Вещественный состав и направления использования твердых полезных ископаемых. Учебное пособие

(где n – от 1 до 15; Fe – 52,0–62,8 %), сидерит (железный шпат) FeCO3 (Fe – 48,3 %).

Железо образует сплавы со многими элементами. Наиболее распространенными являются железоуглеродистые сплавы (чугун, стали), сплавы железа с марганцем (ферромарганец), кремнием (феррокремний), хромом (феррохром) и никелем (ферроникель).

Железной рудой называются богатые железом минеральные образования, которые по минеральному и химическому составу, а также физическим свойствам на данном уровне развития металлургии позволяют рентабельно получать из них металл необходимого качества.

Из железных руд выплавляются чугуны (С – 2,5–4,0 %), стали (С – 0,2–1,7 %) и железо (С – 0,04–0,20 %).

Для получения высококачественных (легированных) сталей обыкновенные стали переплавляются с добавлением марганца, хрома, ванадия, никеля, кобальта, молибдена, вольфрама, тантала, ниобия и других элементов, придающих сталям вязкость, твердость, антикоррозийные и другие свойства.

Для качественной характеристики железных руд важное значение имеют содержание и соотношение нерудных примесей – шлакообразующих компонентов, определяемых коэффициентом основности и кремневым модулем. Коэффициент основности (К.О.) представляет собой отношение суммы окислов щелочных земель (главным образом кальция и магния) к сумме окислов кислых компонентов (кремния и алюминия). По величине этого коэффициента железные руды и их концентраты подразделяются на кислые, наиболее часто встречающиеся (К.О. <0,7), самофлюсующиеся (К.О. 0,7–1,1) и основные (К.О. >1,1). Лучшими из них являются самофлюсующиеся руды.

Вредными примесями являются сера, фосфор, мышьяк, олово, цинк, свинец. Содержание этих элементов в рудах, используемых без обогащения, по каждому компоненту не должно превышать, %: серы и фосфора – 0,3, мышьяка – 0,07, олова – 0,08, цинка и свинца – 0,1, меди – 0,2.

По содержанию железа выделяют природно богатые и бедные (требующие обогащения) руды. Железные руды, требующие обогащения, в настоящее время обеспечивают в РФ более 80 % товарного производства. Товарной продукцией горно-

31

обогатительных предприятий черной металлургии являются концентраты, агломераты, окатыши.

Марганец – элемент VII группы периодической системы, порядковый номер – 25, атомная масса – 54,9, плотность – 7,4 г/см3, температура плавления – 1245 °С, цвет серебристобелый.

Среднее содержание этого элемента в земной коре составляет приблизительно 0,1 %. Встречается в природе в виде оксидов, гидроксидов, карбонатов и силикатов. Известно большое количество минералов, содержащих марганец, но промышленное значение имеют лишь следующие: пиролюзит МnО2 (Мn – 63,2 %), гаусманит Мn3О4 (Мn – 72,0 %), браунит Мn2О3 (Мn – 69,5 %), псиломелан МnО×МnО2×nН2О (Мn – 45– 60 %), манганит Mn+2Mn+4O2(OH)2 (Мn – 62,5 %), вернадит МnО2×nН2О (Мn – 44–52 %), родохрозит МnСО3 (Мn – 47,8 %). Родонит СаМn4[Si5O15] cодержит от 32 до 41 % Mn, является гипотетической рудой и, как правило, используется как камнецветное сырье.

Марганец широко применяется в современной промышленности. Основным потребителем его является металлургическая промышленность, где он используется в производстве ферросплавов для раскисления сталей при плавке, а также марганецсодержащих бронз, латуней, других сплавов с цветными металлами, обладающих антикоррозийными свойствами. Только 5 % марганца потребляется в электротехнической, химической и керамической промышленности.

По минеральному составу марганцевые руды подразделяются на следующие типы: окисные, карбонатные, силикатные и смешанные, имеющие разное промышленное использование.

Наибольшее значение имеют окисные руды, в которых главными рудными минералами являются оксиды и гидроксиды марганца (пиролюзит, псиломелан, манганит, браунит, гаусманит и др.). Они отличаются высоким содержанием марганца (25–30 %), легко обогащаются, служат высококачественным сырьем для химической промышленности и производства стандартных марок ферромарганца. В них выделяются высококачественные чисто пиролюзитовые, так называемые пироксидные руды, содержащие, как правило, более 40 % марганца, используемые в химической промышленности.

