CC BY
93
УДК 533.3 (471.21)
НЕКОТОРЫЕ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ КОЛЬСКОГО РЕГИОНА
Ю.Л. Войтеховский1, Ю.Н. Нерадовский1, Н.Н. Гришин2, А.Ш. Гершенкоп3,
А.Г. Касиков2, Т.Н. Мухина3, Е.Ю. Ракитина2, А.Г. Иванова2
'Геологический институт КНЦ РАН
2Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева 3Г орный институт КНЦ РАН
Аннотация
Рассмотрено три типа перспективного минерального сырья Кольского региона: силикатные никелевые, титаномагнетитовые и кианитовые руды, исследование которых необходимо для полноценного использования в народном хозяйстве. Эти виды сырья имеют огромные ресурсы для производства никеля, железа и глинозема, но в настоящее время отсутствуют эффективные технологии их переработки. Приведена оценка состояния изученности и направления исследований.
Ключевые слова:
руды, никель, железо, алюминий, силикатный никель, титаномагнетит, кианит.
Введение
Мурманская область обладает уникальными природными ресурсами. Известно более 180 месторождений различных полезных ископаемых. Важнейшими, разрабатываемыми в настоящее время являются месторождения фосфора в Хибинах, меди и никеля в Печенге, железа в Оленегорске и Ковдоре. По данным Министерства природных ресурсов на 2003 г. обеспеченность балансовыми запасами руды в расчете на действующие мощности ОАО “Апатит” составляет более 50 лет, Ковдорского горно-обогатительного комбината - свыше 40 лет, Оленегорской группы месторождений - на 40-50 лет. Обеспеченность КГМК - Североникель и Комбинат Печенганикель балансовыми запасами составляет около 50 лет. Таким образом, через 30-40 лет в Мурманской области возникнут проблемы в горной промышленности по всем основным видам разрабатываемого минерального сырья. В связи с этим нельзя забывать об альтернативных источниках ресурсов, которые требуют разработки новых технологий.
Силикатный никель
Минералогические исследования показали, что породообразующие минералы вмещающих пород медно-никелевых, платинометалльных и хромитовых руд Кольского полуострова содержат примесь никеля в значительном количестве (табл. 1), подчас превышающем ее содержание в рудных минералах.
Таблица 1 Главным никельсодержащим
Содержание изоморфной примеси никеля силикатом в ультраосновных
в породообразующих минералах породах Мончи и Печенги является
основных медно-никелевых объектов Кольского региона [1] оливин. Оливин содержит
изоморфную примесь никеля
независимо от присутствия
сульфидов [1, 2], более того она возрастает в безсульфидных породах, оливинитах и хромититах. В оливине установлено также присутствие включений интерметаллической ^еСг№) фазы, показывающей, что никель может находиться не только в изоморфной форме, но и в форме интерметаллических включений. При серпентинизации оливина, как это имеет место в условиях Печенги, часть изоморфной примеси
Минералы Мончеплутон Печенга
Оливин (№0) (0.16-0.46) 0.33 (0.19-0.35) 0.24
Ромбический пироксен (№0) (0.04-0.14) 0.07 -
Моноклинный пироксен (№0) (0.01-0.1) 0.05 (0.02-0.23) 0.07
Серпентин (№0) Нет данных (0.01-0.26) 0.11
Хромит (№0) (0.03-0.14) 0.1 (0.15-0.30) 0.2
Магнетит (№0) (0.01-0.36) 0.15 (0.03-0.33) 0.18
никеля переходит в легкорастворимую силикатную фазу [3, 4], а часть выделяется в различных сульфидных минеральных формах: пентландите, хизлевудите и миллерите.
Содержание оливина в перидотитах и дунитах в неизмененных породах варьирует от 60 до 100%. Объемы рассматриваемых пород до глубины 1 км в Мончеплутоне составляют около 3 км3, а в Печенге - 9 км3. Исходя их этих параметров и содержания никеля в оливине можно оценить ресурсы силикатного никеля в Мончегорском плутоне в 30 млн т, а в Печенге - 34 млн т. По некоторым оценкам ресурсы сульфидного никеля в рассматриваемых объектах составляют соответственно около 1.7 и 6 млн т. [5]. Таким образом, ресурсы силикатного никеля многократно превышают ресурсы сульфидного никеля (рис. 1). Важно, что в силикатных минералах содержание никеля выше, чем в забалансовых сульфидных рудах Печенги [6] и в бедных рудах некоторых крупных месторождений Печенги [7]. Это обусловливает интерес к силикатному никелю, как сырью, альтернативному выбывающим ресурсам сульфидных руд.
