Обогащение руд черных металлов


В. Г. Самойлик, А. Н. Корчевский




ОБОГАЩЕНИЕ РУД ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

Учебное пособие





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 622.7:622.341   Рекомендованоучёнымсоветом ГОУВПО «Донецкий
ББК 33.4+26.341.2   национальныйтехнический университет»вкачестве

С17

               учебного пособия для студентов образовательных учреждений высшего профессионального образования (Протокол№ 6 от 25.06.2021 г.)



Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заведующий отделом сдвижения земной поверхности и охраны подрабатываемых объектов РАНИМИ (г. Донецк)
Н. Н. Грищенков;
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой строительства зданий, подземных сооружений и геомеханики ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» (г. Донецк) С. В. Борщевский

        Самоилик, В. Г.

С17 Обогащение руд черных металлов : учебное пособие / В. Г. Самой-лик, А. Н. Корчевский. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. -180 с. : ил., табл.

           ISBN 978-5-9729-1043-4


      Представлены сведения об условиях залегания, месторождениях, минеральном составе, технических характеристиках, требованиях к качеству руд чёрных металлов. Подробно рассмотрены методы обогащения, применяемые в процессе переработки железных, марганцевых, хромовых руд; возможные схемы их обогащения в зависимости от минерального состава исходного сырья и требований потребителей к качеству конечного продукта.
     Для студентов горных вузов всех форм обучения.


УДК 622.7:622.341
ББК 33.4+26.341.2












ISBN 978-5-9729-1043-4

      © Самойлик В. Г., Корчевский А. Н., 2022
      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                              © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

                СОДЕРЖАНИЕ





ВВЕДЕНИЕ....................................................... 5
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РУД ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ.....................6
    1.1. Типы руд и месторождений...............................6
        1.1.1. Железные руды................................... 6
        1.1.2. Марганцевые руды............................... 12
        1.1.3. Хромовыеруды....................................18
    1.2. Технологические требования к качеству руд черных металлов и концентратов.............................................21
        1.2.1. Железные руды...................................21
        1.2.2. Марганцевые руды................................25
        1.2.3. Хромовые руды...................................28
2. ТЕХНОЛОГИИ ОБОГАЩЕНИЯ РУД ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ.................. 31
    2.1. Подготовительные процессы.............................31
        2.1.1. Усреднение качества исходной руды...............31
        2.1.2. Раскрытие сростков при подготовке руд к обогащению... 33
    2.2. Процессы обогащения...................................43
        2.2.1. Радиометрическое обогащение.................... 43
        2.2.2. Магнитное обогащение............................55
        2.2.3. Гравитационное обогащение.......................62
        2.2.4. Флотационное обогащение.........................66
        2.2.5. Обжиг-магнитное обогащение..................... 70
        2.2.6. Комбинированные методы обогащения...............75
3. ПРАКТИКА ОБОГАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД........................... 83
    3.1. Изучение технологических свойств железных руд.........83
    3.2. Выбор способов обогащения железных руд................84
    3.3. Обогащение магнетитовых кварцитов..........................86
        3.3.1. Технологическая характеристика руд............. 86
        3.3.2. Способы обогащения магнетитовых кварцитов............87
        3.3.3. Практика обогащения магнетитовых кварцитов......95
    3.4. Обогащение магнетитовых руд скарнового типа......... 100
        3.4.1. Технологическая характеристикаруд..............100
        3.4.2. Дробление и сухое магнитное обогащение.........101
        3.4.3. Мокрое магнитное обогащение................... 102
        3.4.4. Практика обогащения магнетитовых руд скарнового типа.104
    3.5. Обогащение магномагнетитовых и титаномагнетитовых руд......107
        3.5.1. Технологическая характеристикаруд..............107

