8 мин.), среднегасящуюся (8-25 мин.) и медленногасящуюся (более 25 мин.) известь.

Для ускорения процесса гашения извести используются добавки CaCl 2 , NaCl, NaOH, которые взаимодействуют с оксидом кальция с образованием более растворимых соединений в сравнении с Ca(OH) 2 а для замедления – добавки ПАВ, солей серной, фосфорной, щавелевой, угольной кислот.

Актуальность темы.

Известняки имеют чрезвычайно широкую область применения. Они употребляются для приготовления флюсов (в металлургии), для строительства, для производста извести и цементов, в производстве силикатного кирпича, в химической промышленности, в сахарном производстве и т.д. Главным образом, их используют в металлургической промышленности в качестве флюсов. Внедрение новых технологических процессов в металлургии требуют повышения качества флюсового известняка по химическому составу и механической крепости. Истощение запасов качественного сырья эксплуатируемых месторождений и закрытие карьеров в связи с обострением экологических проблем потребовало экстренного ввода в эксплуатацию новых месторождений. В связи с этим была начата разведка Родниковского месторождения Донецкой области. Исследование закономерности пространственного распределения качественных показателей известняков, а также выяснение причин изменчивости этих показателей, на месторождении не проводились. Детальное изучение геологических условий, тектоники и химического состава известняков позволит обосновать связь геологических факторов и качества сырья на территории Родниковского месторождения.

Рис. 1. Цикл обработки известняка. GIF-анимация, 13 кадров, зацикленное повторение, 23,1 кб .

На рисунке:

1. Флюсовый известняк
2. Известь
3. Доломит
4. Выплавка стали
5. Стальные слитки
6. Отходы и пыль
7. Переработка (отработка)
8. Многократное использование
9. Отходы
10. Конечный продукт (примеры): посуда, товары широкого потребления, автомобили, строительный материал
11. Повторная обработка
12. Сырье
13. Рециркуляция

Данная научная работа имеет связь с Общегосударственной программой развития минерально-сырьевой базы Украины на период до 2030 года по разделу «Неметаллическое сырье для металлургии» подразделу «Флюсовые известняки и доломиты». Она проводится по заданию государственного предприятия КП «Южукргеология» Приазовская КГРЭ.

Цель исследования заключается в изучении факторов изменчивости качества известняков и его пространственного распределения для оптимизации отработки Родниковского месторождения.

Задачи исследования:
1) изучить качество известняков юго-западной части Донбасса;
2) получить статистические характеристики изменчивости качественных показателей известняков;
3) выявить геологические факторы, влияющие на распределение различных показателей качества по различным участкам месторождения;
4) определить зависимость качества известняков от условий залегания;
5) провести сравнительный анализ качества известняков месторождения с техническими требованиями различных отраслей промышленности;
6) разработать практические рекомендации по дальнейшей отработки Родниковского месторождения.

Идея работы заключается в проверке известных теоретических факторов изменения химического состава известняков в Родниковском месторождении.

Объектом исследования является Родниковское месторождение флюсовых известняков Донецкой области.

Предмет – пространственные закономерности распределения качества известняков, их связь с геологическими факторами.

Методы исследования:
- статистическая обработка исходных данных;
- анализ графического материала для выяснения особенностей строения исследуемого объекта (геологическая карта района, гипсометрические планы, стратиграфические колонки и др.);
- составление выборок исходных данных для сравнительной характеристики отдельных элементов объекта;
- пространственный анализ распределения полезных и вредных компонентов полезного ископаемого на исследуемом объекте;
- метод системного анализа результатов обработки для создания моделей изменчивости качества известняков;

Научная новизна полученных результатов. Впервые проанализировано изменение качественных показателей карбонатной толщи юго-западной части Донбасса. Разработаны критерии качества известняков для отработки Родниковского месторождения. Установлены закономерности пространственного распространения изменчивости показателей качества полезного ископаемого.

Практическое значение полученных результатов
Обозначены зоны с высококачественным известняковым сырьем в пределах Родниковского месторождения. Сделаны рекомендации по технологии дальнейшей отработки месторождения.

Личный вклад
Мной были систематизированы ранее проведенные исследования, определены задачи работы, составлены выборки, проведена статистическая обработка и интерпретация данных. На основании проведенных исследований, результаты работы представлены в графическом виде. Составлены практические рекомендации.

Апробация результатов
Вопросы данной работы докладывались на ІІ Всеукраинской научной конференции-школе молодых ученых «Сучасні проблеми геологічних наук», проходившей в Киеве12-15 апреля 2010 года. Мой доклад на тему «Совершенствование технологии разведки и отработки месторождений флюсовых известняков» напечатан в тезисах этой конференции.

Публикации

Волкова Т.П., Рогаченко А.М. Исследование качества известняков с целью оптимизации отработки Родниковского месторождения // Наукові праці ДонНТУ – 2010. – Донецк.

