7.3. Кианиты Урала

В последние годы все больший интерес вызывают кианитовые (дистеновые) породы – кианит, андалузит и силлиманит. Минералы группы кианита являются модификациями одного и того же алюмокремниевого соединения Al₂O₃·SiO₂ или Al₂SiO₅, и, следовательно, имеют один и тот же химический состав. Однако, несмотря на общность химического состава, эти минералы значительно различаются вследствие структурной индивидуальности по некоторым важным свойствам (табл. 7.2.).

Таблица 7.1. Химический состав бокситов и природных корундов Урала

Место-рождение	Содержание оксидов, %
	SiO2	TiO2	Al2O3	Fe2O3	MnO	CaO	MgO	R2O	R2 O5	ППП
Бокситы
Красная Шапочка	2,82	1,35	59,76	27,13
Карпинское	До 8,9	-	52,7	10,27
Соколовское	3,70	-	36,7	37,0						20,0
Алапаевское	До 13	-	37,0	До 22
Усть-Катавское	27,0- 29,08	1,22-1,37	25,45-6,31	28,24-31,85						10,52-10,81
Корунд
Ильменские горы			84,3	10,7	4,3
Прииртошское	13,25	1,60	66,82	11,23		1,21	0,41	0,41	3,18	2,25
Борзовское: Корундовый анортит Марундит	22,52 16,94	0,24	63,82 68,44	2,20 1,32	0,21	6,64 5,98	1,34 0,95	1,58 1,83		1,58 4,54

Таблица 7.2. Важнейшие свойства минералов кианитовой группы

Мине-рал	Синго-ния	Цвет	Удельная масса, г/см3		Твер-дость по Моосу	Показатель преломления				Увеличе-ние объема при пере-рождении, %	Темпера-тура начала кристалл-лизации муллита, 0С
			до обжига	после обжига		ng	nm	np	ng - np
Кианит (дистен)	Три-клинная	Голубой, синий	3,56-3,68	3,02	4,5-7,0	1,728	1,722	1,713	0,016	16-19	1200-1350
Андалу-зит	Ромби-ческая	Серый, желтый	3,10-3,20	3,02	7,0-7,5	1,639-1,647	1,633-1,644	1,629-1,640	0,011	3-6	1350-1400
Силли-манит	То же	Серый, светло-зеленый	3,23-3,25	3,02	6,0-7,0	1,677	1,658	1,657	0,021	6-8	1500-1550

Между всеми тремя формами минералов кианитовой группы возможны полиморфные превращения при изменении температуры и (или) давления. Закалка всегда позволяет стабилизировать переход и сделать его необратимым. Однако наиболее активно такие превращения протекают в порошковых

материалах в присутствии жидкой фазы и поэтому не могут иметь особого значения при промышленном обжиге кианита с целью получения тонкокерамических и огнеупорных материалов. Все три минерала при нагреве выше 1300^оС с большей или меньшей скоростью разлагаются на муллит и кристобалит (или силикатное стекло). Конкретная температура фазового перехода зависит от дисперсности материала и наличия примесей. В идеале прошедшая до конца реакция может быть представлена следующим образом:

3(Al₂O₃ ·SiO₂) →3Al₂O₃·2SiO₂ + SiO₂ .

Именно эта реакция имеет практическое значение при производстве муллитокремнеземистой керамики и огнеупоров из минералов кианитовой группы.

Наибольшее использование находит кианит. При обжиге он значительно расширяется, в связи с чем при изготовлении муллитового кирпича его обычно подвергают предварительной термообработке. Так, при обжиге до 1500^оС кианит увеличивает свой объем примерно на 11–16% только в том случае, если в состав массы он был введен в сыром состоянии в виде зерен размером от 0,54 до 3–4 мм.

Если тот же кианит был измельчен (до зерен размером в сотые доли миллиметра), то рост его объема при обжиге не превышает 2,0–2,5%. На этом и основан метод производства кианитовых изделий без предварительного обжига.

Огнеупоры, изготовленные из кианитовых концентратов, обладают преимуществами перед кварцевыми, высокоглиноземистыми и другими огнеупорными материалами.

Вследствие высокого содержания глинозема кианит может быть использован в производстве алюмокремниевых сплавов (силумина), а также металлического алюминия.

