CC BY
34
УДК 550.4:551.3:622.17(571.51)
ПЕРСПЕКТИВЫ ОСВОЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ ЖЕЛЕЗОРУДНОГО ПРОИЗВОДСТВА ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ
Д.И. Целюк1, И.Н. Целюк2
:ГПКК «Красноярский научно-исследовательский институт геологии и минерального сырья», Россия, 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 55.
2ОАО «Гравиметрическая экспедиция №3», 660049, Россия, г. Красноярск, ул. Карла Маркса, 62.
Изучен вещественный состав хвостов железных руд Краснокаменского рудника. Выявлены условия накопления железа в техногенном массиве хвостов. Определен ресурсный потенциал хвостов, разработаны технологические решения и даны рекомендации с целью промышленного освоения.
Библиогр. 2 назв. Ил. 3. Табл. 2.
Ключевые слова: лежалые хвосты; вещественный состав; технологические решения.
MANAGEMENT PROSPECTS OF IRON-ORE PRODUCTION INDUSTRIAL WASTES IN EASTERN SIBERIA
D.I. Tselyuk, I.N. Tselyuk
Krasnoyarsk Scientific Research Institute of Geology and Raw Minerals, 55 Mir Av., Krasnoyarsk, Russia, 660049.
Gravimetry Expedition No.3" JSC, 62 Carl Marx St., Krasnoyarsk, Russia, 660049.
The composition of iron ore tailings at Krasnokamensky mine is studied. The paper reveals the conditions of iron accumulation in the technogenic massif of tailings, identifies the resource potential of tailings, works out technological decisions and recommendations for their industrial development.
2 sources. 3 figure. 2 tables.
Key words: aged tailings; material composition; technological solutions.
Специфические экономические и природные условия Восточной Сибири базируются на использовании местных ресурсов сырья и топлива. Одним из приоритетных направлений в экономическом освоении региона является развитие черной металлургии. Минерально-сырьевой базой отрасли служат месторождения железных руд Красноярского края, Республики Хакасия и Иркутской области. Почти все эксплуатируемые месторождения относятся к магнетито-вому типу.
В минеральном составе руд преобладают рудные минералы магнетит и гематит. В подчиненном количестве
присутствуют пирит, пирротин, гидроокислы железа.
Начиная с шестидесятых годов двадцатого века, одиннадцать месторождений магнетитового типа отрабатываются Абаканским, Тейским, Ирбин-ским, Краснокаменским рудниками и Коршуновским горно-обогатительным комбинатом. На Абаканском, Тейском и Ирбинском рудниках руды подвергаются обогащению методом сухой магнитной сепарации. На Краснокаменском руднике и Коршуновском ГОКе обогащение руд производится методом мокрой магнитной сепарации.
:Целюк Денис Игоревич, кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией промышленного техногенеза, тел.: 2230849, e-mail: cdi@kniigims.ru
Tselyuk Denis, Candidate of Geological and Mineralogkal sciences, Head of the Laboratory of Industrial Technogenesis, tel.: 2230849, e-mail:cdi@kniigims.ru
2Целюк Игорь Николаевич, кандидат геолого-минералогических наук, генеральный директор, тел.: 2277544, e-mail: tselukin@mail.ru
Tselyuk Igor, Candidate of Geological and Mineralogkal sciences, director, tel.: 2277544, e-mail: tse-lukin@mail.ru
В ходе сухой магнитной сепарации руда разделяется на промпродукт и гру-бообломочные хвосты, пригодные лишь для производства щебня. Для осуществления мокрой магнитной сепарации производится тонкое измельчение маг-нетитовых руд. Подготовленный материал подвергается двух- или трехста-дийной обработке мокрой магнитной сепарацией с получением магнитного концентрата, представляющего собой товарную продукцию и хвосты, поступающие в виде пульпы в хвостохрани-лище.
