Полезные и вредные примеси руд и концентратов
В железных рудах всегда есть некоторое количество примесей, т.е. элементов, содержащихся в руде в силу различных геологических условий ее образование. Эти примеси могут быть и полезными и вредными.
Полезными примесями железных руд называют Mn, Cr, Ni, V, W, Mo и др. элементы. Полезность их определяется главным образом влиянием на качества получаемой стали. Наиболее распространенная примесь марганец. В химическом отношении аналог железа. В обычных условиях плавки марганец вводится в чугун с марганцевой рудой, подаваемой в аглошихту. Наличие марганца в железной руде позволяет избежать расхода на марганцевую руду и снизить себестоимость чугуна.
Хром и никель являются ценными легирующими элементами, переходящими в чугун, азатем и в сталь и улучшающие ее качество. Они позволяют снизить расход дорогостоящих феерохрома и ферроникеля. Содержание хрома и никеля в рудах обычно небольшое и составляет от десятых долей процента до нескольких процентов.
Ваннадий в значительных количествах содержится только в титаномагнетитах. При доменной плавке часть ваннадия переходит в шлак, из которого затем извлекается по специальной технологии.
Вольфрам и молибден являются полезными примесями железной руды однако в рудах встречаются крайне редко.
Вредными примесями железных руд являются S, P, As, Zn и Pb.
Сера вызывает снижение прочности стали при повышенных температурах (красноломность) и поэтому во всех случаях является вредной примесью. Хотя основное количество серы в доменную печь вносится с коксом, иногда ее много содержится и в руде. Наиболее часто сера встречается в магнетитах, где содержание ее не должно превышать 0,2%. Если же руда подвергается агломерации, то этот предел может быть повышен до 2%. Это объяняется тем, что при агломерации с газами удаляется до 95% всей серы. Поэтому использование серосодержащих руд без агломерации практически невозможно.
Поступающая в доменную печь сера распределяется между газом ччугуном и шлаком. Однако основное количество ее переходит в шлак. В рудах сера находится в виде сульфидов FeS2, сульфатов CaSO4. Сульфатная сера переходит в металл интенсивнее, чем сульфидная.
Фосфор вредно влияет на качества стали, снижая ее прочность при низких температурах (хладноломкость), и поэтому в большинстве случаев является вредной примесью. В доменной печи фосфор восстанавливается из соединений и полностью переходит в чугун, а затем частично и в сталь. Поэтому содержание его в рудах должно быть низким и составлять сотые доли процента.
В некоторых случаях повышенное содержание фосфора в чугуне не только допустимо, но и необходимо. Так кислородные конверторы могут перерабатывать чугуны с повышенным содержанием фосфора. Вторым исключением является выплавка литейных чугунов, фосфористые сорта которых могут содержать 0,3-0,7% и даже до 1,2% фосфора. Фосфористые чугуны обладают высокой текучестью и хорошо заполняют форму.
Цинк является вредной примесью, хотя и не переходит в чугун. Сублемируясь в нижней части печи он конденсируется в кладке верха печи и вызывает ее расширение.
Свинец также является вредной примесью. Скапливаясь в горне печи он разрушает кладку.
Помимо элементов, имеющих промышленное значение, в рудах нередко встречаются так называемые вредные примеси. Например, в железных рудах это сера и фосфор. Сера вызывает ломкость металла в горячем состоянии, фосфор — ломкость и хрупкость его в холодном состоянии. Повышенное содержание этих элементов в руде снижает ее качество. Раньше железные руды с высоким содержанием этих примесей не разрабатывались. В настоящее время железные руды с содержанием серы выше нормы подвергаются специальной предварительной обработке. Например, магнетитовые сернистые руды горы Магнитной предварительно обогащаются путем магнитной сепарации, в результате чего отделяются сульфиды, вместе с которыми выводится и сера; после этого концентрат из магнетита пригоден для нормальной плавки.
Фосфористые руды раньше также не использовались для плавки. В 1879 г. инженер Томас разработал метод плавки на основном поде, так называемый метод томасирования, позволивший из фосфорсодержащих чугунов выплавлять кондиционную сталь. Получаемый при этом так называемый томасов шлак — фосфористый продукт — идет на удобрение.
