металлургия. Учебное пособие по курсу Минералогия руд Томск2015 Зырянова Л. А. Учебное пособие по курсу Минералогия руд
 Скачать 1.52 Mb.
|
|
Луиза Алексеевна Зырянова Учебное пособие по курсу Минералогия руд» Томск-2015 Зырянова Л.А. Учебное пособие по курсу Минералогия руд» Введение в минералогию руд Природные образования, извлекаемые из недр Земли и служащие для удовлетворения потребностей человека, называют полезными ископаемыми. Полезные ископаемые делятся на твердые, жидкие, газообразные. В свою очередь твердые полезные ископаемые делятся на рудные или металлические (руды, нерудные или неметаллические (минеральное сырье) и горючие. Таблица. Общая схема классификации полезных ископаемых Полезные ископаемые Твердые Ж идкие Газообразные Рудные (руды) Нерудные (сырье) Горючие Пресные и минерализованные воды Природный газ Черных металлов Химическое Каустобиолиты Цветных металлов Агрохимическое Благородных металлов Металлургическое Редких металлы Техническое Радиоактивных металлов Стройматериалы Нефть Согласно приведенной схемы термин рудные полезные ископаемые равнозначен термину руды, а термин нерудные полезные ископаемые - термину минеральное сырье. Именно в таком значении эти термины будут использоваться далее. Однако существует и другое мнение, согласно которому содержание термина руды расширено и распространяется на все твердые полезные ископаемые, которые добываются с целью извлечения из них не только металлов, но и других элементов, их соединений и минералов. В этом случае пользуются понятиями руды металлических и руды неметаллических полезных иско паемых. Рудные полезные ископаемые или руда - это природный минеральный агрегат, из которого технологически возможно и экономически выгодно извлекать металлы Понятие руда в определенной степени понятие экономическое и историческое. А это значит, что в данный момент времени ив данном месте рудой будет считаться то, для чего существуют технологические схемы извлечения ценного компонента и это извлечение является экономически целесообразным. Основным извлекаемым компонентом в руде может быть один металл, часто два и реже более. В этом случае руды становятся многокомпонентными. Кроме основных компонентов в руде почти всегда присутствуют попутные ценные компоненты и вредные примеси. Попутные ценные компоненты- это те минералы, металлы и другие элементы, которые не имеют в руде определяющего значения, но при переработке её на основной компонент могут быть попутно извлечены на экономически выгодной основе. Многокомпо- нентность руды и наличие в ней попутных ценных компонентов определяет комплексность руды. Попутные вредные примеси - это те минералы, металлы, другие элементы, присутствие которых отрицательно влияет на процесс обогащения или извлечения ценных компонентов из руды или на качество конечной продукции. К ондиции Качество руды как природного минерального агрегата регламентируется кондициями, под которыми понимается ряд требований, предъявляемых к руде перерабатывающей или потребляющей отраслью промышленности. Основными кондиционными требованиями являются- минимальное промышленное содержание основного компонента- максимально допустимые содержания попутных вредных примесей Зырянова Л.А. Учебное пособие по курсу Минералогия руд» Кондиции на тот или иной вид полезного ископаемого также являются категорией как экономической таки исторической, поскольку меняются в зависимости от состояния минерально-сырьевой базы, научно-технического прогресса и потребностей в этом виде полезного ископаемого. С учетом кондиций при подсчете запасов производится оконтуривание рудных тел. Часто контуры рудных тел как промышленных объектов совпадают с естественными природными контурами рудных тел как геологических объектов. Тем не менее, достаточно часто промышленное оконтуривание рудных тел производится по минимальному промышленному содержанию ценного компонента. При этом часть рудного тела как геологического объекта может остаться за пределами этого контура. В связи с этим на месторождениях выделяют так называемые балансовые руды , для которых содержание ценного компонента выше минимального промышленного, и забалансовые - для которых оно ниже. При подсчете запасов разведуемого объекта отдельно учитываются запасы балансовых и забалансовых руд. Если запасы руды какого-либо объекта превышают минимальные запасы, при которых его отработка становится рентабельной, объекту присваивается статус месторождения, в противном - проявления. Минералы руд При определении качества руды, как природного минерального агрегата, все минералы, входящие в состав руды, делят на рудные (промышленные) и нерудные. К рудным (промышленным) минералам относятся те, которые являются источником для извлечения металлов. При отнесении минерала к промышленному основными критериями являются- кларк концентрации металла- наличие