Главные закономерности высокотемпературного техногенеза

На основании детального анализа реальных термодинамических условий и кинетики техногенного минералообразования установлено, что все многообразие частных фазовых и структурных превращений минерального вещества в техносфере можно объединить в 17 крупных генетических типов. Так как тепловая энергия является наиболее мощным интенсификатором мобильности вещества во всех агрегатных состояниях, преобладающее большинство генотипов (12) реализуются исключительно при высоких температурах (пирометаллургия, петрургия, высокотемпературные процессы в химии, в керамических, цементных, стекольных и многих других видах управляемого техногенеза). Стихийный (неуправляемый) высокотемпературный техногенез представлен рудничными пожарами, взрывами в шахтах, горелыми отвалами и другими объектами.

По характеру термического поведения все минеральные вещества разделены на две большие группы: условно термоинертные и термоактивные (Перепелицын, 1987). Явно преобладает вторая группа. К первой группе относится сравнительно небольшое число природных и искусственных минералов (неорганических соединений), представленных преимущественно термодинамически устойчивыми огнеупорными веществами (псриклаз, шпинель, корунд и др.).

Все неорганические соединения первой и второй группы при тепловом воздействии подвергаются главным фазовым превращениям первого ряда в следующей последовательности: спекание, собирательная рекристаллизация, плавление, испарение.

Природное и синтетическое минеральное вещество при нагревании проявляет общие стадийные изменения свойств, фазового состава и микроструктуры. Термоактивные соединения имеют три функциональные области превращений: низко-, среднеи высокотемпературную. Физикохимические преобразования термоинертных минералов протекают исключительно в последних двух областях (выше температуры Таммана).

Классическим примером управляемого высокотемпературного техногенеза является технология спеченных и плавленых керамических и огнеупорных материалов. Совокупность всех высокотемпературных твердофазных минеральных и структурных изменений вещества принято называть пирогенезом.

В низкотемпературной области (Г < 1000 °С) происходят в основном процессы термической диссоциации: разложение кристаллогидратов, испарение физической и кристаллизационной воды, дегидратация, декарбонатизация, десульфурация, распад гидросиликатов, окисление органических и бескислородных соединений (сульфидов, карбидов, нитридов, фосфидов и др.) и другие превращения.

В среднетемпературной области высокоактивные продукты диссоциации термоактивных веществ подвергаются глубоким фазовым и структурным превращениям, протекающим преимущественно в твёрдом состоянии и направленным на приближение системы к равновесию. К важнейшим физико-химическим процессам здесь относятся спекание и рекристаллизация (перекристаллизация) материала. Спекание — это сложный физико-химический процесс, включающий массоперенос вещества путем диффузии атомов, ионов, вакансий, вязкого течения твердого тела, а также различные явления с участием жидкой и газовой фаз, в результате чего происходит уплотнение и упрочнение материала. Развитие кристаллического сростка определяется интенсивностью процессов спекания и рекристаллизации материала.

В высокотемпературной области интенсифицируются и завершаются ранее описанные твердофазные фазовые и структурные превращения. Согласно условной химической классификации, нижней границей высокотемпературной области следует считать температуру 1500 °C. При этой и более высоких температурах энергия теплового движения частиц становится соизмеримой с энергией связи между атомами (ионами) в молекулах (кристаллах) большинства минералов. В этой области должны резко усиливаться диффузионные процессы, реакционная способность веществ, скорость различных превращений, в том числе термической диссоциации и сублимации. Прочностные свойства должны резко ухудшаться в связи с высокой подвижностью дислокаций, обеспечивающих переход вещества в термопластичное состояние. При субсолидусных температурах каждое соединение имеет тенденцию к термической диссоциации.

Таким образом, высокотемпературный техногенез — закономерная трехстадийная термическая эволюция преобладающего большинства минеральных видов. Термоинертные минералы (соединения) перерождаются в две стадии. Ближайшим аналогом высокотемпературного техногенеза является контактовый термальный метаморфизм горных пород вблизи магматических тел. Термическая «биография» минералов является основополагающей информацией при создании всех высокотемпературных технологий и профилактике высокотемпературных техногенных катастроф.