CC BY
29
УДК 549.08:550.835.8
DOI: 10.19110/2221-1381-2015-11-38-43
МИКРОТОМОГРАФИЯ ТЕХНОГЕННОГО МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ
О. А. Якушина1'2, Е. Г. Ожогина1, М. С. Хозяинов2 1ВИМС им. Н. М. Федоровского, Москва 2Университет Дубна, Московская область vims-ozhogina@mail.ru;yak_oa@mail.ru., mkhoz@mail.ru
Получение полной и достоверной информации о минеральном составе, который определяет качество сырья, особенности, характеристики и поведение минеральных фаз в технологических процессах, одна из приоритетных задач для прогноза оценки его качества. На примере техногенного минерального сырья показано значение метода рентгеновской микротомографии в комплексе современных физических методов для получения такой информации. Приводятся результаты исследований металлургических шлаков, окатышей, хвостов обогащения руд. В Ре-шлаках установлены эвтектические колонии магнетита и неоднородность его зерен, показана целесообразность химических методов переработки. В стекловатой матрице 1\П-шлаков установлены рудные фазы гетерогенного строения - агрегаты треворит-магнезиоферритового состава, которые невозможно извлечь физическими методами. В окомкованных хвостах остаточные содержания полезных фаз не превышают допустимые, они могут быть использованы для рекультивации. Для лежалых хвостов железорудной фабрики, забранных из пляжной зоны и пруда-отстойника, показано сходство и возможность совместного обогащения.
Ключевые слова: методы исследования, рентгеновская томография, техногенное сырье, минералы, шлаки, хвосты обогащения руд, окатыши, минеральный состав, морфоструктурные характеристики, качество сырья.
MICROTOMOGRAPHY OF TECHHOGEHEOUS MINERAL MATTER
O. A. Yakushina1'2, E. G. Ozhogina1, M. S. Khozyainov2 1 All-Russia Institute of Mineral Resources (VIMS), Moscow 2 Dubna University, Dubna, Moscow region
We present the possibility of using the method of X-ray Computed microTomography in a complex of modern laboratory physical testing methods for the study of mineral raw materials for technological mineralogy tasks, including data on mineral composition and morphostructural characteristics, separation of ore and rock-forming minerals, raw matter quality forecast. The results of studies of metallurgical slag, pellets, tailings, are given.
The X-ray CT detected eutectic colonies and the heterogeneity of the magnetite grains in Fe-bearing slag. Thus, the chemical methods of processing are favorable for such slag. Ni- bearing slag has glassy matrix where units of the ore phases are irregularly distributed. The latter hasa heterogeneous structure and Trevor-Magnezioferrit composition, so can be extracted not by physical, but chemical methods. The pelletized tails from pyrite ores processing were studied for useful mineral phases. The X-ray CT detected useful phases residual content less than the permissible, so pellets can be used for voids workings reclamation, etc. The shop-soiled iron factory tailings were collected from two storage areas, such as the beach area and the settling pond. The X-ray CT study resulted in multiplicity and fine-grain dimension of constituent mineral phase, irregularity of their distribution. But the both tailing probes displayed similarity of ore minerals and texture features. So, joint enrichment of both tailings can be used for their recycling.
Keywords: laboratory methods, The X-ray CT, technogeneous matter, minerals, slates, pellets, tailings, mineral composition, morphostructural characteristics, quality.
Введение
В настоящее время в технологической минералогии особое место занимают стереологические методы исследования (анализ изображений), позволяющие определить морфоструктурный состав руд, в том числе гранулярный состав, морфо-метрические характеристики зерен, агрегатов и характер их распреде-
ления в руде, породе, техногенных образованиях. Среди этих методов ведущее положение занимает оптико-геометрический анализ, проведение которого сопряжено с изготовлением специальных оптических препаратов. В последние годы благодаря развитию относительно нового для минералогии метода рентгеновской (микро)томографии
(цРТ, РТ, РВТ; Х-гауСТ, ХСТ) появилась возможность экспрессно получать данные о морфосруктурных характеристиках руд и пород в естественном состоянии. Заметим, что высокое пространственное разрешение обеспечивают микрофокусные источники рентгеновского излучения, что подчеркивают, называя метод микротомографией (^РТ),
а за рубежом — томографией высокого разрешения — High-Resolution X-ray Computed Tomography (HRXCT) [1, 5, 6].
