Каменное литьё

Каменное литьё — это технология получения изделий путём плавления горных пород (базальта, диабаза, габбро и других) с последующей заливкой расплава в формы и его кристаллизацией. Полученный материал — каменное литьё — представляет собой искусственный камень с высокими физико-механическими и химическими свойствами, превосходящими по ряду параметров природные аналоги и традиционные конструкционные материалы (металлы, бетон, керамику). Технология относится к области силикатной промышленности и переработки минерального сырья.

История

Предпосылки и ранние опыты

Идея плавления горных пород для получения искусственного камня возникла в XIX веке. В 1880-х годах французский инженер Феликс де ла Гарп (Félix de la Harpe) провёл первые эксперименты по плавке базальта в тиглях, однако промышленного применения они не нашли из-за технических сложностей. В начале XX века в Германии и США предпринимались попытки использовать плавленый базальт для изготовления дорожных плит и кислотоупорных изделий, но низкая производительность печей и нестабильность свойств материала ограничили внедрение.

Развитие в СССР

Широкое промышленное освоение каменного литья началось в 1930-х годах в СССР. В 1932 году в городе Константиновка (Украинская ССР) был построен первый в мире завод по производству каменного литья — Константиновский завод каменного литья (ныне — ООО «Константиновский завод каменного литья», Украина). В 1935 году введён в эксплуатацию Московский завод каменного литья. Разработка технологии велась под руководством академика А. Е. Ферсмана и профессора П. П. Будникова. К 1940-м годам были созданы дуговые электропечи для плавки базальта, разработаны составы шихты и режимы термообработки.

В послевоенные годы каменное литьё активно применялось в горнорудной, металлургической и химической промышленности СССР для футеровки оборудования (желобов, труб, циклонов), работающего в условиях абразивного износа и воздействия агрессивных сред. В 1950–1960-х годах были построены заводы в Ровно (Украинская ССР), Кемерово (Россия), Алма-Ате (Казахская ССР) и других городах. К концу 1980-х годов объём производства каменного литья в СССР достигал нескольких десятков тысяч тонн в год.

Современное состояние

После распада СССР производство каменного литья сократилось, но сохранилось на ряде предприятий в России, Украине, Казахстане. В 2000–2010-х годах технология получила развитие в Китае, где построены крупные заводы. В России основными производителями являются ООО «Каменное литьё» (Новосибирск), АО «Кемеровский завод каменного литья», ООО «Технолит» (Екатеринбург). Современные исследования направлены на улучшение свойств материала (повышение термостойкости, снижение пористости) и расширение областей применения (строительство, дорожное хозяйство, архитектура).

Сырьё и шихта

Основные породы

Для каменного литья используются магматические горные породы основного и ультраосновного состава, преимущественно:

Базальт — наиболее распространённое сырьё (до 80–90 % мирового производства). Характеризуется высоким содержанием оксидов кремния (SiO₂ — 45–52 %), алюминия (Al₂O₃ — 12–18 %), железа (FeO + Fe₂O₃ — 8–15 %), кальция (CaO — 8–12 %), магния (MgO — 5–10 %).
Диабаз — близок к базальту, но имеет более мелкозернистую структуру.
Габбро — интрузивный аналог базальта, отличается более крупными кристаллами.
Амфиболиты, порфириты — используются реже, в зависимости от доступности и требуемых свойств.

Корректирующие добавки

Для регулирования температуры плавления, вязкости расплава и кристаллизационных свойств в шихту вводят добавки:

Плавиковый шпат (CaF₂) — снижает температуру плавления (до 1300–1350 °C вместо 1400–1500 °C для чистого базальта).
Хромит (FeCr₂O₄) — повышает твёрдость и износостойкость.
Доломит, магнезит — увеличивают содержание оксида магния, что улучшает кристаллизацию.
Кварцевый песок, глина — корректируют вязкость расплава.

Состав шихты подбирается опытным путём для каждого месторождения сырья. Средний химический состав каменного литья (в массовых процентах): SiO₂ — 45–50 %, Al₂O₃ — 12–18 %, Fe₂O₃ + FeO — 10–15 %, CaO — 8–12 %, MgO — 5–10 %, Na₂O + K₂O — 2–5 %, прочие — до 5 %.

Технологический процесс

Подготовка сырья

Горная порода дробится до фракции 10–50 мм, затем сушится и смешивается с корректирующими добавками. Шихта загружается в плавильные печи.

Плавление

Плавка осуществляется в электрических печах (дуговых, руднотермических, индукционных) при температуре 1350–1500 °C. Время плавления — 1–3 часа. Расплав гомогенизируется (усредняется по составу) и выдерживается для удаления газовых пузырей.

Формование

Расплав заливается в металлические (чугунные, стальные) или песчано-глинистые формы. Используются методы:

Свободная заливка — для простых изделий (плиты, блоки).
Центробежное литьё — для труб и цилиндрических деталей (обеспечивает равномерную толщину стенок).
Литьё под давлением — для сложных профилей (фасонные детали, желоба).

Кристаллизация и отжиг

После заливки изделие охлаждается в форме до температуры 800–900 °C, затем извлекается и помещается в термическую печь (отжиговую камеру) для контролируемой кристаллизации. Температура отжига — 750–850 °C, выдержка — 2–6 часов. В процессе кристаллизации образуются минералы: пироксены (авгит, диопсид), плагиоклазы (лабрадор, анортит), оливин. Структура материала становится мелкозернистой (размер кристаллов 0,01–0,1 мм), что обеспечивает высокую прочность.

Механическая обработка

Остывшие изделия подвергаются шлифовке, резке (алмазными кругами) и сверлению. При необходимости наносится защитное покрытие (эмаль, лак).

