CC BY
40
Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования
RUDN Journal of Engineering researches
2018 Том 19 № 2 246-253
http://journals.rudn.ru/engineering-researches
DOI 10.22363/2312-8143-2018-19-2-246-253 УДК 669.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО И ХИМИКО-МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВОВ РУДЫ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ТОМТОР
Проведены исследования гранулометрического, минерального и химического состава руды комплексного скандий-редкоземельно-ниобиевого месторождения Томтор. Показано, что основу руды составляют фосфаты, ниобаты и карбонаты. Основными идентифицированными минералами являются минералы крандаллитовой группы (горсейскит, гояцит и флоренсит), пирохлор и монацит, кроме того, четко идентифицированы бемит, апатит и кварц. В группу прочих минералов входят сидерит, каолинит, рутил и некоторые другие минералы. Установлено, что исследуемая руда относится к минеральной разновидности пирохлор-монацит-кран-даллитовых руд фосфатно-редкометалльного типа с преобладанием в ее составе минералов группы крандаллита (более 50%) и относительно невысоким содержанием пирохлора (~7%). По содержанию в пробе оксида ниобия №205 (~4%) руда по принятой классификации может быть отнесена ко второму сорту, т.е. к богатым ниобиевым рудам, содержащим от 3,5 до 9% №205. Руда месторождения Томтор также богата по содержанию минералов редкоземельных элементов. На основании проведенных исследований сделан вывод о практической невозможности обогащения руды месторождения Томтор традиционными методами и экономической оправданности переработки руды комбинированными методами пиро- и гидрометаллургии.
Ключевые слова: руда месторождения Томтор, гранулометрический состав, минеральный состав, редкоземельные металлы (РЗМ), ниобий
Известно [1—3], что масштабы производства и потребления редкоземельных металлов (РЗМ) в мире за последние 20 лет увеличились в 3 раза. Анализ темпов современного развития промышленного производства показывает, что в ближайшие 5—10 лет потребность в редкоземельных металлах существенно вырастет. В связи с этим важнейшим направлением научных исследований представляется изучение действующих и новых перспективных месторождений руд РЗМ с целью решения задачи организации их высокоэффективной промышленной переработки и наиболее полного извлечения ценных металлов.
Одним из наиболее перспективных месторождений руд РЗМ на территории Российской Федерации является Томторское комплексное скандий-редкоземель-но-ниобиевое месторождение, расположенное на северо-западе Республики Саха
М.Ю. Малькова, А.Н. Задиранов
Российский университет дружбы народов (РУДН) Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
Введение
(Якутия), в экономически не освоенном районе. Практическая значимость руд Томтора определяется колоссальными запасами и уникальными концентрациями ниобия, иттрия, скандия и тербия. Запасы месторождения оцениваются в 154 млн т руды. По запасам и концентрациям РЗМ оно превышает все известные мировые аналоги и является уникальным: средняя массовая доля оксидов РЗМ достигает 8—12%, в том числе 0,5% наиболее ценного оксида иттрия (III) [4]. Также руды Томтора содержат большие концентрации ниобия (до 7%). Руды первоочередного к эксплуатации участка Буранный Томторского месторождения представлены высокими содержаниями ниобия, иттрия, скандия и относятся к классу комплексного полиметаллического сырья. Объем кондиционных руд участка Буранный, подсчитанный по бортовому содержанию Nb2O5 — 1%, составляет 42,7 млн т [5]. Содержание оксидов редкоземельных металлов в рудах месторождения Томтор в 2 раза выше, чем в наиболее богатом зарубежном месторождении Маунтен-Пасс в США, а содержание ниобия в 2,5—3 раза выше, чем в самом богатом месторождении Бразилии — Araxa, обеспечивающем более 80% мировой добычи ниобия [6; 7]. Проблемой освоения Томторского месторождения является то, что оно располагается в районе с суровыми климатическими условиями и неразвитой инфраструктурой.
Распределение РЗМ в рудах Томторского месторождения представлено на рис. 1 [8].