32

Карбонатные руды, также весьма распространенные в марганцевых месторождениях, имеют пока второстепенное значение и в сравнительно небольших количествах используются в металлургии.

Силикатные (родонитовые) марганцевые руды применяются в промышленности строительных материалов, использующей массивные родонитовые породы как облицовочный материал и как поделочный камень.

Известны также промежуточные типы марганцевых руд (карбонатно-силикатные, силикатно-окисные и карбонатноокисные), часто называемые смешанными. При условии наличия небольшого количества силикатов марганца и пониженного содержания фосфора такие руды могут быть пригодными для выплавки ферромарганца.

Промышленные марганцевые руды делятся на химические и металлургические. Химические марганцевые руды – богатые и чистые, преимущественно пиролюзитовые, с содержанием МnО2 не менее 30 %, отвечающие по кондициям требованиям химической промышленности.

Металлургические руды марганца, используемые для различных целей в черной металлургии, в зависимости от соотношения в них главных компонентов марганца и железа подразделяются на три основных класса:

1)марганцевые руды со значительным преобладанием марганца над железом;

2)железомарганцевые руды, в которых оба металла присутствуют в существенных количествах при преобладании железа, реже марганца;

3)марганцовистые железные руды с небольшим содержанием (5–10 %) марганца.

Общее содержание обоих металлов в промышленных рудах, не требующих обогащения, колеблется в пределах от 40 до 50 %, а для руд, бедных летучими компонентами, повышается до 60 %, редко выше.

Руды, требующие обогащения, разделяются по обогатимости:

1)на легко поддающиеся обогащению без дробления (путем грохочения или промывки с отсадкой);

2)требующие для обогащения предварительного дробле-

ния;

33

3) труднообогатимые, требующие тонкого измельчения, флотации или химической переработки.

В металлургии из марганцевых руд выплавляют сплав ферромарганец (Мn – 50–80 %), применяемый для получения высококачественных сталей, и так называемый зеркальный чугун (Мn – 15–35 %). Для выплавки стандартных марок ферромарганца содержание марганца в рудах или концентратах должно составлять более 40 %, SiO2 – не выше 9–12 % и фосфора – не более 0,2 %. Марганцовистые карбонатные руды применяются как флюс при выплавке обыкновенной стали, и содержание в них марганца может быть снижено до 12 %. Железомарганцевые руды при доменной плавке обычно содержат более 7 % марганца.

Титан – элемент IV группы периодической системы, порядковый номер – 27, атомная масса – 47,9, плотность – 4,5 г/см3, температура плавления – 1725 °С, цвет серебристо-белый.

Он обладает низким удельным весом, высокими электрическим и термическим сопротивлениями и высокими механическими свойствами. Благодаря этим свойствам широко применяется в современном судо-, самолето- и ракетостроении, в ядерных реакторах, приборостроении, при изготовлении ответственных деталей и узлов всевозможных машин и механизмов. Карбиды и нитриды титана идут на изготовление абразивов; из титана изготовляют белила, лаки, эмали, тугоплавкое стекло и многое другое.

Известно множество (около 40) минералов, содержащих в том или ином количестве титан, однако большинство из них редко встречается в природе и не дает промышленных скоплений. Промышленность использует в настоящее время главным образом ильменит (титанистый железняк) FeTiO3; рутил ТiO2 и лейкоксен ТiO2×nH2O. Месторождения других титановых минералов имеют второстепенное значение. Так, титано-тантало-ниобиевые руды перерабатываются на ниобий, тантал и редкоземельные элементы с попутным извлечением титана. Его извлекают также при комплексной переработке из других титаносодержащих минералов – перовскита СаТiO3 и титаномагнетита.

Хром – элемент VI группы периодической системы, порядковый номер – 24, атомная масса – 51,99, плотность – 7,19 г/см3, температура плавления – 1800 °С, цвет серебристо-белый.

34

В природе известно всего около 30 хромсодержащих минералов, среди которых имеют промышленное значение только несколько минералов из группы хромшпинелидов, имеющих общую формулу (Mg, Fe)(Сr, Al, Fe)2O4. Минеральный вид хромшпинелида можно определить лишь на основании детального минерального-химического анализа. В этой группе наибольший интерес представляют следующие минеральные виды: феррихромит (FeCr2O4) и магнохромит (Mg, Fe)Сr2О4. Содержание оксидов в разновидностях хромшпинелидов колеблется в широких пределах, %: Сr2О3 – 2–67; Al2О3 – 2–65; Fe2O3 0–0,41; FeO – 10–30; MgO – 1–20.

