Базальт

Базальт

БАЗАЛЬТ, керамический материал, обладающий высокими механическими, физическими, электрическими и химическими свойствами и получаемый тепловой переработкой горных пород того же наименования.

1. Базальт как горная порода. Базальт, или, вернее, базальты, относятся к числу характерных изверженных (эффузивных) основных пород глубинного происхождения и молодого, преимущественно третичного, возраста. Свою широкую известность базальт получил за образуемые им живописные отдельности в виде 6-гранных (а иногда 3- или 5-гранных) призм длиной 3—4 м с перпендикулярными к граням плоскостями (фиг. 1); он встречается также в виде плитняковых естественных лестниц, скорлуповатых шаровых отдельностей и других чрезвычайно живописных скал.

Ломка базальта в Оверни

Базальт - порода темного цвета, то серовато-черная, то с синеватым отливом; иногда она бывает зеленоватой или красноватой. Само название «базальт» - древнего происхождения и на эфиопском языке означает «темный», «черный». Порода эта весьма однородна по своему тонкому сложению. Плотная и чрезвычайно твердая, она имеет в разных случаях зернистость разного порядка. Грубо- и среднезернистые разности называются долеритами, мелкозернистые - анамезитами, а весьма тонкозернистые - собственно базальтом. Различие текстуры базальта при тождественном валовом составе объясняется условиями застывания изверженной магмы (быстрота охлаждения, давление и пр.). Петрографический состав базальта может значительно изменяться, но входящие в состав базальта минералы замещаются петрографическими эквивалентами, вследствие чего базальт как порода сохраняет свой habitus весьма устойчиво. Под микроскопом базальт представляется стекловатой основной массой («базис») с микрофлюидальным сложением. В базисе содержатся многочисленные кристаллики полевого шпата, оливина, магнитного железняка и других менее характерных минералов. В зависимости от содержания минеральных включений, цементированных базисом, различают базальты: плагиоклазовые, лейцитовые, нефелиновые и мелилитовые. Собственно, базальтом принято называть первые, т. е. содержащие известковонатровый полевой шпат, авгит и оливин. Химически базальт родственен габбро (Г.) и диабазу (Д.). Валовой химический анализ платообразующего базальта характеризуется, по Вашингтону, следующими данными:

Валовой химический анализ платообразующего базальта

Базальту присуща значительная радиоактивность: он содержит от 0,46∙10-3 до 1,52∙10-3 % тория и от 0,77∙10-10 до 1,69∙10-10 % радия. Менее глубинные разности базальта кислее и постепенно переходят к дацитам, трахитам и т. д. По новейшим воззрениям, базальт - материал, образующий твердую оболочку земли: под материками толщиной 31 км, а под океанами - от 6 км и более; эта оболочка плавает на вязко-жидком подстилающем слое базальта («субстрат»). Таким образом предполагают, что базальт находится всюду. Что касается самой поверхности земли, то выходы этой породы весьма многочисленны. Вне СССР они имеются: в Оверни, по берегам Рейна, в Богемии, Шотландии и Ирландии, на острове Исландия, в Андах, на Антильских островах, на острове св. Елены и в разных других местностях. Много месторождений базальта в северной, западной и юго-восточной частях Монголии. В пределах СССР базальт распространен на Кавказе и по Закавказью, а также по северу Сибири, в бассейне р. Витима. В ближайшее время практически могут представлять наибольший интерес месторождения: Берестовецкое - Волынского округа УССР, Исачковские - Полтавского округа УССР, Мариупольские - Мариупольского округа УССР, Чиатурское, Белоключинское, Манглисское и Саганлугское, Аджарис-Цхальское - Грузинская ССР, Эриванское - Армянская ССР, а также олонецкий диабаз с берегов Онежского озера.

