Лекция 17. Промышленные типы железных, хромовых и марганцевых руд

А. Промышленные типы железных руд

Железо в чистом виде – металл с плотностью 7,8 г/см³ и температурой плавления 1540. Образует сплавы со многими элементами. Наиболее распространенными являются сплавы с углеродом (чугун, стали), кремнием (ферросилиций), марганцем и хромом (ферромарганец и феррохром), а также с никелем, вольфрамом, ванадием, молибденом, ниобием, которые играют ведущую роль в современной металлургии и металлообрабатывающей промышленности. В последние годы возросла роль сплавов железа с лантаноидами, стронцием, бором, ведутся опыты по получению сплавов с барием. Ведущие производители сплавов железа – США, Китай, Россия, Япония, Германия, Франция, Англия. Современная мировая цена 1 тонны стали среднего качества – 300 $/т.

Железо является одним из наиболее распространенных на планете элементов и входит в состав большого числа рудных и нерудных минералов. Главные промышленные минералы железа – магнетит Fe₃O₄, гематит Fe₂O₃, сидерит FeСO₃, гидрогётит (лимонит) - НFeO₂, гётит Fe(OН)₃, мартит (псевдоморфоза гематита по магнетиту), магномагнетит (Mg,Fe)Fe₂O₄, титаномагнетит (Ti,Fe)Fe₂O₄.

С учетом генезиса выделяются основные промышленные типы месторождений:

Генетический тип месторождений	Промышленные типы руд	Главные и характерные минералы	Главные и характерные элементы-примеси	Типичные месторождения,/ среднее содержание железа, %
1. Магматический	Титаномагнетитовые и ильменит-магнетитовые в ультраосновных и основных породах	Титаномагнетит, магнетит, ильменит, самородная платина и платиноиды	Ti, V, Sc, Cu, Co, Ni, S, Pt, Os	Качканарское, Кусинское, Копанское, Первоуральское / 16-24
	Апатит-магнетитовые в карбонатитах и ультраосновных –щелочных породах	Магнетит, апатит, бадделеит	P, Zr, TR	Ковдорское, Кируна (Швеция). /35-45
2. Гидротермально-осадочный	Гематитовые и магнетитовые руды в осадочных и вулканогенно-осадочных породах	Магнетит, гематит, псиломелан, гаусманит, сидерит, халькопирит, пирит, галенит, сфалерит	Mn, Ge, Cu, Zn, Au, Pb, Mo, S	Каражальское (Казахстан), Лан- Диль (Германия) / 30-40
	Сидеритовые руды в осадочных породах	Сидерит, сидероплезит		Бакал /40-48
3. Контактово-метасоматический	Магнетит-гематитовые руды в вулканогенно-осадочных и осадочных породах	Магнетит, мартит, гематит, пирротин, халькопирит, сфалерит, галенит, арсенопирит, висмутин, молибденит, кобальтин, линнеит, пентландит, самородные золото, серебро, платина	S, Cu, Ni, Co, Au, Ag, Pt, Pb, Zn, Bi, As, Mo, Cd, In, F, Ge,	Г. Магнитная, Высокогорское, Гороблагодатное, Соколовско-Сарбайское, Абаканское / 38-50
4. Гидротермальный	Магномагнетитовые руды в траппах	Магномагнетит, магнетит, гематит, пирит, халькопирит, сфалерит, галенит	S, Mg, Cu, Zn, V	Коршуновское, Рудногорское, Тагарское /35-45
5. Метаморфогенный	Железистые кварциты в метаморфизованных осадочных и вулканогенно-осадочных породах	Магнетит, гематит, сидерит, пирит	Ge, Au	КМА, Карелия, Кривой Рог (Украина), Итабира (Бразилия) /20-30
6. Кор выветривания	Мартитовые, мартит-гидрогематитовые руды по железистым кварцитам	Мартит, гидрогематит, сидерит, пирит		КМА, Кривой Рог /45-62
	Бурые железняки по сидеритам	Гидрогетит, сидероплезит	Au	Бакал /30-48
	Хром-никелевые, никель-кобальтовые бурые железняки кор выветривания ультраосновных пород	Гетит, гидрогетит, нонтронит, сидерит, асболан, ревдинскит гарниерит, псиломелан, пиролюзит	Ni, Co, Cr, Mn, V, Sc, Pt	Аккермановское, Халиловское /35-45
7. Инфильтрационный	Бурые железняки в осадочных породах	Гетит, гидрогетит.	Mn, TR	Зигазино-Комаровская группа (Республика Башкортостан) /35-50
8. Осадочный	Лептохлоритовые и гидрогетитовые оолитовые руды в морских и континентальных осадочных породах	Гидрогетит, лептохлориты, псиломелан, пиролюзит, вивианит, вернадит, пирит	P, Mn, As, V, Bi, S	Лисаковское (Казахстан), Рурский бассейн (Германия, Франция, Бельгия), Керченское (Крым), Аятское (Урал) /30-45
	Валунчато-обломочные руды в элювиально-делювиальных отложениях	Гематит, мартит, гетит, гидрогетит		г. Магнитная /30-35