К числу нежелательных примесей в железных рудах относится цинк. Содержание цинка порядка 0,2% очень вредно потому, что цинк при плавке образует летучие соединения, которые разрушают кладку доменной печи. Нежелательной примесью такого же рода в железных рудах являются свинец и мышьяк.
Но в железных рудах присутствует и ряд ценных примесей. Полезной примесью является марганец, в тех или иных количествах содержащийся во всех железных рудах. Он улучшает свойства чугуна и стали — увеличивает их твердость и вязкость и парализует вредное влияние серы.
Ванадий — ценная примесь титаномагнетитовых руд и бурых железняков в осадочных месторождениях. Содержание его, измеряемое сотыми долями процента, уже является промышленным. Ванадийсодержащая сталь идет на изготовление ответственных частей авиационных и автомобильных моторов.
Никель содержится в составе силикатных минералов в месторождениях бурых железняков коры выветривания. Он легко восстанавливается и почти целиком переходит при плавке в чугун. Никель улучшает механические свойства металла и делает его более стойким по отношению к окислению. Содержание его в руде, измеряемое десятыми долями процента, является промышленным.
Полезными примесями в железных рудах являются кобальт, медь, титан и хром, однако содержание трех последних элементов не должно быть выше определенной нормы. Иногда в железных рудах (бурых железняках) встречается золото; если содержание последнего значительное, то руда добывается не на железо, а на золото.
Что касается руд цветных металлов, то в них при современной технологии производства почти не существует вредных примесей; все составляющие их компоненты могут быть использованы. Переработка руд с использованием всех составляющих их полезных элементов называется комплексной. Вопросу комплексного использования руд уделяется в настоящее время большое внимание, как в нашей стране, так и в зарубежных странах. Из руд колчеданных месторождений Урала, полиметаллических месторождений Алтая, медно-никелевых месторождений Монче-Тундры и Норильска, золоторудных месторождений Урала, Сибири могут быть извлечены при комплексной переработке попутно с основными компонентами редкие металлы, рассеянные элементы, а также железо и сера в большом количестве.
ТЕКСТУРЫ И СТРУКТУРЫ РУД
Изучение строения руд имеет большое научное и прикладное значение. Так, выясняя возрастные соотношения минеральных агрегатов или минеральных зерен, можно получить ценные данные для определения условий образования руд и, следовательно, генезиса месторождения. Изучение формы рудных зерен, их размеров и строения, а также расположения минеральных агрегатов позволяет выбрать наиболее рациональный метод механического обогащения руды.
Изучение текстур и структур руд производится различными методами: наблюдения в естественных или искусственных обнажениях и зарисовки строения руд; макроскопическое или с помощью лупы изучение штуфов руд и образцов керна из скважин; изучение и фотографирование приполированных штуфов руд; микроскопическое исследование полированных шлифов в отраженном свете, сопровождающееся иногда травлением и выполнением микрофото.
Текстура руды определяется формой, размерами и расположением агрегатов минералов. Морфологической единицей текстурного рисунка является агрегат минералов.
Структура рудыопределяется формой, размерами и расположением зерен минералов, точнее, кристаллических индивидов. Морфологической единицей структурного рисунка является кристаллическое зерно.
Между структурой и текстурой руды существует принципиальное различие. Некоторые исследователи считают, что текстуры — это крупные срастания минералов, которые изучаются невооруженным глазом, а структуры — тонкозернистые срастания, которые можно изучать под микроскопом. Это внешнее различие между текстурой и структурой не принципиальное, а в ряде случаев и неверное.
В понятие структуры и текстуры руды вкладывается определенный генетический смысл. Различные текстуры руд формируются при разных геологических процессах, при этом особое значение для формирования текстурного рисунка имеет способ отложения руд. Так, при кристаллизации магмы, инъекции магматических расплавов, при процессах метасоматического замещения вмещающих пород, выполнения рудоносными растворами открытых трещин или полостей, выпадения минеральных масс из водных растворов и осаждения их на дне водного бассейна образуются различные текстуры руд, характерные лишь для данного геологического процесса.
КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕКСТУР РУД И КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОТДЕЛЬНЫХ ТЕКСТУРНЫХ ТИПОВ
Предлагаемая классификация текстур руд (табл. 2) построена по морфолого-генетическому принципу (Вахромеев, 1956). В ней учитываются и форма минеральных агрегатов (горизонтальные графы) и геологические условия их образования (вертикальные графы).
