CC BY
115
УДК 549.622
МИНЕРАЛОГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД
СЕРОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Е. М. Сорокин, Ю. М. Астахова, И. Г. Быстров, М. В. Иванова, Е. Г. Ожогина,
В. В. Ружицкий, О. А. Якушина ФГУП «ВИМС», Москва egorgeohim@ya.ru
В настоящее время минерально-сырьевая база железа представлена рудами невысокого качества. Поэтому важной задачей является разработка эффективных, безотходных технологий переработки железных руд. Эффективность технологического передела железных руд базируется на максимально полной информации об их вещественном составе.
Серовское месторождение бобово-конгломератовых железных и охристых железо-никелевых руд приурочено к Заморайской мезозойско-кайнозойской депрессии. На месторождении выделяется два типа железных руд: охристый и бобово-конгломератовый, которые послужили объектом исследования.
Минералогические особенности охристых и бобово-конгломератовых железных руд Серовского месторождения позволяют отнести их к одному технологическому типу. Природная дезинтеграция руд, преобладание в них тонкодисперсного материала существенно гётитового состава, тесно ассоциирующего с глинистыми минералами, присутствие железосодержащего хлорита, тесные срастания рудных минералов как между собой, так и с породообразующими фазами, нивелирующие технологические свойства конкретных минералов негативно скажутся на обогащении руд физическими методами.
Текстурно-структурные особенности руды в целом (высокая дисперсность подавляющей части руды, неоднородность, сложные взаимоотношения минералов, обусловленные развитием вторичных текстур и структур, наличие трещин усыхания и пр.) могут быть благоприятными для химического обогащения.
Ключевые слова: Охристые руды, бобово-конгломератовые руды, текстурно-структурные особенности, технологические свойства, гётит, каолинит.
MINERALOGICAL AND TECHNOLOGICAL CHARACTERISTICS OF IRON ORE
FROM SEROVSKOE DEPOSITS
E. M. Sorokin, J. M. Astakhova, I. G. Bystrov, M. V. Ivanova, E. G. Ozhogina, V. V. Ruzhitskiy, O. A. Yakushina FSUE «VIMS», Moscow
Now, iron resource base is of low quality. Therefore, it is important to develop an effective, waste-free processing technologies of ferrous ores. Technological conversion efficiency of ferrous ores is based on the most complete information on their material composition.
The Serovskoe deposit of legume-conglomerate of ferrous ocher and iron-nickel ores is confined to the Mesozoic-Cenozoic Zamorayskaya depression. There are two types of ferrous ores, ocher and legume-conglomerate, which have been studied.
We used the following methods: optical microscopy (stereomicroscope Leica MZ 12.5 and light microscope Leica DMRX, Germany), X-ray phase analysis (X'Pert PRO, Netherlands), X-ray tomography (BT-1 "Geotom" Prominto, Russia), scanning electron microscopy (Tesla — 301B, Slovakia), microprobe analysis (Jeol JXA-8100, Japan).
We may relate both ocher and legume-conglomerate Serovskoe ferrous ores deposits to one technological type by their mineralogical features. Natural disintegration of the ores, the prevalence of goethite fine material in close association with clay minerals, the presence of iron-containing chlorite, ore minerals close fusion, both among themselves and with the rock-forming phases, leveling the technological properties of specific minerals, adversely affect their dressing by physical methods .
General textural and structural characteristics of the ores (high dispersion of the overwhelming majority of the ore, heterogeneity, complex relationships of minerals due to the development of secondary textures and structures, desiccation cracks, etc.) favor the chemical enrichment methods.
Keywords: Ocher ores, legume-conglomerate ores, textural and structural features, technological properties, goethite, kaolinite
Введение
На сегодняшний день Россия обладает значительными прогнозными ресурсами железных руд. Однако в настоящее время минерально-сырьевая база железа представлена рудами невысокого качества [1], требующими дорогостоящих комбинированных технологий переработки. Поэтому важной задачей
является разработка эффективных, безотходных технологий переработки железных руд.
В связи с этим резко возрастает роль минералогических исследований, позволяющих с минимальными затратами выявлять и изучать особенности состава и строения исходных руд, их технологические свойства и, следовательно, прогнозировать
методы переработки и качество ожидаемых продуктов.
