Обогащение редкометалльных руд

Тяжёлые минералы (циркония, титана, тантала, ниобия и др.) россыпных месторождений и кор выветривания обычно извлекаются гравитационными методами. Руды коренных месторождений обогащают с применением флотации, магнитной или электромагнитной сепарации, химической и ультразвуковой очистки и др. Для повышения содержания редких элементов в рудах, поступающих на обогатительные фабрики, всё более широко используются методы предварительного рентгено-радиометрического обогащения, позволяющие увеличить содержание металла в руде в 1,5-2 раза по сравнению с исходным и резко сократить его объёмы, поступающие на переработку.  Объёмы мировой добычи и производства редкометалльных руд определяются существующими и перспективными потребностями в них, наличием подготовленной сырьевой базы, а также действующими ценами на редкометалльную продукцию, которые поддерживаются в основном на высоком уровне, что не способствует широкому использованию редких элементов.. Основными потребителями редких элементов за рубежом являются промышленно развитые страны, в основном США и Япония. 

Разработана технология комплексной переработки редкометальных руд. Технология включает: - радиометрическую сортировку при добыче руды, радиометрическое обогащение для кондиционирования руды по качеству; - получение товарных микроклиновых концентратов, сокращение материалов для глубокого обогащения на 25 - 50%; - гравитационное обогащение, представляющее собой сочетание процессов отсадки, винтовой сепарации, концентрации на столах, обогащение шламов; - флотацию с использованием эффективных собирателей и нетоксичных реагентов-модификаторов; - магнитную и электрическую сепарацию для доводки черновых концентратов; - химико-металлургическую переработку полупродуктов радиометрической сортировки и глубокого обогащения с получением товарных редкометальных концентратов и концентратов попутных полезных компонентов. Технология позволяет достичь высокого извлечения редких металлов, таких как nb, ta, be, li, cs, rb, sc, ln,в товарный концентрат.

Преимущества перед известными аналогами Возможность получения уникального по качеству микроклинового концентрата (К/Na = 130) из пирохлоркалиевошпатовых руд.

Стадия освоения Внедрено в производство

Результаты испытаний Технология обеспечивает получение стабильных результатов

Технико-экономический эффект - высокое извлечение редких металлов в товарный концентрат; - низкая энергоемкость; - малоотходность и экологическая безопасность.

Использование

Обогащение полезных ископаемых, в частности получение черновых редкометалльных концентратов на предприятиях горнорудной промышленности. Технический результат - снижение потерь редкометалльных компонентов. Сущность изобретения: исходную редкометалльную руду измельчают и подвергают первой стадии магнитной сепарации, состоящей из нескольких приемов, с получением сильномагнитного продукта, среднемагнитного промпродукта и немагнитного продукта. Сильномагнитный продукт и среднемагнитный промпродукт первой стадии магнитной сепарации подвергают классификации с получением крупного и мелкого продуктов. Мелкий продукт классификации направляют на дополнительную магнитную сепарацию, состоящую из нескольких приемов, с получением сильномагнитного продукта, среднемагнитного промпродукта и немагнитного продукта. Крупный продукт классификации направляют на вторую стадию измельчения с последующим направлением измельченного продукта на дополнительную магнитную сепарацию. Немагнитный продукт первой стадии магнитной сепарации подвергают доизмельчению и направляют на вторую стадию магнитной сепарации с получением слабомагнитного продукта и хвостов. Немагнитный продукт дополнительной магнитной сепарации направляют в последний прием первой стадии магнитной сепарации. Слабомагнитный продукт первой стадии магнитной сепарации объединяют со слабомагнитным продуктом второй стадии магнитной сепарации в черновой редкометалльный концентрат. Последний прием первой стадии магнитной сепарации проводят при индукции магнитного поля 1,4-1,5 Тл, а вторую стадию магнитной сепарации. 2,0 Тл. 1

Редкометалльное сырье характеризуется высокой степенью радиоактивности, связанной с повышенным содержанием природных радионуклидов вследствие их геохимического сходства с редкими металлами. Кроме того, радионуклиды, присутствующие в рудах, горных и вскрышных породах, нерудном и энергетическом сырье в кларковых количествах, при процессах добычи и переработки могут концентрироваться вместе с ценными компонентами, создавая радиационно-опасные участки. Поэтому одной изважнейших проблем эксплуатации месторождений любых видов сырья является радиоэкологическая.