Морфология рудных тел в магматических месторождениях – штокверки, субпластовые залежи гнездово-вкрапленных (шлировых) руд, реже трубки, жилы, линзы сплошных руд. Типичные рудовмещающие породы – габбро, нориты, пироксениты, анортозиты, диабазы, реже ультраосновные –щелочные и карбонатиты.

Морфология рудных тел в гидротермально-осадочных месторождениях – выдержанные протяженные пласты, нередко большой мощности. Рудовмещающие породы – кварциты, песчаники, карбонаты, пирокласты (туфы и др.).

Морфология рудных тел в контактово-метасоматических месторождениях – пласты, линзы, неправильные гнезда, жилы. Рудовмещающие породы – превращенные в скарны карбонаты, базальты и их туфы, серпентиниты, реже гранитоиды.

Морфология рудных тел в гидротермальных месторождениях – жилы, трубки. Рудовмещающие породы – скарнированные базальтовые траппы.

Морфология рудных тел в осадочных месторождениях – выдержанные протяженные пласты, нередко большой мощности. Рудовмещающие породы – пески, глины, песчаники, карбонаты морского и континентального происхождения.

Морфология рудных тел в метаморфогенных месторождениях – выдержанные протяженные пласты, нередко большой мощности, обычно смятые в сложные складки. Рудовмещающие породы – кварциты, песчаники, кристаллические сланцы.

Морфология рудных тел в месторождениях кор выветривания и инфильтрационных – пласты, линзы, прерывистые плащеобразные залежи. Рудовмещающие породы – глины, пески, дресвяники.

Богатые руды (содержание железа более 40 %) могут быть без обогащения направлены на металлургический передел (доменный, мартеновский, конверторный). Бедные руды требуют предварительного обогащения. Наиболее применимы способы обогащения – магнитная и электромагнитная сепарация, промывка с грохочением на ситах, обжиг.

Рыхлые мелкообломочные руды (с размером частиц менее 20 мм) и рудные концентраты после дробления требуют агломерации – окускования путем спекания с глинистыми минералами и другими способами. Таким путем получают так называемые окатыши – шарики диаметром 10-40 мм.

В современной промышленности получила развитие водородная металлизация рудных концентратов – с продувкой горячего водорода, превращающего оксиды железа в губчатое железо, направляемое на электрометаллургическую выплавку особо чистого железа и его сплавов. Важным для металлургов показателем вещественного состава руд является коэффициент основности – отношение [CaO+MgO]/[SiO₂+Al₂O₃]. Для разных металлургических процессов предпочтительны руды с коэффициентом основности менее 0,7, 0,7-1,1 и более 1,1.

Примеси легирующих металлов (Mn, Ni, Co, La и др.) являются ценными, а S, As, фосфора, цветных металлов - вредными для черной металлургии. Часто железные руды содержат попутные минералы и металлы – германий, платину, золото, медь, цирконий, апатит и др.

Месторождения железа по сложности строения делятся на 3 группы.

Первая группа- с рудными телами, выдержанными по мощности и качеству, горизонтально или почти горизонтально залегающими, обычно это осадочные месторождения.

Вторая группа – рудные тела сложного строения пластовой, прерывистой линзообразной формы, часто смятые в складки (метаморфогенные месторождения типа КМА).

Третья группа – рудные тела очень сложного строения, с резко изменчивой мощностью и качеством руд – все остальные типы.

От группы месторождения зависит схема разведки и плотность разведочной сети (чем сложнее, тем гуще должна быть сеть).

Запасы железных руд делят на категории А, В, С₁ и С₂.

Запасы категории А выделяются при детальной и эксплуатационной разведке толь-ко для месторождений первой группы в блоках, оконтуренных со всех сторон выработками без экстраполяции.

Запасы категории В выделяются при детальной и эксплуатационной разведке на месторождениях 1 и 2 групп, без экстраполяции. В них должны быть надежно оконтурены промышленные (технологические) типы руд.

Запасы категории С₁ определяются по скважинам и геофизическим данным с использованием геологически обоснованной экстраполяции.