Однородные (равномерные) текстуры
Массивные текстуры очень широко распространены в эндогенных месторождениях (магматических и постмагматических) и реже в осадочных и метаморфогенных. Они характеризуются однородным строением руды, состоящей из агрегатов тесно соприкасающихся зерен. Это наиболее богатые руды, содержащие повышенное количество рудных минералов. В массивных рудах всегда присутствуют (5—40%) нерудные минералы, не видные невооруженным глазом.
На метаморфогенных месторождениях известны руды массивной текстуры, образовавшиеся в результате переотложения и перекристаллизации ранее отложенных рудных масс.
Вкрапленные текстуры характеризуются равномерным распределением агрегатов рудных зерен среди основной нерудной массы.
Вкрапленные руды, слагающие отдельные тела или краевые части залежей, также широко распространены. Они характерны для руд различного генезиса — магматических, скарновых, гидротермальных и осадочных.
Порошковатые текстуры представляют собой рыхлый землистый агрегат, имеющий в отдельных частях более или менее однородное строение. Такие порошковатые руды обычны для месторождений выветривания, например месторождений бурых железняков коры выветривания и месторождений типа марганцевых шляп.
Сажистая текстура — разновидность порошковатой, представляет собой весьма тонкозернистый агрегат, пачкающий руки. Характерна для зоны окисления марганцевых и других руд.
Пористые текстуры образуются вследствие выщелачивания некоторых легкорастворимых минералов (например, карбонатов), на месте которых образуются поры.
НЕОДНОРОДНЫЕ (НЕРАВНОМЕРНЫЕ) ТЕКСТУРЫ
Библиографическое описание:
Азарова, С. В. Ценные и вредные элементы в рудах и отходах месторождений цветной металлургии / С. В. Азарова, Е. В. Перегудина, А. Н. Третьяков, А. А. Капустина. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2015. — № 10 (90). — С. 82-85. — URL: https://moluch.ru/archive/90/18986/ (дата обращения: 16.10.2020).
Примеси в рудах могут повышать или снижать качество сырья. Для более полного извлечения ценного компонента (или ценных компонентов) из руды и производства качественного конечного продукта необходимо знать элементный состав руды и влияние того или иного элемента на процесс извлечения ценного компонента (или ценных компонентов) и качество конечного продукта.
Цель данной работы — на основе анализа опубликованных данных охарактеризовать вредные и ценные элементы-примеси, содержащиеся в рудах и отходах месторождений цветных металлов.
В комплексных рудах часто содержатся примеси редких металлов, например: в бокситах — Ga, La и Sc. Наличие примесей редких элементов (V, Ge, Ga, TR и др.) повышает ценность руд, в таком случае говорят о наличии ценных элементов-примесей. Вредные примеси затрудняют металлургический передел руд (и их концентратов) или ухудшают качество получаемого продукта [10].
Промышленные кондиции зависят от форм нахождения полезных компонентов в руде, технологических способов ее добычи и переработки. При совершенствовании последних изменяется оценка руды конкретного месторождения. Чем выше ценность металла, тем меньше могут быть запасы его руды в месторождении и ниже его содержание в руде. Особенно это относится к редким, радиоактивным и благородным металлам. Например, скандий получают из руд при его содержании около 0,002 %, золото и платину — при содержании 0,0005 % [10].
Обычно под техногенным минеральным сырьем понимаются отвалы вскрышных и вмещающих пород отработанных месторождений, а также хвостохранилища горно-обогатительных фабрик, где концентрация компонентов основной добычи, а также попутных полезных соединений меньше, чем в разрабатываемых промышленных пластах. Тем не менее, эти компоненты могут быть извлечены с применением новейших технологий [1].
Остро стоит проблема вторичной переработки техногенных масс на крупнейших месторождениях ныне дефицитных руд, например, медно-молибденовых. Это обусловлено не только дефицитом меди и молибдена в мире, но также ухудшением качества сырья, вовлекаемого в переработку.
Порода, идущая в отвал, состоит из тех же минералов, и соответственно, из тех же элементов, что и рудоносная порода. Поэтому вредные и ценные элементы-примеси будут рассмотрены в руде месторождений. Однако следует принять во внимание, что порода отходов производства в процентном соотношении будет отличаться от рудоносной породы: в отходах содержание примесей возрастет по отношению к ценному компоненту.