2. Свойства натурального базальта. Непосредственное применение натурального базальта и дальнейшая переработка его предполагают достаточное знание механических, физических и химических свойств его. Однако свойства эти существенно связаны с составом и текстурой базальта и потому значительно изменяются в зависимости от месторождения. Если говорить о базальте вообще, то свойства его м. б. охарактеризованы лишь пределами соответственных констант. Приводимые ниже данные для базальта отчасти сопоставлены с данными для диабаза и габбро. Кажущийся удельный вес (куска): 2,94—3,19 (Б.), 3,00 (Д.), 2,79—3,04 (Г.). Истинный удельный вес (порошка) около 3,00 (Б.). Пористость в % объема: 0,4—0,5 (Б.), 0,2—1,2 (Д.), 3,0 (Г.). Поглощение воды: 0,2—0,4% по весу и 0,5—1,1% по объему (Б.). Масса 1 м3 сухого базальта около 3 т. Прочность на сжатие в кг/см2: 2000—3500 (Б.), 1800—2700 (Д.), 1000—1900 (Г.). Если прочность на сжатие сухого базальта больше 3000, то мокрого - более 2500, а при морозе в 25° она более 2300. Прочность на износ («твердость», вычисляемая по формуле: р = 20—w/3, где w - масса, потерянная в нормированных условиях при 1000 оборотах истирающего диска) характеризуется числами 18—19 (Б., Д., Г.). Прочность на удар («компактность») при испытании нормированных образцов: 6—30 (Б., Д.) и 8—22 (Г.). По твердости базальт превосходит сталь. Модуль Юнга в (D см-2)х10-11 равен 11 (Г.) и 9,5 (Д.). Коэффициент объемного сжатия на 1 кг при давлении 2000 кг/см2 составляет 0,0000018 (Б.) и 0,0000012 (Д.), а при давлении 10000 кг/см2 составляет 0,0000015 (Б.) и 0,0000012 (Д.). Начало плавления нормального оливинового базальта - при температуре около 1150°, а жидко-плавкое состояние начинается при температуре около 1200°. Расплавленная порода перестает быть текучей при охлаждении до 1050°. Более кислые породы имеют температуру плавления более высокую, причем она повышается с содержанием кремнекислоты. В частности, базальт Аджарис-Цхальского месторождения (дацитобазальт - по Абиху или трахиандезит - по новым определениям) размягчается при 1180°, имеет консистенцию густого меда при 1260° и вполне разжижается при 1315° (опыты автора в отделе материаловедения ГЭЭИ). Удельная теплоемкость базальта сиракузского для различных температур показана в следующей таблице:

Удельная теплоемкость базальта сиракузского для различных температур

Теплота кристаллизации базальта при переходе из аморфного состояния в кристаллическое 130 Cal. При кристаллизации происходит уменьшение объема на 12% сравнительно с объемом базальта при температуре 1150°. Удельная теплопроводность базальта в грамм-калориях - около 0,004. Коэффициент теплового расширения базальта: 0,0000063 (при 20—100°), 0,000009 (при 100—200°) и 0,000012 (при 200—300°).

В химическом отношении базальты представляют породы стойкие: атмосферные деятели, в опытах Гари, выветрили за 18 месяцев от 1,5 до 0,8 мг/см2 базальта, тогда как серый известняк в тех же условиях потерял 22,7 мг/см2. Ход процесса выветривания базальта и диабаза представлен сравнительной диаграммой (фиг. 2).

Ход процесса выветривания базальта и диабаза

Число, стоящее на верхней горизонтальной линии, показывает число грамм выветренной породы, которое надо взять, чтобы в ней содержалось составной части, соответствующей обозначению рассматриваемой горизонтали, столько же, сколько этой части содержится в 100 г свежей породы. Т. о. все точки, стоящие справа от вертикали 100, означают обеднение соответствующей частью, а стоящие слева - обогащение. Следовательно, при выветривании базальт обогащается кремнеземом и глиноземом и беднеет щелочами, щелочными землями и железом во всех видах, тогда как диабаз обогащается окисным железом и натрием. Это обстоятельство говорит, по-видимому, против диабаза как материала изоляционного.

3. Основания переработки базальта. Свойства натурального базальта делают его превосходным строительным материалом, более надежным, чем гранит. Применять базальт стали давно. Однако чрезвычайная трудность обработки базальта и деление его на сравнительно узкие призмы заставили придумать особый способ придания ему геометрических форм.