Предварительные оценки
показывают, что наиболее перспективным
объектом на первом этапе может быть
Мончегорский плутон и, в частности,
дуниты и сами хромитовые руды
Дунитового блока. Объем оливиновых
пород в нем около 1.5 км3. Содержание
МО в оливине этого объекта варьирует от
0.40 до 0.60% в зависимости от
содержания Сг2О3 в породах. Разработка
технологии получения оливинового
концентрата и его использования как
нового вида никелевого сырья может пред< тв ь н 7 ч
^ ^ Рис. 1. Соотношение ресурсов силикатного и сульфидного
.Т. никеля в массивах Печенги и Мончи
Железо из титаномагнетита
В связи с ростом мирового потребления металлов обостряется вопрос сырьевого обеспечения металлургической промышленности мира. Важным источником могут стать комплексные
титаномагнетитовые руды в основных породах, которые кроме железа содержат обычно титан, ванадий, а иногда - фосфор, кобальт, никель и медь. За рубежом с этим промышленным типом руд связано 6.5% подтвержденных запасов железных руд, около 60% запасов ТЮ2 и более 90% запасов У2О5. В России по железу эти руды не учитываются, а запасы ТЮ2 и У2О5 соответственно составляют 18.54% и 80%. Страны, обладающие крупнейшими запасами таких руд, - Китай, Россия, Канада, Норвегия, ЮАР, США, Финляндия и Бразилия [8]. Использование этого типа руд в настоящее время незначительно и составляет от 5 до 20% в разных странах.
Для Мурманской области проблема титаномагнетитовых руд весьма актуальна. На территории Мурманской области известно 13 месторождений железо-титановых руд (рис. 2). Титаномагнетиты характеризуются высоким содержание железа, титана и ванадия (табл. 2). Запасы титана оцениваются от 3.7 до 6 млрд т [9], суммарные ресурсы железа в изученных месторождениях составляют около 30-40 млрд т. По технологическим показателям руды широко варьируют, в области обогащения имеются проблемы. Их можно рассмотреть на примере наиболее перспективного
месторождения Гремяха-Вырмес. Оно характеризуется следующими основными
параметрами: запасы и прогнозные ресурсы руды только в одном оконтуренном рудном теле составляют 60 млн т с содержанием 12.9 % ТЮ2 [10, 11]. Разработанная в настоящее время технология позволит получать ильменитовый концентрат с содержанием 49.5% ТЮ2, выход его около 13% (табл. 3). Расчет баланса титана по минеральным фазам показал, что с ильменитом связано 5054%, а 46% ТЮ2 находится в титаномагнетите и практически не извлекаемо на данный момент. Таким образом, остается общая проблема переработки ильменит-титаномагнетитовых руд месторождения Гремяха-Вырмес, иначе 50% их останутся в отвалах.
Ресурсы силикатного и сульфидного никеля
N¡511 N¡511
II' г N¡81 і і
Монча Печенга Монча Печенга
Рис. 2. Положение главных титаноносных массивов в геологической структуре Кольского региона: 1 - Пильгуярвинский; 2 - Гремяха-Вырмес; 3 - Хибины; 4 - Ловозеро; 5 - Цагинский, 6 - Колвицкий; 7 - Африканда, 8-9 - Ачинский, 10 - Сальные тундры, 11 - Главный хребет; 12 - Магазин-Мусюр;
13 - Восточно-Умбареченское
Химический состав титаномагнетитов Кольского региона [12, 13, 14]
Таблица 2
Компо- ненты Месторождения и рудопроявления
Гремяха-Вырмес (по [12]) Гремяха-Вырмес (по [13]) Расвум- чорр Юкспор Колвицкое Цагинское Ачин- ский Монче- тундра Пыршин
V2O5 0.6 0.58 0.4 0.48 0.6 0.5 1.12 2.46 0.70
TiO2 10.4 6.79 16.5 17.32 11.56 11.82 5.19 16.72 16.51
SiO2 1.9 0 5.12 1.73 0 1.09 0.87 0.37 0.38
Cr2O3 - - - - 0.38 0.24 0 0.05 0.02
A12O3 3.3 3.15 1.02 0.74 1.74 4.13 1.17 1.84 1.14
Fe2O3 44.1 55.43 38.61 37.19 79.10 46.61 57.85 41.69 46.06
FeO 34.3 32.94 33.2 39.09 33.50 33.38 36.04 34.39