Процесс предварительного дробления и тонкого измельчения исходной руды часто сопровождается изменением природной морфологии, гранулометрии и конституции железистых минералов вплоть до появления новообразованных фаз, явлений аморфизации, полиморфи-зации, псевдоморфизации минералов, что значительно влияет на эффективность сепарации продуктивного сырья [1]. Исследованиями [2] выявлено, что при тонком измельчении возрастает дефектность структур магнетита, появляется новообразованный маггемит, усиливая гетерогенность окисления магнетита в маггемит, а затем в мартит. Особенно интенсивно процессы протекают по деформированным участкам. Установлено, что нарушения целостности железистых минералов существенно уменьшают выход магнитного концентрата. Соответственно повышается количество рудного сырья, уходящего в отвал. Несмотря на очевидную перспективность вторичной переработки хвостов, до настоящего времени технологических решений по их вовлечению в производство не выработано. Для качественной проработки этих вопросов необходимо детальное изучение не только уровня содержания железа, но и особенностей вещественного состава рудной массы, поступающей в хвосто-хранилище.
Для решения поставленных задач авторами проведены научные исследования в южной части Красноярского
края на хвостохранилище ОАО "Крас-нокаменский рудник". Основные задачи исследований включали: определение ресурсного потенциала техногенной залежи; изучение вещественного состава массива хвостов и научное обоснование технологических решений, направленных на переработку техногенного сырья; оценку промышленной значимости сопутствующего железному сырью комплекса полезных компонентов, включающих кобальт, медь, серебро, золото.
В настоящее время обеспеченность минеральным сырьем действующего Краснокаменского рудника ограничена. Утвержденные запасы месторождений Рудный каскад и Маргоз истощены, а эксплуатация месторождения Одиночное требует значительных капиталовложений.
За полувековой период эксплуатации фабрики в долине руч. Грабовского сформировано хвостохранилище площадью 0,7 млн м . Максимальная мощность техногенной залежи достигает 40 м. В результате переработки 50 млн тонн рудной массы, в хвостохранилище уложено более 20 млн тонн хвостов. Переработанные руды представлены:
- богатыми мартеновскими рудами с содержанием железа 59,14% и серы 0,015%;
- магнетитовыми рудами с содержанием железа 44,40% и серы 0,11%;
- валунчатыми рудами с содержанием железа 21,90% и серы 0,01%.
В исходном составе руд присутствовали две генерации магнетита. Преобладающая генерация представлена тонкозернистым магнетитом с размером зерен до 0,2 мм. Вторая генерация представлена мелко- и среднезернистым магнетитом от 0,2 до 5 мм. Из полезных компонентов в рудах присутствовали кобальт, медь, серебро, золото.
В 2010-2011 гг. в пределах пляжной зоны, свободной от осветленных вод пруда-отстойника, авторами выполнено бурение пяти колонковых скважин, вскрывших техногенную залежь на всю мощность, включая кровлю под-
стилающих естественных грунтов. Общая мощность вскрытия техногенных отложений составила от 15 до 32 м. Отбор проб проведен по всему разрезу через 0,5 м. Анализ проб выполнялся в аккредитованных лабораториях Института химии и химической технологии СО РАН и ГПКК «КНИИГиМС». Для исследования минерального состава применялись методы рентгенофазового анализа (РФА), оптической микроскопии и электронной микроскопии (сканирующий электронный микроскоп Hitachi TM - 1000). Химический состав определялся в аккредитованной аналитической лаборатории ГПКК «КНИИ-ГиМС» с помощью атомно-эмиссионного спектрометра на индуктивно-связанной плазме (ИСП) ACTIVA-M производства компании Horiba Jobin Yvon. Элементный состав определялся спектральным атомно-эмиссионным комплексом «ГРАНД». Определение содержания золота, серебра и платины выполнено с помощью масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ISP-MS) на приборе ELAN 9000. Исследованию подвергнуто 400 проб техногенных грунтов и 50 проб техногенных вод, отобранных из хвостохранилища. Работа выполнялась при финансовой поддержке Краевого государственного автономного учреждения «Красноярский краевой фонд поддержки научной и научно-технической деятельности» (доп. соглашение № 01/11 от 01 июня 2011 г).
