Извлечение платиновых металлов при переработке хромитовых руд дунитовых массивов Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Г.В.Петров, Я.М.Шнеерсон, Ю.В.Андреев DOI: 10.25515/РМ1.2018.3.281

Извлечение платиновых металлов при переработке хромитовыхруд...

Металлургия и обогащение

УДК 622.7: 622.34

ИЗВЛЕЧЕНИЕ ПЛАТИНОВЫХ МЕТАЛЛОВ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ХРОМИТОВЫХ РУД ДУНИТОВЫХ МАССИВОВ

Г.В.ПЕТРОВ1, Я.М.ШНЕЕРСОН2, Ю.В.АНДРЕЕВ3

1 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия

2 ООО «НИЦ «'Гидрометаллургия», Санкт-Петербург, Россия

3 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия

В настоящее время основными сырьевыми источниками металлов платиновой группы в РФ являются комплексные сульфидные медно-никелевые руды Таймырского региона и россыпи. Однако ввиду неизбежных потерь платиновых металлов при металлургической переработке исходных руд и ухудшения качества рудного сырья, наряду с уменьшением доли добычи платины из россыпей, возникает необходимость в поиске новых нетрадиционных сырьевых источников металлов платиновой группы. В качестве перспективного платиносодер-жащего сырья выступают дуниты Среднего Урала. Использование гравитационно-магнитной схемы обогащения хромитовых руд дунитовых массивов позволяет выделить магнитный платиносодержащий концентрат с высоким содержанием магнетита и платиножелезистых сплавов, для доводки которого требуется применение химико-металлургических способов. В представленной статье отражены результаты исследований по установлению особенностей технологического поведения хрома, железа и благородных металлов при механическом обогащении коренной хромитовой руды. Определены кинетические закономерности сернокислотного разложения магнетита. Установлены оптимальные технологические параметры сернокислотного выщелачивания железа из магнитных продуктов обогащения хромитовых руд. На основании проведенных исследований предложена ап-паратурно-технологическая схема комплексной переработки хромитовых руд дунитовых массивов, обеспечивающая получение богатого платиносодержащего концентрата и качественного хромитового концентрата, удовлетворяющего требованиям химического производства.

Ключевые слова: металлы платиновой группы, дунитовые массивы, хромитовые руды, магнетит, сернокислотное выщелачивание

Как цитировать эту статью: Петров Г.В. Извлечение платиновых металлов при переработке хромитовых руд дунитовых массивов / Г.В.Петров, Я.М.Шнеерсон, Ю.В.Андреев // Записки Горного института. 2018. Т. 231. С. 281-286. DOI: 10.25515/РМ1.2018.3.281

Введение. В настоящее время Россия является одним из крупнейших производителей платиновых металлов в мире. Минерально-сырьевая база РФ металлов платиновой группы состоит преимущественно из запасов платиноидов крупнейших сульфидных медно-никелевых месторождений Таймырского региона. Производство металлов платиновой группы (МПГ) из норильских месторождений в совокупности с уменьшением добычи платины из россыпей не сможет обеспечить сохранение высоких объемов экспорта и, соответственно, валютных поступлений. Существенным обстоятельством, осложняющим перспективы России как производителя МПГ, является тенденция изменения цен - при сравнительно стабильной цене на платину резко (в 3,5-4 раза) уменьшилась стоимость палладия [2-4,6,13].

Анализ зарубежного сырьевого потенциала МПГ свидетельствует об обратном - существуют большие возможности наращивания производства платиноидов в ЮАР и увеличения добычи палладия в США и Канаде (на 20-40 т ежегодно до 2020 г.) [7,12,14,15]. Это в определенной мере означает, что Россию могут потеснить на мировом рынке МПГ, где РФ является ведущим партнером [1].

Для удержания традиционно сильных позиций на мировом рынке МПГ увеличение производства платины становится необходимым и принципиально важным направлением развития российского платинометалльного комплекса. Поиск руд с иными, по сравнению с норильскими, типами платинометалльной минерализации и введение их в отработку в сочетании с разработкой эффективных технологий извлечения МПГ приведет к увеличению добычи платиновых металлов в России и, в конечном счете, к ее независимому положению на мировом рынке [1,4].