Использование метода PT позволяет решать вопросы прогнозной оценки качества минерального сырья, мониторинга процессов обогащения и др. В практике минералогических работ ВНИИ минерального сырья им. Н. М. Федоровского метод PT широко используется для исследований разных видов твердых полезных ископаемых. Особое значение имеет техногенное сырье, которое сегодня рассматривается как потенциальный источник расширения минерально-сырьевой базы страны в части черных, цветных, редких и благородных металлов. Вторичная переработка отходов металлургических производств экономически целесообразна, поскольку не требует материальных затрат на добычу и транспортировку сырья к месту переработки, сокращает техногенную нагрузку на окружающую среду и может способствовать решению социальных проблем — загрузки мощностей и занятости квалифицированных кадров в традиционных горно-рудных районах страны, на давно работающих производственных предприятиях.
Объекты и методы исследования, постановка задачи
В качестве примера использования метода PT рассмотрим исследование отходов металлургических производств (хвостов, шлаков, окатышей и т. п.) [3—5], но предварительно назовем задачи прикладных минералогических исследований и перечислим особенности техногенного сырья.
Для получения наиболее полной и достоверной информации о минеральном составе, который определяет качество сырья, особенности, характеристики и поведение минеральных фаз в технологических процессах, необходимо определение [4, 5]:
- минерального состава, в т. ч. выявление и идентификация полезных и вредных минералов и их ассоциаций, количественная оценка всех рудообразующих фаз;
- морфоструктурных характеристик, характера взаимоотношения минералов и их гранулярного состава;
- реального состава и строения минералов;
- физических и физико-химических свойств минералов.
При изучении техногенного минерального сырья необходимо учитывать его существенные отличия от природных руд по составу и свойствам. Среди специфических особенностей состава и строения — макроскопическая однородность; гранулярный состав рудных фаз и сложный характер их срастаний как между собой, так и (нередко) со шла-кообразующим материалом, приводящих к образованию неоднородных, ультратонких полиминеральных агрегатов; значительное количество рентгеноаморфных фаз; широко развитый изоморфизм минералов группы шпинелей, которые достаточно часто являются главными рудными минералами. Присутствие слабоокристаллизованных «рентгеноаморфных» фаз, тонкодисперсных минералов или их близкие оптические характеристики не являются ограничениями метода РТ.
Экспериментальные исследования выполнены на рентгеновском микротомографе ВТ-50-1 «Геотом» («Проминтро», Россия), изготовленном на базе промышленного томографа специально для исследования минеральных объектов. Прибор соответствует требованиям российских регламентирующих документов по аппаратуре неразрушающего контроля и международному стандарту АБТМ Е1441-11. Условия съемки: микрофокусный рентгеновский источник, и=100 кУ, ток накала I = 2.9 А; блок детекторов — 8 каналов со сцинтилляторами СзЛ^а), веерная геометрия, шаг сканирования 3 мкм, А1-образец сравнения. Предел пространственного разрешения — 5 мкм. Чувствительность к изменению величины линейного коэффициента ослабления рентгеновских лучей (ЛКО) - 1 %. Диапазон значений томограммы в шкале условных единиц от —32767 до 32768 в десятичной системе счисления. Анализы выполнялись по оригинальной методике РТ-анализа [5] по методическим рекомендациям отраслевого Научного совета по методам минералогических исследований МР НСОММИ № 130.
Результаты и обсуждение
Железосодержащие шлаки представлены землистым рыхлым сыпучим материалом коричнево-черного цвета, в котором присутствуют ком-
коватые, несколько более плотные агрегаты (~30 %) и мелкие (размером порядка 0.2—0.5 мм) кристаллы черного, коричневато-черного цвета с металлическим блеском, характерной октаэдрической формы. В целом материал пробы макроскопически выглядит достаточно однородным; более 80 % материала имеет крупность менее 0.2 мм, т. е. представляет собой шлам. По данным химического анализа, главные полезные компоненты шлаков — железо (Реобщ 42.5 %) и хром (3.15 %), промышлен-но ценные — никель (0.4 %), кобальт (0.08 %).