Объект и методы исследования
Серовское месторождение бо-бово-конгломератовых железных и охристых железо-никелевых руд расположено в 15 км к северо-западу от города Серов и приурочено
*
Vestnck IG Komi SC UB RAS, January, 2015, № 1
1fl мм
Рис. 1. Рентгенотомография руды Серовского месторождения:. А — томограмма,
Б — обработка по системе ТошЛпа1у818, В — гистограмма соотношений фаз. Породообразующие минералы: кварц + опал — голубое; каолинит — желтое; рудные минералы: гетит, гидрогетит — оранжевое; гематит 2-х разновидностей — светло-коричневое, коричневое; магнетит 2-х разновидностей — синее, малиновое (хорошо
окристаллизованный)
к Заморайской мезозойско-кайнозойской депрессии, ограниченной с востока серпентинитовым массивом. В геологическом строении месторождения принимают участие породы палеозойского, мезозойского и кайнозойского возраста [2].
Таким образом выделяются два типа железных руд: охристый и бо-бово-конгломератовый. Из них были сформированы две технологические пробы, которые послужили объектом исследования.
Минералогическое изучение железных руд и продуктов их обогащения проводилось комплексом физических методов: оптической микроскопией (стерео-микроскоп высшего класса Leica MZ 12.5 и световой микроскоп Leica DMRX, Германия), рентгенографическим фазовым анализом (рентгеновский дифрактометр X'Pert PRO, Нидерланды), рентгеновской томографией (микротомограф ВТ-1«Геотом», Проминто, Россия), растровой электронной микроскопией (растровый электронный микроскоп Tesla — 301B, Словакия), микрорентгено спектральным анализом (Jeol JXA-8100, Япония).
Результаты и их обсуждение
Охристая руда представляет собой рыхлый и слабоуплотненный материал, значительно реже отмечаются плотные разности. Текстура руды — землистая, порошковатая, пятнистая, вкрапленная, а структура — скрытокристаллическая, метакол-лоидная (рис. 1).
Руда относится к гематит-маг-нетит-гетитовому минеральному типу. Главными рудными минералами являются гетит и магнетит, в подчинённом количестве присутствует гематит. К второстепенным рудным минералам относятся хромшпине-лид и оксиды марганца, представленные минералами группы псило-мелана. Породообразующие минералы — каолинит и кварц, в резко подчиненном количестве присутствует опал. В руде обнаружены кальцит, сидерит, шамозит, бертьерин и монтмориллонит (нонтронит), присутствующие в весьма незначительных количествах и идентифицируемые в основном в продуктах обогащения.
Гётит (40 %) количественно преобладает и представлен моно- и полиминеральными агрегатами. Причём в мономинераль-
ных агрегатах отмечается примесь магнетита и гематита, в полиминеральных — гидрогётита, каолинита. Полиминеральные агрегаты доминируют и являются основной массой руды. Выявить индивидуализированные минералы удаётся только электронно-микроскопическими исследованиями. Гётит представлен двумя разновидностями: скры-токристаллической метаколлоид-ной (I) и микрокристаллической (II) (рис. 2).
ГётитI тесно ассоциирует с тонкодисперсным каолинитом, размер зёрен которого составляет порядка 1 мкм. В агрегатах гётита энергодисперсионным анализом установлена примесь кремнезёма и глинозёма (20-30 %).
Гётит II образует полиминеральные агрегаты, включающие каолинит в изменяющихся количествах. Зерна гетита имеют чешуйчатую, пластинчатую, призматическую, столбчатую форму. Микрорентгеноспектральным анализом в гётите выявлено переменное содержание железа (42.96— 50.43 %). В гётитовых агрегатах присутствуют марганец, никель, фосфор, хром и кальций. Марганец (1.61—5.04 %) и хром (0.19—0.55 %) образуют собственные минеральные формы (псиломелан и хромшпине-лид), преимущественно микро-и на-нометрической размерности, каль-цийсодержащие минералы (кальцит, сидерит и монтмориллонит) присутствуют в виде тонкой механической примеси в рудных агрегатах. В гетите отмечается никель (0.24— 0.66 %) и очень редко кобальт (0.49— 0.66 %). Собственные минеральные фазы этих металлов не обнаружены. Вероятно, руды являются при-родно-легированными никелем, кобальтом.