3

        3.5.2. Дробление и сухое магнитное обогащение магномагнетитовых и титаномагнетитовых руд............ 108
        3.5.3. Измельчение и мокрое магнитное обогащение...... 109
        3.5.4. Практика обогащения магномагнетитовых и титаномагнетитовых руд...............................110
    3.6. Обогащение гематит-магнетитовых и гематитовых руд......... 117
        3.6.1. Технологическая характеристикагематит-магнетитовых руд     117
        3.6.2. Обогащениегематит-магнетитовых руд............. 108
        3.6.3. Технологическая характеристика гематитовых руд...... 120
        3.6.4. Обогащение гематитовых руд..................... 120
    3.7. Обогащение бурожелезняковых и сидеритовых железных руд.... 128
        3.7.1. Технологическая характеристика бурожелезняковых руд. 128
        3.7.2. Обогащение бурожелезняковых руд................ 128
        3.7.3. Технологическая характеристика сидеритовых руд...... 132
        3.7.4. Обогащение сидеритовых руд......................132
4. ПРАКТИКА ОБОГАЩЕНИЯ МАРГАНЦЕВЫХ РУД........................ 136
    4.1. Изучение технологических свойств марганцевых руд..... 136
    4.2. Выбор способов обогащения марганцевых руд.............137
    4.3. Технологические решения по обогащению марганцевых руд..... 144
        4.3.1. Обогащение руд Никопольского месторождения......144
        4.3.2. Обогащение руд Чиатурского месторождения....... 146
        4.3.3. Обогащение руд Усинского месторождения......... 148
        4.3.4. Обогащение руд Порожинского месторождения...... 151
5. ПРАКТИКА ОБОГАЩЕНИЯ ХРОМОВЫХ РУД............................154
    5.1. Изучение технологических свойств хромовых руд.........154
    5.2. Обогащение хромовых руд.............................. 156
    5.3. Технологические решения по обогащению хромовых руд........ 157
        5.3.1. Обогащение руд Южно-Кемпирсайского месторождения....157
        5.3.2. Обогащение хромовых руд России................. 160
        5.3.3. Обогащение хромовых руд за рубежом..............165
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................... 169
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................170

4

                ВВЕДЕНИЕ





    К черным металлам относятся железо и добавляемые к нему в процессе плавки марганец, хром, титан и ванадий, необходимые для получения продукции металлургии. На долю чёрных металлов приходится около 95 % всей производимой в мире металлопродукции.
    Основным сырьём чёрной металлургии являются железные, марганцевые и хромовые руды. Несоответствие между качеством добываемого сырья и требованиями к нему потребителей обуславливает необходимость наличия в горнометаллургическом переделе цикла обогащения руд. Процессы обогащения занимают одно из ведущих мест в горнорудной промышленности. Обогащению подвергаются 2/3 добываемых железных руд, все марганцевые и хромовые руды.
    Развитие обогащения руд чёрных металлов характеризуется, с одной стороны, непрерывной интенсификацией основных и вспомогательных процессов в связи с ухудшающимся качеством добываемых руд, а с другой - всё возрастающими требованиями к качеству концентратов. Широкое распространение получают новые технологии (например, бескоксовые способы производства стали), успешное внедрение которых требует применения высококачественных концентратов.
    Дальнейшее развитие отрасли предусматривает повышение извлечения компонентов из добываемых руд, увеличение содержания железа, марганца и хрома в концентратах, повышение комплексности использования минерального сырья. Промышленная ценность руды определяется как содержанием в ней основного компонента, так и сопутствующих - титана, ванадия, кобальта и др. Комплексное использование руд вместе с улучшением технико-экономических показателей обогащения решает важную народно-хозяйственную задачу - рациональное использование природных ресурсов.

5

                1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РУД ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ




    Железо, марганец и хром выплавляют из рудных минералов, добываемых из земной коры и со дна океанов. В кристаллических решётках минералов катионы чёрных металлов связаны с различными анионами. В зависимости от рода этих анионов минералы и руды подразделяются на оксидные, содержащие анионы кислорода; гидроксидные, образованные гидроксильными ионами; карбонатные, содержащие карбоксильные анионы; силикатные и сульфидные, образованные анионами силикатов и серы. В том случае, когда наряду с катионами чёрных металлов сырьё содержит катионы редких и цветных металлов, руды называются комплексными (например, титано-магнетитовые). В чистом виде металлосодержащие минералы в природе почти не встречаются. Обычно они вкраплены в частицы пустой породы, не содержащие или содержащие следы металлов. Полезные ископаемые называются рудами в том случае, когда содержание в них рудных минералов обеспечивает целесообразный уровень переработки.
    К основным технологическим параметрам руд относятся: содержание (fi) полезного компонента (компонентов) и вкрапленность. Содержание полезного компонента является одновременно качественной и количественной характеристикой руд. Оно определяет пригодность руд к металлургическому переделу непосредственно или после предварительного обогащения. В рудах, подлежащих обогащению, важное значение имеет в какой минеральной форме находится компонент, поскольку минеральный состав определяет способность руд к обогащению.
    Параметр «вкрапленность» определяет необходимую крупность измельчения руд, которая служит основным показателем энергоёмкости их переработки. Вкрапленность минералов в рудах определяется максимальным линейным размером (крупностью) зёрен и их агрегатов в массиве.
    Рассмотрим минеральный состав руд чёрных металлов, их запасы, технологические требования к качеству руд и концентратов.