■ Y203
■ La203
■ Се02
■ Рг6011
■ Nd203
■ Sm203
■ Eu203
■ Gd203 Dy203
■ Ho203 Er203 Tm203
Рис. 1. Относительная массовая доля РЗМ в рудах Томторского месторождения [Fig. 1. Relative mass fraction of REE in ores of Tomtor Deposit]
Целью данной работы являлось изучение технологической пробы руды месторождения Томтор для определения методов ее промышленной переработки. Для достижения поставленной цели исследования были выполнены следующие задачи:
— исследование гранулометрического, минерального и химического состава руды;
— изучение распределения целевых компонентов руды по классам крупности.
42,68
Методика проводимых исследований
Гранулометрический состав материала пробы определяли с помощью набора сит ЭКРОС (ТУ 3618-001-39436682-98).
Минеральный состав пробы исследуемой руды определяли методом электронной микроскопии (энергодисперсионный анализ).
Изучение вещественного состава пробы проводилось с использованием количественного химического анализа и атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (АЭС ИСП).
Результаты исследований
Технологическая проба руды месторождения Томтор представляет собой тонкодисперсный сыпучий материал темно-оливкового цвета крупностью —2+0 мм. Влажность руды составляет порядка 15%. Гранулометрический состав и содержание целевых компонентов по классам крупности представлены в табл. 1.
Таблица 1
Гранулометрический состав и содержание целевых компонентов в руде месторождения Томтор по классам крупности [Table 1. Particle size distribution and content of target components in Tomtor ore deposit by fraction sizes]
Размер фракции, мм [Fraction size, mm] Доля фракции, % [Fraction percentage, %] Плотность [Density] Содержание, масс.% [Content, wt.%]
удельная, г/см3 [Specific, g/cm3] объемная, г/см3 [Bulk, g/cm3] Сумма РЗО*** [REO amount***] Nb2O5 P2O5 Sc2O3
-1+0* 100 3,42 1,55 19,8 4,00 22,5 0,062
-1,0+0,5 5,8 3,43 1,57 19,5 3,15 21,8 0,052
-0,5+0,315 14,8 3,54 1,58 20,4 3,37 19,0 0,060
-0,315+0,1 47,4 3,56 1,58 20,1 3,57 18,2 0,064
-0,1+0,045 6,8 3,55 1,62 21,6 4,00 20,8 0,078
-0,045+0 25,2 3,56 1,65 22,8 4,44 22,6 0,090
-0,020+0** 20,2 — — 22,5 4,65 22,1 0,092
* исходная проба руды (до рассева); ** выход фракции -0,020+0 мм определялся методом седи-ментационного анализа; *** РЗО — оксиды редкоземельных металлов [* the original ore sample (before sieving); ** output fraction -0,020+0 mm was de-termined by sedimentation analysis; *** REO — oxides of rare earth metals]
Как следует из представленных данных, гранулометрический состав руды в пробе характеризуется довольно высоким содержанием частиц тонких классов, при этом массовая доля частиц с размером менее 100 мкм составляет около 80%, менее 45 мкм — около 25% и менее 20 мкм — около 20%. Соотношения классов различной крупности, а также значения плотности являются типичными для предварительно дробленных по классу —1+0 мм пирохлор-монацит-крандаллитовых
руд.
Минеральный и химический составы исследуемой пробы представлены в табл. 2 и 3.