Магнетит (17 %) представлен в основном зернами панидиомор-фной, ксеноморфной формы, реже отмечаются идиоморфные кристаллы октаэдрического габитуса, неравномерно распределенные в руде. Размер зёрен магнетита варьирует в широких переделах. Магнетит неравномерно гематитизирован и иногда гетитизирован. В большинстве случаев процесс мартитизации начинается с периферии зерен магнетита и носит прерывистый характер, но явных закономерностей в этом процессе не наблюдается. Мартитизация обуславливает неод-
Рис. 2. Микрофотографии. Гелеподобные агрегаты гетита (А) и кристаллически-зернистые агрегаты гетита (Б). РЭМ
нородность зерен магнетита, влияет на его магнитные свойства и, как следствие, на поведение руды в технологическом процессе. По данным мессбауэровской спектроскопии, содержание железа в магнетите колеблется от 69.45 до 71.86 %, структурной примесью в нем является магний (0.26-1.47 %).
Гематит (8 %) в большинстве своем встречается в виде полиминеральных рудных агрегатов (сростков), образовавшихся в результате замещения им магнетита. Но иногда встречаются индивидуализированные зерна гематита таблитчатой и пластинчатой форм.
Хромшпинелид (1%) распространен в руде неравномерно и представлен, по данным рентгенографического анализа, магний-железосодержащим видом - хромпикотитом. Он присутствует в виде фрагментов кристаллов остроугольной формы, панидиоморфных зерен. Размер зерен изменяется от первых миллиметров до 0.25 мм. Содержание хрома в хромпикотите варьирует от 26.82 до 39.41 %, содержание магния — 5.03— 5.56 %, а железа - 17.05—19.05 %. В хромшпинелиде практически всегда присутствуют механические примеси псиломелана и каолинита.
Каолинит (18 %) — главный породообразующий минерал — присутствует в тесной ассоциации с ги-дроксидами железа, формирует матрицу руды. Тонкодисперсный глинистый материал сформирован кристаллами каолинита столбчатой, пластинчатой, чешуйчатой формы размером менее 0.005 мм. Иногда отмечаются изогнутые червеобразные выделения, состоящие из плотно
прилегающих кристаллов. Каолинит формирует также мономинеральные агрегаты, но их размер (<10мкм) не позволяет с помощью микрорентге-носпектрального анализа установить химический состав. В агрегатах наблюдается довольно высокое (2—5 %) содержание железа за счет примеси гидроксидов железа (рис. 3).
Рентгенографическим и электронно-микроскопическим методами в тонкодисперсных железо-глинистых агрегатах были обнаружены шамозит и монтмориллонит (нонтронит). Шамозит (железистый хлорит) встречается в виде выделе -ний, сформированных пластинчатыми и таблитчатыми кристаллами размером менее 0.005 мм в тесной ассоциации с нонтронитом (Бе-монтмориллонитом), образующим опаловидные массы, в которых иногда прослеживается индивидуализация зерен облаковидной формы. Железосодержащие глинистые минералы будут концентрироваться в тонких классах руды в немагнитных фракциях, и с ними будут связаны потери железа. Кварц присутствует в виде обломков полуокатанной формы алевритовой размерности и в виде полупрозрачных зерен неправильной, в основном угловатой формы. Обломочный кварц четко приурочен к каолинит-гетит-гидрогети-товым агрегатам.
Минералогический прогноз обогатимости охристой руды подтвержден технологическими испытаниями.
Гранулометрическим анализом установлено, что выход тонких классов -0.44+0 мм составляет 52.8 %.
Шламы на 41.5 % представлены материалом крупностью -0.01 мм, то есть имеют практически необога-щаемую крупность, при этом потери Беобщ, Сг и N1 составляют 18.9, 12.6 и 32.6 % соответственно. Для характеристики состава исходной руды крупностью -0.044+0 мм был применен дисперсионный анализ. Минералогическое изучение продуктов показало, что состав фракций различной крупности (-0.044+0 мм) одинаковый, однако он отличается количественным соотношением минералов. В материале крупностью менее 0.044 мм прослеживается типичная для рыхлых охристых железных руд тенденция незначительного увеличения количества породообразующих минералов и соответственно уменьшение доли рудных минералов за исключением гетита, содержание которого увеличивается в более тонком материале [3].
Тесное срастание каолинита с гидроксидами железа негативно влияет на технологические свойства охристых руд. Присутствие шамозита, бертьерина и монтмориллонита (нонтронит) может привести к потере железа в тонких классах и немагнитных фракциях охристых руд.
Бобово-конгломератовая руда в целом представлена конгломератами, сформированными преимущественно окатанными и полуокатанными обломками (бобовинами) и их фрагментами, реже галькой, сцементированными гидроксида-ми железа и глинистым материалом. Неравномерное распределение обломочного материала и различная интенсивность окраски обусловили пятнистую текстуру руды.
Рис. 3. А — червеобразные выделения каолинита, сформированные кристаллами столбчатой, чешуйчатой, пластинчатой формы;
Б — каолинит таблитчатой формы. РЭМ
Иногда встречаются землистые руды, которые в различной степени литифицированы — от рыхлых до плотных. Структура руды псефито-вая. Тип цемента преимущественно базальный, по составу полиминеральный. Структура цемента псевдоаморфная. Первичные текстуры руды — бобовая и псевдоолитовая, первичные структуры — скрыто-кристаллическая и метаколлоид-ная, реже тонкокристаллическая. Вторичные текстуры — корковая, плёночная, каёмчатая, прожилко-вая. Вторичные структуры относятся к категории замещения: реликтовая, структура разъедания, решётчатая и другие (рис. 4).
Крупные (более 10 мм) обломки конгломератов представляют собой преимущественно гётитовые гальки, плотные обломки руды существенно гётитового состава с переменным количеством гематита и магнетита, бобовины магнетита и неравномерно распределенные породообразующие минералы. В материале крупностью — 10+1 мм происходит частичное раскрытие минеральных агрегатов. Присутствуют полиминеральные существенно гётитовые агрегаты, фрагменты магнетитовых и гематит-магнетитовых конгломератов, обломки серпентинитов, маг-нетитовые бобовины. Более тонкий материал (—1+0.1мм) состоит из рудных и породообразующих агрегатов, реже присутствуют полиминеральные агрегаты с преобладанием гидроксидов железа. На долю самого тонкого класса (—0.1мм) приходится 30 % руды, он представлен «свобод-
ными» зёрнами и агрегатами рудных и породообразующих минералов.
По минеральному составу руда относится к гематит-гетитовому типу. Главными рудными минералами являются гетит и гематит, второстепенными — магнетит, хромшпине-лид, пирит, а также сидерит. В руде и продуктах ее обогащения обнаружены халькопирит, гидроксиды марганца, тальк, гиббсит , монтмориллонит, кальцит, циркон.
Гётит и гидрогётит присутствуют в тесной ассоциации друг с другом, что затрудняет их разделение. Агрегаты гётита и гидрогётита почти целиком слагают цемент конгломератов (рис. 5), имеют различную степень литификации.
Гётитом сложены гальки с резко подчинённым количеством других минералов. Иногда отмечается раскристаллизация минерала с по-
явлением элементов тонкокристаллического строения. Гётит галек характеризуется более высоким содержанием железа (58—60 %), чем гётит в цементе породы (56—58 %). Содержание хрома в гетите достигает 2.5 %. Присутствует он в виде хромшпинелида, образующего тонкие механические включения. Никель также встречается в гетите галек, в цементирующем материале он отмечается не всегда. Постоянное присутствие алюминия, кремния, иногда магния связано с механическими включениями породообразующих минералов.
Гематит представлен двумя разновидностями: скрытокристалличе-ской, тонко- и мелкокристаллической, распределенными в руде неравномерно. В бобовинах и гальках гематит в различной степени замещает магнетит. Полная мартитиза-
Рис. 4. Рентгенотомография бобово-конгломератовой железной руды Серовского месторождения: А — томограмма, Б — обработка по программе ТошЛпа1у818. Породообразующие минералы: кварц, опал, халцедон — голубое, слоистые алюмо-селикаты — желтое; рудные минералы: гетит, гидрогетит — оранжевое, гематит 2-х разновидностей — светло-коричневое, коричневое; магнетит 2-х разновидностей -синее, малиновое (хорошо окристализованный)
Рис. 5. Рудные бобы, сцементированные гетитом волокнистого микростроения с примесью слоистых силикатов. РЭМ
ция происходит по периферии бобо-вин, а в их центральных частях распространена неравномерно. В целом мартитизация проявлена не одинаково. По периферии бобовин образуется либо тонкая кайма, либо только пятнистая вкрапленность. В цементе гематит развит неравномерно и надёжно идентифицируется электронно-микроскопическими исследованиями. Форма зёрен гематита таблитчатая и пластинчатая. Гематит отличается низким содержанием железа за счёт включения породообразующих фаз. Максимальное содержание железа (65 %) отмечается в кристаллически зернистом гематите. В нем также присутствуют хром (до 5.6 % Сг203) и иногда титан (до 1.45 % ТЮ2).
Магнетит распределён в руде неравномерно, в резко подчинённом количестве, отмечается в рудных гальках существенно гётитового состава в виде вкрапленности различного типа. В основном магнетит сосредоточен в рудных бобовинах различного размера и форм. Основная масса бобовин подвержена незначительной раскристаллизации, вследствие чего магнетитовые метаколло-идные агрегаты приобретают скрыто- и мелкокристаллическую структуру. Содержание железа в агрегатах существенно магнетитового состава составляет 56—58 %, что обусловлено значительной примесью других минералов. Непосредственно в магнетите содержится порядка 70 % железа, структурной примесью иногда является титан, количество которого может достигать 1.2 % (присутствие титана не повсеместно).
Хромшпинелид, представленный хромпикотитом, распределен в руде неравномерно. Присутствует в основном в виде обломков панидио-морфной, остроугольной, угловатой и частично огранённой формы размером от 0.006 до 2 мм. Встречается в виде механической примеси в минералах железа и серпентинита. Особый интерес представляют зерна хромпикотита, в различной степени окаймленного магнетитом или гематитом. Это приводит к повышенной удельной магнитной восприимчивости хромшпинелида и вследствие этого к обогащению им магнитной фракции.
Породообразующие минералы бобово-конгломератовых руд представлены серпентином, кварцем, сидеритом, каолинитом, шамозитом. Серпентин присутствует в виде обломков и агрегатов различных размеров и форм, а также в виде галек, неравномерно изменён; продуктами изменения являются гидрокси-ды железа и опал. Сидерит образует тонко- и скрытокристаллические агрегаты, замещающие кварц вплоть до полных псевдоморфоз. Сидерит также присутствует в цементе в виде гнёзд — идиоморфными, пластинчатыми и неправильной формы зёрнами, плотно прилегающими друг к другу. Каолинит тесно ассоциирует с гидроксидами железа, формирует цемент руды. Установлено, что тонкодисперсный глинистый материал сформирован кристаллами каолинита пластинчатой, чешуйчатой формы размером менее 0.005 мм. Шамозит распространен в руде крайне неравномерно, представлен тонко и мел-
кокристаллическими агрегатами, образующими достаточно крупные гнезда серо-зеленого и грязно-зеленого цвета, цементирующие обломки кварца и ассоциирующие с гиб-бситом (рис. 6).
Минералогические особенности бобово-конгломератовых руд являются неблагоприятными для обогащения. Методами глубокого обогащения, вероятно, удастся извлечь только часть рудных минералов, присутствующих в гальках, бобах и индивидуализированных зернах. При этом следует обратить внимание, что если рудные гальки в основном мономинеральные, то бобы отличаются различной степенью гетерогенности. Значительное количество рудных минералов, по-видимому, будет концентрироваться в хвостах. Учитывая высокую дисперсность цементирующей массы, тип цемента и его структурные особенности, можно предполагать, что значительное количество материала, в первую очередь гетит-гидрогетитового состава, будет сосредоточено в тонких классах руды.
Процесс неравномерной мар-титизации негативно влияет на магнитные свойства магнетита и приводит к снижению значения удельной магнитной восприимчивости магнетита. Неоднородность гематита приводит к понижению плотности и удельной магнитной восприимчивости рудных агрегатов, сформированных преимущественно гематитом. Образование каём магнетита вокруг зерен хромпикотита приводит к увеличению удельной магнитной восприимчивости хромпикотита
*
Vestncá IG Komi SC UB RAS, January, 2015, № 1
и cпocoбcтвyeт тралению ми- ции py^bix aгpeгaтoв в мaтepиaлe
нepaлa в мaгнитныx фpaкцияx. легких фpaкций. Mopфoлoгичecкиe
Пpиcyтcтвиe cepneнтинa в aipera- ocoбeннocти кpиcтaлличecки-зep-
тax cyщecтвeннo ^raTC^ra cocтaвa ниcтoгo cидepитa в цeлoм блaгo-
(цемент) cнижaeт их mo^oc^, чтo npиятнo влияют нa его pac^bi-
npивoдит к чacтичнoй кoнцeнтpa- тие. Oднaкo нaличиe кoppoзиoнныx
Рис. б. Meтaкoллoиднoe oбpaзoвaниe гидpoкcидoв жeлeзa (cлeвa), accoцииpyющee c шaмoзитoм глoбyляpнoгo микpocтpoeния. PЭM
Литература
1. Вторушин А. В., Журавлёва Н. А. Мезозойские железные руды Серовского района на Северном Урале. М.: Недра, 1967. 140 с.
2. Вторушин А. В., Егорова Н. А. Вещественный состав и происхождение хромистых железных руд Серовского района // Геология и полезные ископаемые Урала: Тр. Свердловского горного института им. В. В. Вахрушева. Свердловск: Свердловское книжн. изд-во, 1961. Вып. 38. С. 67—93.
3. Сорокин Е. М. Иванова М. В., Астахова Ю. М. Минералогические особенности охристой железной руды Серовского месторождения, влияющие на технологические свойства и обогатимость // Новое в познании про-
цессов pyfl006pa30BaHHa: MaTepaa^H ^eTBepTOH POCCHHCKOH Mo^o^ex. OKO^H c MexyHap. yqacTHeM. M.: HTEM PAH, 2014. C. 263-264.
References
1. Vtorushin A. V., Zhuravleva N. A. Mezozoiskie zheleznye rudy Serovskogo raiona na severnom Urale (Mesozoic ferrous ores of Serov region in Northern Urals). Moscow: Nedra, 1967, 140 pp.
2. Vtorushin A. V., Egorova N. A. Veschestvennyi sostav i proishozhdenie hromistyh zheleznyh rud Serovskogo raiona (Material composition and genesis of chrome ferrous ores of Serov region) // Geologiya i poleznye iskopaemye Urala: Trudy Sverdlovskogo gornogo instituta imeni V. V. Vahrusheva. Ed. 38, Sverdlovsk:
структур обусловливает тесные срастания сидерита и кварца, которые не могут быть раскрыты методами глубокого обогащения.
Заключение
Минералогические особенности охристых и бобово-конгломера-товых железных руд Серовского месторождения позволяют отнести их к одному технологическому типу.
Природная дезинтеграция руд, преобладание в них тонкодисперсного материала существенно гёти-тового (гидрогётитового) состава, тесно ассоциирующего с глинистыми минералами, присутствие железосодержащего хлорита, тесные срастания рудных минералов как между собой, так и с породообразующими фазами, нивелирующие физические (технологические) свойства конкретных минералов, негативно скажутся на обогащении руд физическими методами.
В то же время текстурно-структурные особенности руды в целом (высокая дисперсность подавляющей части руды, неоднородность, сложные взаимоотношения минералов, обусловленные развитием вторичных текстур и структур, наличие трещин усыхания и пр.) могут быть благоприятными для химического обогащения.
Sverdlovskoe knizhnoe izdatelstvo, 1961, pp. 67-93.
3. Sorokin E. M. Mineralogicheskie osobennosti ohristoi zheleznoi rudy Serovskogo mestorozhdeniya, vliyayuschie na tehnologicheskie svoistva i obogatimosti (Mineralogical features of ochreous ferrous ore of Serov deposit affecting technological features and renrichment)// Sorokin E. M. Ivanova M. V., Astaho va Yu. M. / Novoe v poznanii protsessov rudoobrazovaniya (New in ore formation study). Moscow: IGEM RAN, 2014. pp. 263-264.
PeöeH3eHTbi ä. r.-M. h. C. A. CßeTOB, K. r.-M. h. T. n. EyÔHOBa