Для минералогического изучения Ре-шлаки были сложными объектами по составу и строению. Рудные фазы представлены непрерывным изоморфным рядом шпинель — магнетит — хромит. Диагностические линии этих минералов недостаточно хорошо разрешимы на дифрактограммах, поэтому для исследования их фазового состава и текстурно-структурных характеристик была применена рентгеновская томография. Изучение проводилось на комковатых агрегатах исходных шлаков и порошковатых продуктах обогащения (магнитной сепарацией) в пластмассовых кюветах. На томограммах (рис. 1) четко наблюдалось пятнистое, каемчатое сложение агрегатов явно вторичного, техногенного происхождения. РТ-анализ показал неоднородность внешне однородных зерен магнетита, обусловленную переменным соотношением рудообразующих фаз, в которых всегда преобладает магнетит (рис. 1-2).
Эвтектические колонии, четко различимые на томограммах, являются подтверждением одновременного присутствия магнетита двух разновидностей. Это может быть связано не только с теснейшим срастанием фаз или с окислением магнетита и частичным переходом его в магге-мит, но и с непрерывными изоморфными замещениями ферришпи-нелей, в том числе и гетерогенными по 2- и 3- валентным катионам. Зональность магнетита (рис. 1-2), фиксируемая на томограммах, как и в отраженном свете в искусственных шлифах-брикетах, может быть связана с частичным окислением магнетита, что приводит к образованию сильномагнитного минерала — маг-гемита, вследствие чего наблюдается тонкая переходная зональность из- 39
менений величин Л КО. Вхождение в структуру шпинели N1 приводит к образованию собственной минеральной фазы — треворита (установлен рентгенографическим фазовым анализом), что на томограммах фиксируется как сильнопоглощающие участки размером 10—30 мкм.
Особенности минерального состава, выявленные методом РТ, позволяют говорить о неэффективности глубокого обогащения. Целесообразно использовать химические методы, принимая во внимание гетерогенное строение основных рудных фаз и их агрегатов, характер их распределения и морфоструктур-ные характеристики.
Никельсодержащие шлаки, полученные после электроплавки силикатного никелевого сырья, были представлены обломками стекла (95 %) серого, серо-черного и зеленовато-серого цвета, размером 1—2 мм, в которых неравномерно распределены рудные фазы (3 %); иногда в стекле наблюдались зерна кварца, хлорита и талька. По данным химического анализа, содержание никеля в пробе — 0,16 %, кобальта — 0,031 %, железа — 16,42 %. РТ-исследование характера распределения основных техногенных фаз проведено на обломках стекла крупностью ~1 мм, строение основной рудной фазы — на агрегатах, выделенных из магнитной фракции.
В стекловатой визуально однородной матрице (аэ/А10С ~1.57— 1.72) установлены сильнопоглощающие фазы (аэ/А10С 2.71 —2.86 и 3.43) в виде округлых выделений размером 110—120 мкм, их количество не превышает 2—3 % (рис. 2-1). Размер внутренней зоны — 50 мкм, внешней — 20 мкм. С учетом минералогического изучения внутренняя зона — тре-ворит-магнезиоферрит, в различной степени замещенный промежуточными фазами оксидов железа (внешняя зона).
