tavené horniny

Výrobky na bázi tavených hornin představují v současnosti velmi používanou skupinu silikátových materiálů, která našla své uplatnění jak ve stavebnictví, tak v řadě ostatních průmyslových odvětví. Základem všech těchto výrobků jsou přírodní horniny, které se buď samostatně, nebo spolu s různými korekčními složkami taví. Vzniklá tavenina je dále zpracovávána buď odléváním nebo rozvlákňováním. Z tohoto pohledu lze výrobky z tavených hornin rozdělit na:

- odlévané výrobky (odlitky), které vznikají odléváním horninové taveniny do forem a jejím postupným chladnutím; na základě technologické podobnosti s metalurgií (hutnictvím) bývá tento obor označován jako petrurgie (z řečtiny petra = skála, kámen),

- rozvlákňované výrobky (minerální vlákna, resp. minerální vlna), které se vyrábějí odstředivým rozvlákňováním horninové taveniny v proudu vzduchu a následným vytvrzením silikátového vlákna.

Pro přípravu silikátové taveniny lze využít celé řady přírodních hornin. V současnosti jsou jednoznačně nejpoužívanějšími horninami bazaltoidy (olivinické bazalty, nefelinické bazanity), známo je však také užití fonolitů (znělců), granitů, opuk nebo amfibolitů. Z druhotných surovin byly pro výrobu minerálních vláken používány především metalurgické strusky.

Největší význam v technologii tavených hornin mají bazalty. Bazalty (čediče) jsou neovulkanické bazické výlevné (efuzivní) horniny tvořené dvěma základními horninotvornými minerály – bazickým plagioklasem o bazicitě An > 50 (labradorit, bytownit, vzácněji anortit) a monoklinickým pyroxenem (augit, titanový augit). Z dalších minerálů může být přítomen olivín, případně rombický pyroxen, amfibol nebo biotit. Olivín zpravidla tvoří vyrostlice (fenokrysty) v jemnozrnné základní hmotě horniny, které mohou činit technologické problémy při tavení horniny. Z rudních (opakních) minerálů bývá hojně zastoupen magnetit (až 10 – 15 %, ojediněle 20 %), titanomagnetit nebo ilmenit. V závislosti na rychlosti tuhnutí lávy mohou čediče obsahovat také vulkanické sklo. Z hlediska chemismu jsou bazalty tvořeny především SiO₂ (44 – 52 %), dále jsou významně zastoupeny Al₂O₃ (13 – 17 %), CaO, MgO a oxidy Fe (FeO a Fe₂O₃). Charakteristickým znakem čedičů bývá sloupcovitá odlučnost (obr. 1 a 2). Bazalty představují jednu z nejběžnějších výlevných hornin na současném zemském povrchu. Teplota tavení bazaltů je závislá na konkrétním mineralogickém složení, obecně se pohybuje přibližně v rozmezí 1250 – 1350^oC.

Obr. 1 a 2 Typická podoba sloupcovité odlučnosti bazaltoidních hornin. Vlevo celkový pohled na tzv. čedičové varhany, vpravo detail pěti- až šestiúhelníkových průřezů čedičových sloupců. Národní přírodní památka Panská skála u obce Prácheň nedaleko Kamenického Šenova. Foto M. Vavro, 2007.

Základy petrurgie byly položeny již před druhou světovou válkou, a to zejména ve Francii (průmyslová výroba od roku 1923), v Německu a v tehdejším Sovětském svazu (Gregerová 1996). K zemím, které výrazně rozvíjely tento obor během druhé poloviny 20. století, patřilo také bývalé Československo, kde byly experimenty s tavenými horninami prováděny od roku 1949 v bývalém Státním výzkumném ústavu sklářském (SVÚS) v Hradci Králové. Průmyslová výroba odlévaného čediče byla v Československu zahájena v roce 1951.