        1.1. Типы руд и месторождений

        1.1.1. Железные руды

    Железо в химически чистом виде - блестящий серебристо-белый вязкий и ковкий металл, имеющий плотность 7800 кг/м³ и температуру плавления 1539±1°С. Образует сплавы со многими элементами. Наиболее распространенными являются железоуглеродистые сплавы (чугун, стали), сплавы железа с

6

марганцем (ферромарганец), кремнием (феррокремний), хромом (феррохром), вольфрамом, ванадием, титаном, ниобием, кобальтом, никелем, молибденом и др., играющие ведущую роль в современной технике.
    Среднее содержание железа в земной коре - 5,0 %. Оно является одним из наиболее распространенных элементов (после кислорода, кремния и алюминия) и входит в состав большого числа минералов (более 300). Главные промышленно-ценные минералы железа - оксиды и гидроксиды, в меньшей степени - карбонаты. Минералы, имеющие наибольшее промышленное значение, представлены в таблице 1.1.


Таблица 1.1 - Главнейшие минералы железных руд [1]

Минерал               Химическая формула   Содержание железа, %
Магнетит                   FeOFe2O3                72,4        
Магномагнетит            (Mg,Fe)OFe2O3            65-68        
Титаномагнетит        FeOFe2O3 + FeO-TiO2         55-67        
Гематит (мартит)             FeO.t                 70,0        
Гетит                        HFeO2                 62,9        
Гидрогетит (лимонит)        FeO2H2O             52,0-62,9      
Сидерит                      FeCO3                 48,3        
Ильменит                    FeOTiO2                36,8        

    По минералогическому составу различают следующие основные типы руд [2]:
    1.     Магнетитовый, включающий следующие группы разновидностей: магнетитовые кварциты, магнетитовые скарновые, магномагнетитовые, титаномагнетитовые. Основные рудные минералы - магнетит, ильменит, титано-магнетит.
    2.     Гематитовый, включающий следующие группы разновидностей: собственно гематитовые и мартитовые. Основной рудный минерал - гематит.
    3.     Бурожелезняковый, включающий следующие группы разновидностей: оолитовые конгломераты и охристые руды. Главные рудные минералы -гидроксиды железа: гетит, гидрогётит.
    4.     Сидеритовый, представленный собственно сидеритовой группой разновидностей: пиритными, оолитовыми, кремнистыми, магнетитовыми рудами. Главным рудным минералом является сидерит.
    5.     Силикатный, включающий сидеритоплезитовые, шамозитовые, тюрин-гитовые группы разновидностей. Главные рудные минералы - железистые хлориты.


7

    Железорудные месторождения промышленного значения весьма разнообразны. Они известны в эндогенных, экзогенных и метаморфогенных комплексах пород. С учетом генезиса принято выделять следующие основные промышленные типы.
    Магматические железные руды, связанные с комплексом основных и ультраосновных пород габбро-анортозитовой формации, являются комплексными железо-титан-ванадиевыми (Fe-Ti-V), содержащими в качестве попутных ценных компонентов платиноиды. Главными рудными минералами в них выступает магнетит (обычно титаномагнетит) и ильменит, образующий вростки или решетчатые структуры распада в магнетите.
    В карбонатитовых месторождениях главным и практически единственным рудным минералом железа является магнетит. Карбонатиты, представляющие собой эндогенные скопления карбонатов, входящие в комплекс щелочных ультраосновных пород, оказываются обогащены Ti, Nb, Ta, Zr, Sc и редкоземельными элементами.
    В известково-скарновых месторождениях главными рудными минералами являются магнетит и гематит, в том числе и мартит. Попутными ценными компонентами в известково-скарновых рудах могут быть Cu, Au и Co.
    Вулканогенные гидротермальные месторождения, генетически связанные с породами трапповой формации, в качестве главного рудного минерала содержат магномагнетит, а в качестве второстепенного - гематит.
    Вулканогенно-осадочные месторождения характеризуются комплексными Fe-Mn рудами и в качестве главного рудного минерала железа содержат гематит, в меньшем количестве магнетит и сидерит.
    Метаморфогенные месторождения представлены железистыми кварцитами, главными рудными минералами которых являются магнетит и гематит, в резко подчиненном количестве в них может присутствовать сидерит. Текстура руд - слоистая: от тонко- до грубослоистой. Структура - тонко- и мелкозернистая. Размеры выделений магнетита находятся в прямой зависимости от степени метаморфизма кварцитов: чем более глубоко они метаморфизованы, тем крупнее размеры зёрен, агрегатов магнетита и более благоприятны они для обогащения. Крупные и уникальные по запасам месторождения, легкая обогатимость руд, возможность разработки открытым способом большими карьерами с применением мощной горнодобывающей и транспортной техники позволяют считать их благоприятными объектами добычи железных руд во всех бассейнах мира. Доля руд данного типа в разведанных запасах и производстве товарных руд в мире превышает 60 %, в России в запасах она составляет - 55,9 %, в производстве товарных руд - 64,5 %.