В таблице(см. приложение) приведены средние значения эффективной удельной активности (Аэфф), характерные для редкометалльного сырья с повышенным содержанием природных радионуклидов. При среднем значении эффективной удельной активности редкометалльных руд 1000 Бк/кг наиболее часто встречающиеся значения этого параметра- 640 Бк/кг, а максимальные значения достигают величины 2035 Бк/кг, что в 3-5 раз больше предельно допустимых значений для I класса материалов с повышенным содержанием природных радионуклидов [2]. Основной вклад в эффективную удельную активность вносят уран-238(радий-226) и торий-232 (≈ 63 %).

При разведке и эксплуатации редкометалльных месторождений техногенное воздействие негативно сказывается как на геологической среде (недра, подземные воды), так и на сопредельных природных средах (поверхностные воды, атмосфера, почвы и растительность, ландшафт). Грунтовые и подземные воды, контактирующие с редкометалльными месторождениями, являются источником распространения радионуклидов на большие территории. В этих условиях природные радионуклиды способны накапливаться и длительное время циркулировать в экосистемах, являясь потенциальным источником радиационного загрязнения экосистем Севера - почвы, воды, флоры и фауны. Исследования, проведенные в районе действующего Ковдорского ГОКа добывающего и перерабатывающего апатито-бадделеитовые руды, показали, что донные осадки, поверхностные и придонные слои воды в озерах, находящихся вблизи хвостохранилищ и карьеров добычи руды, содержат уран-238, радий-226, свинец-212, торий-232. Наибольшие концентрации их обнаружены в поверхностных слоях воды и донных осадков, что свидетельствует о миграции радионуклидов с редкометалльных месторождений. Эти данные подтверждают влияние геохимических факторов на распределение природных радионуклидов в экосистемах. Интенсивная эксплуатация месторождений, накопление отходов в хвостохранилищах и отвалах также могут стать причиной усиления миграции радионуклидов. Вследствие этого может быть нарастание дозы внутреннего облучения населения за счет поступления по пищевым цепочкам, а также увеличение радиационного фона местности. Поэтому радиационный мониторинг природных объектов (открытые водоемы, почва, растения и др.), находящихся в зоне влияния разрабатываемых и используемых месторождений, должен стать неотъемлемой частью хозяйственной деятельности. При переработке редкометалльных руд на горнопромышленных и горно-металлургических предприятиях (ГПП и ГМП) в зависимости от технологического процесса радионуклиды концентрируются на отдельных переделах и частично попадают в отходы. Поэтому отходы ГПП И ГМП в виде хвостов обогащения, шлаков и шламовтакже имеют высокие значения эффективной удельной активности (до 4 кБк/кг и выше), соответствующие II-IV классам радиоактивности. В большинстве случаев существенный вклад в величину эффективной удельной активности таких отходов вносят уран-238 и торий-232 (92 %), остальная активность приходится на калий-40. Процессы обогащения редкометалльных руд чаще всего приводят к концентрированию природных радионуклидов и накоплению их в рудных минералах или концентратах. Так при флотационном обогащении нерадиоактивных апатито-нефелиновых руд Хибинского массива, перовскитовых руд Африкандского месторождения, ловозерских эвдиалитовых луявритов образуются концентраты с содержанием природных радионуклидов от 0.005 до 1.0 мас.