Микроструктура натурального овернского базальта

Естественно было подумать о сплавлении этой породы, поскольку она сама происхождения огненного. Но недостаточно расплавить базальт: при быстром охлаждении отливки из него дают стекловидную массу, аналогичную природным гиалобазальтам, хрупкую и технически неприменимую (фиг. 3 и 4).

Микроструктура базальта, расплавленного и остеклованного при быстром охлаждении

Основная задача базальтового производства - восстановление мелкозернистости у переплавленного базальта, так называемая регенерация (фиг. 5).

Микроструктура базальта регенерированного

Мысль о возможности переплавления и восстановления в первоначальном виде горных пород возникла в 18 в. Шотландец Джемс Голл уже в 1801 г. добился переплавки базальта и в частности установил, что базальт и лавы, будучи расплавленными и быстро охлажденными, дают стекло, тогда как при медленном охлаждении их получается масса каменистая, со следами кристаллической структуры; это - основное положение огненной переработки лав. Особенно замечательны опыты шотландца Грегори Уатта, который расширил масштаб плавки. Плавление глыбы базальта более 3 т продолжалось 6 ч., а охлаждение под покровом медленно горевшего угля потребовало 8 дней. Уатт описал продукты этого медленного охлаждения: на поверхности - черное стекло; по мере углубления в застывшую массу появляются сероватые шарики, группирующиеся в связки; затем структура делается лучистой; еще глубже вещество имеет каменистый и затем зернистый характер, и, наконец, масса пронизывается кристаллическими пластинками. Т. о. была выяснена возможность переплавлять и регенерировать изверженные породы. Но из-за отсутствия достаточно большой потребности в переплавленном базальте для промышленности описываемые опыты были забыты. В 1806 г. Добре и затем в 1878 г. Ф. Фуке и Мишель Леви вернулись к процессу плавки и регенерации. Им удалось воспроизвести почти все породы огненного происхождения и выяснить, что для этого не требуется ни чрезвычайных температур, ни таинственных агентов, а все дело - в установлении надлежащего режима плавки и отжига. После охлаждения расплавленный силикат превращается в стекло, температура плавления которого ниже температуры плавления исходного минерала. Чтобы восстановить последний, необходимо отжечь стекловидную массу при температуре, превышающей температуру плавления стекловидного тела, но лежащей ниже температуры плавления минерала кристаллического. Температурный промежуток этих точек плавления и есть та область, в которой возможна регенерация силиката или алюмосиликата; промежуток этот м. б. довольно незначительным. Когда дело идет не об одном минерале, а о совокупности 5—6 минералов, слагающих кристаллическую породу, то режим отжига надо было бы установить с рядом ступеней, причем каждому минералу отвечала бы своя остановка хода охлаждения. Однако на практике эти ступени оказываются так близки между собой, что можно ограничиться двумя остановками. В отношении базальта первый отжиг, при красно-белом накале, дает кристаллизацию закиси железа и перидота, а второй, при вишнево-красном, - кристаллизацию прочих минералов породы.

Первые опыты промышленной плавки базальта были предприняты в 1909 г. Риббом, а различные применения плавленому базальту найдены инженером Л. Дреном. В 1913 г. для промышленного осуществления процессов плавки была образована в Париже «Compagnie generate du Basalte», а в Германии - «Der Schmelzbasalt A.-G.», в Линце на Рейне; затем оба общества объединились под общим названием «Schmelzbasalt A.-G.», или «Lе Basalte Fondu». В настоящее время во Франции имеются два завода, выпускающие гл. обр. электротехнические и строительные изделия, а в Германии - один, обслуживающий химическую промышленность.

4. Производство плавленого базальта. Ломка. Залегание базальта бывает различное, и потому ломка его не всегда однообразна. Плитообразный базальт покровов или скал добывается подрывной работой. Призмы столбчатого базальта могут быть отделяемы посредством клиньев и рычагов. Разработку ведут ярусами, снимая последовательные слои рядами естественных расслоений.

