Продолжаем серию статей об известных шлаках и интересных техногенных минералах. Сегодня рассмотрим красную шпинель, образующуюся в шлаке современного металлургического производства.
Не спешите закрывать статью, увидев слово "шлак", которое часто означает нечто нестоящее - "на выброс". Нет, этот техногенный минерал имеет стоимость от 4500 руб. за образец, а средняя цена достигает 10 000 руб. Но не это самое главное...
Однажды мне предложили купить "уникальную коллекцию минералов", доставшуюся от дедушки-геолога. И вот, одним из образцов была яркая, сочная красная шпинель – как раз так и был подписан образец: "красная шпинель".
Если вбить в интернете запрос "красная шпинель", то ни одной фотографии шлака не выпадет, а наоборот, будут показаны фотографии драгоценных кристаллов. Цены на натуральную красную шпинель варьируются от нескольких тысяч долларов за карат. И если не знать особенностей техногенной шпинели, можно серьезно переплатить. К счастью, её можно распознать даже невооружённым глазом.
Внешний вид техногенной шпинели связан с особенностями её роста. Она формируется будто бы хаотично, причудливой скелетной формы. Это объясняется особенностями роста шпинели в условиях феррохромового производства — металлургического процесса получения феррохрома (FeCr), применяемого в производстве нержавеющей стали и легированных сплавов.
Также техногенную красную шпинель называют пустотелой — обратите внимание на её грани: они выглядят так, будто не до конца заполнены. Кажется, что шпинель торопилась и росла очень быстро. И действительно, так и происходит.
Шпинель начинает медленно кристаллизоваться при температуре 1500-1700°C. В этих условиях шлак представляет собой расплав, где молекулы и ионы хаотично движутся. Шпинель начинает зарождаться – происходит нуклеация (образование центров кристаллизации). Образуются зародыши кристаллов шпинели — первые стабильные структуры, где атомы Mg²⁺, Al³⁺ и O²⁻ начинают упорядоченно встраиваться в кристаллическую решётку.
Затем ферросплавное производство предполагает резкое снижение температуры: объём шлака уменьшается, расплав становится всё более вязким, начинается осаждение атомов. В условиях медленного охлаждения атомы бы равномерно "укладывались" в решётку, формируя правильную октаэдрическую форму кристалла.
Но когда охлаждение идёт быстро, рост кристалла в первую очередь происходит на рёбрах и вершинах. В этих зонах больше несвязанных атомов, что делает их энергетически выгодными для присоединения новых частиц. Центральные части граней менее активны, поэтому рост там замедляется.
В результате вещество осаждается преимущественно на выступающих частях кристалла, а центры граней остаются незаполненными. Это приводит к формированию скелетной структуры: кристалл растёт каркасом, а внутри остаётся пустое пространство.
Химический состав техногенной шпинели может отличаться от природной MgAl₂O₄ из-за изоморфных замещений и присутствия различных примесей, характерных для конкретного металлургического процесса.
В металлургических шлаках шпинель кристаллизуется в экстремальных условиях: высокая температура и быстрое охлаждение способствуют включению посторонних элементов в её кристаллическую решётку. Это приводит к изоморфным замещениям и изменению химического состава техногенной шпинели.
В природных условиях состав шпинели более стабилен, так как её формирование происходит в ограниченных термодинамических параметрах.
Если вернуться к нашим прошлым темам про шлак доменных печей, то появляется вопрос: почему в старых шлаках доменных печей не росли кристаллы шпинели?
Кристаллы шпинели не образовывались прежде всего потому, что температура в старых доменных печах была ниже температуры её кристаллизации — всего 1300–1400°C, тогда как шпинель начинает кристаллизоваться при 1500–1700°C.
В голове сразу возникает второй вопрос: а почему тогда в современных условиях металлургического производства кристаллы кварца не могут вырасти так же, как шпинель?
При 1700°C кварц (SiO₂) находится в расплавленном состоянии и начинает кристаллизовываться при более низких температурах, чем шпинель. Однако эти температуры приходятся на стадию резкого остывания шлака, и кварц просто не успевает вырасти. Температура продолжает быстро снижаться, а расплав становится всё более вязким, что мешает образованию кристаллической структуры. В результате кварц остаётся в аморфном (стекловидном) состоянии.
Кроме того, в условиях шлака SiO₂ активно реагирует с другими элементами (Ca, Fe, Mg), образуя силикаты (CaSiO₃, FeSiO₃) вместо кристаллического кварца.
Именно поэтому на этой фотографии шлака мы видим кристаллы красной шпинели, выросшие в силикатной матрице.
В природе шпинель формируется в более стабильных и равномерных условиях, поэтому скелетная структура встречается намного реже, чем в техногенных процессах.
Если вы видите в продаже образцы красной шпинели с причудливыми, пустотелыми формами, скорее всего, это техногенная шпинель, выросшая в шлаке металлургического производства.
Спасибо за внимание! Собираю единомышленников в телеграме.