Основная часть

Анализ состояния изученности вопроса
Мной проанализирована литература и фондовые материалы по теме карбонатного сырья в Украине. Особое внимание было уделено изучению нижнекаменноугольных отложений известняков зоны сочленения Приазовского мегаблока Украинского щита и складчатого Донбасса.
Изучение отложений нижнего карбона южно-западной части Донбасса велось рядом геологов, начиная с середины XIX века. В 1928 – 1929 гг. Ротаем О.П. проведено геологическое картирование южно-западной части донбасса в масштабе 1:42000, в результате которого была принята новая индексация стратиграфических зон. В 1947-1951 гг. Укргеолтрестом МЧМ сделана инструментальная геологическая съемка масштаба 1:100000 с целью уточнения дальнейших направлений геологоразведовательных работ по наращиванию балансовых запасов флюсовых ивестняков и доломитов. Впервые поисковые работы на Родниковском месторождении были выполнены Приазовской ГРЭ в 1982-1984 гг. В период с 1985 по 1990 года Приазовской ГРЭ ДГП «Южукргеология» проведены поисково-оценочные работы на Комсомольской площади, в том числе и на Родниковском месторождении.
Изучением геолого-тектонических особенностей залегания карбонатного сырья в зоне сочленения Приазовского мегаблока Украинского щита и складчатого Донбасса занимался ученый А.И. Недошовенко. В его статье «О методике разведки месторождений карбонатного сырья юго-западной части Донбасса», опубликованной в 1977 году, освещена проблема закарстованности исследуемого района и несовершенствование системы геологической разведки подобных участков.
В работе А.В.Канунниковой и В.И. Ремизова «Литологические особенности, постседиментационные изменения и поровое пространство средне-нижнекаменноугольных известняков» (1977г.), исследования карбонатных пород проводились для оценки коллекторов, широко использующихся при поиске нефти и газа. Однако некоторые аспекты их работы могут быть полезны для сравнения химических особенностей известняков Родниковского месторождения.
В научной статье С.А. Мачулиной и М.В. Безуглой «О находке крупных сталактитоподобных образований пирита в известняках нижнего карбона Стыльского карьера юго-западной части Донбасса» (2004г.) указывается причины появления сульфидов серы в карстовых пустотах известняков турнейского возраста.
В работе В.А. Михайлова, М.М. Курило, Н.Ю. Галкина «Определение зависимости между рентабельностью горнодобывающих предприятий и технико-экономическими характеристиками отечественных месторождений флюсового карбонатного сырья» (2005г) рассмотрена проблема обеспечения качественного карбонатного сырья для металлургического производства в связи с увеличением технических требований промышленности к качеству известняков.

Особенности геологического строения юго-западной части Донбасса, тектонических особенностей, химического состава пород нижнего карбона описано в фондовых материалах КП «Южукргеология» Приазовская КГРЭ.

Геологическое строение объекта исследования
Главным районом разведанных запасов флюсовых известняков Украины, является зона сочленения юго-западной части Донецкой складчатой структуры с Приазовским блоком Украинского щита. Здесь сконцентрированы 38 % разведанных запасов флюсовых известняков и 20 % известняков доломитизированных. Продуктивной является моноклинально залегающая известняково-доломитная толща турнейского и визейского ярусов нижнего карбона мощностью до 500 м. Отложения визейского яруса представлены, главным образом, известняками, а турнейского яруса – чередованием слоев известняка, доломита и доломитизированных известняков. Также встречаются глинистые и окремненные известняки, известняк со сланцем. Мощность карбонатной толщи колебается от нескольких до 100 и больше метров.
Основным поставщиком известняка для конвертерного производства является Комсомольское рудоуправление. Его сырьевая база представлена Каракубским месторождением флюсовых известняков. Действующие карьеры - Северный, Южный, Жеголевский. Карьер Дальний полностью отработан и затоплен. Запасов Каракубского месторождения хватит до 2015 года при достигнутой мощности предприятия в 7 млн тонн сырого известняка в год. Пополнение дефицита высококачественного флюсового сырья планируется за счет введения в эксплуатацию Родниковского месторождения.
В геолого-структурном отношении Родниковское месторождение известняков расположено в юго-западной части зоны сочленения складчатой структуры Донбасса с Приазовским мегаблоком Украинского щита. Оно приурочено к полосе распространения пород визейского и турнейского ярусов нижнего карбона, которые слагают южное крыло Кальмиус-Торецкой котловины. Продуктивными толщами являются известняки турнейского и визейского яруса нижнего карбона. Мощность полезного ископаемого составляет 72,4 м на Восточном участке месторождения и 90,3 м – на Западном (подсчитаны запасы до горизонта?7м). Отложения визейского яруса представлены, в основном, известняками. Турнейский ярус отличается чередованием слоев, главным образом, известняка, доломита, доломитизированных известняков с прослоями глинистых, окремненных известняков, сланцевых известняков. Карбонатные породы турнейского и визейского ярусов относятся к типу органогенных, преимущественно мелкодетритусовых, слабометаморфизованных пород. В них, как сингенетические образования, встречаются кремни разной формы. Это доказывает хемогенность процесса образования известняков. Большая роль химического процесса в образовании доломита подтверждается малым наличием ископаемой фауны в доломитизированных породах, которая постепенно изменяется в доломитизованных или обычных известняках.
В зависимости от химического состава и содержания лимитирующих компонентов среди известняков Родниковского месторождения выделяются: ферросплавные, конверторные, доменные. При этом почти 70% от всех запасов месторождения составляют конверторные известняки. Для контроля массовой доли SiO2 карбонатные породы предварительно обжигаются в специальных известнякобжигающих агрегатах с получением конверторного известянка. Запасы карбонатных пород Родниковского месторождения подсчитаны по данным предварительной разведки (табл 2). Данные по состоянию запасов флюсовых известняков Родниковского месторождения предоставлены предприятием КП «Южукргеология» Приазовская КГРЭ.