Дробление. Наломанный базальт хранится на открытом воздухе. Для плавки он дробится на дробилках Блека или Гетса. Затем куски сортируются по размерам, а мелочь идет на бетонные массы.

Переплавление. Раздробленный базальт поступает в плавильные горны, в которых применяются различные способы нагрева. Наиболее подходят печи электрические, газовые (газогенераторные или с осветительным газом) и печи с мазутовыми форсунками. Электроплавильная установка состоит из неподвижной электродной печи и передвижного приемника на колесах, служащего для развозки расплавленного базальта по отливочной мастерской; этот приемник тоже представляет небольшую электродную печь. Оба типа печей питаются двухфазным током. Дно печи делается из огнеупорного материала и имеет сбоку сопло для выпуска расплавленной массы, из приемника же она спускается в формы или в изложницы для отливки простым наклонением приемника. В других печах под горла делается наклонным, так что загрузка горна и спуск расплавленной массы ведутся непрерывным процессом. Производительность описываемых печей - от 3 до 50 т в день. Парижский завод - крупно-кустарного типа - имеет 4 печи емкостью в 80 кг каждая, действующие непрерывно и отапливаемые городским газом; плавка ведется при 1350°. Другой французский завод, в Пюи, работает на электрической энергии. Мощность непрерывного производства - 8 т в сутки.

Отливка. Расплавленный базальт льется в формы или в изложницы непосредственно из печей или же увозится в отливочные мастерские. Для отливки применяются либо песочные фермы, либо стальные изложницы. Первые гораздо дешевле, но применимы не во всех случаях, т. к. изделия выходят из них матовыми и грубоватыми. Стальные изложницы придают изделиям блестящую поверхность, но стоят сравнительно дорого. При тщательной отливке литье получается чистое; в противном случае видны затеки и неровности, во многих случаях не препятствующие, однако, использованию изделия.

Тепловая обработка. Почти тотчас после отливки изделия, еще вишнево-красные, извлекаются из изложниц и переносятся в отжигательные подовые печи, подобные обычным закалочным. В зависимости от своего назначения и размеров изделия выдерживаются в печи от нескольких часов до нескольких дней. Начальная температура отжига около 700°. Печь замазывается и медленно охлаждается; томление в печи длится, смотря по размерам изделий и требуемым их качествам, от нескольких часов до 10—14 дней. Таких печей на парижском заводе до 35.

Отделка. По охлаждении изделия готовы к употреблению. Для придания им надлежащего вида с них счищают налет стальными щетками. Если требуется большая точность плоскостных граней, то производится отделка на кругах, имеющих базальтовое основание.

Стоимость производства. Производство плавленого базальта не требует ни высококвалифицированной рабочей силы, ни дорогого оборудования. Главные расходы производства в наших условиях - на доставку материала, если его привозить с Кавказа, и на энергию. При работе с газом на 1 кг готовых базальтовых изделий требуется около 900 Cal, т. е. около 1/41/3 м3 газа; при работе с электрической энергией на 1 кг изделий расходуется примерно 1 kWh. Т. о. себестоимость базальтовых изделий, например, изоляторов, значительно ниже, чем фарфоровых. Во Франции продажная цена базальтовых изоляторов на 10—15% меньше, чем фарфоровых, а для более значительных по размерам - на 25—30%. Чем крупнее изделия, тем больше расхождение цен между базальтом и фарфором. Однако есть основания считать вышеуказанные расхождения продажных цен значительно преуменьшенными за счет увеличения прибыли базальтового производства как дела нового.