технологии его извлечения- экономичность этой технологии- влияние на окружающую среду процесса извлечения металла. Рудные минералы обычно имеют высокий кларк концентрации металла, определяемый как отношение содержания металла в минерале к его кларку в земной коре. Однако одного этого критерия оказывается недостаточно. Необходимо также наличие таких технологических схем извлечения металла из минерала, которые обеспечат рентабельность этого процесса. Для ряда минералов даже при высоком кларке концентрации металла извлечение является дорогостоящим процессом. Такие минералы попадают в категорию потенциально промышленных В настоящее время уделяется должное внимание оценке отрицательного влияния на окружающую среду побочных продуктов переработки руды. И только тогда минерал используют в качестве рудного при отрицательном экологическом эффекте при извлечении из него металла, когда нет другой альтернативы. Однако и при этом надо стремиться к минимизации отрицательного влияния на окружающую среду. Именно по этой причине при высоком кларке концентрации железа сульфиды железа специально не используются в качестве рудных минералов - при переработке сульфидов в атмосферу выделяется большое количество сернистого газа. Большинство же других сульфидов при таких же последствиях относят к рудным по причине отсутствия серьезной альтернативы среди минералов других классов соединений. Сложность извлечения металла из минерала зависит от прочности связи металла в кристаллической решётке, а это в свою очередь предопределено классом соединения и кристаллохимическим типом его структуры. К промышленным минералам относятся, безусловно, самородные металлы, оксиды, гидроксиды, сульфиды, кроме сульфидов железа, кислородные соли ив значительно меньшей степени силикаты и алюмосиликаты. Обычно к промышленным относятся те силикаты и алюмосиликаты, которые имеют достаточный кларк концентрации металла и слоистую структуру, обеспечивающую непрочную связь металла в такой структуре. Силикаты с другими кристаллохимическими типами структур Зырянова Л.А. Учебное пособие по курсу Минералогия руд» достаточно прочными, попадают в категорию промышленных (рудных) лишь тогда, когда для соответствующего металла отсутствуют промышленные минералы в других классах соединений. Проще говоря, тогда, когда нет другого источника для получения металла. Извлечение металлов их сульфидов сопровождается резким ухудшением экологической обстановки в районе перерабатывающего предприятия, поэтому сульфиды железа не используются в качестве промышленных минералов, поскольку есть другие источники для получения железа. В то время как для других металлов сульфиды остаются основными рудными минералами. Промышленные или рудные минералы делятся на- главные - промышленно значимые, основные носители ценного компонента, из которых выгодно извлекать ценный компонент. Они не всегда характеризуются максимально высоким среди рудных минералов содержанием ценного компонента, нов них сосредоточены основные запасы металла рудных месторождений. В металлургии в качестве главных на текущий момент насчитывается порядка 200 минералов- второстепенные - присутствуют в подчиненном количестве (1-5 % от общего количества главных промышленных минералов) и, являясь второстепенными носителями ценного компонента, оказывают влияние на качество руды- редкие - являются носителями ценного компонента, но присутствуют в небольшом количестве и не оказывают особого влияние на качество руды- минералы-носители ценных примесей - минералы, заключающие в себе основную массу ценной примеси- минералы-концентраторы ценных примесей - минералы с высокой концентрацией ценных примесей- минералы-носители вредных примесей. Список промышленных минералов не остается постоянным во времени. Так некоторые минералы, относимые к промышленными имеющие высокий кларк концентрации металла, стечением времени при истощении их запасов могут перейти в категорию не промышленных. В свою очередь, благодаря научно-техническому прогрессу, бурному развитию атомной и ядерной энергетики, точного приборостроения, лазерной и оптоволоконной техники, возросли потребности в тех металлах, которые ранее не использовались или использовались ограниченно, например, бериллий, галлий, германий, индий, цирконий, гафний, ниобий, тантал, некоторые редкоземельные элементы и др. Поэтому в последние годы в список промышленных включены минералы этих элементов, не представлявшие в прошлые времена никакой промышленной ценности. Нерудные минералы - минералы, являющиеся постоянными компонентами руд, ноне содержащие извлекаемых металлов и не представляющие на текущий момент промышленной ценности. Они делятся на- собственно нерудные - не содержащие ценных компонентов и не имеющие промышленного значения, но являющиеся постоянными генетически обусловленными компонентами