Исследования показали, что содержание золота в хвостах не превышает 0,001 г/т, а концентрация металлов платиновой группы менее 0,0001 г/т. Кобальт и медь содержатся на уровне 0,02%. На основе этого установлено, что концентрации попутных элементов в лежалых хвостах не представляют практического интереса. Однако в пляжной зоне хвостохранилища выявлены значительные содержания железа, достигающие 35-40%, что сопоставимо с промышленными концентрациями рудных месторождений.
По результатам изучения вещественного состава в разрезе пляжной зоны намывной техногенной толщи хвостохранилища выделяется два горизонта: верхний в интервале от 0,0 до 10,0 м и нижний в интервале от 10,0 до 32,0 м. По химическому составу верхний горизонт относится к кремнисто-высоко-железистому типу, в котором содержится БЮ2 50,6%, Бе20э 23,5%, АЬОз до 8,3 %, СаО до 4,25%, К2О до 1,29%, №20 менее 1%. Химический состав нижнего горизонта отличается повышением содержания Бе203 до 36,1% и падением БЮ2 до 35%, что дает основание отнести его к кремнисто-гипержелезистому типу.
В элементном составе хвостов установлено постоянное присутствие следующих микроэлементов: аб, В, Ва, Со, Сг, Си, и, Мп, Мо, М& N1, РЬ, Т1, V, 2п. Максимальное значение концентраций, лежащих в пределах 0,1-1 %, характерно для марганца, титана, магния. В концентрациях 0,01-0,1% в хвостах присутствуют мышьяк, барий, кобальт, медь, ванадий, цинк. В интервале концентраций порядка 0,001-0,01% находится группа элементов, включающая хром, никель, свинец. Интервал концентраций порядка 0,00001-0,001% представлен молибденом.
Характер поведения элементов в вертикальном строении техногенного массива определялся способом корреляционных профилей распределения концентраций компонентов по глубине вскрытого объекта (рис.1).
При анализе корреляционных профилей обращает на себя внимание уменьшение валовых концентраций практически всех выявленных микроэлементов за счет перехода их в водорастворимые формы в основании верхнего горизонта техногенной толщи хвостов. Пространственно это явление сопряжено с верхней границей распространения техногенного водоносного горизонта. В этой зоне концентрация
водорастворимых форм элементов в по-ровых вытяжках из лежалых хвостов увеличивается на порядок. Содержание Т1 повышается от 0,05 до 5,9 мг/кг, Мп от 0,01 до 4,8 мг/кг, Ва от 0,04 до 0,81 мг/кг, Сг и Со от 0,001 до 0,02 мг/кг, Си от 0,002 до 0,07 мг/кг, N1 и РЬ от 0,001 до 0,1 мг/кг, 2п от 0,01 до 0,1 мг/кг, Мо от 0,005 до 0,1 мг/кг.
Нижний горизонт техногенной толщи характеризуется падением водо-
растворимых форм и ростом валовых концентраций Т1 и Мп более 1%, М§ до 0,9%, Ва до 0,14%, Сг и Со до 0,03%, N1 и РЬ до 0,01%, особенно в его кровле.
Распределение железа в техногенной толще хвостов отражает выявленные геохимические особенности. В верхнем горизонте среднее содержание железа общего составляет 17%, в нижнем существенно возрастает и характеризуется 29,37% (табл.1).