Методика исследований и фактические данные

Описание фактических данных
На первом этапе работы был проведен анализ геологической документации, содержащей сведения о литологии и тектонике участка исследований, отобраны данные для выборки, по которым рассчитаны статистические показатели и определены корреляционные связи для каждого стратиграфического пласта в отдельности. Наибольшую информативность имеет качественный показатель СаО. Он является определяющим критерием при сортировке известняков. Для всех показателей рассчитаны максимальные и минимальные значения, среднее значение показателя и стандартное отклонение, характеризующее степень изменчивости показателя. По статистическим характеристикам определены особенности изменчивости качественных показателей по отдельным пластам и в целом, по мощности. Проведен сравнительный анализ между результатами статистической обработки данных по отдельным пластам и по всей полезной толщи месторождения. При проведении пространственного анализа выявлены участки с высококачественным известняковым сырьем.
Исходными данными для количественного исследования закономерности распространения качества известняков являются пространственно привязанные данные химических анализов секционных проб по пластопересечениям разведочных скважин Родниковского месторождения. Выборка включает в себя 2270 секционных проб (при средней длине секции равной 2,0 м). Пробы отобраны Приазовской КГРЭ. В пробах определены следующие качественные показатели: СаO, MgO, SiO2, Al2O3+Fe2O3, S, P. На месторождении были проведены предварительные геолого-разведовательные работы. Выделены геологические блоки с категориями запасов С1 и С2. Площадь месторождения покрыта сетью разведочных скважин с расстоянием между ними: по категории запасов С1 - 200?200 м, по категории запасов С2 - 400?400 м. Бурение скважин проводилось до горизонта с абсолютной отметкой -7 м.

Выбор и описание методики обработки данных
Имеющиеся данные организованы для обработки следующим образом:
- составлены выборки по отдельным стратиграфическим пластам, служащие для исследования влияния геологических факторов на качество известняков;
- составлены выборки по всей мощности месторождения в целом для сравнения пространственного распределения качества и выявления общих закономерностей.

Для решения задач поставленных в этой работе выбраны следующие методы:
- статистический анализ, позволяющий охарактеризовать массив данных, выявить связи между различными показателями;
- анализ графического материала, который дает возможность подробно рассмотреть геологическое строение объекта;
- пространственный анализ, при помощи этого метода осуществляется выделение пространственных закономерностей распределения показателей и их привязка к геологическим структурам объекта;
- метод системного анализа результатов обработки по генезису полезного ископаемого и пространственному положению изучаемого объекта;
- обобщение результатов для создания моделей изменчивости качества полезного ископаемого.

Интерпретация результатов
Для месторождений известняков определяющими показателями качества являются показатели СаO, MgO, SiO2, Al2O3+Fe2O3, S, P. Содержание СаО является основным показателем качества известняков. Для получения точных сведений о причинах и закономерностях его изменчивости, была проведена статистическая обработка данных. По результатам проведенных анализов выявлено неоднородное распределение основного качественного показателя СаО в Родниковском месторождении (рис 1).

Рис. 2. Гистограмма изменчивости показателя СаО в Родниковском месторождении а) по пласту С1vb+c; б) по всем слоям продуктивной толщи.

Гистограммы изменчивости показателя СаО имеют ступенчатый одновершинный вид, что доказывает соответствие исследуемого признака зеркально-логнормальному закону распределения. Присутствие пустых интервалов свидетельствует о неоднородности геологической среды. Это объясняется слоистым строением продуктивных толщ визейского и турнейского ярусов нижнего карбона, наличием карстовых пустот и разрывных нарушений. На рис.1а изображена гистограмма изменчивости показателя СаО по одному из стратиграфических пластов продуктивной толщи Родниковского месторождения. На рис.1б приведена гистограмма изменчивости усредненного показателя по всей продуктивной толщи месторождения. Размах между минимальным и максимальным значениями показателя СаО по пласту C1vb+c составляет (рис. 1а) 7,06, а по продуктивной толщи в целом – 19,32 (рис.1б). При осреднении данных происходит значительное снижение значения показателей качества известняков (CaO + MgO). Такое отличие объясняется тем, что в продуктивной толще месторождения, представленной отложениями визейского и турнейского ярусов, встречаются некондиционные прослои пород известняка с низким содержанием СаО и непродуктивные добавки в виде аргиллитов, алевролитов, песчаника. Самые высококачественные известняки встречаются в стратиграфических пластах C1vb+c, C1td, C1tb.
Распределение изменчивости качественного показателя MgO – зеркальнообратно изменчивости показателя СаО. Это вызвано зависимостью содержания MgO в толще известняков от развития (интенсивности) процессов доломитизации:

2CaCO3 + MgSO4 + 2H2O - CaMg(CO3)2 + CaSO4 2H2O.

