Глава 4. Основные и вспомогательные материалы цветной металлургии

1. Руды и минералы цветных металлов

Основным сырьем для получения цветных металлов являются руды. Рудой называется такая горная порода, из которой данный металл может быть извлечен с экономической выгодой при определенной его концентрации в этой горной породе. Минимальное содержание металла в руде не остается постоянным, а зависит от уровня развития техники в данной отрасли металлургии. Так, до недавнего времени считалось, что минимальное содержание меди в руде должно быть выше 1 %. Однако с развитием методов обогащения этот минимум в настоящее время снижен до 0,5-0,8 %..

При формировании земной коры металлы распределились неравномерно - они скопились в некоторых ее участках и образовали рудные месторождения. Средние содержания металлов (кларки) в земной коре, взятой до глубины 16 км, весьма невелики. Сравнивая, например, среднее содержание меди в рудах (около 1 %) с кларком меди (0,01 %), легко убедиться, что рудные месторождения встречаются нечасто.

Горные породы и руды состоят из минералов. Минерал - природное химическое соединение, представленное приблизительно однородным по составу и физическим свойствам телом, или минерал - это физически и химически индивидуализированная составная часть земной коры. Минералы в большинстве своем - твердые кристаллические вещества, они различаются по составу, цвету, блеску, плотности, твердости и иным признакам. Известно около 3000 минеральных видов: наиболее распространены силикаты, фосфаты и их аналоги, сульфиды и их аналоги, оксиды и гидроксиды. Минералы, содержащие ценные элементы, извлекаемые при комплексной переработке, считают рудными, а остальные - пустой породой.

По химическому составу руды подразделяют на следующие виды:

1) самородные, в которых основной металл присутствует к свободном состоянии (Au, Cu, Pt, Hg);

2) окисленные, в которых основной металл находится в виде кислородного соединения, карбоната, гидрата;

3) сульфидные, в которых основной металл находится в виде сульфидного соединения.

Руды называют по извлекаемым из них металлам, например, медная, свинцовая, никелевая руда и дополнительно - по преобладающему типу минералов: сульфидная, окисленная, самородная. Руды, служащие сырьем для получения нескольких металлов, называют комплексными или полиметаллическими.

К типичным представителям самородных руд относятся золотосодержащие, а также содержащие самородную медь, платину (обычно в виде сплавов), серу.

Окисленные руды состоят главным образом из оксидов. В них мало серы, в большом количестве содержится кварц (породообразующий и жильный минерал, диоксид кремния SiO₂), а также присутствуют различные силикаты (соли кремниевой кислоты H₂SiO₃). Окисленные руды широко используют в производстве никеля, алюминия, титана, вольфрама, урана, ниобия, тантала и др.

К

11-Колобов Г.А.

ак правило, все сульфидные руды могут быть отнесены к классу полиметаллических (медно-никелевые, медно-свинцово-цинковые руды и др). Они обычно содержат в небольших количествах (от единиц до десятков граммов на тонну) благородные металлы: серебро, золото, платину, а также молибден, висмут, кадмий и др. (сотые доли процента). Серу, входящую в состав сульфидных руд и выделяющуюся при их переработке в виде сернистого газа SO₂, используют для получения серной кислоты. В сульфидных рудах всегда много пирита FeS₂ или пирротина Fe₇S₈. Основными минералами пустой породы таких руд являются кварц, известняк (горная порода, состоящая главным образом из минерала кальцита СаСО₃), доломит MgCO₃CaCO₃, глинозем Al₂O₃, барит ВаSO₄ и др. Общим признаком сульфидных руд является относительно высокая их обогатимость. Они являются важнейшими в производствах меди, никеля, цинка, свинца, молибдена и других цветных металлов.

Познакомимся с рудами и минералами основных цветных металлов.

Медь. В природе встречается в виде соединений с серой или кислородом, изредка в виде самородной меди. Обычное содержание меди в рудах от 0,7 до 3 %, более богатые встречаются редко. Главные минералы халькопирит CuFeS₂ (медный колчедан), халькозин Cu₂S (медный блеск), борнит Cu₅FeS₄. Сульфидные медные руды обогащают флотацией, получая концентраты, содержащие 11-35 (иногда до 55) % меди. В медных сульфидных рудах, наряду с медными минералами, присутствуют минералы цинка (сфалерит ZnS), свинца (галенит PbS) и благородные металлы (2-5 г/т Au, 10-60 г/т Ag). В медно-никелевых рудах, кроме меди и никеля, присутствуют в промышленных количествах минералы кобальта и платиноидов.

Никель. В природе встречается в виде сульфидных медно-никелевых руд (минерал пентландит (Fe,Ni)₉S₈) и окисленных руд (минерал гарниерит Ni₄Si₄O₁₀(OH)4H₂O). На окисленные руды приходится около 80 % мировых запасов никеля, однако более 60 % от его мирового производства получают из сульфидных руд. Содержание никеля в сульфидных рудах колеблется в пределах 0,3-5,5 %, меди 0,6-10 %, кобальта до 0,2 %. В окисленных никелевых рудах медь иногда присутствует, но в очень незначительных количествах. Ценность этих руд определяется не только содержанием в них никеля, но и кобальта.. По химическому составу минералов пустой породы окисленные никелевые руды подразделяются на железистые и магнезиальные. В них содержится 0,7-4 % никеля, кобальта - на порядок меньше.

Свинец. В рудах встречается в виде множества различных минералов, важнейший из которых - галенит PbS (свинцовый блеск). Перерабатывают и руды окисленных минералов свинца - церуссита PbCO₃ и англезита PbSO₄, однако преобладающее количество металла получают из сульфидных руд: свинцово-цинковых или медно-свинцовых. В свинцовых сульфидных рудах цинк находится в виде минералов сфалерита и вюрцита ZnS, называемых также цинковой обманкой, железо - в виде пирита, реже - пирротина, а серебро представлено преимущественно аргентитом Ag₂S. В окисленных рудах цинк находится в виде смитсонита ZnCO₃, серебро - в виде металла или AgCl, медь - в малахите Cu₂CО₃(OH)₂ или азурите Cu₃(CO₃)₂(OH)₂. В полиметаллических свинцовых рудах обычно встречаются золото, серебро, висмут, сурьма, мышьяк, кадмий, олово, галлий, таллий, индий, германий, селен и теллур. Непосредственно из руд свинец теперь не выплавляют, а используют концентраты., полученные флотационным обогащением сульфидных руд. Более трети металла выплавляют из вторичного свинца: отходов листового свинца и сплавов, аккумуляторного и кабельного лома и др.

Цинк. В природе широко распространен: важнейший минерал сульфидных руд - сфалерит. Богатую железом (до 26 %) разновидность сфалерита называют марматитом. Кроме того, сфалериты содержат в небольших количествах кадмий, золото, серебро. Свинец, медь и железо находятся в сульфидных цинковых рудах также в виде соединений с серой: галенита, халькопирита и пирита. Флотационным обогащением из комплексной руды последовательно выделяют свинцовый, медный, цинковый и пиритный концентраты. При обогащении окисленных руд получают концентраты, содержащие цинк преимущественно в виде смитсонита и каламина (силикат состава Zn₂SiO₄H₂O).

Олово. Из минералов олова промышленное значение имеют касситерит (оловянный камень) SnO₂ и в меньшей степени - станнин, минерал класса сульфидов Cu₂FeSnS₄. В оловянных рудах содержится от 0,1 до 5 % Sn. В результате обогащения получают концентраты, содержание олова в которых составляет от 15 до 60 % в зависимости от состава исходной руды.

Алюминий. По распространенности в природе занимает первое место среди металлов. Основным сырьем являются бокситы: горная порода, состоящая в основном из гидроксидов алюминия (минералы гиббсит (гидраргиллит) Al₂O₃3H₂O, бемит Al₂O₃H₂O, диаспор Al₂O₃H₂O) и различных примесей: оксидов и гидроксидов железа, титана, карбонатов, минералов кремнезема (кварц и др.), глинистых минералов и пр. Нередко в бокситах отмечается повышенное содержание редких элементов (ванадия, галлия и др.). Бокситы подразделяют на марки по содержанию глинозема (от 28 до 52 % и выше) и кремниевому модулю. Последний - отношение Al₂O₃ к SiO₂ (по массе) - изменяется от 2,1 до 12. Качество (сортность) бокситов (при равном содержании глинозема) тем выше, чем выше кремниевый модуль. Кроме бокситов, для производства алюминия используют нефелино- и алунитсодержащие породы, в которых алюминий находится в минералах нефелине (Na,K)₂OAl₂O₃2SiO₂ и алуните (Na,K)₂SO₄Al₂SO₄4Al(OH)₃. К рудам алюминия относятся также бесщелочные алюмосиликаты: кианиты, каолины и глины.