Свойства каменного литья

Физико-механические

Плотность — 2,8–3,0 г/см³.
Предел прочности при сжатии — 300–600 МПа (выше, чем у гранита — 100–250 МПа).
Предел прочности при изгибе — 30–60 МПа.
Твёрдость по Моосу — 7–8 (сравнима с кварцем).
Истираемость — 0,01–0,05 г/см² (в 5–10 раз ниже, чем у гранита).
Морозостойкость — более 300 циклов (F300–F500).
Водопоглощение — 0,01–0,1 % (практически нулевое).

Термические

Температура плавления — 1300–1450 °C.
Термостойкость — до 300–400 °C (кратковременно до 600 °C). При быстром нагреве/охлаждении возможно растрескивание.
Теплопроводность — 1,2–1,8 Вт/(м·К) (низкая, сравнима с кирпичом).

Химические

Кислотостойкость — устойчив к серной, соляной, азотной кислотам (кроме плавиковой) при концентрациях до 30–50 %.
Щёлочестойкость — устойчив к растворам щелочей (NaOH, KOH) при концентрациях до 20–30 %.
Стойкость к агрессивным газам — высокая (Cl₂, SO₂, H₂S).

Электрические

Удельное электрическое сопротивление — 10⁸–10¹⁰ Ом·м (диэлектрик).
Электрическая прочность — 10–20 кВ/мм.

Классификация изделий

По форме и назначению

Плиты — футеровочные (для желобов, бункеров, циклонов), дорожные (тротуарная плитка, бордюры), облицовочные.
Трубы — для гидротранспорта абразивных пульп (золошлаковых, рудных), для канализации и водоотведения.
Фасонные изделия — желоба, лотки, течки, циклоны, колосники, насадки для градирен.
Электротехнические изделия — изоляторы, втулки, подставки.
Архитектурные элементы — ступени, подоконники, столешницы, вазы, скульптуры.

По типу кристаллизации

Полностью закристаллизованные — высокая прочность и износостойкость.
Стеклокристаллические — содержат до 30–50 % стеклофазы, более хрупкие, но легче обрабатываются.
Стекловидные — аморфная структура, низкая прочность, редко применяются.

Применение

Промышленность

Горнорудная и металлургическая — футеровка желобов, бункеров, течек, циклонов, трубопроводов для транспортировки руды, концентратов, шламов. Срок службы каменного литья в 5–10 раз выше, чем у стали и чугуна.
Химическая — облицовка аппаратов, работающих с кислотами и щелочами (ванны, реакторы, абсорберы). Каменное литьё заменяет свинец, титан, кислотоупорный кирпич.
Энергетика — футеровка золо- и шлакопроводов ТЭС, детали градирен (насадки, желоба).
Строительная — производство тротуарной плитки, бордюрного камня, облицовочных плит, ступеней. Материал устойчив к истиранию и атмосферным воздействиям.

Строительство и архитектура

Дорожное строительство — плиты для мощения дорог, тротуаров, площадей. В России и Китае каменное литьё используется для покрытия автомагистралей (опытные участки).
Гидротехнические сооружения — облицовка каналов, дамб, водосливов (благодаря низкому водопоглощению и морозостойкости).
Архитектурный декор — скульптуры, вазы, колонны, фонтаны. Известные примеры: скульптуры на станции метро «Площадь Революции» (Москва, 1938 год, базальтовое литьё), памятник «Родина-мать зовёт!» (Волгоград, частично из каменного литья).

Прочие области

Электротехника — изоляторы для высоковольтных линий, детали электрощитов.
Сельское хозяйство — лотки для поения скота, кормушки, детали кормораздатчиков.
Бытовая сфера — столешницы, подоконники, мойки, пепельницы, сувениры.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая износостойкость (в 5–15 раз выше, чем у стали и чугуна).
Химическая стойкость к кислотам и щелочам.
Низкое водопоглощение и высокая морозостойкость.
Экологичность (нетоксичен, не выделяет вредных веществ).
Долговечность (срок службы — 30–50 лет и более).
Возможность вторичной переработки (дроблёный камень используется как наполнитель в бетоны).

Недостатки

Хрупкость (низкая ударная вязкость — 1–3 кДж/м², сравнима с керамикой).
Сложность механической обработки (требуется алмазный инструмент).
Высокая энергоёмкость производства (плавка при 1400–1500 °C).
Ограниченная термостойкость (при температурах выше 400 °C теряет прочность).
Большой вес (плотность 2,8–3,0 г/см³, что в 3–4 раза тяжелее бетона).

Интересные факты

В 1930-х годах в СССР из каменного литья были изготовлены первые в мире базальтовые трубы диаметром до 1 метра для гидротранспорта угля.
Каменное литьё использовалось при строительстве Московского метрополитена (облицовка станций «Площадь Революции», «Курская», «Белорусская»).
В 2010 году в Китае запущен завод по производству каменного литья мощностью 100 000 тонн в год — крупнейший в мире.
Материал применяется в космической отрасли: из каменного литья изготавливают детали наземных стендов для испытания ракетных двигателей (стойкость к высокотемпературным газовым струям).

Источники

Будников П. П. «Каменное литьё». — М.: Промстройиздат, 1952.
Ферсман А. Е. «Плавленый камень». — Л.: Изд-во АН СССР, 1935.
ГОСТ 17057-80 «Изделия из каменного литья. Технические условия».
ГОСТ 32015-2012 «Плиты из каменного литья для дорожных покрытий».
Широков А. С. «Технология каменного литья». — М.: Металлургия, 1987.
Справочник «Каменное литьё в промышленности» / под ред. В. И. Болдырева. — Новосибирск: Наука, 2005.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →