CC BY
83
УДК 669.721-112.054.79
Д-р геол.-мин. наук Л. С. Галецкий1, д-р геол. наук Е. А. Ремезова1, С. М. Лупинос2,
д-р хим. наук Д. В. Прутцков2, д-р техн. наук И. Ф. Червоный3
1 Институт геологических наук НАН Украины г Киев, 2ГП Государственный научно-исследовательский и проектный институт титана г Запорожье,3 Государственная инженерная академия, г Запорожье
О ВОЗМОЖНОСТИ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ТАЛЬКО-МАГНЕЗИТОВ УКРАИНЫ (НА ПРИМЕРЕ ВЕСЕЛЯНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ)
Рассмотрены расположение, геологическая структура и минералогический состав Веселянского месторождения талько-магнезитов и серпентинитов, дана оценка запасов месторождения Приведены результаты разработки высокоэффективной технологии производства магния из магнезита, рассмотрены возможные направления комплексного вовлечения руд месторождения в промышленное производство. Показана целесообразность ревизии месторождений магнезита Украины и постановки разведки на наиболее перспективных из них.
Ключевые слова: порода, железо-кремнистая формация, талько-магнезит, серпентинит кабонатизитрованный, брейнерит, технология, скорость хлорирования, хлормагниевый расплав.
Введение
В настоящее время Украина практически не имеет собственной развитой минерально-сырьевой базы магния и свои потребности в этом сырье удовлетворяет за счет импорта магнезита из России, Китая, Словакии и Турции (до 500 тыс. т в год). Вместе с тем, недра Украины имеют значительный потенциал магнезиальных руд (до 8-10 % мировых запасов). В работах [1-3, 5, 6] были рассмотрены вопросы геологического строения Правдинского и других месторождений и рудо-проявлений, сделана их геолош-экономическая оценка и указаны перспективы их использования. В работе [7] проведен детальный анализ минерально-сырьевой базы талько-магнезитов Украины и сделан вывод о том, что настоящее ее состояние, масштабы и ресурсы не отвечают современным экономическим требованиям. Месторождения магнезитов изучались в 50-60-е годы XX в., но сегодня, в связи с развитием современных технологий, существенно изменились требования к добываемому сырью. Поэтому необходимо провести переоценку всей минерально-сырьевой базы. В статье [5] дана оценка запасов месторождений, рассмотрены возможные направления вовлечения руд в промышленное производство. Проблема комплексного использования руд Капитановского рудного поля освещена в [4].
Материалы и методика исследований
В процессе работы нами изучены фондовые материалы ГНПП «Геоинформ» (описания керна скважин, картографические материалы, геологические разрезы, результаты химических анализов пород и руд, описания шлифов), на основе которых с помощью геологических, минералогических и петрографических мето-
дов проведен комплексный анализ перспективности месторождений магнезитов.
Исследование процесса получения хлормагниевых расплавов из магнезита осуществлено на лабораторной, экспериментальной и пилотной установках с применением и разработкой современных физико-хими-ческих методов анализа механизма и кинетики процесса, исходных и получаемых технологических продуктов.
Теория и анализ полученных результатов
В Украине известны два месторождения талько-магнезитов Правдинское и В е селянское, а также ряд перспективных проявлений. Веселянское месторождение талько-магнезитов открыто в 1952-1955 гт и локализуется в 15 км к юго-востоку от железнодорожной станции Фисаки, на левом склоне реки Конка, близ с. Веселянка Запорожского района Запорожской области в 25 км от г Запорожья, на автостраде Москва -Симферополь. Район расположения месторождения сложен кристаллическими сланцами докембрия (серпентинитами, тальк-карбонатными, тальк-хлоритовы-ми, хлорит-амфиболовыми породами). Изучаемый объект представлен тремя разъединенными между собой круто падающими (70... 80°) залежами, вмещающими линзы и прослойки серпентинитов (рис. 1).
Первая залежь имеет форму линзовиднош тела, вытянутого в широтном направлении. Она прослеживается по простиранию на 600 м при мощности от 50 к 100 м; на глубину залежь прослеживается до 100 м. Породы залежи на севере перекрываются хлоритовыми и кварц-хлоритовыми сланцами. В южной части
© Л. С. Галецкий, Е. А. Ремезова, С. М. Лупинос, Д. В. Прутцков, И. Ф. Червоный, 2012 100
SI
VU
■ ■
Л я
V» «TS „^
- серицит-кварцевые сланцы, сланцевые кератофиры, метапесчаники
- тальк-карбонатные породы
- амфиболиты, амфиболовы, хлорит-эпидот-альбитовые сланцы (зеленокаменные пропилитизованные породы)
X X
X X X.
хлориты
- альбититы
актинолититы
<-> о о vre
- кварцевые кератофиры - линия разреза
Рис. 1. Схематическая геологическая карта Веселянского месторождения талько-карбонатных пород
прослеживается контакт и переслаивание талько-маг-незитовых пород с амфиболитами и актинолитовыми сланцами. Встречаются граниты, которые в виде жил вскрывают породы железистой формации. Залежь талько-магнезитов содержит прослойки хлоритовых, биотитових и биотит-хлорито-тальковых сланцев мощностью 0,2... 2,0 м.
Вторая залежь более мощная и расположена к юго-востоку от первой на расстоянии 250 м. Простирание залежи широтное, но через 80 м оно резко меняется на северо-западное. Залежь прослежена на 1280 м и на глубину до 100 м, мощность ее составляет 75-180 м. Падение залежи крутое на северо-восток под углом 75... 80°. В зоне залежи встречаются розовые жильные граниты. Талько-магнезиты имеют следующий минеральный состав (%): магнезит - 24-63, тальк -16-48 %, серпентин - 3,0-30, магнетит - 3,0-8,0 %. Выявлены прожилки благородного зеленовато-голубо-го талька мощностью 5-20 см.
Третья залежь прослежена на 500 м при мощности до 100 м. Она имеет субширотное простирание и падение под углом 80... 85°. Установлено присутствие чистого талько-магнезита, состоящего из одинаковых количеств талька и магнезита, а также талько-серпен-тинит-магнезита, в котором тальк играет второстепенную роль, а основными минералами является брейне-рит и серпентин (антигорит). Магнезит находится в переменном количестве и преобладает над антигори-том [7].
Наиболее распространенная разновидность таль-ко-магнезита - зеленовато-серая порода, плотная, жирная на ощупь, пористая, грубо сланцеватая. Отмечается хорошая блочность - характерное свойство пород, пригодных для выпиливания огнеупорного кирпича. Содержание минералов по месторождению составляет, %: магнезит - 46... 92; тальк - 42... 77; магнетит -1,5... 10; кварц - 1,0... 2,0; пирит-до 1,0. Химический состав талько-магнезита относительно постоянен (мас-
сов. доля, %): М§Р- 18,5... 36,6; ЗЮ2 -30,8; ТЮ2-0,04; А1203 - 0,2-0,9; Ре203 - 0,1... 4,5; РеО - 4,5... 6,6; МпО -0,08... 0,2; СаО -1,28; (Ыа20 + К20) - 0,08... 0,16; Р205-0,02; Э03 - 0,4... 0,5; №0 - 0,36; СоО - 0,028; Н20 -0,06... 0,78; С02-25,0; п.п.п. - 24,80. В породах также содержатся элементы-примеси: Сг, Ъх, Си, РЬ, Р, Ъп. [3]. Серпентиниты имеют следующий химический состав (%): ЩО- 37,25; ЗЮ2 - 34,02; А1203 -1,40; Ре203 -3,43; РеО - 4,60; СаО - 0,30; п. п. п. -18,4.
Из руд Веселянского месторождения после обогащения получен магнезит такого химического состава (%): М^Р - 37,5-38,5; ЗЮ2 -2,1-2,3; Ре203-1,4-2,1; РеО-5,8-6,1; СаО - 2,5-3,0; С02 - 46,5-48,0. По содержанию железа полученный концентрат отвечает брейне-риту.
Веселянское месторождение разведано в 1957 году, запасы его не утверждены. Они составляют по категориям (тыс. т): А - 16338, В - 13717, С1 - 102204, А+В+С1 - 132260. Прогнозные ресурсы по категории Р2 до глубины 200 м составляют 250 млн. т. Вскрыша мощностью 40-80 м представлена корой выветривания и песчано-глинистыми рыхлыми отложениями. Месторождение представляется очень перспективным и его реальная значимость может быть уточнена после постановки детальной разведки. Учитывая содержание в рудах ценных примесных элементов, целесообразно провести дополнительные технологические исследования с целью разработки схемы комплексного освоения этого объекта.
В настоящее время проведена комплексная оценка Капитановского рудного поля, ще в Тарноватском массиве выявлены магниевые руды. Они представлены рудными телами продолговатой линзовидной формы длиной 100-1000 м и более и мощностью от 20-60 м до 600 м. Основу руды составляют аподунитовые серпентиниты. Залегание пород с вмещающими породами согласное. Поисковыми скважинами они прослежены на глубину 300-700 м. Химический состав серпентинитов следующий (%): М^О - 40,20; ЗЮ2 - 32,60; ТЮ2 - 0,06; А1203-0,66; Ре203-6,90; РеО -2,61; МпО -0,08; СаО - 0,29; Р205 - 0,02; К20 - 0,06; №20 - 0,06; 803 - 0,13; Сг203 - 0,43; №0 - 0,39; СоО - 0,01; Н20 -0,22; п.п.п. - 15,09. Минеральный состав магниевых руд представлен хризотилом (преобладающий минерал), лизардитом, серпофитом, баститом, шпинелью и карбонатами.
Предполагается, что эти объекты пополнят минерально-сырьевую базу магния Украины. При этом, объекты Капитановского рудного поля являются комплексными, и кроме магниевых целесообразно также добывать хромитовые руды, руды силикатного никеля. Из магниевых руд дополнительно возможно получать никель-кобальтовый концентрат, оксид железа, чистый кремнезем, золото, минералы платиновой группы [4].
Направления комплексной переработки талько-магнезитов
В настоящее время промышленно освоена переработка магнезита в различных отраслях.
Основным качественным параметром магнезита является его высокая термостойкость, что обусловило его значительное потребление в огнеупорной промышленности. Обожженный магнезит используется для получения спеченных и плавленых металлургических порошков (магнезитовых, хромомагнезитовых, форстерит овых, периклазовых электротехнических), из которых производят кирпичи, стаканы, клинья, вкладыши и другую продукцию огнеупорною назначения. В последние годы возрастает тенденция к увеличению доли потребления современных (магнезиальных и пе-риклазо-углеродистых) огнеупоров как в доменном, так ив сталеплавильном производстве.
Возрастает потребление магнезитовых руд для производства строительных материалов (отделочных камней и плит, бетонов, портландцемента, шлакоситаплов, спецстекла, в том числе экологически чистых магнезитовых плит, которые в ближайшем будущем могут заменить гипсокартонные.
Новым интенсивно развивающимся направлением использования магнезиального сырья в Западной Европе и США является производство теплонакопите-лей, позволяющих существенно экономить энергоресурсы.
В значительных объемах породы потребляются для производства цемента Сореля и серной кислоты, в качестве наполнителя в различных производствах, в качестве удобрения и мелиоранта для кислых почв. Также сырье используется в производстве огнеупорных красок, в сахарной, резиновой, бумажной, химической и керамической промышленности.
В небольших объемах оксид магния применяется для производства многочисленных медицинских препаратов на основе жженной магнезии и хлорида магния. В мире (Австралия, Канада, США Бразилия) встречается магнезит ювелирного качества, имеющий коллекционное значение, опализированный и поделочный магнезит.
Получение магния из магнезита
Известные технологические схемы извлечения магния из серпентинита или отходов производства асбеста основаны на солянокислотном выщелачивании руцы и последующей переработке хлормагниевых растворов и кремнеземсодержащего остатка [8]. Другая технология базируется на выщелачивании оксидного магниевого сырья хлористым аммонием [9]. Однако промышленная реализация этих технологий требует существенных капитальных затрат и производственных площадей на создание и эксплуатацию гидрометаллургического передела.
Более короткий технологический и менее капитал-лоемкий путь разработан в ГП «ГНИЛ Институт титана», где в 2010-2012 гт выполнен комплекс работ [ 10-17], завершающих разработку основ высокоэффектив-нойтехнологии производства хлормагниевых расплавов из магнезигов для электролитического получения магния.
В ходе исследования механизма и кинетики процесса хлорирования в присутствии твердого восстановителя [11, 12] показана целесообразность замены твердого восстановителя, используемого в процессе, на газообразный - оксид углерода. При исследовании механизма взаимодействия магнезита со смесью хлора и оксида углерода установлена диффузионная природа процесса, изучены закономерности массоперено-са в системе, теоретически и экспериментальным путем определены условия равнодоставки газовых реагентов к поверхности хлорируемого магнезита [10]. Это позволило достичь максимальной скорости процесса хлорирования при полном усвоении хлора (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость степени использования хлора при хлорировании магнезита от соотношения парциальных давлений газовых реагентов Рсо/Рс(высота реакционного слоя 1,0 м; скорость газового потока 12,95-10"2 м/с; температура в зоне реакции 1153-1313 К)
Разработанная технология реализована на пилотной установке в хлораторе шахтного типа с внутренним диаметром шахгы 0,3 м [ 14]. Массовая доля компонентов в получаемом на установке расплаве дихлорида магния за период испытаний составляла, %: К%С12-97,0-98,8; СаС12 - 0,7-1,2; ЩО - 0,3-0,6; БЮ2 - 0,008-0,04; Гео6 -0,001-0,006; А1 - 0,001-0,004; 304 < 0,02. По содержанию основных примесей получаемый продукт полностью удовлетворяет требованиям электролитического передела для всех типов электролизеров, эксплуатируемых в странах СНГ.
В сравнении с ранее эксплуатировавшейся технологией хлорирования магнезита, новая технология, базирующаяся на газификации восстановителя, позволяет:
- существенно сократить и упростить аппаратурно-технологическую схему подготовки сырья к процессу хлорирования (устранено семь переделов), понизить капиталоемкость технологии;
- повысить скорость хлорирования магнезита и удельную производительность хлоратора в 3 раза (до 6,5-7,0 т М%С\2 /м2-сутки);
- понизить содержание примесей и улучшить качество получаемою хлориднош расплава, что позволяет улучшить показатели последующею процесса электролитического восстановления хлорида и повысить качество производимого электролитического магния;
- достигнуть практически полного использования хлора в процессе, что обуславливает сокращение его удельного расхода и снижение затрат на газоочистку;
- снизить удельный расход сырья на 10 %, уменьшить удельное энергопотребление на 15-20 %, повысить экономическую эффективность технологии.
При промышленном оформлении разработанной технологии это даст существенное снижение капитальных затрат и себестоимости получаемого расплава хлорида магния и производимого из него магния. Полученные результаты позволяют реально рассматривать магнезит в качестве эффективного сырья для переработки с использованием хлорных технологий в магниевой промышленности.
В приведенных исследованиях и разработках использованы магнезиты Киргитейского и Саткинского месторождений (Россия) с незначительным содержанием примесей (до 2,0-3,0 %). Переработка магнези-тов Веселянского месторождения, в которых содержание сопутствующих минералов более высокое, вероятно, потребует предварительное технологическое опробование их руд и, возможно, разработку методов очистки от сопутствующих примесей.
Тем не менее, наличие развитой инфраструктуры в районе локализации месторождения, возможные умеренные эксплуатационные расходы при его разработке, позволяют рассматривать Веселянское месторождение, как достаточно перспективное.