При этом Mg2+ замещает Са2+ в кристаллической решетке известняка СаСО3.
Изменение показателя СаО связано со слоистостью месторождения и с изменением минерального и химического состава следующих пород, а также их примесей:
- известняка (доломита, кальцита);
- глины (каолинита Al4(OH)8);
- ортофира (содержание кальцита, каолинита, хлорита);
- плагиопорфира (плагиоклазов);
- сульфидсодержащих пород.
Изменение значения показателя СаО в Родниковском месторождении находит объяснение не только в слоистом строении продуктивной толщи, но и в протекающих процессах доломитизации, окремнения, кальцитизации и выщелачивания.
Наличие значимой отрицательной корреляционной связи между показателями СаО и MgO (равна -0,6, уровень значимости < 0.05) объясняется замещением оксида кальция оксидом магния в процессе доломитизации породы. Основная часть доломитизированных пород образовалась на стадии седиментации карбонатных отложений и связана с процессами диагенетической доломитизации. Также имеет место эпигенетическая доломитизация, вызываемая действием подземных вод, обогащенных магнием. Она приурочена к трещиноватым известнякам и карстовым пустотам.
Отрицательная корреляционная связь СаО и SiO2 (равна -0,31) объясняется изменением значения показателя СаО, связанное с окремнением известняков. В карбонатных породах, слагающих Родниковское месторождение, как сингенетическое образование, встречается кремни разной формы. Причиной возникновения кремния в известняках являются химические реакции, происходящие на стадии седиментации известняков и наличие карстовых пустот, способствующих протеканию процесса окремнения. Карстовые пустоты возникли в результате размыва толщи грунтовыми и поверхностными водами, а также в результате деятельности тектонических нарушений. Карстовые полости, в зависимости от наличия непосредственной связи с поверхностью, могут быть заполнены рыхлыми песчано-глинистыми отложениями – это подтверждается наличием значимой отрицательной связи между показателями СаО и Al2O3+Fe2O3 (равна -0,3).
Проведен пространственный анализ распределения качественного показателя СаО.


Рис. 3. План распределения показателя СаО в продуктивной толще восточного участка Родниковского месторождения.

Значение показателя оксида кальция на востоке распространено крайне неравномерно (рис. 2). Поле карты распределения показателя СаО имеет сложное строение, что подтверждается наличием нескольких минимумов и максимумов, неравномерно размещенных на изучаемом объекте. Большую часть карты занимают известняки с процентным содержанием СаО равным 46 – 48 %. В центре описываемой территории наблюдается чередование минимумов и максимумов содержания показателя. Наименьшее значение показателя СаО приурочено к южной части Родниковского месторождения, что объясняется прохождением субгоризонтального тектонического разрывного нарушения и выходом на поверхность протерозойского гранитоидного массива. Максимальное значение СаО в центре описываемой территории подтверждается геологическим строением участка. Здесь отсутствуют тектонические нарушения, карстовые пустоты и расположены наиболее качественные известняки, имеющие большую мощность и малую долю примесей вредных компонентов (SiO2, Al2O3+Fe2O3, S, P).
По результатам химического анализа послойно исследовано распределение качества известняков на месторождении. Выявлены слои с повышением и понижением качественных характеристик полезного ископаемого, исследованы причины их изменения. С целью установления закономерности изменения качества известняков Родниковского месторождения проводилась статистическая обработка данных с последующим сравнением изменения каждого из показателей качества (табл. 1).

Табл. 1. Значения качественных показателей известняков восточной части Родниковского месторождения.

Как видно из таблицы 1, при осреднении значений показателей на всю мощность продуктивной толщи месторождения происходит снижение качества, в сравнении с послойными значениями: полезные компоненты (CaO и MgO) уменьшаются; вредные – увеличиваются.

Практические выводы и рекомендации
- Таким образом, было детально изучено качество известняков юго-западной части Донбасса.
- Полученные статистические характеристики изменчивости качественных показателей известняков по отдельным стратиграфическим пластам и по всей полезной мощности значительно отличаются. Средние содержания качественных показателей известняков на конкретном горизонте Родниковского месторождения различны. Выявлено снижение качественных характеристик при осреднении показателей по всей полезной мощности месторождения в 3 раза.
- Снижение качества известняков вызвано процессами доломитизации, окремнения, кальцитизации и выщелачивания. Самым негативным фактором является карстообразование.
- В связи с отличием качественных характеристик отдельных стратиграфических слоев месторождения, рекомендуется подсчитывать запасы для каждого конкретного потребителя отдельно.
- Отработку Родниковского месторождения следует проводить послойно с учетом различия строения стратиграфических пластов продуктивной толщи. В этом случае, сорт будет соответствовать техническим условиям определенной промышленности. Известняки возраста C1vb+c соответствуют техническим условиям для доменного, металлургического, сталеплавильного производства. Известняки C1td могут использоваться в качестве сырого материала для металургии. Породы возраста С1vd, C1tc, C1tb могут применяться в сталеплавильной, ферросплавной промышленности, производстве строительной извести и цемента.