Запасы категории С₂ определяются по редкой сети скважин и геофизическим данным с использованием геологически обоснованной экстраполяции к разведанным рудным телам.

Б. Промышленные типы хромовых руд

Хром в чистом виде – серебристо-белый металл с плотностью 7,2 г/см³ и температурой плавления 1800, устойчивый к коррозии. Образует промышленные сплавы со многими металлами. Наиболее распространенными являются сплавы с железом (феррохром), с углеродом, кобальтом и никелем (стеллит), а также двойной сплав с никелем – нихром. Сплавы железа с хромом применяются в производстве высокопрочных конструкционных, кислотоупорных, жаропрочных, нержавеющих, шарикоподшипниковых сталей, сплавов высокого электрического сопротивления и специальных чугунов. Металлический хром применяется для хромирования стальных изделий.

Хромовые руды низкого качества применяются в производстве огнеупоров для мартеновских и электроплавильных печей, конвертеров, печей для производства цемента.

Химическая промышленность потребляет хромовые руды для производства хромпиков – натриевых и калиевых солей хромовой кислоты и других соединений, используемых как красители, дубители для выделки кож, катализаторы, ядохимикаты и др. Радиоактивный изотоп хрома применяется в медицине.

Ведущие производители хромовых руд – ЮАР, Зимбабве, Казахстан, Турция, Филиппины, Финляндия, Индия. В России хромовое сырье является остро дефицитным.

Кларк хрома 0,008 %. Минералы, содержащие хром, многочисленны, но промышленное значение имеют только хромшпинелиды с общей формулой (Mg,Fe) (Cr,Al,Fe)₂O₄. Содержание окислов в них колеблется в широких пределах – Cr₂O₃ –2-67 %, Al₂O₃ –2-65 %, Fe₂O₃ – 0-41 %, FeO – 10-30 % MgO 1-20 %.

По содержанию хромшпинелидов хромовые руды делятся на сплошные (более 90 %), густо вкрапленные (70-90 %), средне вкрапленные (50-70 %), редко вкрапленные (30-50 %) и убого вкрапленные (менее 30 %). Текстуры руд массивные, полосчатые, пятнистые, брекчиевые, нодулярные.

В зависимости от качества (содержание оксида хрома от 30-35 % до 48-50 % и более) цены на хромиты колеблются от 40 $/т до 120 $/т.

Месторождения хромовых руд пространственно и генетически связаны с дунитовыми частями разреза дифференцированных ультраосновных массивов дунит-гарцбургитовой формации. С учетом генезиса выделяются 3 промышленных типа:

Тип месторождений	Стадия формирования рудоносных интрузии	состав рудоносных интрузий	Позиция руды в интрузиве	Морфология рудных тел	Параметры рудных тел	Примеры месторождений
1. раннемагматический, сегрегационный	Ранняя	Стратиформные расслоенные дунит-перидотит-пироксенитовые	Обычно по всей площади интрузии в её низах	Выдержанные пласты, до 2 и более пластов в разрезе месторождений	Мощность 0,3-1,0 м, редко 4-5 м, протяженность до десятков км	Бушвельд ЮАР, Великая Дайка Зимбабве, Стиллуотер США
2. позднемагматический (гистеромагматический)	Поздняя	дуниты	Поздние тектоническиенарушения	Линзы, столбы, жилы	Мощность от 1-2 м до 250 м, длина до 1500 м, ширина до 300 м	Кемпирсай, Казахстан. Гулевен, Турция
3. Экзогенный			Элювий, делювий на склонах рудоносных интрузий, аллювиальные и пляжевые россыпи	Плащи порошковато-обломочных руд в корах выветривания, ленты валунчато-галечных руд на склонах гор, долинах рек и побережьях морей		Сарановское, Урал, Кемпирсай, Казахстан, морские россыпи Японии.

Главное промышленное значение в настоящее время имеют месторождения второго типа. Они отличаются наиболее высоким содержанием Cr₂O₃ – 40-48 %. Такие руды могут направляться на металлургический передел без обогащения. По мере истощения запасов легко доступных богатых руд в разработку вовлекаются и бедные вкрапленные руды, требующие обогащения. Способы обогащения – гравитационный (промывка в концентрационных установках, основанная на высоком удельном весе хромшпинелидов, резко отличном от безрудных минералов) и рентгенорадиометрический. В настоящее время на Урале, и в частности, в Башкортостане, проводятся опыты по обогащению убого вкрапленных руд с содержанием оксида хрома всего 8-15 %.