Ценные примеси месторождений меди: Au, Ag, Cd, In, Tl, Ga, Со, Ni, Pt, Zn, S и Se. При флотации извлечение золота и серебра в медный концентрат составляет 60–65 %. При металлургической переработке практически все золото и серебро переходят в медь, а из нее в шламы, собирающиеся при электролитическом рафинировании меди.
Кадмий на 80–85 % извлекается в цинковый и частично свинцовый концентрат, а при металлургическом переделе — из медно-кадмиевых кеков электролитических установок. Индий и галлий аналогично кадмию сосредотачиваются в цинковом концентрате, а таллий находится также в медном и пиритном концентратах. Они извлекаются из тех же отходов производства, что и кадмий. Кобальт извлекается при электролизе никелевых концентратов, а также из пиритных огарков.
В процессе обогащения металлы платиновой группы (никель и платина) концентрируются в никелевом концентрате и при металлургическом переделе переходят в никель, а из него при электролитическом рафинировании — в анодный шлам. Цинк при металлургическом переделе медных концентратов возгоняется в виде оксида и осаждается из отходящих газов на электрофильтрах [3].
Сера улавливается в виде сернистого газа при всех видах пирометаллургической обработки колчеданных руд с последующим производством серной кислоты. Селен извлекается из пыли металлургических печей и шламов, остающихся при электрическом рафинировании меди.
На медеплавильных заводах России используются разные технологии плавки. В последнее время интенсивно внедряются автогенные процессы получения черновой меди (плавка в жидкой ванне, плавка во взвешенном состоянии и др.), что позволяет упростить технологию за счет совмещения процессов обжига, плавки на штейн и даже конвертирования в одном технологическом цикле. Это дает возможность повысить комплексность использования сырья, исключить или резко сократить расход топлива, предотвратить загрязнение окружающей среды. Из отходящих газов металлургического производства получают серную кислоту или элементарную серу, а из пыли — свинец, цинк, висмут, кадмий, германий и другие элементы [3].
Электролитическое рафинирование черновой меди обеспечивает получение меди высокой чистоты и извлечение многих ценных компонентов. Из электролитных шламов извлекаются селен, теллур и благородные металлы.
В зарубежных странах заметную роль в производстве меди стала играть новая технология извлечения меди, основанная на экстракции и электролизе (технология SX-EW), позволяющая извлекать медь из бедных и забалансовых руд, труднообогатимых окисленных руд, хвостов обогатительных фабрик и шлаков металлургического производства. За период 1990–2000 гг. производство меди по указанной технологии увеличилось в 3,3 раза, а в Чили — в 12,5 раз [3].
В качестве вредных примесей в медных рудах часто встречаются мышьяк и сурьма (10–3–10–2 %), иногда ртуть (10–4 %) [8].
Ценные примеси месторождений свинцово-цинковых руд: Au, Ag, Cd, Tl, In, Se, Те, Ga, Gе, Bi и Hg. Выплавляемый черновой свинец, содержащий также благородные металлы и другие примеси, подвергается рафинированию, которое проводится пирометаллургическим или электролитическим способом. При рафинировании извлекаются все ценные компоненты, и происходит очистка свинца от вредных примесей [5]. До 50 % золота, находящегося в рудах в самородном виде, выделяется в голове процесса гравитацией; остальное его количество накапливается в свинцовом, цинковом, медном и пиритном концентратах. Суммарное извлечение золота колеблется в широких пределах, достигая 70–80 %. Серебро сосредоточивается преимущественно в свинцовом и цинковом концентратах.
Кадмий на 80–85 % извлекается в основном в цинковый и частично в свинцовый концентраты, а при металлургическом переделе улавливается в пыли заводов [5]. Таллий в основном сосредоточивается в цинковых концентратах; извлекается из пыли сернокислотных заводов и цехов, а также из медно-кадмиевых осадков, получаемых при очистке цинкового электролита.
Индий, связанный главным образом со сфалеритом, извлекается в цинковый концентрат (извлечение индия находится на уровне 50–60 %). При пирометаллургической переработке концентратов индий накапливается в пыли и отходах, а при гидрометаллургическом производстве цинка — в кеках от выщелачивания огарка и в медно-кадмиевом кеке.
Селен и теллур, рассеянные обычно по всем сульфидам, извлекаются (20–40 %), как правило, в свинцовый и цинковый, а также в пиритный концентраты; в свинцовом и цинковом производстве селен и теллур получают из пыли обжиговых печей [5].