Производство плавленого базальта в СССР. Имея за собой огромные технические и экономические преимущества и в некоторых случаях, как, например, при электрификации железных дорог, будучи почти незаменимой, базальтовая промышленность вызвала к себе внимание технических и промышленных кругов. Опыты с плавкой базальта и других пород, предпринятые по поручению Главэлектро ВСНХ в отделе материаловедения ГЭЭИ и затем в ГЭТ, опыты над плавкой диабаза в Горнометаллургической лаборатории и интерес ВСНХ Грузии и Армении к этой промышленности могут считаться предвестниками скорого развития базальтового дела. С экономической точки зрения д. б. отмечено весьма выгодное естественное сочетание благоприятных факторов: возможность добычи базальта весьма часто территориально совпадает с наличием источников гидроэлектрической энергии для его переработки, т. е. с районной силовой установкой, для которой необходимы базальтовые изоляторы, и с центрами электрохимических производств, которым необходимо огне- и кислотоупорное базальтовое оборудование. Указываемое совпадение, в связи с выгодностью мелких базальтовых заводов и сравнительной дороговизной транспорта, дает основание предвидеть в будущем сеть небольших базальтовых заводов по всей территории страны.

5. Свойства переработанного базальта. Переплавленный и регенерированный базальт в общем имеет свойства натурального, но в улучшенном виде (см. фиг. 3 и 5).

Механические свойства: а) прочность на сжатие - около 3000 кг/см2; б) прочность на износ, испытанная с помощью мельницы Дерри, припудренной песком, оказалась в среднем 0,9 мм после 1000 оборотов; в) обладая большой вязкостью, базальт бьется нелегко, и базальтовые изоляторы и прочие изделия практически можно считать небьющимися. Сравнительно с фарфором базальт обладает хрупкостью в 2—4 раза меньшей; различные значения этой величины зависят от режима отжига; наличием примесей хрупкость м. б. весьма повышена; г) прочность на разрыв испытывалась на базальтовых поддержках для третьей шины электрических ж. д., причем для сравнения были испытаны такие же поддержки из песчаника; разрыв изделий из базальта наблюдался при 3700—4700 кг, а разрыв таких же изделий из песчаника - при 1200 кг.

Термические свойства: а) переплавленный базальт противостоит изменениям температуры, даже резким; пластинка базальта в 8 мм толщины, погружаемая попеременно в кипящую воду и в холодную, не дала никаких признаков растрескивания; изоляторы, выставленные на солнце и затем попадавшие под грозовой ливень, а также изоляторы, испытанные согласно правилам Французского союза электрических синдикатов (внезапный перенос из воды при 65° в воду при 14°), не показали никакого изменения электрических свойств; верхний предел теплового интервала может быть еще повышаем; б) в момент затвердевания базальт допускает заштамповку или иное введение в него железных частей любого объема и крепко пристает к ним, не требуя цементировки; в) базальт стойко выдерживает значительные нагревы, не обнаруживая разрывов, трещин, «утомления» или «постарения»; г) по малой теплопроводности базальт может служить тепловым изолятором.

Гигроскопичность. Будучи вполне компактным и облитым автогенной глазурью, базальт вполне водоупорен и негигроскопичен.

Электрические свойства: а) базальт обладает значительной электрической крепостью: у мостового базальта она оказалась около 32 kV/cм при толщине пластин в 18 мм, а у специального электротехнического базальта, как подвергавшегося термической обработке, так и у остеклованного, - от 57 до 62 kV/см при той же толщине; б) когда происходит пробой и образуется мощная дуга, базальтовый изолятор все-таки этим не повреждается, ибо по прекращении дуги место пробоя заплывает, и изолятор залечивается бесследно; в) базальтовые изоляторы при обработке сами собою покрываются стеклоподобной базальтовой глазурью в 1,5—2 мм толщины, постепенно переходящей внутрь к базальту зернистому; эта глазурь представляет превосходное препятствие поверхностным электрическим утечкам и предохраняет изоляторы и прочие изделия от гигроскопичности и от действия атмосферных агентов; имея состав, тождественный с составом самого изолятора, глазурь держится на нем как однородное тело и потому не подвергается опасности растрескаться или облупиться. Кроме того, при насильственном повреждении этой глазури обнажается вещество того же состава, так что указанное повреждение не бывает для изолятора гибельным.

Химические свойства. В химическом отношении изделия из базальта, по французским сведениям, весьма стойки; в табл. 1 приводятся данные о действии различных реагентов на переработанный базальт.

Действие различных реагентов на переработанный базальт

Данные дальнейших испытаний приведены в табл. 2.