Введение кианита или его аналогов (силлиманита, андалузита) в количестве от 30 до 65% в состав фарфоровой массы позволяет получить после обжига при 1400–1550^оС изделия с большим содержанием муллита, высокой прочностью (до 140 МПа при изгибе), термостойкостью и со значительным электрическим сопротивлением при повышенной температуре. Идея использования природных силикатов алюминия состава Al₂O₃·SiO₂ в качестве сырья для изготовления огнеупоров, химически стойкой керамики, электротехнического фарфора и других видов тонкой керамики относительно нова.

Кианитовые минералы находят широкое применение в США в качестве добавки при изготовлении электротехнического фарфора, в производстве огнеупорных изделий. В Великобритании искусственный силлиманит используют для производства высокоогнеупорных изделий: из плавленого муллита получают стеклобрус для стекловаренных печей. В Германии на основе кианитовых пород получают высокоогнеупорные материалы.

В бывшем СССР производство огнеупоров из высокоглиноземистого природного сырья едва превышало 50 тыс. тонн в год. Россия и другие республики СНГ обладают большими запасами сырья группы кианита. Крупнейшие месторождения сосредоточены на Кольском полуострове, в Карелии, Забайкалье, Туве, на Алтае, в Якутии, в Казахстане, в Средней Азии, на Урале, Кавказе и Украине. Их суммарные запасы составляют 1 млрд. тонн, что многократно превышает ресурсы всех остальных стран, взятых вместе.

По крайней мере, 20 рудопроявлений кианита, представляющих потенциальный промышленный интерес, расположены на Урале. Из них более 5 находятся в Челябинской области. Все они были открыты в 30–50-х годах прошлого века. Детальному изучению и доразведке большая часть рудопроявлений не подвергалась.

На Урале высокоглиноземистое сырье представлено только кианитом, лишь в районе Косулино (Свердловская область) обнаружены запасы лучистого андалузита. Прогнозные ресурсы на перспективных площадях Урала приведены в табл. 7.3.

Таблица 7.3. Прогнозные ресурсы кианита

Перспективные участки кианитов		Среднее содержание кианита, %	Прогнозные ресурсы, млн. тонн по категориям
Название	Площадь залегания, км2		Р1	Р2
Карабашский	25	17	-	1,9
Иткульский	11	8	-	1,7
Шумихинский	86	15,0	-	16,8
Сысертский	8	28	-	1,4
Брусянский	46,8	16	2,4	20,2
В т. ч Мало-Брусянский	1,8	16	2,4	-
Сосновско-Абрамовский	36	31	-	4-5
Борисовский	20,8	8,5	-	1,8
Синарский	29	8,5	-	3,4

Только на Сосновско-Абрамовской, Сысертской, Брусянской и Карабашской кианитовых площадях запасы оценены в 28 млн. тонн, что существенно для огнеупорных и других предприятий промышленно развитого Урала.

Согласно данным Восточного института огнеупоров (г. Екатеринбург), для основных металлургических и огнеупорных предприятий Урала (Богдановичский огнеупорный завод, Нижне-Тагильский, Челябинский, Магнитогорский металлургические комбинаты) в настоящее время требуются маложелезистый боксит и кианитовое сырье для изготовления ковшовых изделий специального назначения (продувка и вакуумирование стали), воздухонагревательного и насадочного кирпича, легковесных изделий, огнеупорных масс и заполнителей, производства стекловолокнистых огнеупорных материалов.

Потребность предприятий Урала в высокоглиноземистом огнеупорном сырье составляет 300–400 тыс. тонн, в том числе для изготовления стекловолокнистых материалов – 50–70 тыс. тонн в год.

Все уральские месторождения кианита доступны для разработки. Практически все они расположены в экономически развитых районах, вблизи автомобильных и железных дорог.

Химический состав кианитов приведен в таблице 7.4.

Таблица 7.4. Химический состав кианитов

Месторождение кианитов*	Массовое содержание, %
	SiO2	TiO2	Al2O3	Fe2O3	FeO	CaO	MgO	щелочи	ППП
Борисовское	54,4 35,8 44,1 33,25	0,6 0,4 0,6 -	44,4 63,0 55,0 63,44	0,5 0,7 0,6 9,48	- - - -	0,7 0,6 0,8 0,05	Следы То же -//- -//-	- - - -	0,5 0,5 0,4 5,54
Михайловское	48,9 56,19	0,3 1,5	50,0 30,73	0,3 7,45	0,3 0,55	0,4 2,6	0,2 0,27	- -	- -
Мало-Каслинское	38,3 42,4 37,0 28,2 34,3	- - 0,4 - -	57,0 52,2 58,7 59,4 62,9	1,0 1,9 2,7 8,9 0,8	- - - - -	- - - - -	- - - - -	- - - - -	- - - - -
Карабашское (Егустинское)	37,42	-	56-60	1,0	-	-	-	0,3	-
Косулинское (лучистый андалузит)	36,73	-	61,7	0,2	-	-	-	-	1,76
Обогащенный концентрат	42,53	1,14	54,67	1,24	-	0,68	следы	-	0,92