Основная масса галлия сосредоточивается в цинковом концентрате (извлечение в концентрат составляет 6–20 %), при пирометаллургической переработке галлий в основном переходит в ретортные остатки (раймовки); при гидрометаллургическом процессе галлий остается в кеках после выщелачивания огарков.
Германий, присутствующий в качестве примеси в силикатах, теряется с хвостами флотации, а связанный с рудными минералами может извлекаться в цинковом производстве из кадмиевой пыли, ретортных остатков и кеков после выщелачивания огарков. Висмут извлекается при рафинировании свинца. Ртуть накапливается в свинцовом (до 87–98 %) и цинковом (до 76–83 %) концентратах и может быть получена в свинцовом и цинковом производстве.
Сурьма — вредная примесь, но может быть полностью извлечена даже при содержаниях в рудах 0,001 % при рафинировании свинца по щелочному способу [5].
В России для получения никеля и кобальта в настоящее время используются руды только двух промышленных типов: сульфидные медно-никелевые и силикатные никелевые коры выветривания. Все попутные компоненты при обогащении переходят в различные концентраты и извлекаются при дальнейшей их металлургической переработке.
Кобальт извлекается из конверторных шлаков никелевого производства на кобальтовых заводах гидрометаллургическим способом. Из отходящих газов при выплавке файнштейна и анодной меди производятся серная кислота и техническая сера [4]. Благородные металлы, селен и теллур накапливаются в анодных шламах никелевого и медного производства.
Товарной продукцией, получаемой из руд сульфидных медно-никелевых месторождений, являются: никель и медь электролитные, кобальт металлический и кобальтовые продукты, металлы платиновой группы, золото, серебро, селен, теллур, техническая сера и серная кислота [4].
Вредными примесями сульфидных медно-никелевых руд являются цинк, свинец и мышьяк, фтор, кадмий, висмут.
К вредным примесям в силикатных никелевых рудах относят медь и хром, а при плавке на ферроникель — и фосфор. Окисленные и смешанные руды обогащаются значительно хуже, чем сульфидные, особенно содержащие медь в силикатной форме. Цинк в оксидной форме в товарные концентраты практически не извлекается [9].
Из вышесказанного следует, что: качество концентрата характеризуется содержанием ценного компонента, содержанием полезных и вредных примесей, влажностью и гранулометрической характеристикой.
На современном этапе развития особое внимание уделяется изучению техногенных месторождений. Таким образом, одна и та же рудная залежь отрабатывается дважды: сначала из первоисточника, а затем из отходов первоначальной добычи. Этому способствует развитие технологий обогащения.
Литература:
1. Трофимов В. Т., Зилинг Д. Г. Экологическая геология: учебник — М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2002. — 415с.
2. Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Железные руды. — М.: ФГУ «Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых», 2007. — 40 с.
3. Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Медные руды. — М.: ФГУ «Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых», 2007. — 39 с.
4. Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Никелевые и кобальтовые руды. — М.: ФГУ «Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых», 2007. — 37 с.
5. Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Свинцовые и цинковые руды. — М.: ФГУ «Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых», 2007. — 40 с.
6. Вещественный состав руд, парагенетические ассоциации элементов в минералах и рудах // Биофайл: научно-информационный журнал. [Электронный ресурс] URL: https://biofile.ru/geo/15143.html (дата обращения: 08.02.2015)
7. Железная руда // Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков: информационный портал о черной и цветной металлургии. [Электронный ресурс] URL: https://uas.su/allmet/1ore/ironore/003.php (дата обращения 08.02.2015)
8. Медные руды. // Горная энциклопедия. [Электронный ресурс] URL: https://www.mining-enc.ru/m/mednye-rudy (дата обращения 08.02.2015)
9. Никелевые руды // Горная энциклопедия. [Электронный ресурс] URL: https://www.mining-enc.ru/n/nikelevye-rudy/ (дата обращения 08.02.2015)
10. Руда // Электронный справочник. [Электронный ресурс] URL: https://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_3319.html (дата обращения 08.02.2015)
Основные термины (генерируются автоматически): руд, металлургический передел, примесь, серная кислота, ценный компонент, цинковый концентрат, концентрат, пиритный концентрат, металлургическая переработка, металлургическое производство.