Действие различных реагентов на переработанный базальт

Внешний вид. Переплавленный, но неотожженный базальт напоминает стекло: он обладает блестящим изломом, буро-черным цветом и хрупок. После отжига переплавленный базальт получает черный или темный цвет, матовый мелкозернистый излом и вязкость натуральной породы. Наружный вид изделий зависит от материала формы и изложницы (см. п. 4).

Итак, по механической прочности, термической и химической стойкости, высоким и своеобразным электрическим свойствам, дешевизне и сравнительно легкой обрабатываемости переработанный базальт должен быть признан одним из наиболее замечательных материалов электротехники.

6. Применение переработанного базальта. Базальтовая промышленность еще слишком молода, чтобы можно было в настоящее время предвидеть все виды применения нового материала. Пока наметились следующие: а) в сетях сильных токов высокого и низкого напряжений - линейные изоляторы на открытом воздухе (фиг. 6),

Линейные изоляторы на открытом воздухе

опорные изоляторы, изоляторы третьей шины электрических ж. д. и метрополитенов (фиг. 7), выводные изоляторы на высоком напряжении;

Изоляторы третьей шины электрических ж. д. и метрополитенов

б) в сетях слабого тока и в радиосвязи - телеграфные и телефонные изоляторы, оттяжные изоляторы и прочие изоляционные части для антенн; в) в электрохимической промышленности - изоляторные подставки для аккумуляторов, посуды, ванн и пр.; г) в общей химической промышленности - кислотоупорное оборудование, в том числе всевозможная посуда, ванны, краны, пропеллеры и т. д., оборудование на температуру до 1000°; д) в строительстве - изоляционные мостики (фиг. 8), мостовые, лестничные ступени, облицовка стен и полов, особенно когда имеются кислые испарения, и т. д.

Изоляционные мостики

Линейные изоляторы. В виду исключительного интереса, представляемого базальтом в электротехнике, приводим данные испытаний в Парижской центральной электрической лаборатории десяти изоляторов с залитыми в них железными штырями, причем пять из них были предварительно подвергнуты тепловому испытанию (см. п. 5). При сухом испытании первые скользящие по изолятору искры появлялись при 32,5—38 kV, дуга образовывалась при 35—43 kV, пробой юбки получался при 40 kV, а шейки – при 37,5—39,5 kV. Мокрое испытание под искусственным дождем дало образование дуги при 18—20 kV, после чего через 30 сек. изолятор пробивался. Испытание под маслом установило пробивное напряжение при 35—58 kV. Испытание оттяжных изоляторов переменным напряжением, которое поднимали до пробоя и затем, немедленно после пробоя, начинали снова поднимать до нового пробоя, и так 4 раза, дало результаты, представленные в табл. 3.

Испытание оттяжных изоляторов переменным напряжением

Изоляторы телеграфного типа. Испытанием базальтовых изоляторов сильного тока, по типу приближающихся к телеграфным, произведен, на Московской научно-испытательной телеграфной станции, установлено поверхностное электрическое сопротивление базальтовых изоляторов значительно более высокое, чем у соответственных фарфоровых; но при испытании под дождем сопротивление базальта восстанавливалось несколько медленнее, чем у фарфора. Вероятно, это зависело от грубой поверхности испытывавшихся сильноточных изоляторов, для которых не были приняты во внимание требования телеграфии.

7. Другие применения базальта. Кроме применения натурального базальта в качестве строительного материала и щебня, и применения термически переработанного базальта в различных отраслях промышленности, базальт и родственные ему породы идут также в качестве составной части при керамическом и стекольном производстве. Так, боржомский андезит уже несколько лет применяется при варке стекла для бутылок под боржомскую минеральную воду, придавая ему прочность и темную окраску. Английский фарфоровый завод Веджвуда издавна выпускает глиняную посуду с черным неглазурованным по массе и легко полирующимся черепком, т. н. «базальтовую» (Basalt) или «египетскую» (Egyptian), - масса для нее содержит базальт.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 2 - 1928 г.

Базальт

Базальт

Базальт

Изделия из базальта

Изделия из базальта

Избранное