Руды первого типа, несмотря на сравнительно невысокие содержания оксида хрома, привлекают внимание широким площадным размахом оруденения, а также существенной примесью платины, часто рассматриваемой, как главный по экономическому значению компонент руд. Именно к таким платино-хромитовым объектам относятся Бушвельд и недавно открытые на Кольском полуострове (Мурманская область) рудные залежи Федорово-Панского массива.

Промышленные эндогенные месторождения хромовых руд относятся ко второй и третьей группам сложности геологического строения.

Экзогенные месторождения разрабатываются в очень ограниченном объеме. Вероятно, по мере погашения запасов традиционных магматических месторождений внимание горняков к залежам экзогенных руд будет возрастать. В Башкортостане в этом плане интересны долины водотоков, дренирующие рудные зоны с хромитовой минерализацией в Белорецком, Бурзянском районах (группа ультраосновных массивов Крака) и в Учалинском и Абзелиловском районах (пояс серпентинитов, развитых по массивам дунит-перидотитового состава). Коры выветривания хромитоносных массивов интересны в плане платиноносности.

Запасы хромитовых руд делят на категории А, В, С₁ и С₂.

Запасы категории А выделяются при детальной и эксплуатационной разведке толь-ко для эксплуатируемых месторождений в блоках, оконтуренных со всех сторон выработками без экстраполяции.

Запасы категории В выделяются при детальной и эксплуатационной разведке на месторождениях только 2 группы, без экстраполяции. В них должны быть надежно оконтурены промышленные (технологические) типы руд.

Запасы категории С₁ определяются по скважинам с использованием геологически обоснованной экстраполяции.

Запасы категории С₂ определяются по редкой сети скважин, геохимическим и геофизическим данным с использованием геологически обоснованной экстраполяции к разведанным рудным телам.

В. Промышленные типы марганцевых руд

Марганец в чистом виде – серебристо-белый хрупкий металл с плотностью 7,2-7,46 г/см³ и температурой плавления 1244, устойчивый к коррозии. Основным потребителем его является металлургия, куда он направляется в виде концентратов. Марганец используется для производства ферросплавов, идущих на раскисление сталей при плавке (удаление вредных примесей – серы, фосфора и др.) Наиболее распространены сплавы с железом (ферромарганец), кремнием (силикомарганец), бронзой, латунью и другими цветными металлами. Эти сплавы обладают высокой прочностью, жаропрочностью, антикоррозийными свойствами.

Небольшое количество марганца используется в производстве сухих батарей, в химической и керамической промышленности.

Мировые цены на металлический марганец, в зависимости от его чистоты и конъюнктуры рынка, колеблются от 1200 до 1700 $/т. Цена необработанной марганцевой руды определяется содержанием металла, обычно каждый процент содержания Mn в руде стоит 2 $/т.

Среднее содержание марганца в земной коре 0,1 %. В природе он встречается в основном в виде оксидов, карбонатов, силикатов, реже сульфидов. Всего известно более 150 минералов марганца, но промышленное значение имеют только немногие:

Главные минералы марганца

Минералы	Состав	Содержание марганца
Пиролюзит	MnO2	63,2
Гаусманит	Mn3O4	75,0
Браунит	Mn2O3	69,5
Псиломелан	mMnO * MnO2*nH2O	45-60
Манганит	MnO2* Mn(OH)2	62,5
Вернадит (вад)	MnO2 * H2O	44-52
Родохрозит	MnCO3	47,8
Манганокальцит	(Са,Mn)CO3	5-15
Родонит	MnSiO3	32-41

Промышленные типы охарактеризованы в таблице:

Промышленные типы месторождений	Основные рудные минералы	Содержание марганца в рудах, %	Попутные компоненты	Структурно-морфологические типы рудных тел	Примеры месторождений
Осадочные прибрежно-морские в терригенных или карбонатно-терригенных толщах	Пиролюзит, псиломелан, манганит, родохрозит, манганокальцит, вернадит	10-40 и более		Пласты небольшой мощности на большой площади, реже линзы и сложные тела	Никополь, Украина, Чиатура, Грузия
Вулканогенно-осадочные в толщах базальтов, андезитов и кремнистых пород	Карбонаты и окислы железа и марганца	30-55	Железо	Пласты мощностью 1-50 м небольшой протяженности	Каражал и др. объекты Атасуйского района (Казахстан)
Кор выветривания («марганцевые шляпы»)	Пиролюзит, вернадит, псиломелан	10-53		Линзы, пласты, плащи, сложные тела обычно небольшой мощности (0,5-5 м)	Месторождения Индии, Бразилии, ЮАР, мелкие место-рождения Вост. Урала
метаморфогенные	Браунит, гаусманит, родонит, марганцовистые гранаты и эпидоты	10-20	Поделочные камни (орлец)	Мелкие пласты, линзы в фанерозойских толщах, протяженные пласты в докембрийских метаморфитах	Месторождения Индии, Бразилии, ЮАР, мелкие месторождения Вост. Урала
Железомарганцевых конкреций в зоне гальмиролиза базальтов и их туфов	Вернадит, гетит, пиролюзит	25-30	Железо, никель, кобальт, реже медь и платина	Тонкие пласты корок, конкреций на поверхности коренных пород на громадной площади	Придонные залежи Тихого, Индийского, Атлантического океанов