Особенно учитывая, что месторождение расположено в 25-30 км от запорожских предприятий - титано-магниевого комбината (ГП «ЗТМК»), ЧАО Завода полупроводников и ПАО «Запорожогнеупор».
Это создает определенную перспективу комплексного использования его руд, особенно, если с использованием методов селективного и комплексного хлорирования кремнеземсодержащие минералы удастся вскрыть с получением хлоридов кремния и последующим производством технического или поликристаллического кремния. Потенциальная возможность извлечения кремния в виде хлоридов отмечена ранее [18] при комплексном хлорировании титано-кремниевых концентратов.
Другой перспективой для комплексной переработки является возможность извлечения в процессе хло-
рирования и разделениям, Со, Сг, Ъх, Си и других сопутствующих элементов.
Выводы
В последние годы переоценка минерально-сырьевой базы магнезита Украины не проводилась. Однако, учитывая, что в настоящее время экономические и промышленные требования к этому сырью изменились, целесообразно провести дополнительное технологическое опробование перспективных объектов и выполнить их переоценку. Это позволит расширить минерально-сырьевую базу для огнеупорной и магниевой промышленности. Вопрос об эффективности использования магнезитов Веселянскош и других украинских месторождений в металлургической отрасли для производства магния и других сопутствующих элементов должен быть решен на основе предварительного исследования и технологического опробования руд и концентратов этих месторождений.
Список литературы
1. Антонов Г. И. Исследование талько-магнезитовых руд Правдннского месторождения в качестве сырья для огнеупорной промышленности / Г. И. Антонов, В. П. Не-досвитый, А. С. Кулик // Огнеупоры. - 1995, №1. -С. 7-21.
2. Бондарчук В. Г. Геолопя родовищ корисних копалин Украши / В. Г. Бондарчук. - К.: Наукова думка. -1966. -302 с.
3. Бордюгов В. П. Магнезит и талько-магнезит (геолого-экономический обзор) / В. П. Бордюгов. - К.: Геоиформ, 1997.- 25 с.
4. Бочевар Р. О. Гео.ттого-еконошчна оцшка комплексних руд Каштангвського рудного поля (Толовангвська шов-на зона) : автореф. на здобуття наук, ступеня канд. геол. наук : спец. 04.00.19 «Економина геолопя» / Р. О. Бочевар. - К. : 2012 - 20 с.
5. Перспективы освоения минерально-сырьевой базы магнезита Украины / [Л. С. Галецкий, Е. А. Ремезова, С. М. Лупинос и др.] // Геолопчний журнал. - 2012. -№ 1. - С. 48-56.
6. Комов И. Л. Геологические и геолого-экономические черты метаморфогенного сырья Украинского щита / И. Л. Комов, Е. А. Кулиш // Збфник науковихпрадь 1н-ту геох1м. навкол. середовшца. - К.: 2002. - вип. 5-6. -С. 184-198.
7. Меташчш 1 неметатчт корист копалини Украши. Том II. Неметатчт корист копалини / [Д. С. Гурський, К. Ю. Ссипчук, В. I. Катшн та ш.] ; науков1 редактори: Щербак М. П., Гошовський С. В. - Юов-Львгв : «Центр Свропи», 2006. - 552 с.
8. Фрейдлина Р. Г. Комплексная переработка промышленных отходов с получением сырья для производства магния и кремнеземной продукции / Р. Г. Фрейдлина,
B. И. Грибов // Цветная металлургия. - 2010, № 6. -
C. 29-37.
9. Исследования по подготовке оксидного магниевого сырья к электролитическому получению магния / [В. И. ГЦеголев, А. Н. Татакин, А. Б. Безукладников и др.] // Цветные металлы. - 2000, № 1. - С. 52-55.
10. Прутцков Д. В. Закономерностимеханизмавзаимодей-ствия магнезита со смесью хлора и оксида углерода и массоперенос в рассматриваемой системе / Д. В. Прутцков, С. М. Лупинос, Ю. М. Рябухин // Теория и практика металлургии. - 2010, № 3-4 (76-77). - С. 110-116.