% - сфеновый концентрат, перовскитовый концентрат , лопарит, эгирин, эвдиалит соответственно. Суммарная удельная радиоактивность этих концентратовсоставляет 10-900 кБк/кг. Согласно нормативных документов они относятся к материалам с повышенным содержанием радионуклидов. Поэтому при проведении процессов обогащения также необходим радиационный контроль выпускаемой продукции, образующихся шлаков и шламов, сбросных вод. В ИХТРЭМС КНЦ РАН были разработаны различные варианты гидрометаллургических технологий концентратов, полученных из редкометалльного сырья [3,6-10]. Наиболее проработанными и многообразными являются технологии лопарита и перовскита [6,7]. Суммарная удельная радиоактивность лопаритового и перовскитового концентратов находится на уровне 600 и 55 кБк/кг соответственно. Радиоактивность перовскита обусловлена, в основном, присутствием тория - 0.06-0.08 мас.% и урана - ∼ 0.015 мас.%, находящихся в равновесии с продуктами распада. В лопаритовом концентрате содержание тория-232 колеблется в пределах 0.6-1.6 мас.% в зависимости от месторождения, содержание урана-238 равно 0.020 мас.%. В последние годы интенсивно разрабатываются технологии получения тантала и ниобия из нетрадиционного сырья, колумбитов, плюмбо-микролита. Все они обладают высокой радиоактивностью за счет урана-238 и тория-232, находящихся в радиоактивном равновесии с дочерними продуктами. При этом соотношение U/Th значительно отличаются для разных концентратов и находятся в пределах 1-10, т.е. это преимущественно урансодержащее сырье, при переработке которого возможно выделение большого количества радона. В соответствии с Федеральными законами и действующими нормами и правилами по обеспечению радиационной безопасности [1,11] все разработки по технологическим схемам сопровождаются изучением распределения природных радионуклидов и радиационной оценкой технологических процессов. При разложении редкометалльных концентратов различными кислотами или их смесями наряду с основными реакциями протекают и сложные побочные реакции взаимодействия кислот с ураном, торием и ихдочерними радионуклидами. Учитывая различную растворимость образующихся соединений, можно предположить, что радионуклиды будут содержаться во всех технологических продуктах в различных количествах в зависимости от условий проведения процессов и химического состава компонентов. Как показали исследования, при переработке перовскитового концентрата, имеющего состав (мас.%): TiO2 – 50; Nb2 O5+ Ta2O5 – 1.16; Ln2 O3 – 4.0; CaO – 34.2; SiO2 – 4.20, по типичной комплексной азотно-сернокислотной схеме [6,7], могут быть выделены товарные промежуточные продукты, подлежащие обязательному радиационному контролю. Изучение распределения радиоактивности при переработке перовскитового концентрата в этих условиях показало, что основная часть радиоактивности выделяется с железистым кеком, а такие продукты как титановая соль (СТА) и редкометальный концентрат практически не содержат радионуклидов и могут поступать на дальнейшую переработку как нерадиоактивные. Сульфат кальция можно успешно использовать в производстве строительных материалов, сульфат аммония и нитрат натрия можно также использовать в различных целях, они не содержат радиоактивных веществ. Таким образом, разработанные технологии по короткой или комплексной схемам позволяют предложить рациональные методы получения товарных продуктов из редкометалльного сырья, обеспечивая их радиационную безопасность. Одной из главных проблем реализации гидрометаллургических схем переработки редкометалльных концентратов является получение ценных компонентов, не содержащих радиоактивности. Второй по значимости проблемой является решение вопросов утилизации образующихся радиоактивных отходов. Внедрение новых гидрометаллургических технологий редкометалльного сырья на основе азотнокислотного, солянокислотного или гидрофторидного методов разложения концентратов, разрабатываемых в ИХТРЭМС КНЦ РАН, позволяют извлекать все ценные компоненты и отвечают радиационно-гигиеническим требованиям, а также значительно снизить количество твердых отходов по сравнению с сернокислотной технологией до 0.5-1% от веса перерабатываемого концентрата.