Таблица 2
Минеральный состав руды месторождения Томтор [Table 2. Mineral composition of Tomtor ore deposits]
Наименование минерала [Name of mineral] Содержание, % [Content, %]
Крандаллит [Crandallite] CaAl3(PO4)2(OH)5-H2O —
Горсейксит [Gorceixite] BaAl3(PO4)(PO3OH)(OH)6 25
Гояцит [Goyazite] SrAl3(OH)4(HPO4)2(PO4) 20
Флоренсит [Florencite] (Ce,La,Nd)Al3(PO4)2(OH)6 8
Пирохлор [Pyrochlore] (Na,Ca)2Nb2O6(OH,F) 7
Бемит [Boehmite] AlOOH 4
Апатит [Apatite] Ce5(PO4)3(F,Cl,OH) 3
Монацит [Monazite] (Ce,La,Nd,Ca)(PO4) 13
Кварц [Quartz] SiO2 1
Прочие (сидерит, каолинит, рутил) [Other (siderite, kaolinite, rutile)] 19
Минералы крандаллитовой группы: горсейксит, гояцит, флоренсит 53
[Mineralsofcrandallitegroups: gorceixite, goyazite, florencite]
Таблица 3
Химический состав руды месторождения Томтор [Table 3. Chemical composition of Tomtor ore deposits]
№ п/п Элемент (оксид) [Element (oxide)] Содержание [Content], % № п/п Элемент (оксид) [Element (oxide)] Содержание [Content], %
1 Ag <0,01 33 Nb2O5 4,0
2 Al2O3 14,4 34 Nd2O3 2,5
3 As 0,37 35 Ni 0,007
4 Au <0,003 3б P2O5 22,5
5 B 0,19 37 Pb 0,25
б BaO 2,9 38 Pd <0,005
7 Be <0,001 39 PreOii 0,б2
8 CaO 8,5 40 Pt <0,005
9 Cd 0,004 41 Re <0,005
10 CeO2 9,3 42 Rh <0,003
11 Co <0,001 43 Ru <0,0001
12 Cr 0,0б 44 S 2,3
13 CuO 0,14 45 Sb <0,02
14 Dy2O3 0,19 4б Sc (Sc2O3) 0,04 (0,0б1)
15 ЕГ2О3 0,17 47 SrO 3,7
1б EuO 0,12 48 SiO2 1,9
17 Fe 3,б 49 Sm2O3 0,39
18 Ga <0,05 50 Sn <0,01
19 Gd2O3 0,32 51 Ta2O5 0,08
20 Hf <0,002 52 Tb4O7 0,03
21 Hg <0,007 53 Te <0,01
22 Ho2O3 0,04 54 ThO2 0,14
Окончание табл. 3
№ п/п Элемент (оксид) [Element (oxide)] Содержание [Content], % № п/п Элемент (оксид) [Element (oxide)] Содержание [Content], %
23 J <0,03 55 TiO2 6,7
24 Jn <0,02 56 Tm2O3 0,01
25 Jr <0,01 57 U 0,005
26 l_a2°3 4,8 58 V2O5 2,1
27 Li 0,0005 59 W <0,02
28 Ш2О3 0,003 60 Y2O3 1,16
29 MgO 0,62 61 Yb2O3 0,096
30 MnO2 0,9 62 ZnO 0,42
31 Mo <0,007 63 ZrO2 0,11
32 Na 0,58 64 РЗО 19,75
Представленные в табл. 2 и 3 результаты позволяют сделать следующие заключения о вещественном составе руды месторождения Томтор.
Основу руды в пробе составляют фосфаты, ниобаты и карбонаты. Основными идентифицированными минералами являются минералы крандаллитовой группы (горсейскит, гояцит и флоренсит), пирохлор и монацит, кроме того, четко идентифицированы бемит, апатит и кварц. В группу прочих минералов входят сидерит, каолинит, рутил и некоторые другие минералы.
В целом, исследуемая руда относится к минеральной разновидности пирох-лор-монацит-крандаллитовых руд фосфатно-редкометалльного типа с преобладанием в ее составе минералов группы крандаллита (более 50%) и относительно невысоким содержанием пирохлора (~7%). По содержанию в пробе №205 (~4%) руда по принятой классификации может быть отнесена ко второму сорту, т.е. к богатым ниобиевым рудам, содержащим от 3,5 до 9% №205.
Выводы
Руда месторождения Томтор является тонкодисперсным материалом, частицы которого представлены полиминеральными агрегатами (флоккулами) из микрокристаллов размером в доли микрометра, сформированными в основном полиморфными модификациями фосфатов с общей формулой (8г,Ва,Са)А13(Р04)х(0Н)у, в кристаллической решетке которых атомы 8г, Ва и Са частично замещаются атомами редкоземельных элементов.
По содержанию промышленно-ценных и породообразующих элементов руда не является аномальной. Руда принадлежит к пирохлор-монацит-крандаллитовой разновидности фосфатно-редкометалльного типа с относительно невысоким содержанием ниобиевых минералов и богата по содержанию минералов редкоземельных элементов. В исходной и измельченной пробах руды практически отсутствуют обособленные (раскрытые) частицы отдельных минералов ценных элементов. Проба руды характеризуется однородностью физико-механических свойств рудного материала при высокой гетерогенности минерального состава.