11. Лупинос С. М. Исследование процессов хлорирования оксидного магниевого сырья с использованием твердого восстановителя / С. М. Лупинос // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2011. - № 2 (267). - С. 75-79.
12. Lupinos S. М. Investigation of Mechanism and Kinetics of Magnesium Oxide Chlorination Based on the «Method of Separated Reagents» / S. M. Lupinos, D .V. Prutskov // Journal of Materials Science and Engineering A. - 2012. -Vol. 2. -№ 3. - P. 367-371.
13. Лупинос С. M. Разработка технологии получения хлормагниевых расплавов из природного карбоната магния /
C. М. Лупинос, Д. В. Прутцков, А. Н. Петрунько // Металлургическая и горнорудная промышленность. -2010. - № 4 (262). - С. 98-102.
14. Прутцков Д. В. Исследование процесса хлорирования магнезита смесью хлора и оксида углерода на пилотной установке / Д. В. Прутцков, С. М. Лупинос, Н. П. Криво-ручко // Металурпя: науков1 пращ ЗД1А. - Запоргжжя : РВВ ЗД1А, 2010, вип. 21. - С. 33-43.
15. Альтернативные источники сырья и технологии для компенсации потерь магния-восстановителя при про-изводствегубчатоготитана/ [С. М. Лупинос, Д. В. Прутцков, Н. П. Криворучко и др.] // Титан. - 2010. - № 4 (30). - С. 4-12.
16. Prutskov D. V. Intensification of The Process for Magnesite Chlorination in Shaft Furnaces Using a Gaseous Reductant /
D. V. Prutskov, S. M. Lupinos, A. N. Petrun'ko // Non-Ferrous Metals-2010. Proceedings of the Second International Congress. - Krasnoyarsk, 2010. - P. 164-170.
17. Лупинос С. M. Влияние состава расплава на кинетику процесса хлорированиякарбоната магния смесью хлора и оксида углерода / С. М. Лупинос, Д. В. Прутцков, Ю. А. Динник//Теория игфактикаметаллургии,-2011, № 3-4 (82-83). - С. 78-82.
18. Дрожжев В. И. Переработка титано-кремниевых концентратов методом хлорирования / В. И. Дрожжев, В. А. Ильичев // Металлургия и химия титана. Научные труды Института титана. - М. : Металурпя. - 1968. -Т. 2. - С. 105-110.
Одержано 07.12.2012
Галецький JI.C., Ремезова G.A., Лупинос С.М., Пруттав Д.В., Червоний 1.Ф. Про можливост1 комплексного використання родовищ талько-магнезш1в Украши (на приклад1 Веселянського родовища)
Розглянуто розташування, геологгчну структуру та мтералог1чний склад Веселянського родовища талько-Mazne3umie i cepnenmummie, дана оцтка 3anacieродовища. Приведенорезулътати розробки високоефективног технологи виробництва магшю з магнезиту, розглянуто можливг напрямки комплексного залучення руд родовищау промислове виробництво. Показана доцшътстъ peei3iï родовищ магнезиту Украши i постановки p03eidm на найбыьш перспективних з них.
Ключовг слова: порода, з ал по-кр ем н и cm а формащя, только-магнезит, серпентишт карбон атизований, брейнерт, технологля, швидтстъ хлорування, хлормагтевий розплав.
Galetskyi L., Remezova E., Lupsnos S., PruttskovD., Chervonyi I. Possibility of complex application of talc-magnesite fields in Ukraine (by example of Veselyanka field)
Location, geological structure and mineralogical composition of Veselyanka field of talc-magnesites and serpen-tinites and the reserves of the field have been estimated. The results of high-efficiency technology development for production of magnesium from magnesite were provided, the feasible directions of comprehensive field ores involvement in the commercial production have been contemplated. The expedience of revising the magnesite fields in Ukraine and organization of prospecting at the most promising fields has been shown.
Key words: rock, iron-siliceous formation, talc- magnesite, serpentinite carbonated, breunerite, technology, rate of chlorination, chlormagnesium melt.