руд- потенциально промышленные - минералы, которые входят в состав руд и содержат ценный компонент, но по тем или иным причинам на текущий момент не являются промышленно ценными. К таким причинам, прежде всего, можно отнести нерентабельность их извлечения, связанную с дорогостоящей технологией извлечения металла из этого минерала. Ситуация может измениться по отношению к этому минералу, если истощатся запасы традиционных рудных минералов либо содержание и запасы этого минерала будут таковыми, что его переработка станет рентабельной. Интересно то, что для некоторых минералов отнесение их к рудным приобретает региональный характер, имея при этом как экономическую, таки чисто геологическую причину. Например, сфен, являясь потенциально промышленным минералов, в щелочных породах Кольского полуострова становится рудным, благодаря его высокому содержанию и большим запасам. Нефелин является рудой на алюминий только в России по причине Зырянова Л.А. Учебное пособие по курсу Минералогия руд» отсутствия обеспеченности страны традиционными алюминиевыми рудами - бокситами, и наличию крупных массивов щелочных пород с высоким содержанием нефелина. По качеству, учитывающему прежде всего содержание ценного компонента и соотношение рудных и нерудных минералов, руды делятся на- богатые (высокосортные- рядовые (среднесортные- бедные (низкосортные). Для руд, являющихся естественным природным минеральным агрегатом, важны структурно-текстурные характеристики. Не останавливаясь детально на всех вариантах структур и текстур руд, отметим наиболее типичные. По структуре чаще выделяются тонко, мелко, средне, крупнозернистые руды. По текстурным же признакам - сплошные, вкрапленные, прожилковые и прожилково-вкрапленные руды. Обогащение руд Обогащение полезных ископаемых - это совокупность технологических операций, приводящих к повышению содержания ценного компонента и преданию руде качеств, удовлетворяющих требованиям химической, металлургической или любой другой перерабатывающей отрасли. При обогащении качественное изменение минерального состава руды, связанное с изменением химического состава минералов, не происходит, поэтому обогащение относится к механическим способам обработки руды. При обогащении 1) повышается содержание ценного компонента, 2) удаляются вредные примеси, 3) достигается однородность руды по крупности и минеральному соста ву. Продуктами обогащения являются- концентраты- отвальные хвосты- промежуточные продукты, называемые промпродуктами, представляющие собой нечто среднее между концентратами и хвостами и требующие дополнительной доработки другими методами с выделением соответствующих концентратов. Концентраты - продукты обогащения с более высоким содержанием ценного компонента, пригодные для дальнейшей переработки и извлечения металла. Концентраты называют по основному минералу или извлекаемому металлу. Концентрат называют селективным в случае извлечения из него одного металла и коллективным - при извлечении из него двух и редко более металлов. Комплексность руд По сложности минерального и элементного состава различают монометальные и комплексные руды. Комплексность руд определяется наличием в них нескольких равнозначных извлекаемых металлов или попутных ценных компонентов, какими могут быть минералы, металлы или другие химические элементы. Попутные ценные компоненты в рудах не имеют определяющего значения, но при переработке руды на основной компонент могут быть рентабельно извлечены из него. Комплексность руд имеет геохимическую обусловленность. Это проявляется уже в том, что существует естественная геохимическая связь основных рудных элементов, например свинца и цинка в эндогенных свинцо во-цинковых рудах. Кроме того, комплекс элементов-примесей в основных рудных минералах в зависимости от генетического типа месторождения также геохимически предопределен. Это обусловлено так называемым типохимизмом основных рудных минералов. Ярким примером проявления типохимизма является магнетит, для которого комплекс попутных ценных компонентов определяется генетическим типом месторождения. Попутные ценные компоненты руд Попутные ценные компоненты в зависимости от форм нахождения в руде делятся на 3 группы Зырянова Л.