V současné době je monopolním výrobcem odlitků z taveného čediče v České republice firma Eutit, s.r.o. ve Staré Vodě u Mariánských Lázní. Tato firma je zároveň jediným výrobcem interiérové čedičové dlažby na světě a celkově produkuje přibližně jednu třetinu celosvětové produkce litého čediče. Roční produkce dosahuje v současnosti 16500 tun výrobků.

Pro výrobu odlévaných čedičových výrobků je používán čedič z lomu Slapany u Chebu (obr. 3). Tento čedič je celosvětově unikátní svým chemickým složením, při tavbě se totiž nemusejí přidávat žádné další přísady (Kužvart et al. 1983). Původně, v prvopočátcích výroby v 50. letech 20. století, byl používán čedič z lomu Libochovany u Litoměřic.

Obr. 3 Čedičový lom Slapany u Hrozňatova poblíže Chebu, těžený firmou Pavel Dragoun.

Tavba kusového čediče probíhá v šachtových pecích při teplotě 1250 – 1300^oC, k odlévání dochází při teplotě 1200^oC. Problémy při tavbě způsobují zejména větší vyrostlice, případně kumuláty olivínu, který má ze všech hlavních horninotvorných minerálů přítomných v čediči nejvyšší teplotu tání. Olivín je důležitý pro krystalizaci výrobku, ale při velikosti do asi 1mm. Větší, neprotavené olivíny naopak způsobují praskání výrobku při chlazení v tunelové peci.

Roztavená hornina je odlévána do pískových forem (obr. 4) nebo kovových kokil, pro výrobu trub se používá technika dynamického (odstředivého) lití. Doba odlévání činí zhruba 2 až 3 minuty a během něj nastává rychlé ochlazení povrchové vrstvy odlitku.

Obr. 4 Pískové formy pro odlévání čedičových výrobků ve firmě Eutit, s.r.o.

Bezprostředně po odlití se pak výrobky, již bez formy, vkládají do chladicí tunelové pece (obr. 5 a 6). Úkolem tunelové pece je pomalé, řízené ochlazení výrobku a rekrystalizace taveniny, a to zejména u rychle zchlazené povrchové vrstvičky odlitku. Zpětná krystalizace taveniny probíhá ve dvou stupních (Gregerová 1996). V prvním dochází ke krystalizaci magnetitu, který působí jako nukleátor pro další (druhou) krystalickou fázi, v níž krystalizuje pyroxen. Pyroxen je hlavní a nejdůležitější minerální fází v krystalické hmotě tavených bazaltů (tvoří 70 - 85 % objemu taveného čediče, zatímco ve vstupní surovině je zastoupen jen 40 - 50 %). Pomalým ochlazováním je zároveň zaručena absence pórů v zatuhlé struktuře (Svoboda et al. 2004). Doba chlazení dosahuje v současnosti asi 4 hodin, v minulosti se však pohybovala mezi 16 až 20 hodinami. Po zchlazení obsahují výrobky asi 85 - 90 % krystalické fáze a 10 - 15 % fáze skelné (Hlaváč 1988, Gregerová 1996).

Obr. 5 Chlazení výrobků v tunelové peci - počátek procesu ochlazování. Firma Eutit, s.r.o.

Obr. 6 Chlazení výrobků v tunelové peci - konec procesu ochlazování. Firma Eutit, s.r.o.

Tavený čedič se používá zejména díky svým vynikajícím fyzikálně-mechanickým vlastnostem. Z nich je třeba uvést především vysokou pevnost v tlaku, vysokou tvrdost, vysokou otěruvzdornost, která dosahuje až 4 × nižších hodnot než manganová ocel, vysokou chemickou odolnost vůči působení kyselin a zásad, mrazuvzdornost, dlouhodobou životnost i v nejnáročnějších podmínkách a celkovou ekologickou a hygienickou nezávadnost (Svoboda et al. 2004). Přehled hodnot základních vlastností taveného čediče uvádí tab. 1.

vlastnost	jednotka	průměrná hodnota
vlastnost	jednotka	tavený čedič	EUCOR
objemová hmotnost	kg·m^-3	2900 - 3000	> 3500
nasákavost	%	0	0,2 - 0,8
zdánlivá pórovitost	obj. %	0	< 5
tepelná vodivost (v rozsahu 20 - 1000 °C)	W·m^-1·K^-¹	1,9 - 2,2	5,7 - 2,5
koeficient délkové teplotní roztažnosti (0 - 400 °C)	K^-¹	< 9·10^-⁶	< 9·10^-⁶
tvrdost podle Mohse	-	> 8	> 9
odolnost proti opotřebení	úbytek mm³	< 110	< 30
pevnost v tlaku	MPa	300 - 450	> 300
pevnost v tahu za ohybu	MPa	> 45	> 50
rozpustnost v H₂SO₄	%	< 9	< 0,75
nerozpustnost v Na(OH)	%	> 98,5	> 98,5

Tab. 1 Základní vlastnosti taveného čediče a korundo-baddeleyitového materiálu (EUCORu). Uvedené vlastnosti jsou měřeny podle příslušných norem. Podle Katalogových listů Tavený čedič a Eucor (2003).

Z taveného čediče se v současnosti vyrábí velmi široký sortiment odlitků:

- dlaždice (pro podlahy interiérů – např. historických budov, restaurací, obchodů, autosalónů, mechanicky i chemicky velmi namáhaných podlah průmyslových objektů jako jsou mořírny, koželužny, papírny, sklady chemikálií, mlékárny, pivovary, provozy masné výroby; dlažbu lze použít také v exteriéru – např. na nástupištích stanic veřejné dopravy, jako signální pruhy pro nevidomé, u čerpadel pohonných hmot, na nájezdových rampách, na chodnících) – obr. 7 a 8,

- trouby (roury, vložky) – pro pneumatickou nebo hydraulickou dopravu silně abrazivních materiálů, např. plavené nebo foukané základky do dolů; v současnosti se vyrábějí odlitky o průměru až 660 mm – obr. 9,

- kanalizační prvky – cihly, klíny a žlaby pro kanalizační systémy – obr. 10,

- speciální odlitky - oblouky, odbočky, T-kusy, Y-kusy jako doplňky potrubních řádů, roštové válce, trysky, cyklony, obložení zásobníků rud, uhlí, odlučovačů popílku, vyložení řetězových dopravníků, míchaček betonu.

Obr. 7 Různé formáty čedičové dlažby s protiskluznou úpravou povrchu ze sortimentu firmy Eutit, s.r.o.

Obr. 8 Aplikace čedičové dlažby v interiéru. Vstupní hala firmy Eutit, s.r.o.

Obr. 10 Vyložení dílu kanalizační stoky čedičovou tvarovkou. Ze sortimentu firmy Eutit, s.r.o.

Kromě výrobků z litého čediče produkuje firma Eutit, spol. s r.o. také speciální odlitky z korundo-baddeleyitové taveniny, a to pod obchodním označením EUCOR. V tomto případě nejde o tavení přírodní horniny, ale recyklovaných vyzdívek sklářských pecí z Al-Zr keramiky (viz kapitola Keramika). Výsledný materiál je vysoce žáruvzdorný, vyznačuje se vysokou pevností v tlaku, vysokou odolností vůči chemickým činidlům a zejména pak extrémně vysokou otěruvzdorností. Odolnost proti otěru je několikanásobně vyšší než u taveného čediče a řádově vyšší než u speciálních legovaných ocelí nebo litin. EUCOR vykazuje odolnost vůči deformaci v žáru při zatížení 0,2 MPa 1700^oC a lze jej jako otěruvzdorný materiálu použít bez nebezpečí do 1000^oC, krátkodobě až do 1100^oC. Používá se tedy v prostředích s vysokou abrazí a tepelným zatížením, kde výrobky z taveného čediče již nevyhoví. Přehled hodnot základních fyzikálně-mechanických vlastností korundo-baddeleyitového materiálu uvádí tab. 1.

Eucor se vyrábí tavením elektrokorundu (Al₂O₃) a baddeleyitu (ZrO₂) při teplotě zhruba 2000^oC. Vzniklá tavenina se odlévá do kovových nebo pískových forem. Současná produkce dosahuje 300 tun výrobků za rok. Z taveniny Al₂O₃ - ZrO₂ je možno vyrobit prakticky stejný výrobkový sortiment jako v případě taveného čediče (obr. 11):

- dlaždice - podlahy, stěny a skluzy, které jsou extrémně mechanicky, chemicky otěrem nebo tepelně namáhány,

- trouby, oblouky - vhodné zejména pro pneumatickou dopravu zvláště abrazivních materiálů, dopravovaných značnými rychlostmi i za vysokých teplot,

- speciální tvarovky – přechody, trysky, cyklony, radiální desky, vyzdívky sklářských pecí nad úrovní taveniny, obložení hořákových stěn, koksárenských ramp.

Obr. 11 Příklady výrobků z taveniny Al₂O₃ – ZrO₂ze sortimentu firmy Eutit, s.r.o.

Termínem minerální vlákna se ve stavebnictví označují anorganická vlákna, vyráběná rozvlákněním přírodních hornin, silikátových průmyslových odpadů (strusky) nebo jejich směsí a používaná zejména pro tepelně- a zvukově izolační účely (Svoboda et al. 2004).

Pro účely rozvlákňování se dnes používají především bazické efuzivní horniny (bazaltoidy - Slivka, Vavro 1996), z minulosti je známo také využívání sedimentů (opuky) nebo metamorfitů (amfibolity). Z druhotných surovin - průmyslových odpadů - byla dříve hojně používána metalurgická struska, a to např. pro výrobu tepelně izolačního vlákna Vistemat, které produkoval od 60. do konce 80. let 20. století vysokopecní závod Vítkovice.

Z důvodu výrazné funkční podobnosti je možno do skupiny minerálních vláken zařadit také vlákna skleněná a azbestová (osinková). Azbestová vlákna se však v současném stavebnictví nesmějí používat, neboť byla jednoznačně prokázána zdravotní závadnost (karcinogenita) azbestu. Nejzávažnějším škodlivým efektem, vyvolaným vdechováním azbestových vláken, je vznik pleurálního nebo peritonealního mesotheliomu (zhoubného nádoru výstelky plic, hrudníku a břišní dutiny), pozorovaného často po 15 až 30 letech po expozice azbestem (Svoboda et al. 2004). Vdechování azbestu může rovněž způsobit tzv. azbestózu (fibrózu plic a následné problémy dýchání, případně i smrt) a rakovinu plic.

Nejobvykleji používanými minerálními vlákny jsou v současnosti vlákna z čedičovo-struskové směsi, často nepřesně označovaná jako vlákna čedičová. Příklady těchto vláken jsou např. vlákna Rockwool nebo Orsil (obr. 12).

Obr. 12 Detail zvukově a tepelně izolační desky z čedičových vláken. Starší výrobek z produkce Slovenských závodů technického skla, š.p. Velikost výřezu asi 7×5,5 cm.

Zásadním kritériem pro využití anorganických materiálů k výrobě minerální vlny je modul kyselosti M_k:

Jeho hodnota by se pro přírodní horniny měla pohybovat od 1,1 do 3,0 (Krutský et al. 1980). Ideální podmínky pro rozvlákňování jsou pak reprezentovány hodnotou M_k = 1,65 (Fediuk, Fediuková 1985). Podle ČSN 72 7308 by měl poměr strusky a čediče volit tak, aby koeficient kyselosti měl hodnotu 1,4 pro vlákna určená pro běžné použití a hodnotu 1,6 pro vlákna, která jsou určena do vlhkostně a tepelně náročnějších podmínek.

Jistým zpřesněním hodnoty M_k je tzv. koeficient S₁, který v sobě zahrnuje vzájemný vztah a vliv Fe-oxidů a alkalických oxidů k oxidům hlavním (Krutský et al. 1980):

Koeficient S₁ do jisté míry zhodnocuje vliv jednotlivých oxidů na viskozitu a jeho hodnota by se v případě použití horniny jako suroviny do kupolové pece měla pohybovat v rozmezí 1,0 - 1,5 (Krutský et al. 1980).