______________________________

^* - Теоретический состав кианита – 37,10% SiO₂, 62,90% Al₂O₃

Кианиты этих месторождений требуют обогащения из-за сравнительно низкого их содержания в добываемых породах. Руды имеют простой минеральный состав (кварц + кианит 90–95%, пирит + магнетит 5–10%), что существенно упрощает обогащение и позволяет создать на их основе безотходное производство концентратов (кианит – для получения глинозема, огнеупоров, силумина и керамики; кварц – в качестве формовочного песка, для стекольной и керамической промышленности, производства динаса; пирит – для выработки серной кислоты).

Содержание кристаллов кианита в породе Борисовского месторождения колеблется от долей до 26% и в среднем составляет 7,1% для россыпей и 8,5% для коренных залежей. Мощность россыпей 1,5–2,5 м, мощность вскрыши в среднем 0,7 м. Общие разведанные запасы кианита достигают 75 тыс. тонн, или 53 тыс. тонн чистого кианита.

Михайловское месторождение представлено непрерывной полосой кианитсодержащих сланцев. Мощность вскрыши 0,8 м, среднее содержание кристаллов кианита в руде 4,5–5%. Запасы кристаллов кианита на глубину разведочных выработок свыше 200 тыс. тонн, что в пересчете на чистый кианит составит 133 тыс. тонн.

Мало-Каслинское месторождение имеет две линзы сланцев, обогащенных кианитом. Средняя мощность вскрыши около 0,7 м. Грунтовые воды выступают на глубине 2,0–5,0 м, поэтому эксплуатация месторождения затруднена. Запасы – 5,5 тыс. тонн.

Карабашское (Егустинское) месторождение в настоящее время наиболее детально исследовано. Прогнозные ресурсы по категориям Р₁+Р₂, рассчитанные до глубины 50 м с коэффициентом надежности прогноза 0,3–0,6, составили для Егустинского участка 587 тыс. тонн. Среднее содержание кианита в руде 21,2%, минеральный состав руд прост – кварц + кианит + мусковит + магнетит, пирит, рутил (до 3%). Кианит мелкозернистый.

В пределах рудопроявления выделен участок с оптимальными горно-геологическими параметрами (минимальный объем вскрышных работ, выдержанный рудный горизонт при пологом залегании), пригодный для закладки в самое ближайшее время опытно-промышленного карьера.

Руды данного месторождения были многократно исследованы на обогатимость, а кианитовый концентрат и изделия из него – на огнеупорность и термостойкость.

В 1987 году шесть проб кианитовых кварцитов были изучены на обогатимость в лаборатории ПГО «Уралгелогия» (г. Екатеринбург). Из всех проб получены концентраты с содержанием 45,09–57,73% Al₂O₃ и 0,86–2,0% Fe₂O₃.

В последние годы ОАО «Уралмеханобр», ТОО «Алкам», лабораторией обогащения Уралгеолкома исследованы вещественный состав и обогатимость кианитов ряда уральских месторождений.

В процессе исследований, с учетом достигнутых технологических показателей, затрат на добычу и обогащение сырья и мировой цены на кианит, определено содержание глинозема, связанного с кианитом, для рентабельной переработки руд. Расчеты показали, что для рентабельной переработки кианитовых руд содержание Al₂O₃ в руде должно составлять не менее 15–20% (по кианиту 25–30%).

В табл. 7.5 приведены результаты обогащения кианитовых россыпей класса 25–2 мм в тяжелых суспензиях плотностью 2,8 г/см ³ и термическим разупрочением кварца.

Таблица 7.5. Результаты обогащения кианитовых россыпей

Метод обогащения	Выход концентриро-ванных кианитов, % от россыпи	Массовое содержание, %					Извлече-ние Al2O3
		Fe2O3	TiO2	Al2O3	CаО	ппп
Разделение в тяжелых суспензиях	2,0 0,8*	5,50 0,80	0,75 0,70	47,80 55,00	0,10 0,10	1,50 0,60	90,0 40,0
Термическое разупрочнение	1,0**	1,00	0,75	54-56	0,10	0,40	50,0

^* после доводки доизмельченного до 0,3–0,00 мм концентрата методом магнитной сепарации при напряженности поля 1200–1300 кА/м.