Наиболее значимым по своему металлогеническому потенциалу является платинометалль-ное оруденение зональных дунит-пироксенит-габбровых комплексов Урала, Алдана и Камчатки, являющихся коренными источниками ныне отработанных уникальных россыпных платиновых месторождений.

Г.В.Петров, Я.М.Шнеерсон, Ю.В.Андреев

Извлечение платиновых металлов при переработке хромитовых руд.

Возможность использования хромсодержащих руд в качестве источника дефицитных платиновых металлов является новой для РФ проблемой. До сих пор в соответствии со сложившейся российской и мировой практикой дуниты зональных комплексов Среднего Урала рассматривались как минеральное сырье для производства хромомагнезитовых огнеупоров без учета МПГ. С учетом экономической значимости платиносодержащих дунитов возникает вопрос не только об оценке их ресурсного потенциала, но и о разработке технологических методов попутного извлечения из них металлов платиновой группы [9].

Исследованиями российских ученых показана перспективность на МПГ российских дуни-товых руд зональных массивов Среднего Урала (Нижнетагильский и Светлоборский), Алданского щита (Кондерское и Инаглинское месторождения) и Гальмоэнанского массива Камчатки, характеризующихся преимущественно платиновой специализацией [8,10]. Установлено, что платина присутствует в дунитах исключительно в собственных свободных минеральных формах, которые представлены преимущественно (65 %) платино-железистыми сплавами. Рудная платино-хромитовая минеральная ассоциация выделена в качестве основной для руд с высоким содержанием платины.

Сравнительный анализ обогатимости аллювия и элювия Нижнетагильского месторождения и различных морфологических типов руд Алдана позволил сделать заключение о целесообразности сочетания гравитационных и магнитно-электростатических методов для выделения богатых концентратов, в которых содержание суммы МПГ может достигать 500-1000 г/т. При этом за рамками детальных технологических исследований осталось поведение коренных руд Среднего Урала, отличающихся более низким содержанием МПГ и представленных значительными запасами [4].

Гравитационная технологическая схема обогащения коренных руд Камчатки (Гальмоэнан-ский массив) с выделением платинового богатого концентрата (до 5 кг/т), апробированная в полупромышленных условиях, предложена к внедрению при строительстве обогатительной фабрики мощностью 5 млн т руды в год (ЗАО «Корякгеолдобыча») [10].

Принципиально отличаясь от продуктов переработки сульфидных медно-никелевых руд по своему химическому и фазовому составу, платинометалльные концентраты механического обогащения дунитов не могут непосредственно быть переданы на аффинажное производство, несмотря на серьезное снижение входных требований к качеству аффинируемого сырья (с 5 до 1 % МПГ).

В настоящее время существует значительное число пиро- и гидрометаллургических способов переработки платинометалльного сырья, ориентированных, прежде всего, на получение богатых селективных концентратов металлов платиновой группы, в дальнейшем поступающих на аффинаж.

С учетом сидерофильного характера дунитов Среднего Урала и имеющихся данных о высоком содержании платино-железистых сплавов в продуктах их гравитационного и магнитного обогащения в качестве перспективного метода доводки платиносодержащего концентрата может рассматриваться химическое обогащение магнетитового концентрата путем растворения железа в сернокислой среде в присутствии восстановителя. Очевидным достоинством восстановительного сернокислотного выщелачивания является гарантия полного отсутствия перехода металлов платиновой группы в раствор. Применение в качестве восстановителя железного порошка обеспечит получение богатого платинометалльного продукта и насыщенных сульфатных растворов, из которых возможно выделение железного купороса. Таким образом, можно предположить, что сочетание методов гравитационно-магнитного обогащения и восстановительного сернокислотного выщелачивания при переработке дунитов обеспечивает получение кондиционного плати-нометалльного концентрата.