Учитывая высокую комплексность исследуемой руды и тонкую дисперсность минеральных образований, можно сделать вывод о практической невозможности обогащения руды месторождения Томтор традиционными методами. Однако значительное содержание оксидов редкоземельных элементов (~20%) и относительно высокое содержание ниобия (~4% Nb2O5) позволяет считать перспективной и экономически оправданной переработку руды комбинированными методами пиро- и гидрометаллургии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1] Петухов М.А. Исследование процесса хлорирования танталито-колумбитового концентрата и создание технологии совместной переработки танталито-колумбитового и лопа-ритового концетратов: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М., 2010. 26 с.
[2] Наумов А.В. Обзор мирового рынка редкоземельных элементов // Известия вузов. Цветная металлургия. 2008. № 1. С. 22—31.
[3] Чуб А.В. Гибкие многоцелевые технологии глубокой переработки редкоэлементного сырья хлорным методом: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Соликамск, 1999. 16 с.
[4] Полякова М.А. Элементный состав редкоземельных руд и его влияние на оценку месторождений: автореф. дисс. ... канд. геол.-минерал. наук. М.: ИМГРЭ, 2002. 32 с.
[5] Архангельская В.В., Лагонский Н.Н., Усова Т.Ю., ЧистовЛ.Б. Руды редкоземельных металлов России // Минеральное сырье. Серия геолого-экономическая. 2006. № 19.
[6] Еханин А.Г., Шибистов Б.В., Курбатов И.И. Ресурсная минерально-сырьевая база цветных и редких металлов Красноярского края // Природные ресурсы Красноярского края. 2010. № 8. С. 82—89.
[7] Малькова М.Ю., Задиранов А.Н. Перспективы создания отечественной редкоземельной промышленности // Сб. докладов VIII Международной научно-практической конференции РУДН «Инженерные системы — 2015». 2015. С. 500—505.
[8] Литвинова Т.Е. Получение соединений индивидуальных РЗМ и попутной продукции при переработке низкокачественного редкометалльного сырья: дисс. ... д-ра техн. наук. Санкт-Петербург, 2014. 318 с.
© Малькова М.Ю., Задиранов А.Н., 2017
История статьи:
Дата поступления в редакцию: 18 декабря 2017 Дата принятия к печати: 10 апреля 2018
Для цитирования:
Малькова М.Ю., Задиранов А.Н. Исследование гранулометрического и химико-минерального составов руды месторождения Томтор // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. 2018. Т. 19. № 2. С. 246—253. DOI 10.22363/23128143-2018-19-2-246-253
Сведения об авторах:
Малькова Марианна Юрьевна — доктор технических наук, профессор департамента архитектуры и строительства Инженерной академии, Российский университет дружбы народов. Область научных интересов: металлургия черных и цветных металлов, нанотехно-логии в металлургии, материаловедение, переработка техногенных отходов. Контактная информация: e-mail: [email protected]
Задиранов Александр Никитич — доктор технических наук, профессор департамента архитектуры и строительства Инженерной академии, Российский университет дружбы народов. Область научных интересов: металлургия черных и цветных металлов, нанотехно-логии в металлургии, материаловедение, переработка техногенных отходов, литейное производство. Контактнаяинформация: e-mail: [email protected]
STUDY OF GRANULOMETRIC AND CHEMICAL-MINERAL COMPOSITIONS OF TOMTOR ORE DEPOSIT
M.Y. Malkova, A.N. Zadiranov
Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University) 6, Miklukho-Maklaya str., Moscow, 117198, Russian Federation
Abstract. A study of the particle size distribution, mineral and chemical composition of the complex scandium-rare-earth-niobium Tomtor ore deposit has been conducted. It is shown that the basis of the ore is comprised of phosphates, carbonates and niobates. The main identified minerals are the minerals of crandallite group (gorceixite, goyazite and florencite), pyrochlore and monazite, in addition, clearly identified boehmite, apatite, and quartz. A group of other minerals includes siderite, kaolinite, rutile and some other minerals. It is established that the investigated ore belongs to a mineral variety of the pyrochlore-monazite-crandallite ores of phosphate-rare-metal type with a predominance of crandallite minerals (50%) and relatively low content of pyrochlore (~7%) in its composition. Based on the content of niobium oxide Nb2O5 (~4%) in a sample, the ore can be attributed to the second class according to the accepted classification, i.e. the rich niobium ores, containing from 3,5 to 9% Nb2O5. Tomtor ore deposit is also rich in the mineral content of rare earth elements. On the basis of the conducted research the conclusion about practical impossibility of beneficiation of "Tomtor" ore deposits by traditional methods and economic feasibility of ore processing by the combined pyro — and hydrometallurgy methods is made.