Магний. В природе широко распространен, кларк его 2,35 %. Существенная доля запасов магния (1,8510¹⁵ т) находится в воде морей и океанов, содержащей в среднем, %: 0,3 MgCl₂; 0,04 MgBr₂; 0,18 MgSО₄. Однако из-за малой концентрации добыча магния из морской воды обходится дорого. К основным видам ископаемого сырья, пригодного для производства магния, относятся карналлит MgCl₂KCl6H₂O, карбонаты магния - магнезит MgCO₃ и доломит, а также бишофит MgCl₂6H₂О. Карналлит - гигроскопическая ископаемая соль, содержащая в виде примесей хлориды калия и натрия, бромиды и пр. (карналлитовая порода или естественный карналлит содержит, например, %: 19 KСl; 24 MgCl₂; 24 NaС1, 30 H₂O и 2,4 нерастворимого остатка). Электролизом расплавленного обезвоженного карналлита получают основное количество магния. Термическим способом получают магний из магнезита и доломита. Для производства магния используют каустический магнезит, представляющий собой оксид магния MgO, который получают путем обжига природного магнезита при 700--900 ⁰С. Доломит содержит примеси кварца, кальцита, гипса CaSO₄2H₂O и др. При получении магния его, как и магнезит, предварительно обжигают, в результате чего образуется смесь оксидов MgO и СаО. Бишофит является перспективным сырьем для получения магния.

Титан. Среди конструкционных металлов по распространенности в земной коре занимает четвертое место, уступая железу, алюминию и магнию. Его важнейшие минералы - рутил (одна из кристаллических модификаций диоксида титана TiO₂) и ильменит (титанистый железняк FeTiO₃). Природный рутил содержит до 10 % примесей оксидов железа и других металлов, которыми он окрашен в бурый, красный или синеватый цвет. Содержание титана в рутиле выше, чем в ильмените, но промышленное значение рутила ниже, так как он более рассеян в других породах, чем ильменит. Ильменит находится в рудах двух типов: коренных ильменит-титано-магнетитовых (Кусинское месторождение) и рассеянных рутил-ильменит-цирконовых (Самотканское месторождение). В результате обогащения последних получают три вида концентратов: рутиловый, ильменитовый и цирконовый.

Вольфрам. В природе встречается главным образом в виде минералов вольфрамита (Fe,Mn)WO₄ и шеелита СаWO₄. При преимущественном содержании в вольфрамите железа минерал называют ферберитом, марганца - гюбнеритом. Вольфрамовые руды содержат до 1-1,5 %, чаще 0,3-0,5 % WО₃. Вольфрам в рудах часто ассоциируется с оловом (в виде касситерита), а также с минералами молибдена, висмута, мышьяка и меди. Главная масса пустой породы состоит из кварца. Вольфрамитовые руды обогащают гравитационным и магнитным способами, а шеелитовые - флотацией. В концентратах содержится 60-65 % WO₃.

Молибден. Из известных минералов молибдена главное промышленное значение имеет молибденит (молибденовый блеск) МоS₂: около 99 % молибдена получают из молибденитовых руд, в том числе медно-молибденовых. Молибдену в рудах часто сопутствуют олово, вольфрам, мышьяк, медь и висмут; в медно-молибденовых рудах молибден - спутник меди. Пустая порода молибденовых руд представлена в основном кварцем, серицитом KAl₂(OH)₂[AlSi₃O₁₀] и флюоритом (плавиковый шпат СаF₂). Руды обычно содержат 0,1-0,2 % Мо, а медно-молибденовые - 0,03-0,05 % Мо и до 2 % Сu. Медно-молибденовые и особенно молибденитовые руды хорошо флотируются: из медно-молибденовых руд извлечение молибдена в концентрат составляет 50-70 %, из молибденитовых - достигает 90 %. Содержание молибдена в концентратах обычно составляет 47-50 %.

В молибдените часто присутствует изоморфная примесь рения. Хотя содержание рения достигает лишь 0,0004-0,02 %, тем не менее молибденитовые руды - главный вид сырья для извлечения этого рассеянного металла.

Ниобий и тантал. В эксплуатируемых рудах тантала и ниобия содержание суммы Ta₂O₅+Nb₂O₅ составляет 0,003-0,2 %. Общее содержание тантала в земной коре в 8 раз меньше, чем ниобия. Основные минералы - танталоколумбит (Fe,Mn)[(Ta,Nb)₂O₃]₂, пирохлор (Na,Ca)(Nb,Ta)₂O₆(F, OH), лопарит (Na,Ca,Ce)₂(Ta,Nb)₂O₆. В результате обогащения таких руд получают концентраты тантала, содержащие 40-65 % Ta₂O₅, и ниобия, содержащие 50-60 % Nb₂O₅.