Теоретические и экспериментальные исследования. Исследования осуществлялись на укрупненной технологической пробе коренной руды Нижнетагильского массива (карьер «Дунитовый») следующего состава, %: 1,6 Cr; 6,3 Fe; 22,5 Mg; 39,1 SiO2; 0,21 г/т Pt; 0,08 г/т Rh. Минеральный состав рудных проб изучался на поляризованном микроскопе Zeiss Axiolab. Микроанализ минералов выполнен на электронном микроскопе CamScan S4 с энергодисперсионным спектрометром Pentafet SuperATW и системой микроанализа Link ISIS 200. Результаты минералогических исследований, выполненных с использованием выделенных трех фракций (-1,4+0,1; -0,1+0,071; -0,071+0 мм) руды, свидетельствуют, что рудные минералы представлены хромитом трех разновидностей (содержание

Ж Г.В.Петров, Я.М.Шнеерсон, Ю.В.Андреев 001: 10.25515/РМ1.2018.3.281

чи Извлечение платиновых металлов при переработке хромитовых руд...

хрома варьируется от 37 до 56 % по массе), тонкими включениями сульфидов (миллерита, пентландита, халькозина), а также магнетита (рис.1). Магнитная фракция в руде составляет не более 1-2 % по объему. Платина представлена преимущественно Р^е (до 65 %) и Р1-Си-сплавами, обладающими ферромагнитными свойствами.

Изучение поведения хрома, железа и МПГ осуществляли по обогатительной схеме, принятой для руд, содержащих ценные удельно-тяжелые минералы. Схема включает грохочение с рассевом на классы и последующей их отсадкой (-6+3, -3+1 мм) и классификацией (-1+0 мм). Концентраты, пром-продукты и хвосты этих операцией после доизмельчения и грохочения на узкие классы (-1+0,4; -0,4+0,2; -0,2+0 мм)

подвергались концентрации на столе

г « Рис.1. Минералы хромитовой руды (фракция -1,4+0,1 мм): а - зерна хроми-

для выделения «головки», обогащенной , ~ ч I ✓ ч

' ^^ та (серый цвет) на фоне нерудных минералов (серпентита, хлорита и кварца)

МПГ \ и хромитов^1х концентратов. До- в режиме отраженного света с анализатором; б - зерна хромита (СгтЛ), маг-работка гравиконцентратов осуществ- нетита (Мё1) и ильменита (11т) в режиме отраженных электронов; в - зерна лялась последовательным применением хромита в режиме проходящего света, никтаи шраллетшьц г - зерна хр°-магнитной и коронно-электростатической сепарации (КЭС).

Развернутое гравитационное фракционирование хромитовой руды позволяет обеспечить высокую степень концентрирования минералов хрома и МПГ в гравитационном продукте (до 80 % хрома и 70 % платины). С использованием мокрой магнитной сепарации из гравиконцентрата выделена сильномагнитная фракция, содержащая до 54 % Fe преимущественно в форме магнетита Fe3O4. Извлечение платины в компактный магнитный продукт (выход 0,35 %) составляет не менее 70 % при стократном обогащении относительно исходной руды (содержание платины превышает 20 г/т). Дальнейшая переработка платиносодержащего магнитного продукта обогатительными методами с целью извлечения МПГ без получения богатых промпродуктов затруднительна. Из гравитационных концентратов с помощью электростатической сепарации возможно выделение кондиционных хро-митовых концентратов (выход 3 %), содержащих 43,5 % Сг203. Хвосты гравитационного обогащения соответствуют требованиям, предъявляемым к сырью для производства хромомагнезитовых и фор-стеритовых огнеупоров [4].

В рамках разработки химико-металлургического способа рафинирования платиносодержащего концентрата от железа выполнен термодинамический анализ системы ре304 - (Н^04) - Feмет - Н20] с построением диаграмм Пурбе и pFe -ДрН), результаты которого свидетельствуют, что равновесные условия существования сульфата железа (II) при восстановительном сернокислотном разложении магнетита определяются редокс-потенциалом и рН среды, а также условиями формирования малорастворимого гидрата двухвалентного железа [11].

Исследование физико-химических закономерностей сернокислотного восстановительного разложения осуществлялось на модельном магнетитовом концентрате следующего состава, %: 52,1 FeзO4; 1,2 MgO; 15,1 SiO2; 24,9 А1203. Контрольные эксперименты выполнялись на платино-металльной сильномагнитной фракции (СМФ), выделенной при обогащении хромитовой руды Нижнетагильского дунитового массива следующего состава, %: 5,8 Сг; 54,6 Fe; 3,32 MgO; 2,6 SiO2; 2,7 А12О3; 1050,0 г/т Р1.