MnO 0.55 0.11 1.65 1.77 0.22 0.25 0.12 0.13 0.09
MgO 1.55 0.85 0.75 0.43 2.82 1.87 0.52 0.56 0.38
CaO 1.3 - 1.24 0.34 0 0.17 0 0.24 -
P2O5 - - 0.15 0.11 - -
ZnO 0.13 0.07 - - 0.1
NiO - 0 0.015 - 0.02
Сумма 98.0 99.98 98.46 99.8 96.49 100.2 100.2 100.1 99.76
Таблица 3
Сравнительные технологические показатели обогащения железо-титановых руд Кольского региона [14]
Массив Состав концентратов Получаемый концентрат
Тиганомагаетишвого Ильмени- тового Тиганомагнетитовый Ильменитовый
Ревал TiO2 V2O5 TiO2 Выход Извлечение Выход Извлечение
Ревал TiO2 TiO2
Гремяха- Вырмесский 57.1 14.1 0.39 45.0 49.0 71.0 41.8 12.7 40.0
Цагинский 58.5 11.5 0.5 40.0 77.5 85 79 0.9 6.5
Ачинский 69.0 2.85 - 47.3 66.4 79.0 14.7 19.6 68.5
Магазин- Мусюр 67.1 4.32 0.85 46.5 73.1 87.4 32.4 14.4 65.5
Центральный 59.0 11.5 0.65 40.5 85.0 93.0 77.0 4.6 20.4
Магнетитовый Лог 64.7 2.95 0.68 42.7 67.5 86.9 20.5 9.0 39.5
Одним из направлений, разрабатываемых совместно Институтом Химии КНЦ РАН и Геологическим институтом КНЦ РАН, является создание технологии получения металлического железа путем прямого восстановления из титаномагнетита. Проведенные экспериментальные исследования титаномагнетита Хибинского массива и Ковдора дали положительные результаты [15]. В КНЦ РАН разработана технология карботермического восстановления титаномагнетитовых концентратов, минуя доменный процесс, с получением порошка металлического железа (97% Fe) и выплавкой из него железа высокочистых марок с содержанием Fe более 99% [16]. Разрабатываемый вариант Direct Reduction Iron процесса, будет превосходить по основным показателям известные аналогичные технологии (Midrex, Corex, FINEX, HYL, Hotlink, ITmk3, Fastmet и др.), например, будет иметь в 2-3 раза меньшую материалоемкость. Срок окупаемости затрат на организацию производства, рассчитанный на примере переработки 500 тыс. т. в год титаномагнетита ООО «Апатит», составит 2 года (расчеты авторов статьи).
Глинозем из кианита
В Мурманской области расположены крупнейшие в мире Кейвские месторождения высокоглиноземистого сырья - кианитовых руд, которые требуются для развития важнейших отраслей промышленности: черной и цветной металлургии, машиностроения, керамического, абразивного и стекольного производства. С различной степенью детальности разведано 27 месторождений кианита, ресурсы кианитовых руд Кейвских месторождений по прогнозу составляют около 11.7 млрд т. [17].
В 1971 г. Всесоюзным научно-исследовательским алюминиево-магниевым институтом (ВАМИ) совместно с рядом других организаций был подготовлен технико-экономический доклад «О промышленном использовании кианитов Кейвских месторождений». В нем сделан вывод о том, что на базе этих месторождений целесообразно организовать производство кианитового концентрата для получения из него высокоглиноземистых огнеупоров и алюминиевых сплавов. Мощность Кейвского горно-обогатительного комбината должна составлять ориентировочно 3.2 млн т по перерабатываемой руде с выпуском 1 млн т кианитового концентрата, из которого 650 тыс. т предусматривалось для производства высокоглиноземистых огнеупоров и 350 тыс. т - для алюминиевых сплавов. «Учитывая большое народнохозяйственное значение быстрейшего освоения кианитовых руд Кейвских месторождений, целесообразно уже в 1976-1980 гг. осуществить проектирование Кейвского горнообогатительного комбината, а также предприятий по производству алюминиевых сплавов и огнеупоров с тем, чтобы в 1981-1985 гг. завершить их строительство. Подвести железную дорогу к кианитовым месторождениям необходимо в 1976-1978 гг.» [18].