8

Рисунок 1.1 - Распределение запасов железных руд и их прогнозных ресурсов категории Р₁ по основным субъектам РФ, млрд т

    Экзогенная группа месторождений железных руд представлена месторождениями выветривания и осадочными.
    Руды месторождений осадочного генезиса по составу относятся к гётит-гидрогематит-сидерит-лептохлоритовым. В процессе осадконакопления при удалении от береговой линии в глубь водоёма происходит последовательная смена минерального состава осадочных железных руд от гидроксидных вблизи берега на карбонатные и далее на силикатные на глубине.
    Руды месторождений выветривания по минеральному составу являются гётит-гидрогётитовыми (бурожелезняковыми). Они могут содержать мартит-гидрогётитовые, гётит-гидрогётит-гидрогематитовые зоны. Формируются они за счет выветривания осадочных и эндогенных руд любого генезиса.
    Россия занимает второе место в мире по запасам железной руды, уступая только Бразилии. Запасы категорий А + В + Cᵢ + С? [3], учтенные «Государственным балансом полезных ископаемых. Железные руды», по состоянию на 01.01.2016 г. достигают 110 млрд т, ресурсы наиболее достоверной категории Р₁ оцениваются в 95,4 млрд т. При этом качество железорудного сырья в России заметно ниже, чем в других странах, обладающих значительными запасами этого сырья (например, Бразилии, Австралии и Индии).
    Распределение запасов железных руд и их прогнозных ресурсов категории Р₁ по основным субъектам РФ представлено на рисунке 1.1 [4].

9

    Основу российской железорудной базы составляют железистые кварциты (более 52 % запасов категорий А + В + Cᵢ от запасов железных руд Российской Федерации), руды со средним содержанием железа общего около 34 % и требующие обогащения.
    Руды титаномагнетитового промышленного типа занимают второе место в российской сырьевой базе железных руд (более 15 % запасов кат. А + В + Cᵢ страны). Руды преимущественно бедные - среднее содержание железа общего около 17 %. Месторождения представлены вкрапленными, сплошными и жильными рудами титаномагнетита и магномагнетита, содержат ценные и редкие примеси - ванадий, циркон, платину, титан и др. По масштабу запасов титаномагнетитовых руд Уральская железорудная провинция не имеет аналогов в мире.
    Запасы месторождений богатых гематит-сидерит-мартитовых руд Курской магнитной аномалии (КМА) составляют около 30 млрд т (категории А + В + + Cᵢ + СА), но из-за сложных условий залегания только шестая их часть может быть вовлечена в разработку.
    Руды магнетитового промышленного типа составляют около 14 % запасов кат. А + В + Cᵢ России (8,4 млрд т). Руды их, как правило, легкообогатимы и отличаются сравнительно высоким содержанием железа общего (среднее содержание 33,1 %). Большая часть запасов месторождений магнетитовых руд скарнового типа разведана в Сибирском федеральном округе в Горной Шории, Кузнецком Алатау и Горном Алтае. На территории округа запасы кат. А + В + + Cᵢ составляют 12,6 % общих запасов, добыча - 4,4 % от добычи по России.
    Руды остальных промышленных типов занимают значительно меньшую долю в сырьевой базе железных руд России. С учетом прироста в результате геологоразведочных работ, добычи и потерь при добыче запасы железных руд категорий А + В + Cᵢ в 2014 г. выросли относительно предыдущего года на 908 млн т, или на 1,5 %. Динамика запасов категории С.А показала более существенный рост - на 2,5 млрд т, или на 5,3 %.
    Основные месторождения железных руд и их геолого-промышленные типы приведены в табл. 1.2 [4].