Исследовалось влияние основных технологических параметров выщелачивания на поведение железа (продолжительность 0,5-1,5 ч, содержание серной кислоты 50-250 г/л, температура 20-75 °С). Расход восстановителя варьировался до 3-кратного избытка от теоретически необходимого количества по реакции:

мита в режиме проходящего света, николи скрещены (зерна черного цвета, не пропускающие свет, - хромит)

Г.В.Петров, Я.М.Шнеерсон, Ю.В.Андреев

Извлечение платиновых металлов при переработке хромитовыхруд...

85-

75-

65

55

2

1,5

Продолжительность, ч

Рис.2. Влияние продолжительности выщелачивания и концентрации серной кислоты на вскрытие магнетитового концентрата 1 и 2 - 150 и 250 г/л И^04 соответственно. Условия: масса навески 20 г, Ж:Т = 10:1; Т = 70 °С, 3-кратный расход восстановителя

95 -,

а. 85 -

75 -

65

0,5 1 1,5

Расход Fe, от теоретически необходимого по реакции (1)

Рис.3. Влияние расхода восстановителя и концентрации серной кислоты на поведение железа 1 и 2 - 150 и 250 г/л Н^04 соответственно. Условия: масса навески 20 г, Ж:Т = 10:1, Т = 70 °С

-р 90

о4

й О [2

» 70

и

й

50

к 30

20

40

Температура,

60

100

£ & 80

а 60

92,61

40

! 20 К

0

Ее

Mg0 БЮ2 А1203

Mg0

Рис.4. Влияние изменения температуры на извлечение железа в раствор Условия: масса навески 20 г, Ж:Т = 10:1, 250 г/л И^04, 3-кратный расход восстановителя

Рис.5. Поведение железа и породообразующих компонентов при сернокислотном восстановительном выщелачивании модельного магнетитового концентрата

2

1

1

О

С

Бе304 + Бе + 4^04 = 4Бе804 + 4^0.

Результаты экспериментов свидетельствуют, что увеличение продолжительности выщелачивания существенно влияет на показатели вскрытия магнетитового концентрата: при кислотности 250 г/л И2804 увеличение времени процесса до 90 мин сопровождается повышением перехода железа в сернокислый раствор на 20-25 %, что позволяет обеспечить практически полное удаление железа (рис.2).

Значительное влияние на показатели процесса оказывает расход восстановителя, что особенно заметно при высокой кислотности (250 г/л) раствора: извлечение железа в раствор достигает 90 % (рис.3).

При повышении температуры процесс существенно интенсифицируется: с увеличением температуры с 25 до 70 °С количественные показатели растворения железа возрастают почти в 3 раза - с 35,3 до 89,5 %. При этом выход нерастворимого остатка составляет 20,86 % от исходной шихты (рис.4).

Проведение восстановительного выщелачивания при кислотности 250 г/л, 3-кратном избытке восстановителя и температуре 70 °С сопровождается переходом в сульфатный раствор основных породообразующих компонентов магнитного концентрата, за исключением кремнезема: в нерастворимом остатке сохраняется не более 45 % М§0 и 15 % А1203 (рис.5).

Г.В.Петров, Я.М.Шнеерсон, Ю.В.Андреев

Извлечение платиновых металлов при переработке хромитовыхруд...

Исходная руда

I

Концентрат 3

/

5

-0,5+0,2 мм г— -1+0,5 мм ^-------2+1 мм

Немагнитная фракция

концентрат

Хвосты промпродукты

VI

О/

Объединенные хвосты

11

/

Проводники (хромитовый продукт). Концентрат на извлечение хрома и МПГ

Диэлектрики

7

Сильномагитная

фракция на извлечение ПМ

10

Магнезиальные силикатные хвосты в производство стройматериалов

У3

Ш / 2

Пульпа

14

При химическом кондиционировании богатого плати-носодержащего концентрата (1050,0 г/т) Pt при оптимальных параметрах (навеска 80 г, содержание серной кислоты 200 г/л, 2-кратный избыток металлического железа от теоретически необходимого, температура 70 °С, продолжительность 1,5 ч, Ж:Т=10:1) выход нерастворимого остатка составляет 12,9 % при практически полном извлечении железа и хрома в сернокислый раствор (по данным анализа раствора на уровне 95,1 и 98,9 % соответственно). Содержание платины в кеке составило 0,59 %, родия -130 г/т [5,11].