Литература:

1. Блоха Н. Т. Карбонатные породы производства строительной извести / Н. Т. Блоха, В. И. Кольбах, В. С. Марков – М.: Недра, 1980. – 52 с.

2. Волкова Т. П.,Вершинин А. С. Методика геолого-технологического картирования месторождений каолинов.// Горный журнал. Известия 1393.6 / – Донецк, 1993. - № 4. – С. 12-18

3. Ляхов Г. М. Нерудные ископаемые – известняки, глины, обломочные горные породы./ Г. М. Ляхов, Н. Д. Рождественский – М.: Недра, 1948. – 116 с.

4. Постникова И. Е. Методы изучения карбонатных формаций платформенных областей./ В. А. Крыжановский, И. Е. Постникова – М.,Недра, 1988. – 205 с.

5. Салов И. Н. Известняки Смоленской области./ И. Н. Салов – Смоленская область, 1952. – 56с.

6. Флюс, в металлургии Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона А. В. Митинский: [Электронный ресурс]. – Режим доступа.

Известняки (в широком понимании) имеют чрезвычайно многообразные области применения. Они используются в виде кускового известняка, щебня, дробленого песка, минерального порошка, минеральной ваты, известняковой муки. Основные потребители – цементная промышленность (известняк, мел и мергель), строительство (получение строительной извести, бетонов, штукатурки, строительных растворов; кладка стен и фундаментов, металлургия (известняк и доломит – флюсы и огнеупоры, переработка нефелиновых руд на глинозем, цемент и соду), сельское хозяйство (известняковая мука в агротехнике и животноводстве), пищевая (особенно сахарная). В Янтиковском районе известняк добывается карьерами в с. Янтиково, с. Можарки.

Район известен обилием известковых камней, обжиг извести здесь проводился с незапамятных времен. В 1982 году на левой стороне реки Соломинка, был открыт известковый карьер. Эту используют для удобрения почвы колхозов и совхозов нашего и других соседних районов республики. На карьере ежегодно добывают 45 тыс. тон извести.

По подсчетам геологов в Можарском карьере залежи известняка составляют около 15 млн. тонн, а в Янтиковском карьере – 5 млн. тонн.

В программе социально-экономического развития Янтиковского района на 2007-2010 года указаны основные задачи по повышению эффективности использования природных ресурсов района. Также приведены ожидаемые результаты реализации программы: бюджетная обеспеченность на душу населения возрастет, увеличится уровень среднемесячной заработной платы работающих в отраслях экономики, появятся дополнительные рабочие места обеспечивающие эффективную занятость населения, увеличится объем выпуска производства промышленной продукции.

Янтиковский район входит в зону, где средне-прожиточный уровень населения считается ниже нормы, 66,7% населения района не трудоустроено. Основной проблемой в трудоустройстве безработных и незанятых граждан в районе является недостаток рабочих мест на предприятиях и в организациях района. В связи с этим мы предлагаем уделять внимание к развитию промышленного производства, в частности производства щебня, цемента, сахара. А для производства цемента и сахара, природное сырье должно иметь высокое качество. Поэтому целью нашей работы является: 1 Изучить качественный и количественный состав известняка 2-х карьеров на территории Янтиковского района.

Известняк, осадочная порода, сложенная преимущественно карбонатом кальция – кальцитом. Благодаря широкому распространению, легкости обработки и химическим свойствам известняк добывается и используется в большей степени, чем другие породы, уступая только песчано-гравийным отложениям. Известняки бывают разных цветов, включая черный, но чаще всего встречаются породы белого, серого цвета или имеющие коричневатый оттенок. Объемная плотность 2,2–2,7. Это мягкая порода, легко царапающаяся лезвием ножа. Известняки бурно вскипают при взаимодействии с разбавленной кислотой. В соответствии со своим осадочным происхождением имеют слоистое строение. Чистый известняк состоит только из кальцита (редко с небольшим содержанием другой формы карбоната кальция – арагонита). Присутствуют и примеси. Двойной карбонат кальция и магния – доломит – обычно содержится в переменных количествах, и возможны все переходы между известняком, доломитовым известняком и горной породой доломитом.

Хотя известняки могут образовываться в любых пресноводных и морских бассейнах, преобладающее большинство этих пород имеет морское происхождение. Иногда они осаждаются, подобно соли и гипсу, из воды испаряющихся озер и морских лагун, но, по-видимому, большая часть известняков отложилась в морях, не испытавших интенсивного высыхания. По всей вероятности, формирование большинства известняков начиналось с извлечения живыми организмами карбоната кальция из морской воды (для построения раковин и скелетов). Эти остатки отмерших организмов в изобилии накапливаются на морском дне. Самым ярким примером аккумуляции карбоната кальция служат коралловые рифы. В некоторых случаях в известняке различимы и узнаваемы отдельные раковины. В результате волно-прибойной деятельности и под влиянием морских течений рифы разрушаются. К известковым обломкам на морском дне добавляется карбонат кальция, осаждающийся из насыщенной им воды. В образовании более молодых известняков участвует также кальцит, поступающий из разрушенных более древних известняков.