Главное значение имеют осадочные месторождения (80 % разведанных мировых запасов). Крупнейшие в мире месторождения – Никополь и Чиатура (рассмотрены нами в предыдущей лекции). Руды их относятся к 4 технологическим типам – окисному, смешанному (окисно-карбонатному), карбонатному и окисленному (продукт выветривания карбонатных руд). Типы руд имеют плавные переходы друг в друга.

Железомарганцевые конкреции на дне океанов – резерв человечества. Их запасы гигантские (ориентировочная оценка - 1,5 трлн. т). Залегают они на дне океанских равнин на глубине 3000-6000 м в зонах влияния трансформных разломов. На контакте базальтов и их туфов с морской водой (подводно-морское выветривание - гальмиролиз) образуются корки мощностью до 15 см и конкреции диаметром от 1 мм до 1 м, чаще 3-7 см.

Средний состав конкреций в % – Mn 20-29; Fe 6-30; Ni 1,35; Cu 0,3-1,15; Zn 0,15; V 0,06; Co 0,06-0,2. В конкрециях установлено также присутствие платины и платиноидов. Размер шарообразных конкреций от нескольких мм до 10 см, реже до 1 м. Мощность слоя, обогащенного ими, 0,3- 0,5 м, местами до 1 м. Их образование связывается с выщелачиванием сидерофильных металлов – Fe, Mn, Ni, Co из богатых ими базальтов и ультрабазитов, слагающих ложе океанского дна и последующим выпадением из морской воды с накоплением на дне. Опытную добычу на дне океанов ведут Япония, Германия, США.

Вулканогенно-осадочные месторождения редко достигают крупных размеров, за исключением объектов Атасуйского района в Казахстане. При их выветривании образуются качественные окисленные руды, а при метаморфизме – метаморфогенные (при слабом метаморфизме – очень ценные браунит-гаусманитовые, а при сильном метаморфизме – мало ценные силикатные) руды.

Месторождения выветривания наибольшее значение имеют на площадях развития гондитов – протерозойских кристаллических пород, сложенных марганцовистыми силикатами – гранатом, эпидотом, пироксеном и др. Они дают масштабную добычу в Индии, Бразилии, Намибии, ЮАР. «Марганцевые шляпы» мелких залежей силикатных метаморфизованных вулканогенно-осадочных руд на восточном склоне Урала практически утратили промышленное значение.

Метаморфогенные руды в первичном виде (т.е. не подвергшиеся выветриванию и окислению) пока имеют ограниченное значение, за исключением браунит-гаусманитовых руд, развитых по карбонатным вулканогенно-осадочным.

Марганцевые руды обычно требуют обогащения. Применяется дробление, затем сухое грохочение, иногда промывка на концентрационных агрегатах, электромагнитная сепарация. После обогащения обычно требуется агломерация (окускование) концентратов путем их прессования, обжига, цементации и др. способами.

Перспективны гидрометаллургические методы извлечения марганца путем перевода его в кислотный раствор и экстракции оттуда электролизом.

Месторождения по сложности геологического строения относятся к 1, 2 и 3 группам.

1 группа – осадочные морские месторождения сложного строения с весьма крупными по протяженности горизонтальными или слабо наклонными пластами с выдержанной мощностью и равномерным распределением марганца, четкой закономерностью смены типов руд (Никополь).

2 группа - осадочные морские месторождения с весьма крупными по протяженности залежами сложного строения с прослоями пустых пород, с невыдержанной мощностью и неравномерным распределением марганца, незакономерной сменой типов руд (Чиатура, некоторые вулканогенно-осадочные объекты и развитые по ним метаморфогенные руды в Каражальском месторождении).

3 группа – серии кучно расположенных мелких линз, пластов, гнезд с невыдержанной мощностью и неравномерным распределением марганца, незакономерной сменой типов руд, с многочисленными прослоями пустых пород.

Подсчет запасов по категориям А, В, С₁ и С₂ проводится по тем же принципам, что и для хромитовых руд.