Таблица 1 Содержания железа в лежалых хвостах
Компонент Верхний Нижний
горизонт горизонт
Те20э 23,5 36,10
БеО 3,95 2,73
Беобщ 17,5 29,37
Установлены следующие формы присутствия железа: свободные зерна рудных минералов, представленные магнетитом и гематитом; рудные агрегаты магнетита и гематита, вкрапленные в породообразующие минералы; вторичные и новообразованные формы гематита, гетита и гидрогетита, развитые по первичным рудным минералам и присутствующие в виде аморфной железисто-глинистой массы. Кроме этого, в подчиненных количествах железо присутствует в пирите, халькопирите, пирротине, эпидоте, сериците.
Соотношение основных рудных минералов в разрезе массива хвостов представлено в табл. 2. Магнетит, гематит и гетит являются основными рудными минералами.
Таблица 2 Соотношение основных рудных
В верхнем горизонте магнетит является главным рудным минералом. Его содержание в среднем составляет 18%. Магнетит представлен обломками черного цвета с металлическим блеском, кристаллами формы октаэдров, обладающими магнитными свойствами (рис.
2,а,б). При размере магнетита порядка 0,02-0,04 мм встречаются кристаллы в виде включений в полевом шпате. Результаты исследования магнетита мик-розондовым анализом представлены на рис. 2,д.
Однако чистый магнетит встречается довольно редко, в основном преобладает в сложных сростках с гематитом.
Содержание гематита в исследуемых хвостах составляет 6%. Причем гематит встречается в виде двух разновидностей - мартита, развивающегося при окислении магнетита, и как рудооб-разующий минерал. Мартит образует частичные или полные псевдоморфозы по магнетиту (рис. 2,в). Псевдоморфное замещение магнетита гематитом начинается с периферии зерен, причем гематит создает кайму различной толщины, а центральная магнитная часть остается незамещенной. В отдельных минералах гематит проникает внутрь магнетито-вых зерен и отлагается вдоль плоскостей октаэдрической спаянности магнетита, давая характерную мартитовую решетку (рис. 2,г).
Отдельные зерна гематита наблюдаются при крупности минералов 0,5 мм. Гематит в основном представлен плотными, темно-бурыми до черных скрытокристаллическими зернами, зернистыми, землистыми агрегатами округлой, изометричной формы.
Гидроокислы железа, представленные гетитом и гидрогетитом, присутствуют в виде тонких пленок бурого цвета на гематите и магнетите. Содержание гидроокислов железа в исследуемых хвостах составляет 2,5%. В нижнем горизонте содержание магнетита снижается и не превышает 8%. Практически повсеместно магнетит полностью замещен гематитом, гетитом и гидрогетитом с сохранением формы зерен. Наиболее интенсивно процесс замещения проявляются в хвостах, рас положенных в основании хвостохрани-лища.
Особенностью магнетита является его повышенная микропористость и
минералов в разрезе массива хвостов
Минералы, Тип лежалых хвостов
% Кремнистый Кремнистый
высоко- гипер-
железистый железистый
Кварц 27 30
Полевой шпат 28 16
Магнетит 18 8
Гематит 8 12
Гетит 2,5 13,5
Акцессорные
амфибол, ру- 16,5 12
тил
ТМ-1000_5655 2011.09.23 L D27 хЗ.Ок 30 ui
ТМЭ000_М99 2011.11.10 19.40 N D4,3 xl.Dk 100
Щ ЩI
«Ш :«..•" \
ТМ 1000_567Э 20П.09.23 L D2.ß ХЭОО ПУ.УП
AI
L
е 8
Full Scale 101 eis Cursor: 0.134 (2 cts)
Element Weight %
Aluminum 13.8
Silicon 4.5
Titanium 1.6
Iron 80.1
б
а
г
д
Рис. 2. Морфологические особенности магнетита из хвостов гематит-магнетитового
типа:
а - обломок магнетита; б - кристалл магнетита октаэдрической формы;в - микродеформации поверхности магнетита; г - мартитовая решетка вдоль плоскостей октаэдрической спаянности магнетита; д - магнетит и его микрозондовый анализ
микротрещиноватость. Форма и размер пор и трещин разнообразные. В полостях отмечается повышенное содержание кремния и алюминия. Повышенная микропористость и микротрещинова-тость способствуют разрушению поверхности минерала до скелетной решетки агрегата (рис. 3,а).