Вторым способом решения проблемы утилизации радиоактивных отходов можно считать признание радионуклидов, содержащихся в рудах в количествах, сопоставимых с основными компонентами, полезными. Необходимо выделять их в отдельные концентраты при гидрометаллургической переработке. Исследования в этом направлении проводятся, но они оправданы только в том случае, если концентрации урана-238 или тория-232 будут на уровне 0.5-1.0 мас.% и более. Однако в настоящее время осуществление поиска масштабных потребителей таких продуктов в промышленности по данным исследований Всесоюзного института минерального сырья (ВИМС) и Минатома весьма затруднено. Современная ядерная энергетика ориентирована на природный и обогащенный уран, запасы которого обеспечивают потребности отрасли . Для препаратов тория-232 рынка сбыта в ближайшее время не предвидится, т.к. ядерные реакторы, где он мог бы использоваться в качестве ядерного топлива, еще не разработаны и, по-видимому, не будут разработаны, т.к. в настоящее время найдены новые, более энергетические источники ядерного топлива. Выделение тория в отдельный продукт может создать только дополнительные трудности по обеспечению радиационнойбезопасности персонала и технологии. Поэтому выделение тория в отдельный продукт из перовскита и лопарита экономически нецелесообразно. С точки зрения радиационной безопасности более благоприятно выделение его с сульфатом кальция, который затем может быть использован в производстве строительных материалов, т.к. отвечает требованиям I класса по радиоактивности. Таким образом, выбор оптимальных режимов переработки редкометалльного сырья будет определяться социально-экономическими условиями и спросом на редкометалльную продукцию. В настоящее время важно учитывать не только экономическую целесообразность и инженерную возможность, но и экологическую допустимость освоения редкометалльных месторождений. Она должна быть подтверждена радиоэкологической экспертизой на основе оценки воздействия на окружающую среду. Для решения радиационно-экологических вопросов, связанных с переработкой радиоактивного редкометалльного сырья, все гидрометаллургические технологии должны сопровождаться изучением распределения природных радионуклидов по технологическим переделам, изучением радиационно-экологических характеристик конечных и промежуточных продуктов, определением по радиационному фактору области их применения.

Процессы обогащения редкометалльных руд приводят к концентрированию природных радионуклидов на отдельных переделах и накоплению их в рудных минералах или концентратах. Согласно нормативныхдокументов они относятся к материалам с повышенным содержанием радионуклидов. Гидрометаллургические технологии редкометалльного сырья на основеазотнокислотного, солянокислотного или гидрофторидного методов разложения концентратов, разработанные в ИХТРЭМС КНЦ РАН, позволяют извлекать все ценные компоненты и отвечают радиационно-гигиеническим требованиям.

Реализация проектов по комплексной переработке сырья и использованию всех ценных компонентов и отходов или безопасного захоронения радиоактивных отходов будет способствовать сокращению негативного воздействия эксплуатации редкометалльных месторождений на окружающую среду.

Хибинские и Ловозерские Тундры замечательны не столько разнообразием тех химических элементов (всего 36 элементов, считая за 1 всю группу редких земель), из которых они сложены, сколько исключительною распространенностью некоторых более редких тел, как циркония, титана и редких земель.

Рудная база содержит значительные запасы оксида алюминия (Al2O3) и более 41% всех российских запасов редкоземельных элементов. Руда «ФосАгро» богата различными соединениями и включает в себя 280 миллионов тонн запасов Al2O3 (оксида алюминия), что является самыми большими запасами в России, а также крупные залежи редкоземельных металлов (41% от всех российских запасов (Источник: Институт экономических проблем им. Г.П. Лузина Кольского научного центра РАН)) и другие полезные элементы, например, двуокись титана.

Высокое качество Титаномагнетитовый концентрат выбрасывается в хвостохранилище. Но он может найти широкое применение в различных отраслях, например, как утяжелитель буровых растворов. Из хибинского титаномагнетита на металлургических предприятиях можно получать шлаки с содержанием TiO2 до 70%, а из них — пигментный диоксид титана (титановые белила).

Развитые страны закупают хибинский апатитовый концентрат не столько для получения фосфорных удобрений, сколько для извлечения из него редкоземельных металлов: ниобия, лантана, церия, самария, неодима и многих других. Предприятия нашей страны пока не имеют таких технологий.