Возобновление промышленного интереса к Кейвам является важнейшей задачей научных исследований КНЦ РАН. При поддержке Президиума РАН, ГИ КНЦ РАН, ГоИ КНЦ РАН и ИХТРЭМС КНЦ РАН, начали работы по совершенствованию технологии обогащения и использования кианитовых руд Кейв [19-22]. В результате усилены акценты на комплексное использование кианитовых руд как сырья для производства глинозема [23], а также редких и редкоземельных элементов [24].
На новом этапе изучено карботермическое восстановление кианитового концентрата. Были выявлены основные зависимости обогащения Al2O3 и получен высокоглиноземистый продукт с содержанием Al2O3 - 94%, SiO2 - 1.05%. Опытами установлена возможность получения продукта с содержанием Al2O3 - 99.05%, и практически полном отсутствии SiO2. На основании собственных экспериментальных и литературных данных рассмотрена термодинамика процессов, протекающих в системе Al2O3-SiO2-C. Перспективная задача при создании научно-производственной базы для освоения этих технологий, состоит в разработке замкнутой технологической схемы комплексной переработки кианитовых руд, обеспечивающей высокую степень извлечения алюминия, кремния, РЗЭ и других полезных компонентов, при гарантированном сохранении экологической безопасности окружающей среды.
ЛИТЕРАТУРА
1. Яковлев Ю.Н. и др. Анализы минералов медно-никелевых месторождений Кольского полуострова. Апатиты: Изд. КФАН, 1983. 326 с. 2. Яковлев Ю.Н. и др. Минералогия сульфидных медно-никелевых месторождений Кольского полуострова. Л., Наука, 1981. 352 с. 3. Neradovsky J.N. et al To the problem of utilization of flotation tailings of œpper-nickel ores in serpentinite: abstracts 16-th IMA General Meeting, Pisa, Italy, 1994 / J.N. Neradovsky, A.G. Casikov, A.Y. Bakhchisaraitse. p. 10. 4. А.Г. Касиков и др. Выщелачивание металлов из печенгских руд и продуктов их обогащения разбавленной серной кислотой / А.Г. Касиков, А.И. Косяков, Ю.Н. Нерадовский, П.Б. Громов // Цветные металлы. 1997. № 7. С. 25-27. 5. Налдретт А.Дж. Магматические сульфидные месторождения медно-никелевых и платинометалльных руд. СПб.: СпбГУ, 2003. 487 с. 6. Эксплуатируемые и резервные месторождения. Режим доступа: http://www.murmansknedra.ru/expl-reserv-mest.html 7. Печенгский район: новости, события. Режим доступа: http://www.blog.i-balans.ru/kolamining 8. Вышегородский Д.
Титаномагниевые руды - перспективная сырьевая база металлургии. Режим доступа: http://www.urm.ru/ru/75-journal121-article1546 9. Недра северо-запада Российской Федерации / В.А. Коровкин, Л.В. Турылева, Д.Г. Руденко, В.А. Журавлева, Г.Н. Ключникова. СПб.: Изд-во Санкт-Петербургской картографической фабрики ВСЕГЕи, 2003. 500 с. 10. Быховский Л.З. и др. Освоение сырьевой базы титана - актуальная задача горной промышленности / Л.З. Быховский, Л.П. Тигунов, Л.Б. Зубков // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. М., 2001. № 4. С. 25-26. 11. Геологическая карта Кольского региона (северо-восточная часть Балтийского щита) масштаба 1:500000 / В.В. Балаганский, А.А. Басалаев, О.А. Беляев, В.И. Пожиленко, А.Т. Радченко, М.К. Радченко; гл. ред. Ф.П. Митрофанов. Апатиты, 1996. 3 л. 12. Найфонов Т.Б. Флотация титановых минералов при обогащении комплексных титансодержащих руд. Л.: Наука, 1979. 164 с. 13. Осокин А.С. Размещение и вещественный состав апатит-титаномагнетит-ильменитовых руд массива Гремяха-Вырмес. Апатиты, 1987, 90 с. 14. Юдин Б.А. Окисные железо-титановые и железные руды магматических формаций Карелии и Кольского полуострова. Петрозаводск: Карелия, 1987. 213 с. 15. Гришин Н.Н. и др. Получение порошка железа путем прямого восстановления титаномагнетитов / Н.Н. Гришин, В.Т. Калинников, Е.Ю. Ракитина, А.Г. Касиков, Ю.