Развитие микропористости и мик-ротрещиноватости сопровождается изменением объема минерального вещества, при этом происходит высвобождение магнетита из вмещающих пород и раскалывание микроблоковых сростков магнетитов по ослабленным зонам с по-
следующим их переизмельчением, разрушением и окислением. Структуры распада преимущественно свойственны магнетиту, обогащенному титаном. В магнетите из нижних горизонтов хво-стохранилища прослеживаются сетчатые и решетчатые структуры распада. Вдоль направлений октаэдрической отдельности магнетита формируется гематит.
Структурное преобразование поверхности зерен магнетита сопровождается образованием вторичных колло-морфноподобных выделений, обнаруженных на кристаллах (рис. 3,б). Мик-
рорентгеноспектральным анализом установлено, что они отличаются более высоким содержанием марганца, титана, кремния, алюминия, фосфора. Грани одного зерна магнетита могут быть изменены в различной степени, что также фиксируется электронно-микроскопическими исследованиями. С увеличением глубины залегания хвостов в хвосто-хранилище наблюдается развитие более сложных вторичных структур, связан-
ТМ-1000_5в65
L D2.7 кЗ.Ок
ных с образованием метаколлоидных (колломорфноподобных) скрыто-мелкокристаллических агрегатов.
Большей частью основная масса, вмещающая рудные минералы, представляет собой аморфно-глинисто-железистую массу, в которой микрозон-довым анализом содержание железа установлено до 26,66%, а алюминия -до 46,06% (рис. 3,в).
ШИШ
ё Мм
cä . ,pf ■ ■
'■Y^JL^LTI i* 1 vV
тмзооо_мео 2011.11.10 18:26 N D4,2 х2,5к 30 um б
I
I
ы 4ч-Н .............................. и- ■
Element
Weight %
Aluminum
46,06
Iron
26,66
Oxygen Silicon Calcium Titanium
19,55 6,40 1,33 0,00
а
в
Silicon 0.6
Iron 97.4
г Copper 0.0
Рис. 3. Морфологические особенности магнетита из хвостов магнетит-
гематит-гетитового типа:
а - решетчатые структуры распада магнетита; б - вторичные колломорфные выделения на кристаллах магнетита; в - рентгеноаморфная фаза и ее микрозондовый анализ; г - колломорфные железистые новообразования и их микрозондовый анализ
Особенностью решетчатых структур глубокого распада магнетита является развитие колломорфных железистых новообразований. По результатам микрозондового анализа содержание железа в них достигает 97,4%, (рис. 3,г). Гематит в нижнем горизонте хвостов является преимущественно продуктом изменения магнетита (процесс мартити-зации), минерал встречается в тесном срастании с последним.
Отмечаются частичные и полные псевдоморфозы гематита по магнетиту, при этом, как правило, сохраняется ок-таэдрическая и кубическая форма зерен. Также в пробах присутствуют обломки угловатой, пластинчатой и «окатанной» формы. Цвет минерала изменяется от железно-черного до коричневато-бурого, часто с бурым оттенком из-за примазок гетита. Содержание гематита составляет 12,5%.
Гидроксиды железа образуют примазки, пленки и корки на зернах гематита и магнетита. Встречаются также в виде индивидуализированных зерен неправильной формы и образуют землистые агрегаты темно-бурого и охристого цвета, в которых практически всегда присутствуют глинистые минералы.
Типичной особенностью гетита и гидрогетита является их тесная ассоциация со слоистыми алюмосиликатами. Причем в этом случае минералы имеют, как правило, микрометровую, а возможно, и нанометровую размерность. Содержание гидроокислов железа составляет 8%.