10

Таблица 1.2- Основные месторождения железных руд России

                                 Запасы руды, млн т          Содер-
                      Геолого-                       Доля в  жание 
Месторождение       промышленный А + В + С!    С     запасах  Fe в 
                      тип руд                         РФ, %  рудах,
                                                               %   
         1               2           3         4        5      6   
Михайловское        Гематит-        8052    4764      11,7   39,5  
(Курская обл.)      магнетитовый                                   
Стойленское         в железистых    6506    4645      10,2     35  
(Белгородская обл.) кварцитах                                      
Стойло-Лебединское  Магнетитовый                                   
(Белгородская обл.) в железистых    2199    109        2,1     35  
                    кварцитах                                      
Лебединское                         3613    1789       4,9   34,6  
(Белгородская обл.)                                                
Приоскольское       Магнетитовый    1560    678         2    37,1  
(Белгородская обл.) в железистых                                   
Костомукшское,      кварцитах                                      
Корпангское                      926,7      86,8       0,7   32,1  
(Республика                                                        
Карелия)                                                           
Ковдорское          Бадделеит-                                     
(Мурманская обл.)   апатит-      743,5      730        1,3   25,1  
                    магнетитовый                                   
Шерегешевское                    140,2      14,5       0,1     36  
(Кемеровская обл.)  Магнетитовый                                   
Таштагольское       в скарнах    410,3      296,4      0,6   45,5  
(Кемеровская обл.)                                                 
Казское                          36,1         11,2    0,03   43,3  
(Кемеровская обл.)  Магнетитовый                                   
Рудногорское        в скарнах    205           37      0,2     32  
(Иркутская обл.)                                                   
Яковлевское         Гематит-                                       
(Белгородская обл.) сидерит-        1861    7740       8,8   60,5  
                    мартитовый                                     
Гусевогорское                       2427    2410       4,4   16,6  
(Свердловская обл.) Ванадиево-                                     
Собственно-         титаномаг-                                     
Качканарское        нетитовый       3603    3270       6,3   16,6  
(Свердловская обл.)                                                

11

Окончание таблицы 1.2

         1                 2          3     4    5   6  
Суроямское                          1791  1918  3,4 14,3
(Челябинская обл.)                                      
Чинейское            Титаномагнети- 464,1 472,4 0,8 33,5
(Забайкальский край) товый                              
Гостищевское         Гематит-       2596  7559  9,3 61,6
(Белгородская обл.)  сидерит-                           
Висловское           мартитовый     1453  2500  3,6 60,7
(Белгородская обл.)                                     
Десовское(Респуб-                   430,2 134,8 0,7 27,9
лика Саха, Якутия)                                      
Таежное (Республика  Магнетитовый   798,2 590,4 1,4 38,3
Саха, Якутия)        в железистых                       
Кимканское           кварцитах      184,5 32,3  0,2 35,9
(Еврейская АО)                                          
Сутарское                           289,5 201,7 0,5 32,6
(Еврейская АО)                                          

1.1.2. Марганцевые руды

    Марганец - серебристо-белый хрупкий металл, имеющий плотность 72007460 кг/м³, температуру плавления 1244 °C. Основным потребителем марганцевых продуктов в России в настоящее время является чёрная металлургия (около 90 %), где он используется преимущественно в виде сплавов с железом (ферромарганца) и кремнием (силикомарганца), а также металлического марганца, применяемых для раскисления и легирования стали. В сравнительно небольшом количестве марганец используется в производстве сплавов с цветными металлами (медью, алюминием, никелем и др.). Только 5-10 % металла потребляется в электротехнической (для производства сухих батарей), химической промышленности, керамическом и стекольном производстве, в сельском хозяйстве (добавки в минеральные удобрения и в корма для животноводства).
    Среднее содержание марганца в земной коре составляет около 0,1 %, в различных горных породах оно колеблется от 0,06 до 0,2 %. Марганец встречается в природе главным образом в виде оксидов, гидроксидов, карбонатов и силикатов. Известно более 150 минералов, содержащих марганец, но промышленное значение имеет лишь небольшая их часть (табл. 1.3).
    Промышленные типы месторождений марганцевых руд представлены: морскими осадочными, метаморфизованными и гипергенными, а также


12