Известняки встречаются почти на всех материках, за исключением Австралии. В России известняки обычны в центральных районах европейской части, а также распространены на Кавказе, Урале и в Сибири.

1. 2 Цемент

Цемент – это вяжущий порошкообразный материал, который образует пластическую массу, способную постепенно затвердевать в камень. Он состоит в основном из трикальциевого силиката 3 CaO SiO2.

В состав цемента могут входить разные добавки, массовое отношение оксидов определяет техническую пригодность цемента. Кремнезем входящий в его состав, связывает оксиды кальция, алюминия; при этом образуются следующие соединения силикаты – 3CaO SiO2 nH2O, 2CaO SiO2 nH2O; гидроалюминаты - 3CaO X AI2 O3 6H2O; алюмоферриты - 4CaO AI2 O3 Fe2O3.

Наиболее распространенной разновидностью цемента является портландцемент. Он обладает большой механической прочностью, устойчивостью в воздухе и под водой, морозостойкостью. Основным сырьем для производства портландцемента являются известняк и глина, содержащие оксид кремния (IV).

Известняк и глину тщательно перемешивают и их смесь обжигают в наклонных цилиндрических печах, длина которых достигает более 200 м, а в поперечнике – около 5 м. В процессе обжига печь медленно вращается и исходные материалы постепенно движутся к нижней ее части на встречу раскаленных газов – продуктов сгорания поступающего газообразного или твердого пылевидного топлива.

При повышенной температуре между глиной и известняком происходят сложные химические реакции. Простейшие из них являются обезвоживание каолинита, разложение известняка и образование силикатов и алюминатов кальция:

Al2O3 2SiO2 2H2O → Al2O3 2SiO2 + 2H2O

CaCO3 → CaO + CO2

CaO + SiO2 → CaSiO3

Образовавшиеся в результате реакций вещества спекаются в виде отдельных кусков. После охлаждения их размалывают до тонкого порошка.

Процесс затвердевания цементного теста объясняется тем, что различные силикаты и алюминаты, входящие в состав цемента, реагируют с водой с образованием каменистой массы. В зависимости от состава изготавливают различные сорта цемента.

1. 3 Гашенная известь. Гидроксид кальция используется для производства сахара

Сахарная свекла подается на завод гидравлическим транспортером и с помощью насосов подается в свекломойку. Промытая свекла поднимается элеватором 15-17 м и подает с в свеклорезку, где она измельчается, превращается в тонкую стружку. Свекловичная стружка поступает в диффузионные аппараты. Первейшая задача производства заключается в том, чтобы а полнее выделить сахар из свеклы. С этой целью через диффузоры пропускают горячую воду на встречу движущейся стружке (свекловидный жом) массовая доля сахарозы не превышает 0,5%. Диффузионный сок представляет собой непрозрачную темную жидкость. Темный цвет придают пигменты, которые относятся несасарам.

И задачей другой стадии производства заключается в том, чтобы освободить раствор сахарозы от примесей. Чтобы освободить раствор сахарозы от примесей сверху в него заливают известковое молоко из расчета 20-30 кг гидроксида кальция Cu(OH)2 на 1 кг свеклы. Под действием гидроксида кальция происходит нейтрализация диффузионного сока.

Глава 2. Экспериментальная часть работы

2. 1 Определение CaCO3 в известняке.

Наиболее простой способ определения CaCO3 в известняке заключается в том, что определенную навеску образца средней пробы известняка обрабатывают избытком титрованного раствора соляной кислоты и не вошедшей в реакцию c CaCO3 избыток HCl подвергают обратному титрованию раствором едкой щелочи. По количеству HCl, пошедшей на разложение известняка вычисляют содержание CaCO3 в известняке.

Для анализа образец средней пробы известняк (200 г) растирали в ступке, пропускали через сито в 0,5 мм отсюда отбирали новую среднюю пробу в количестве 40 г. Затем из этой средней пробы брали навеску около 2 г, поместили ее в мерную колбу емкостью на 500 мл, смачивали 5 миллитрами дистиллированной воды и осторожно приливали 50 мл 1,0-нормалного раствора соляной кислоты. После выделения углекислоты в колбу приливали 300 мл дистиллированной воды и содержимое колбы в течение 15 мин. кипятили (до полного прекращения выделения CO2). По окончании кипячения раствору дали остыть, долили в колбу до метки дистиллированной водой, перемешали и дали осадку осесть на дно колбы. После этого отобрали отсюда пипеткой 100 мл прозрачного раствора, перенесли их в коническую колбу емкостью на 250 мл и титровали 0,1-нормальным раствором едкой щелочи в присутствии 2 – 3 капель метилоранжа до появления слабо – желтой окраски раствора.

(a KHCl – bKщ) 0,005*500*100

Где a – количество миллилитров раствора, взятого для титрования; в данном случае а = 100 мл; b – количество миллиметров 0,1- нормального раствора едкой щелочи, пошедшей на титрование избытка HCl;

KHCl и Kщ - поправки на нормальность кислоты (KHCl)и щелочности,(Kщ);

0,005 – количество граммов CaCO3 , отвечающих 1 мл 1,0 – нормального раствора кислоты;

Р – навеска известняка.