^** материал крупностью 25–2 (1) мм, состоящий в основном из кварца и кианита, нагревают до температуры 700 – 900^оС и резко охлаждают в воде, затем измельчают с выделением кианита класса 6 (10)–2(1).

В табл. 7.6 показан выход и приведена качественная характеристика кианитовых концентратов Карабашского месторождения, полученных методом флотации.

Таблица 7.6. Качественная характеристика кианитовых концентратов

Кианитовый концентрат	Выход, %	Массовое содержание, %						Извлечение, %
		Fe2O3	TiO2	Al2O3	CаО	MgO	ппп
Проба 1, содержание Al2O3 17,8%	18-19	1,54	1,65	56,10	0,10	0,10	0,30	60-65
Проба 2, содержание Al2O3 10,1%	8-9	6,60	2,45	51,30	0,11	0,10	0,90	55-60

При обогащении карабашских кианитов может быть попутно получено 2–3% слюдяного (мусковитового) продукта и 50–55% кварцевых песков, отвечающих требованиям ГОСТ 7031-75, в основном марки ПК-93 (93% Al₂O₃, <0,3% Fe₂O₃ и TiO₂, <1% СаО).

Магнитной сепарацией в поле высокой интенсивности 1300 кА/м можно получить концентраты, содержащие: Fe₂O₃ – 0,7–1,5%; TiO₂ – 0,8–1,0%; Al₂O₃ – 52,0–57,0%. При этом выход кианита снижается на 0,5–1,0%.

Абрамовский участок (Сосновско-Абрамовская кианитовая залежь) относится к перспективным как для организации производства обогащенного кианита, так и по прогнозным запасам сырья. Сосновский участок характеризуется пониженным содержанием глинозема в кианите (41–41,5%).

Кианитовые руды Мало-Брусянского участка имеют линзообразную форму длиной 100–600 м, шириной до 60 м и мощностью 10–50 м. Они перекрыты зоной выветрелых пород, содержащих суглинки с включениями обломков кварца и кианита. Кианитовая минерализация связана с кварцитами, слюдисто-кварцевыми сланцами и амфиболитовыми гнейсами.

Лабораторией обогащения Уралгеолкома испытаны на обогатимость три пробы с содержанием Al₂O₃ от 13,1% до 16,2%. Основные породообразующие минералы – кварц, полевые шпаты, мусковит. Рудные минералы присутствуют в незначительном количестве, кианит представлен зернами флотационной крупности (0,3–0,03 мм).

На основании проведенных исследований предложены две технологические схемы обогащения: гравитационная с промежуточной магнитной сепарацией и без нее, и флотационная с доводкой кианитового концентрата и хвостов (кварцевого продукта) магнитной сепарацией в сильном поле. Лучшие результаты достигнуты при использовании флотационной технологии, которая позволяет получить кианитовые концентраты с содержанием Al₂O₃ 50–55%, при извлечении 68–78%, при выходе 18–21%. Хвосты флотации рекомендованы для производства изделий тонкой керамики, изготовления сварочных материалов и др.

В Восточном институте огнеупоров из необогащенных кианитов, в основном кварцевого состава, получены алюмосиликатные изделия общего назначения, отвечающие требованиям ГОСТ 390-83. Изготовлены также огнеупоры марок ШУС и ПВ, которые могут применяться при температурах до 1250^оС.

Кианитовое сырье можно также использовать в технологии производства шамотных огнеупоров без предварительного обжига (на Сухоложском, Богдановичском и др. заводах).

На основании проведенных исследований может быть разработан технологический регламент и выполнено технико-экономическое обоснование обогащения уральских кианитов, выбрано месторождение и определена мощность горно-обогатительного комбината. Проведенные работы дают возможность считать, что основными источниками сырья для производства обогащенного кианита на Урале могут стать Сосновско-Абрамовская и Брусянская кианитовые залежи.

Для оценки и определения запасов кианита, уточнения содержания Al₂O₃ в сырье необходима постановка геологоразведочных работ, проведение укрупненных технологических испытаний с целью определения возможности использования полученных концентратов в производстве, как огнеупоров, так и тонкой керамики.