Čedičovo-strusková vlákna se vyrábějí z výrobní směsi, tvořené přibližně 75 – 80 % čediče a 20 – 25 % strusky. Surovinová směs se taví v tzv. kupolové peci při teplotách 1350 – 1450^oC. Tavenina následně vytéká na rotující válce - rozvlákňovací kotouče. Vlivem odstředivé síly se kapičky taveniny v proudu ofukovacího vzduchu změní v jemné vlákno. Chladnější kapičky se již nemohou protáhnout a odletují od kotoučů jako drobná zrnka (tzv. granálie). Granálie z větší části padají do spodní části rozvlákňovacího stroje, odkud jsou, spolu s dalšími nerozvlákněnými podíly, vraceny zpět do pece. Rozvlákněná hmota spolu s určitým podílem granálií je vzduchem unášena do usazovací komory. V usazovací komoře jsou vlákna ještě za vznosu zkrápěna vodním roztokem pojiva (fenolformaldehydového rezolu), vodoodpudivými přísadami (hydrofobizačním, silikonovým olejem), protiplísňovými a dalšími přísadami. Smočená vlákna se následně v usazovací komoře rovnoměrně usadí ve formě pásu (vrstvy), který pokračuje do vytvrzovací komory, kde se spolu s pojivem a všemi přísadami teplem vytvrzuje. Ve vytvrzovací komoře dochází k odparu vody a polykondenzaci fenolformaldehydového pojiva. Teplota ve vytvrzovací komoře se pohybuje v rozmezí 180 - 220^oC. Z vytvrzovací pece vychází pás kamenné vlny přes přítlačné zařízení, které spolu s rychlostí posuvu pásu a intenzitou přísunu vláken zajišťuje požadovanou objemovou hmotnost a tloušťku konkrétního výrobku. Přes chladící komoru se nekonečný pás kamenné vlny dostává k diamantové pile, která ořezem na danou šířku výrobek formátuje. Ořezané okraje se recyklují, tj. vrací do tavící pece. Nařezané výrobky postupují buď jako polotovary na další linku pro speciální výrobky (potrubní pouzdra, kašírované desky, lamelové rohože apod.), nebo přes baličku na pásový dopravník směřující přímo na expedici.

Schematicky je technologie výroby čedičovo-struskového vlákna znázorněna na obr. 13.

Obr. 13 Obecné technologické schéma výroby minerální vlny z čedičovo-struskové směsi. Se svolením společnosti Rockwool, a.s.

Z čedičovo-struskového vlákna se vyrábějí především tepelněizolační desky pro izolaci šikmých a plochých střech, příček, stropů, stropních podhledů, provětrávaných a kontaktních fasád, sendvičového obvodového zdiva, podlah. Výrobky mohou sloužit také jako technické izolace pro tepelnou a zvukovou izolaci kotlů, pecí, rozvodů tepelných médií, vzduchotechnických zařízení, komínových těles, výfuků apod.

Fediuk, F., Fediuková, E.: Postmesozoické alkalické vulkanity severní Moravy. Acta Universitatis Carolinae, Geologica, 1985, No. 4, s. 355 - 382.

Gregerová, M.: Petrografie technických hmot. Brno: skripta PřF Masarykovy univerzity v Brně, 1996. 139 s.

Krutský, N., Polášková, I., Grenar, A.: Výzkum hornin pro výrobu minerálních vláken. Geologický průzkum, 1980, roč. 22, č. 2, s. 33 - 36.

Kužvart, M. et al.: Ložiska nerudních surovin ČSR. Praha: Univerzita Karlova, 1983. 521 s.

Slivka, V., Vavro, M.: The significance of textural and structural properties of North-Moravian basaltoids for the manufacture of mineral fibres. Ceramics-Silikáty, 1996, Vol. 40, Issue 4, s. 149 - 159.