На основании результатов исследований разработана ап-паратурно-технологическая схема комплексной переработки разнотипных хромитовых руд Нижнетагильского дуни-тового массива (рис.6). Исходная руда без дополнительного измельчения подвергается грохочению с последующей отсадкой. Концентраты отсадки крупных фракций после измельчения до крупности -2+0 мм и грохочения смешиваются с мелкой фракцией

грохотов и поступают на гидравлическую классификацию. Выделенные фракции различной крупности обогащаются на концентрационных столах. Объединенный гравитационный концентрат подвергается разделению методами мокрой магнитной и электростатической сепарации с получением хромитового концентрата, сильномагнитного продукта, обогащенного МПГ, и диэлектрической фракции, представляющей собой породообразующие магнезиальные силикаты. Объединенные хвосты гравитационного обогащения и электростатической сепарации после классификации используются при производстве огнеупоров или стройматериалов.

Магнитный продукт, выделенный на обогатительной стадии, подвергается гидрометаллургической переработке методом восстановительного сернокислотного выщелачивания с получением богатого платинометалльного концентрата.

или огнеупоров Фильтрат ^ 1

Концентрат МПГ

*

Фильтрат

- на кристаллизацию § 15 ^

11111111

У"

О

о

Рис.6. Аппаратурно-технологическая схема извлечения МПГ и хрома из хромитовой руды Нижнетагильского дунитового массива

1, 5 - грохот; 2 - осадочная машина; 3 - шаровая мельница; 4 - гидравлический классификатор; 6 - концентрационный стол; 7 - магнитный сепаратор; 8 - спиральный классификатор; 9 - сгуститель; 10 - вакуум-фильтр; 11 - коронно-электростатический сепаратор; 12 - реактор; 13 - перемешанное устройство; 14 - фильтр-пресс; 15 - туннельная сушилка

Выводы

1. На основании изучения особенностей вещественного состава хромитовых руд Нижнетагильского дунитового массива установлено, что платина представлена преимущественно Р^Бе (до 65 %) и Р^Си-сплавами, обладающими ферромагнитными свойствами.

2. Выявлено, что гравитационно-магнитное обогащение разнотипных хромитовых руд обеспечивает высокое (более 70 %) концентрирование металлов платиновой группы в компактном магнетитовом продукте.

Г.В.Петров, Я.М.Шнеерсон, Ю.В.Андреев

Извлечение платиновых металлов при переработке хромитовых руд.

3. Установлено, что рафинирование железистого продукта при оптимальных условиях сернокислотного восстановительного выщелачивания (содержание серной кислоты 200 г/л, 2-кратный избыток металлического железа, температура 70 °С, продолжительность 1,5 ч, Ж^ = 10:1) обеспечивает практически полный перевод железа в сульфатный раствор с получением платиносодержа-щего концентрата.

4. Разработана технология комплексной переработки хромитовых руд дунитовых массивов, обеспечивающая получение богатого платиносодержащего концентрата и качественного хроми-тового концентрата, удовлетворяющего требованиям химического производства.

5. Внедрение разработанной технологии с годовым объемом переработки 200 тыс. т бедной коренной руды (1,64 % Cr и 0,21 г/т Pt) на предприятиях по производству хромомагнезитовых огнеупоров дополнительно обеспечит получение 15 кг платины в виде товарного концентрата и 6 тыс.т хро-митового концентрата. Использование схемы для переработки богатой руды, содержащей 43,4 % Cr2O3 и 1,76 г/т Pt, позволит получить 23 тыс.т хромового концентрата и 160 кг платины в виде богатого платинового концентрата (0,6 % Pt), близкого к требованиям аффинажного производства.