Агрегат треворит-магнезиофер-ритового состава (рис. 2-2), состоит из нескольких минеральных фаз, отличающихся в основном содержанием железа. ЛКО (аэ/А10С) основной полезной фазы, представленной магнезиоферритом (~3.40), почти в 3 раза выше, чем у стекловатой матрицы (1.57—1.72) и стекла (0.7—0.9), предположено присутствие металлической фазы (N1, аэ/А10С= 20.02). В магнезиоферрите присутствуют фазы, обладающие большим значением (ЛКО, идентифицированные
Рис. 1. Металлургический железосодержащий шлак (1, 2) и зерна магнетита из него 1.5 х 2 мм (3), ^РТ; здесь и далее А— обработка томограммы по системе «TomAnalysis», Б — гистограмма соотношения фаз, %: оливин — оранжевое, две фазы магнетита (эвтектические колонии) — голубое и красное, две фазы треворита — коричневое и малиновое, никель в треворите — розовое; на рис. 1-3а и 1-3б, магнетит — красное и бордовое
Fig. 1. Industrial ferrous slag (1, 2) and magnetite grains from it, 1.5 x 2 mm (3) ^RT; hereinafter A — processing by tomography system «TomAnalysis», Б — histogram of phase ratio, %: olivine — orange, two phases of magnetite (eutectic colonies) — blue and red, two phases of trevorite — brown and crimson, nickel in trevorite — pink;
Fig.1^ и 1-3б, magnetite — red and burgundy
Рис. 2. Никельсодержащие шлаки, ^РТ: осколок стекла размером 2.0 мм черного цвета с двойной фазой треворит-магнезиоферрита в ореоле оксидов железа (1) и агрегат треворита буро-коричневого цвета 1.2 мм (2): матрица, стекло — зеленое, магнезиоферрит — коричневое, треворит — красное Fig. 2. Nickel slags, ^RT: fragment of black glass 2.0 mm with double phase trevorite-magnesioferrite in a halo of iron oxides (1) and brown trevorite aggregate 1.2 mm (2): matrix, glass — green, magnesioferrite — brown, trevorite — red
Рис. 3. Окомкованные хвосты обогащения, цРТ, томограммы (1, 2) и графики распределения амплитуды Л1КО через индивиды металла (3): микропоры — серое, гипс — голубое, кварц — желтое, пирит — лососевое, сфалерит — коричневое, халькопирит — синее, фаза металла — малиновое Fig. 3. Pelletized tailings, ^RT, tomography (1, 2) and amplitude of LAC distribution through metal individuals (3): micropores — gray, gypsum — blue, quartz — yellow, pyrite — salmon, sphalerite — brown, chalcopyrite — dark blue, metal phase — crimson
как треворит (~4.30); отмечаются промежуточные фазы оксидов железа, образовавшиеся в результате замещения основной рудной фазы.
Методом РТ установлены характер распределения и размер рудных техногенных фаз в никельсодержа-щих шлаках, выявлено гетерогенное строение основной рудной фазы, обусловленное присутствием нескольких железистых фаз в рудных агрегатах треворит-магнезиоферритового состава. РТ на начальном этапе исследований позволил выявить характер распределения основных полезных фаз в шлакообразующей массе.
Окомкованные хвосты обогащения. С целью определения полноты извлечения полезных фаз металлов были исследованы окомкованные хвосты (окатыши) обогащения колчеданных руд, предназначенные для закладки в отработанное пространство горных выработок с целью их рекультивации.
Установлено, что на томограммах (рис. 3) окатыши проявляют по-рошковатую, пятнистую текстуру и мелкокристаллическую структуру, сформированы 5—6 минеральными фазами размером не более 150 мкм. Основная масса окатышей сформирована кварцем и тонкокристаллическим пиритом, в ней достаточно равномерно распределены кристаллы сфалерита и халькопирита размером 80—120 мкм, отмечаются пятнистые участки с мелкими кавернами, выполненными гипсом. В весьма незначительном количестве (<0,02 %) установлены обособленные фазы размером 120 х 150 мкм, по величине ЛКО (аэ/А10С) ~15.0 это металлическая медь (рис. 3-2).
Рис. 4. Лежалые хвосты обогащения, ^РТ, обломки руды 1х1.5 см (1, 2), и зерна из продуктов магнитной сепарации —0.25+0.5 мм (3,4): слоистые алюмосиликаты — голубое, кварц — желтое, полевые шпаты+карбонаты — зеленое, гидроксиды Fe (гетит) — оранжевое, гематит+мартит — коричневое, магнетит-II — синее, магнетит-
I — малиновое Fig. 4. Old tailings, ^RT, fragments of ore 1x1,5 cm (1, 2), and grain from products of magnetic separation —0.25+0.5 mm (3, 4): layered aluminosilicates — blue, quartz — yellow, feldspars + carbonates — green, Fe hydroxides (goethite) — orange, hematite + martite - brown, magnetite-II — dark blue, magnetite-I — crimson
Окатыши могут быть использованы для рекультивации, поскольку полезные минералы извлечены, их остаточные содержания не превышают допустимые, присутствие токсичных минеральных фаз не выявлено.