А. Учебное пособие по курсу Минералогия руд группа - попутные полезные ископаемые, те ценные компоненты, которые образуют самостоятельные рудные тела и могут попутно извлекаться в процессе добычи или подготовительных работ для добычи основного ценного компонента. Часто к ним относятся вскрышные породы, используемые как строительный материал группа - компоненты, образующие собственные минералы, которые в процессе обогащения могут быть выделены в самостоятельный концентрат или промпродукт с последующим извлечением их на экономически выгодной основе. ТТТ группа - разного рода примеси в основных компонентах. К ним относятся изоморфные (структурные) примеси и микровключения минералов (механические примеси). Природные и промышленные типы руд Под природным типом понимают руды, сходные по минеральному и химическому составу, структурно-текстурным особенностям, слагающие достаточно обособленные участки. Природные типы разделяются на природные разновидности, связанные между собой плавными переходами различающиеся какими-либо хорошо выраженными особенностями, например, текстурными. Под промышленным (технологическим) типом руд понимаются руды, обладающие близкими технологическими свойствами, что делает возможным их переработку по одной технологической схеме. Они слагают достаточно крупные участки рудных тел и предполагают их селективную (выборочную) отработку. Промышленные типы делятся на промышленные сорта, для которых при использовании той же схемы обогащения получают конечные продукты с разными показателями обогащения. Часто промышленные типы соответствуют природным типам, а промышленные сорта природным разновидностям руд. Из всего сказанного следует, что минералогия руд - это минералогия руды, как природного минерального агрегата, включающего как рудные, таки нерудные минералы, учитывающая особенности их структур и текстур, химического состава, что в совокупности зависит от условий образования и определяется генетическим типом месторождения Зырянова Л.А. Учебное пособие по курсу Минералогия руд Руды черных металлов Железо (К геохимии железа Железо в минералах имеет переменную степень окисленности - +2 и +3, соответственно заряды ионов - Fe2+ и Fe3+. Минералы, содержащие железо вниз шей степени окисленности (Fe2 ) образуются при недостатке кислорода. Такие условия наиболее характерны для эндогенных процессов. Минералы Fe3+ образуются при избытке кислорода и характеризуют окислительную обстановку, которая может возникать как в эндогенных, таки в экзогенных процессах. Ионные радиусы Fe2+ близки с ионными радиуса- 2 + З- З- 3+ з+ ми Mg , а Fe - c Al , Cr , V . Поэтому в промышленных минералах железа наблюдаются соответствующие изоморфные примеси. Требования к руде Минимальные промышленные содержания металла в рудах 14-25 %. Выделяются природные богатые руды (мартеновские и доменные) с содержанием железа около 60 % и бедные, требующие обогащения. Среди последних различают легко- и труд- нообогатимые. К легкообогатимым относятся руды преимущественно магнетитового состава. К труднообогатимым - руды, в которых железо представлено тонкодисперсными или коллоидными формами, чаще это руды гематитового состава. Вредными компонентами руд являются сера, фосфор и цветные металлы (Cu, Pb, Zn). При характеристике железных руд качественными показателями являются содержание и доля нерудных компонентов - шлакообразующих примесей, таких, как кремнезем, для оценки содержания которого рассчитывается кремниевый модуль который равен отношению оксида кремния к оксиду алюминия и не должен превышать 2 (SiO2/Al2O3<2). Важным качественным показателем железных руд является также коэффициент основности (КО, определяемый как отношение суммы оксидов кальция и магния к сумме оксидов алюминия и кремния (KO=CaO+MgO/SiO2+Al2O3). При значении К 0< 0,7 руды считаются кислыми и требуют введения флюса в виде известняка. Лучшими считаются руды сих называют самофлюсующимися. Руды с КО относят к основным. К минералогии железных руд Промышленными минералами железа являются оксиды магнетит - 72,4 % Fe, гематит - 70 % Fe), гидроксиды (гетит, гидрогетит - 48-63 % Fe), в меньшей мере карбонаты (сидерит, сидероплезит - 45-48 % Fe) и алюмосиликаты со слоистой структурой (лептохлориты - шамозит, тюрингит - 27-28 % Общие замечания по условиям образования промышленных минералов железа При характеристике промышленных минералов железа следует обращать внимание на степень окисленности Fe, которая определяется условиями их образования. В магнетите Fe Fe 2O4 железо одновременно имеет 2 степени окисленности в том числе низшую. Поэтому магнетит образуется в промышленных количествах только в эндогенных процессах при недостатке кислорода. Магнетит, как и все шпинелиды, к которым он относится, характерен в основном для наиболее высокотемпературных эндогенных процессов, таких как магматический, метаморфический, скарновый. Имея в составе Fe2+, магнетит в экзогенных условиях окисляется. Однако процесс окисления оксидов с Fe2+ (магнетита и ильменита) протекает намного медленнее, чем кислородных солей с Fe2+ (например, сидерита) потому, т-1 2 + ^ 2 - что в оксидах связь Fe -О значительно прочнее железо напрямую взаимодействует с кислородом, чем связь F e ^ -радикал [CO3]2- (железо взаимодействует с ионной группой. Поэтому магнетит и ильменит в поверхностных условиях оказываются достаточно устойчивыми в отличие от сидерита и даже могут накапливаться в россыпях. В Рис. М агнетитовая железная руда (магнитный железняк |