CaCO3+2HCl → CaCl2+CO2+H2O

2. 2 Характерные и специфические реакции катионов магния

Общедоступных специфических реакций на катионы магния в настоящее время не имеется. Из общеаналитических реакций наиболее характерными для них являются: взаимодействие с кислым фосфорнокислым натрием.

Образование двойной фосфорнокислой магний - аммонийной соли.

К воде, где содержались соли магния приливают NH4OH до прекращения образования осадка гидрата окиси магния:

MgCl2 + 2NH4OH = ↓Mg(OH)2 + 2NH4Cl2

Затем сюда же приливают раствор хлористого аммония до полного растворения полученного гидрата окиси магния:

Mg(OH)2 + 2NH4Cl = Mg Cl2 + 2NH4OH

К полученному аммонийному раствору магниевой соли осторожно, по каплям приливают разбавленный раствор Na2HPO4. При этом из раствора выпадают мелкие белые кристаллы MgNH4PO4, часть которых в виде едва заметной пленки как бы «ползет» вверх по стенкам пробирки. Если при действии Na2HPO4 осадок образовался аморфный, для его растворения добавляют несколько капель HCl, после чего приливают раствора Na2OH и снова производят осаждение MgNH4PO4. Предельная открываемая концентрация катионов этой реакцией равна 1,2 мг/л.

Так как образование белых кристалликов MgNH4PO4 не наблюдались, значит концентрация катионов магнии

2. 3 Определение pH

Для характеристики водных растворов электролитов условно принято использовать концентрацию ионов H+. При этом для удобства величину этой концентрации выражают через так называемый водородный показатель – pH.

Водородный показатель – это отрицательный логарифм молярной концентрации ионов водорода в растворе: pH = -1g

В чистой воде, очевидно, pH = 7. Если pH 7, то раствор щелочной.

pH водных растворов определяли универсальным индикатором. В таблице приведены значения pH водных растворов известняка.

Результаты исследования двух карьеров

Месторождение карьера Содержание CaCO3 Содержание MgCO3 pH

С. Янтиково 87% >9% 8,0-8,5

С. Можарки 94,81%

1. Исследования показывают, что известняк из Можарского известкового карьера содержит 94,81% CaCO3 и 5,19% примесей.

2. Процентное содержание CaCO3 в известняке из Можарского карьера оказалась выше, чем в известняке из Янтиковского.

3. Так как по качеству и составу известняк из Можарского карьера лучше, он соответствует технологическим стандартам для производства цемента.

4. В Янтиковском районе в перспективе можно построить завод по производству сахара.

Ожидаемые результаты

Бюджетная обеспеченность на душу населения возрастет, увеличится уровень среднемесячной заработной платы работающих в отраслях экономики, появятся дополнительные рабочие места обеспечивающие эффективную занятость населения, увеличится объем выпуска производства промышленной продукции.

Настоящий руководящий нормативный документ устанавливает методы для определения химического состава известняков флюсовых.

Методы, приведенные в настоящем документе, применяются у производителя при отгрузке и у потребителя при поступлении продукции.

1. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ

1.1. Все реактивы должны иметь квалификацию не ниже ч.д.а. Дистиллированная вода для приготовления раствора реактивов и проведения анализа - по ГОСТ 6709-72 и деионированная.

1.2. Определение массовой доли элементов проводят в двух параллельных навесках, взвешенных со случайной погрешностью 0,0002 г.

1.3. Значение суммарной погрешности среднего результата анализа контролируется не реже одного раза в смену путем проведения одновременно с анализом пробы и в тех же условиях анализа стандартного образца. Для контроля выбирают стандартный образец с химическим составом, соответствующим требованиям данного документа на методику определения массовой доли элементов. Средний результат анализа стандартного образца не должен отличаться от значения массовой доли определяемого элемента более, чем на половину величины допускаемого расхождения для соответствующего интервала массовой доли элемента. В противном случае определение массовой доли элемента анализируемой пробы в стандартном образце повторяют. Результаты повторного анализа считают окончательными.

1.4. За окончательный результат анализа принимают среднее арифметическое результатов двух параллельных измерений при условии, что расхождение между результатами параллельных измерений не должно превышать допускаемые при доверительной вероятности 0,95 расхождения, приведенные в табл. .

Таблица 1

Состав известняка

Химический состав чистых известняков близок к кальциту, где CaO 56% и CO 2 44%. Известняк в ряде случаев включает примеси глинистых минералов , доломита , кварца , реже гипса , пирита и органических остатков, которые определяют название известняков. Доломитизированный известняк содержит от 4 до 17% MgO, мергелистый известняк — от 6 до 21% SiO 2 +R 2 О 3 . Известняк песчанистый и окремнелый имеет примеси кварца, опала и халцедона . Принято отражать в названии известняков также преобладающее присутствие органогенных остатков (мшанковый, водорослевый), либо его структуру (кристаллический, сгустковый, детритусовый), или форму породообразующих частиц (оолитовый, брекчиевидный).