Хвосты обогащения. Исследование лежалых хвостов обогащения железорудной фабрики выполнено с целью определения возможности их использования в качестве сырья для извлечения железа и других полезных элементов. Пробы получены с двух участков хвостохранилища железорудной фабрики: пляжной зоны и отстойника осветленных вод. Макроскопически материал обеих проб выглядел достаточно однородным.
Хвосты пляжной зоны — рыхлый землистый материал песчано-пылеватой фракции буро-коричневого, охристо-коричневого цвета, в котором присутствуют комковатые пористые агрегаты (~40 %) размером от 5 до 20—30 мм с бело-кремовыми вкраплениями размером 0.1—0.5 мм, а также кристаллы (~30 %), черного, коричневато-черного цвета с металлическим блеском размером 0.01— 0.3 мм, форма которых близка к ок-таэдрической, характерной для магнетита, и прозрачные, полупрозрачные кристаллы кварца и их обломки размером до 0.5 мм.
Хвосты пруда отстойника представляют собой достаточно плотные куски и плоские обломки, сформированные илистой фракцией, также буро-коричневого, охристо-коричневого цвета, тонкослоистой текстуры. В них присутствуют беловатые, кремоватые, неравномерно распределенные точечные вкрапления размером 0.1—0.5 мм
По данным химического анализа, в хвостах преобладали оксиды кремния (БЮ2 от 37 до 70 %), железа (Ре2О3 8—38.5 %) и алюминия (А12О3 3-17.5 %); меньше СаО (0.4 -3.14 %.), К2О (до 2.21 %) и №2О (<1,0 %). Главный полезный компонент хвостов — железо, которое входит в состав рудных фаз минералов группы шпинели (магнетит-хромит), маггемита, гетита, гидрогетита. Микроэлементы в хвостах — серебро, марганец, титан с содержанием порядка 0.1— 1 %. В интервале концентраций 0.0п % присутствуют Аз, Ва, Со, Си, V, ^п; а 0.001—0.01 % — Сг, N1, РЬ.
РТ-исследование выполнено на исходных пробах хвостов и продуктах их обогащения (магнитной се-
парации), из которых предварительно минералогом были отобраны отдельные зерна и обломки магнетита. На томограммах (рис. 4) четко фиксируется пятнистое, каемчатое сложение хвостов обеих проб, имеющее явно вторичное происхождение, связанное с техногенными процессами.
В лежалых хвостах присутствует от 7 до 12 фаз, из них 4—6 рудные. Металлических фаз, в т. ч. благородных металлов (Аи, Ag) не установлено. Зерна характеризуются сложными срастаниями техногенных фаз, что определяет их текстурный рисунок. Рудные минералы составляют менее 40 %: это магнетит (присутствует в виде двух разновидностей), гематит, гетит, гидрогетит. Из нерудных минералов присутствуют кварц, слоистые алюмосиликаты, полевые шпаты и карбонаты. В отличие от хвостов пруда-отстойника в хвостах пляжной зоны меньше содержание гидроксидов железа (до 18 %) и крупность зерен и агрегатов магнетита.
Магнетит магнитной фракции обеих проб имеет близкие характеристики. По данным РТ, в классах крупности менее 0.5 мм он не образует агрегатов и практически однороден. В ряде случаев единичные кристаллы магнетита с наиболее сглаженными очертаниями имели на поверхности сплошную пленку окисления толщиной 0.05—0.25 мм. По величинам ЛКО выделено две разновидности магнетита: с аэ/А10С в интервалах 4.3—4.8 и 5.1—5.9. Практически во всех исследованных зернах магнетита установлены локальные участки с повышенными значениями ЛКО аэ/А10С= 6.4—7.0, связанные, вероятно, с изоморфным вхождением в структуру магнетита кобальта и никеля.
Сходство, по данным РТ, минерального состава и текстурно-структурного рисунка обеих проб позволяет дать прогноз, что возможна совместная вторичная переработка лежалых хвостов пляжной зоны и пруда-отстойника физическими методами с целью извлечения железа.