Н. Нерадовский // Технология металлов. 2009. № 12. С. 38-45. 16. Гришин Н.Н. и др. Пат. РФ 2385962, МПК С22В 34/12; С22В 34/22; С22В 1/02; С22В 5/10 / Н.Н. Гришин, А.Г. Касиков, Е.Ю. Ракитина, Ю.Н. Нерадовский // Открытия. Изобретения. 2010. №10. 17. Бельков И.В. и др. Экономические предпосылки разработки кианитовых руд открытым способом месторождения Новая Шуурурта / И.В. Бельков, А.В. Истомин, Б.А. Матвеев // Теория и практика работы карьеров Заполярья. Апатиты: Изд. КФАН СССР, 1974. С. 14-18. 18. Федосеев В.А. и др. Экономические предпосылки освоения новых месторождений и создания перерабатывающих производств на Кольском полуострове / В.А. Федосеев, А.В. Истомин // Освоение минеральных богатств Кольского полуострова. Мурманск: кн. изд-во, 1974. С. 225-256. 19. Кейвские кианитовые и ставролитовые сланцы - высокоглиноземистое комплексное сырье / Ю.Л. Войтеховский, Ю.Н. Нерадовский, Н.Н. Гоишин, А.Ш. Гершенкоп, Т.Н. Мухина // Материалы IV Международной конференции «Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов», г. Архангельск, 6-10 июня 2010 г. Архангельск: Архангельский государственный технический университет, 2010. С. 5-7. 20. Гершенкоп А.Ш. и др. Минералого-технологические предпосылки разработки кианитовых руд Кейвских месторождений / А.Ш. Гершенкоп, Т.Н. Мухина, Ю.Н. Нерадовский // Материалы международного совещания «Научные основы и современные процессы комплексной переработки труднообогатимого сырья». Плаксинские чтения, 2010. г. Казань, 13-18 сент. г. Казань, 2010. С. 74-76. 21. Карботермическое обогащение кианитовой руды Кейвского месторождения / Н.Н. Гришин, А.Г. Иванова, О.А. Белогурова, Ю.Н. Нерадовский // Материалы IV Междунар. конф. «Проблемы рационального использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных и технических материалов». Архангельск, 6-10 июня 2010 г. Архангельск: Архангельский государственный технический университет, 2010. С. 66-69. 22. Нерадовский Ю.Н. и др. Новые данные о технологических свойствах кианитовых руд Кейв / Ю.Н. Нерадовский, Ю.Л. Войтеховский, С.М. Карпов // Технологическая минералогия, методы переработки минерального сырья и новые материалы. Петрозаводск: Редакционно-издательский отдел Карельского научного центра, 2010. С. 55-65. 23. Комплексное использование кианита Больших Кейв как нетрадиционного сырья для производства алюминия / Ю.Л. Войтеховский, Ю.Н. Нерадовский, Н.Н. Гришин, А.Ш. Гершенкоп // Минералоготехнологическая оценка месторождений полезных ископаемых и проблемы раскрытия минералов: сб. ст. по материалам V Российского семинара по технологической минералогии. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2011. С. 101-111. 24. Ю.Л. Войтеховский и др. Редкие и редкоземельные элементы в кианитовых сланцах Больших Кейв / Ю.Л. Войтеховский, Ю.Н. Нерадовский, Н.Н. Гришин // Разведка и охрана недр. 2011. № 6. С. 41-44.
Сведения об авторах
Войтеховский Юрий Леонидович - д.г.-м.н., директор института; e-mail: woyt@geoksc.apatity.ru Нерадовский Юрий Николаевич - к.г.-м.н., ведущий научный сотрудник; e-mail: nerad@geoksc.apatity.ru Гришин Николай Никитович - д.х.н., зав. отделом строительных материалов; e-mail: grishin@ chemy.kolasc.net.ru
Гершенкоп Александр Шлемович - д.т.н., зам. директора института; е-mail: alex@goi.kolasc.net.ru Касиков Александр Георгиевич - к.х.н., зав. сектором гидрометаллургии; е-mail:
kasikov@chemy.kolasc.net.ru
Мухина Татьяна Николаевна - к.т.н., зав. сектором; е-mail: root@goi.kolasc.net.ru
Ракитина Елена Юрьевна - младший научный сотрудник отдела строительных материалов;
erakitina@chemy.kolasc.net.ru
Иванова Алла Геннадьевна - технолог III кат. отдела строительных материалов; е-mail: ivanova@ chemy.kolasc.net.ru