Описание и виды

По структуре выделяют известняки кристаллический, органогенно-обломочный, обломочно-кристаллический (смешанной структуры) и натёчный (травертин). Среди кристаллических известняков по величине зёрен различают крупно-, мелко- и скрытокристаллический (афанитовый), по блеску на изломе — перекристаллизованный (мраморовидный) и кавернозный (травертиновый). Кристаллический известняк — массивный и плотный , слабопористый; травертиновый — кавернозный и сильнопористый. Среди органогенно-обломочного известняка в зависимости от состава и величины частиц различают: рифовый известняк; ракушечный известняк (), состоящий преимущественно из целых или дроблёных раковин, скреплённых карбонатным, глинистым или другим природным цементом; детритусовый известняк, сложенный обломками раковин и другими органогенными обломками, сцементированными кальцитовым цементом; водорослевый известняк. К органогенно-обломочным известнякам относится и белый (т.н. пишущий) . Органогенно-обломочные известняки характеризуются крупной , малой объёмной массой и легко обрабатываются (распиливаются и шлифуются). Обломочно-кристаллический известняк состоит из карбонатного разной формы и величины (комочки, сгустки и желваки тонкозернистого кальцита), с включением отдельных зёрен и обломков различных пород и минералов , линз кремней . Иногда известняк сложен оолитовыми зёрнами, ядра которых представлены обломками кварца и кремня. Характеризуются мелкими, разными по форме порами, переменной объёмной массой, малой прочностью и большим водопоглощением . Натёчный известняк (травертин, известковый туф) состоит из натёчного кальцита. Характеризуется ячеистостью, малой объёмной массой, легко обрабатывается и распиливается.

По макротекстуре и условиям залегания среди известняков различают массивные, горизонтально- и наклоннослоистые, толсто- и тонкоплитчатые, кавернозные, трещиноватые , пятнистые, комковатые, рифовые, фунтиковые, стилолитовые, подводно-оползневые и др. По происхождению выделяют органогенные (биогенные), хемогенные, обломочные и смешанные известняки. Органогенные (биогенные) известняки представляют собой скопления карбонатных остатков или целых скелетных форм морских, реже пресноводных организмов, с небольшой примесью преимущественно карбонатного цемента. Хемогенные известняки возникают в результате осаждения извести с последующей перекристаллизацией карбонатной массы осадков, преимущественно из морской воды (кристаллический известняк) или от натёков из минерализованных (травертин). Обломочные известняки образуются в результате раздробления, смыва и переотложения угловато-окатанных обломков карбонатных и других пород и скелетных остатков, преимущественно в морских бассейнах и на побережьях. Известняки смешанного происхождения представляют собой комплекс отложений, возникших в результате последовательного или параллельного наложения различных процессов образования карбонатных осадков.

Цвет известняков преимущественно белый, светло-серый, желтоватый; присутствие органических, железистых, марганцовистых и других примесей обусловливает тёмно-серую, чёрную, бурую, красноватую и зеленоватую окраску.

Известняк — одна из самых широко распространённых осадочных горных пород; она слагает различные формы рельефа Земли . Залежи известняков встречаются среди отложений всех геологических систем — от докембрийских до четвертичной; наиболее интенсивное образование известняков происходило в силуре, карбоне, юре и верхнему мелу; составляют 19-22% от всей массы осадочных пород. Мощность толщ известняков чрезвычайно изменчива: от первых сантиметров (в отдельных прослоях отложений) до 5000 м.

Свойства известняка

Физико-механические свойства известняков чрезвычайно неоднородны, но имеют прямую зависимость от их структуры и текстуры. Плотность известняков 2700-2900 кг/м 3 , колеблется в зависимости от содержания примесей доломита, кварца и других минералов. Объёмная масса известняков изменяется от 800 кг/м 3 (у ракушечников и травертина) до 2800 кг/м 3 (у кристаллических известняков). Предел прочности при сжатии известняков колеблется от 0,4 МПа (для ракушечника) до 300 МПа (для кристаллического и афанитового известняка). Во влажном состоянии прочность известняков часто снижается. Для большей части месторождений характерно наличие известняков, не однородных по прочности. Потери на износ, истирание и дробимость увеличиваются, как правило, с уменьшением объёмной массы известняков. Морозостойкость для кристаллических известняков достигает 300-400 циклов, но резко изменяется у известняков иной структуры и зависит от формы и связи пор и трещин в нём. Обрабатываемость известняков имеет прямую связь с их структурой и текстурой. Ракушечник и пористые известняки легко распиливаются и обтёсываются; кристаллические известняки хорошо полируются.

Применение известняка

Известняк имеет универсальное применение в промышленности, сельском хозяйстве и строительстве. В металлургии известняк служит флюсом. В производстве извести и цемента известняк — главный компонент. Известняк используется в химической и пищевой промышленности: как вспомогательный материал в производстве соды, карбида кальция , минеральных удобрений, стекла, сахара, бумаги. Применяется при очистке нефтепродуктов, сухой перегонке угля, в изготовлении красок, замазок, резины, пластмасс, мыла, лекарств, минеральной ваты, для очистки тканей и обработки кожи, известкования почв.

Известняк — важнейший строительный материал , из него изготовляются облицовочные