Key words: Tomtor ore deposit, particle size distribution, mineral composition, rare earth metals (REM), niobium
REFERENCES
[1] Petukhov M.A. Issledovanie processa hlorirovanija tantalito-kolumbitovogo koncentrata i sozdanie tehnologii sovmestnoj pererabotki tantalito-kolumbitovogo i loparitovogo koncetratov [A study of the chlorination process of tantalite-columbite concentrate and creation of technology of joint processing of tantalite-columbite and loparite concentrates]: Thesis abstract. ... Cand. Tech. Sc. Moscow, 2010. 26 p. (In Russ.)
[2] Naumov A.V. Obzor mirovogo rynka redkozemel'nykh elementov [Global rare-earth elements market overview]. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya [Universities' Proceedings. Nonferrous Metallurgy]. 2008. No. 1. P. 22—31. (in Russ.)
[3] Chub A.V. Gibkie mnogotselevye tekhnologii glubokoi pererabotki redkoelementnogo syr'ya khlornym metodom [Flexible, multi-purpose technologies of deep processing of rare element raw materials by chlorine method]: thesis abstract. ... Cand. Tech. Sc. Solikamsk, 1999. 16 p. (In Russ.)
[4] Polyakova M.A. Elementnyi sostav redkozemel'nykh rud i ego vliyanie na otsenku mestorozhdenii [Elemental composition of rare-earth ores and its influence on deposits allocation]: Thesis abstract. ... Cand. Geol. Min. Sc. Moscow: IMGRE Publ., 2002. 32 p. (In Russ.)
[5] Arkhangel'skaya VV, Lagonskii N.N., Usova T.Yu., Chistov L.B. Rudy redkozemel'nykh metallov Rossii [Ores of rare earth metals in Russia]. Mineral'noe syr'e. Seriya geologo-ekonomicheskaya [Mineral raw materials. Geological-economical series]. Moscow: VIMS Publ., 2006. No. 19. 72 p. (In Russ.)
[6] Ekhanin A.G., Shibistov B.V., Kurbatov I.I. Resursnaya mineral'no-syr'evaya baza tsvetnykh i redkikh metallov Krasnoyarskogo kraya [Mineral resource basis of nonferrous and rare metals of Krasnoyarsk Krai]. Prirodnye resursy Krasnoyarskogo kraya [ Natural resources of Krasnoyarsk Krai]. 2010. No. 8. P. 82—89. (in Russ.)
[7] Mal'kova M.Yu., Zadiranov A.N. Perspektivy sozdaniya otechestvennoi redkozemel'noi promyshlennosti [Prospects for creation of domestic rare-earth industry]. Collection of reports of the VIII International Scientific and Practical Conference of RUDN "Engineering systems — 2015". Moscow: RUDN Publ., 2015. P. 500—505. (In Russ.)
[8] Litvinova T.E. Poluchenie soedinenii individual'nykh RZM i poputnoi produktsii pri pererabotke nizkokachestvennogo redkometall'nogo syr'ya [Obtaining compounds of individual REM and associated products when processing low quality rare metal raw material]. Diss. ... Doct. Tech. Sc. Saint-Petersburg, 2014. 318 p. (in Russ.)
Article history:
Received: December 18, 2017 Accepted: April 10, 2018
For citation:
Malkova M.Yu., Zadiranov A.N. (2018). Study of granulometric and chemical-mineral compositions of Tomtor ore deposit. RUDN Journal of Engineering Researches, 19(2), 246—253. DOI 10.22363/2312-8143-2018-19-2-246-253
Bio Note:
Marianna Yu. Malkova — Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Architecture and Construction, Peoples' Friendship University of Russia. Research interests: metallurgy of ferrous and non-ferrous metals, nanotechnology in metallurgy, materials science, recycling of industrial waste. Contact information: e-mail: [email protected]
Alexandr N. Zadiranov — Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Architecture and Construction, Peoples' Friendship University of Russia. Research interests: metallurgy of ferrous and non-ferrous metals, nanotechnology in metallurgy, materials science, recycling of industrial waste, foundry. Contact information: e-mail: [email protected]