Таким образом как упоминалось выше, по минеральному типу сырья, в разрезе намывной техногенной толщи хвостохранилища выделяется два горизонта. Верхний, мощностью 10 м, характеризующийся слабоизмененным вещественным составом хвостов, относится к гематит-магнетитовому минеральному типу. Нижний горизонт, в интервале от 10,0 до 32,0 м, характеризующийся трансформацией магнетита, сопровождающейся образованием гематита, гетита, гидрогетита и аморфной
глинисто-железистой массой, вмещающей рудные минералы, относится к магнетит-гематит-гетитовому минеральному типу.
Работы на хвостохранилище ОАО «Краснокаменский рудник» позволили в первом приближении оценить ресурсный потенциал хвостов, обогащенных железом. В верхнем горизонте пляжной зоны можно ожидать пригодных к отработке гематит-магнетитовых запасов минерального сырья 3,762 млн т с содержанием железа общего на уровне 17%.В нижнем продуктивном горизонте пригодные к отработке магнетит-гематитовые запасы минерального сырья составляют от 13 до 20 млн т с содержанием железа общего от 29 до 35%.
С учетом высокого содержания железа в нижних горизонтах лежалых хвостов, а также значительных ресурсных возможностей техногенного минерального сырья, совместно с ФГУП «ВИМС» проведено изучение характера раскрытия сростков рудных минералов и их распределения по классам крупности. Установлено, что максимальное количество условно свободных рудных зерен отмечается в материале крупностью менее 0,1 мм.
При этом рядовые и бедные сростки концентрируются в материале крупностью -1+0,25 мм. В материале крупностью -0,5+0,1 мм происходит накопление породообразующих минералов без видимой рудной минерализации.
В материале крупностью более 1 мм при отмучивании происходит дезинтеграция комочков за счет того, что склеивающий материал смывается и практически все минералы переходят в тонкие классы крупности. Выявленные процессы приводят к накоплению свободных зерен рудных минералов в тонком классе.
Проведенное магнитное обогащение показало, что значительное увеличение доли свободных рудных зерен наблюдается в классе крупности -0,25 на уровне 94% и в классе крупности -0,1 - 88%. Однако полученные свободные
зерна по существу являются магнетит-гематит-гетитовыми агрегатами с переменным содержанием и различным взаимоотношением рудных минералов, отличающимися магнитной восприимчивостью. Магнитная восприимчивость неизмененного магнетита установлена на уровне 33400*10"8 м3/кг. Однако преобладающий в хвостах гематитизиро-ванный магнетит обладает более низкой удельной магнитной восприимчивостью 25700*10"8 м3/кг, что оказывает существенное влияние на принятие технологических решений.
В связи с тем что в хвостах присутствуют железосодержащие продукты с сильной и слабой магнитной восприимчивостью, а раскрываемость минералов достаточно высока, может быть рекомендована комбинированная магнитно-гравитационная технология, включающая стадию мокрой магнитной сепарации хвостов в поле повышенной напряженности с получением гематито-вого продукта.
В результате проведенных исследований установлено, что в намывных промышленных отходах железорудных объектов происходит транс-
формация вещества, сопровождающаяся образованием горизонтов с высокими концентрациями железа в нижней части техногенного массива.
Предложенные технологические решения позволяют обеспечить получение кондиционного железного концентрата с выделением в него как магнитной составляющей в виде магнетита, так и немагнитного продукта, состоящего из гематита.
Полученные результаты позволят осуществить вовлечение лежалых хвостов железорудных объектов в промышленное производство и существенно расширить сырьевую базу черной металлургии.
Библиографический список
1. Пирогов Б.И. Технологическая минералогия железных руд / Б. И. Пирогов, Г.С. Поротов [и др.]. Л.: Наука, 1988. 304 с.
2. Проблемы направленного изменения технологических и технических свойств минералов. Л.: Механобр, 1985. 136 с.
Рецензент кандидат геолого-минералогических наук, профессор Иркутского государственного технического университета Г. Д. Мальцева