Благодарность. Исследования выполнены в рамках АВЦП 1.3.08 «Развитие физико-химических основ ресурсосберегающих процессов и технологий при комплексной переработке сырья цветных металлов» (2008-2012 г.) и по госбюджетной тематике № 18.44.24 «Технологические основы получения глинозема, редкометально продукции, карбоалюминатов и их производных высшего качества при комплексной переработке низкокачественного рудного и техногенного сырья цветных металлов» (2014-2016 г.).

ЛИТЕРАТУРА

1. Государственный доклад «О состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации в 2011 году» / Mинистеpство природных ресурсов и экологии Российской Федерации. M., 2012. 333 с.

2. Лазаренков В.Г. Mестоpождения платиновых металлов / В.Г.Лазаренков, С.В.Петров, И.ВТаловина. СПб: Недра, 2002. 297 с.

3. Обзор рынка металлов платиновой группы (Mili) в СНГ и мире. M.: ИГ Инфомайн, февраль 2012. Вып. 5. 112 с.

4. Петров Г.В. Концентрирование платиновых металлов нри переработке традиционного и нетрадиционного нлати-нометалльного сырья / Caнкт-Петеpбуpгский горный ин-т. СПб, 2001. 106 с.

5. Петров Г.В. Вовлечение в переработку техногенных нлатиносодержащих отходов горно-металлургического комплекса / Г.В.Петров, M.Л.Л.Диaките, А.Ю.Спыну // Обогащение руд. 2012. № 1. С. 25-28.

6. Платина России: состояние и перспективы / Д.А.Додин ^С^одина, К.К.Золоев, В.А.Коротеев, H.M.Чеpнышов // Литосфера. 2010. № 1. С. 3-36.

7. Ставский А.П. Mинеpaльное сырье: от недр до рынка. T.1. Благородные металлы и алмазы. Золото, серебро, платиноиды, алмазы. M.: Научный мир, 2011. 400 с.

8. Толстых Н.Д. Платиновая минерализация Светлоборского и Каменушинского массивов нлатиноносного нояса Урала / НДТолстых, ЮЖ^елегин, ВЖ.Чубаров // Maтеpиaлы III Mеждунapодной конференции «Ультрабазит-базитовые комплексы складчатых областей и связанные с ними месторождения» / Уральский горный университет. Екатеринбург. 2009. T.2. С. 216-219

9. Чантурия В.А. Дунитовые руды - новый вид платиносодержащего сырья / В.А.Чантурия, А.П.Козлов, НДТолстых // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011. Отдел. вып. № 1. С. 553-566.

10. ЧантурияВ.А. Платиносодержащие дунитовые руды и их обогатимость / В.А.Чантурия, А.П.Козлов. M.: УРАН ИПКОН РАН, 2009. 148 c.

11. Diakite Mohamed L.L. Les perspectives d'extraction des métaux de platine et de chrome à partir des dunites / Mohamed L.L.Diakite, G.V.Petrov // France: Paris: Revue de Métallurgie «EDP sciences». 2011. Vol.108. N 7-8. P.447-450.

12. Mudd G.M. Platinum group metals: a unique case study in the sustainability of mineral resources // The 4th International Platinum Conference, Platinum in transition ««Boom or Bust» / The Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2010. P.113-120.

13. Platinum 2013: review // England: Johnson Matthey Public Limited Company URL: http://www.platinum.matthey.com / documents/market-review/2013/full-review/english.pdf (date of access 20.04.2017).

14. Thomas R. Yager. The Mineral Industry of South Africa // U.S. Geological survey minerals yearbook - 2010. URL: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/country/2010/myb3-2010-sf.pdf (date of access 20.04.2017).

15. Wilburn David, Bleiwas Donald. Platinum-Group Metals - World Supply and Demand (2004) // U.S. Geological Survey Open-File. Report. URL: http://pubs.usgs.gov/of/2004/1224/2004-1224.pdf (date of access 20.04.2017).

Авторы: Г.В.Петров, д-р техн. наук, профессор, [email protected] (Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия), Я.М.Шнеерсон, д-р техн. наук, генеральный директор, [email protected], (ООО «НИЦ «Гидрометаллургия», Санкт-Петербург, Россия), Ю.В. Андреев, канд. техн. наук, доцент, [email protected] (Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия).

Статья поступила в редакцию 24.04.2017.

Статья принята к публикации 07.05.2018.