Заключение
Изображения томограмм визуализируют размеры и характер распределения фаз, что позволяет оперативно получать данные о морф о -структурных особенностях полезных фаз, по которым можно прогнозировать качество, свойства сырья и его поведение в технологических про-
цессах.
Использование РТ в комплексе физических методов, в частности для исследования отходов металлургического производства - техногенного минерального сырья, позволяет быстро и эффективно проводить прогнозную минералого-технологи-ческую оценку: выявлять фазовую неоднородность, характер распределения и размер рудных техногенных фаз, их количество в шлакообразу-ющей массе, устанавливать присутствие полезных фаз, давать прогнозную оценку возможности вовлечения их во вторичную переработку или их утилизации.
Литература
1. Майорова Т. П., Стаценко Е. О., Трифонов А. А., Нестеренко Г. В. Рентгеновская микротомография и автоэмиссионная электронная микроскопия — новые возможности изучения высокодисперсных золотых руд // Вестник ИГ Коми НЦ УрО РАН. 2013. № 11. С. 34-38.
2. Жукова В. Е., Целюк Д. И., Ожогина Е. Г., Целюк И. Н. Минералогические особенности магнетита лежалых хвостов горно-рудного производства Красноярского края // Разведка и охрана недр. 2012. № 6. С. 58-60.
3. Ожогина Е. Г., Горбатова Е. А. Особенности морфоструктурного состава отходов обогащения колчеданных руд Южного Урала // Разведка и охрана недр. 2013. № 7. С. 38-42.
4. Ожогина Е. Г., Якушина О. А., Иоспа А. В. Особенности минералогического изучения руд // ГИАБ. 2014. № 3. С. 300-303.
5. Якушина О. А., Ожогина Е. Г., Хозяинов М. С. Рентгеновская томография — неразрушающий метод структурного и фазового анализа // Мир измерений. 2003. № 10. С. 12-17.
6. Veerle C., Boone M. Highresolution X-ray СТ in geosciences: a review of the current technology and applications // Earth-Science Reviews / Elsevier, 2013. Vol. 123. PP. 1-17.
References
1. Mayorc^ T. P., Statsenko E. O., Trifonov A. A., Nesterenko G. V. Rentgenovskaya microtomographiya i au-toemissionnaya electronaya microscopiya - novie vozmozhnosti izucheniya visiko-
dispersnikh zolotix rud (X-ray microCT and emission electron microscopy are new opportunity in the fine gold ores study) // Bulletin IG Komi Science Centre. 2013. No 11. pp. 34-38.
2. Zhukova V. Eu., Tselyuk D. I., Ozhogona E. G., Tselyuk I. N. Mineralogicheskie osobennosti magnetita lezalich chvostov gornorudno-go proizvodstva Krasnoyarskogo kra-ya (Mineralogical features of magnetite from mining industry shop-soiled tailings, Krasnoyarsk area) // Prospect and Protection of mineral resources. 2012. No 6. pp. 58-60. mineral matter (Geomaterials) morphostructural analysis on X-ray Computed Tomography images
3. Ozhogona E. G., Gorbatova E. A. Osobennosti morphostructurnogo sostava otkhodov obogascheniya kilchedannich rud Juzhnogo Urala (Morphostructural composition features of pyrite ores tailings, the Southern Urals // Prospect and Protection of mineral resources. 2013. № 7. pp. 38-42.
4. Ozhogona E. G., Yakushina O. A., Iosha A. V. Osobennosti mineral-ogicheskogo izachenioya rud (Features of Ores mineralogical study) // Mining information-analytical Bulletin, GIAB. 2014. No 3. pp. 300-303.
5. Yakushina O. A., Ozhogona E. G., Khozyainov M. S. Rentgenovskaya tomographiya — nerazrushajucshii metod
structurnogo i fazovogo analiza (X-ray Tomography is a nondestructive method of structural and phase analysis) // World of Measurements. 2003. No 10. pp. 12-17.
6. Veerle C., Boone M. Highresolution X-ray CT in geosciences: a review of the current technology and applications // Earth-Science Reviews / Elsevier, 2013. V. 123. pp. 1-17.
PeaeH3eHT a. r.- m. h. O. E. KoTOBa