По содержанию хромшпинелидов хромовые руды делятся на сплошные (не менее 90 %), густовкрапленные (70–90 %), средневкрапленные (50–70 %), редковкрапленные (20–50 %) и убоговкрапленные (менее 20 %).

Текстуры руд преимущественно массивные у сплошных разновидностей и полосчато-такситовые, пятнистые или реже брекчиевидно-такситовые у вкрапленных руд; своеобразной разновидностью являются нодулярные текстуры (хромит – рябчик).

Хромшпинелиды имеют черный цвет, в тонких шлифах просвечивают от коричнево-красного цвета до красного. Разновидности с повышенным содержанием FeO и Fe2O3 непрозрачные. Черта бурая.

Хром образует сплавы с рядом элементов. Наиболее распространенными являются сплавы на железной основе (феррохром), с углеродом, кобальтом или никелем (стеллит), двойные хром-никелевые сплавы (нихром).

Металлургическая промышленность применяет хром при производстве высокопрочных конструкционных, кислотоупорных, нержавеющих, жаропрочных и шарикоподшипниковых сталей, а также чугунов с заданными свойствами. Металлический хром применяется главным образом для хромирования стальных изделий.

В огнеупорной промышленности хромовые руды употребляются для изготовления хром-магнезитовых и других хромсодержащих огнеупоров и хромбетона, используемых для футеровки мартеновских и индукционных печей, конвертеров, вращающихся печей в цементной промышленности.

35

Химическая промышленность потребляет руды преимущественно для производства хромпиков (двухромовокислых солей натрия и калия) и других соединений хрома, применяемых в качестве красителей, дубителей, катализаторов, протрав и т.д. Радиоактивный изотоп хрома нашел применение в медицине.

Промышленная ценность хромовых руд определяется содержанием Cr2O3 (не менее 45 %), величиной Cr2O3/FeО (не менее 2,5 %), содержанием SiO2 (не более 10 %) и Р (не более 0,015 %).

Общегосударственного стандарта на хромовые руды нет. Требования промышленности к хромовым рудам регламентируются техническими условиями для соответствующих месторождений.

4.1.2. Легирующие металлы

Никель и кобальт в природе встречаются обычно совместно в виде сернистых, мышьяковистых, магний- и алюмосиликатных, оксидных и других соединений, образующих сульфидные медно-никелевые с кобальтом и платиноидами, кобальтникель арсенидные, а также никель-кобальт силикатные руды.

Никель – элемент VIII группы периодической системы, порядковый номер – 28, атомная масса – 58,71, плотность – 8,90 г/см3, температура плавления – 1452 °С, цвет серебристобелый.

Этот металл обладает ферромагнитностью, сильным блеском, хорошо полируется, поддается всем видам механической обработки (ковке, прокатке, штамповке и сварке), при отсутствии примесей, особенно серы, весьма гибок, ковок и тягуч, способен развальцовываться в очень тонкие листы и вытягиваться в проволоку.

Никель является одним из важнейших металлов для современной техники. Он используется в автомобильной, тракторной, химической и пищевой промышленности, тяжелом машиностроении, судо-, авто- и авиастроении, при изготовлении приборов, медицинского оборудования и электродов для щелочных аккумуляторов, в электротехнике, для чеканки монет и т.д. В большом количестве никель используется в сплавах

36

с другими металлами (железом, хромом, кобальтом, медью, алюминием).

Кобальт – элемент VIII группы периодической системы, порядковый номер – 27, атомная масса – 58,9, плотность – 8,83 г/см3, температура плавления – 1493 °С, цвет белый с красноватым оттенком.

Кобальт находит наибольшее применение в производстве жаростойких сплавов и сталей, магнитных сплавов, твердых сплавов быстрорежущих сталей, в состав которых также входят хром, молибден, никель и т.д.

Радиоактивный изотоп кобальта широко применяется в медицине, а также в дефектоскопии при просвечивании отливок и других изделий из металла. Кроме того, применяется в химической промышленности в качестве катализатора, а также для изготовления эмалей и красок, некоторые соли кобальта используются в сельском хозяйстве.

Никель и кобальт на воздухе в обычных условиях не окисляются. Разбавленные серная и соляная кислоты действуют на кобальт и никель менее энергично, чем на железо, однако оба эти металла легко растворимы в разбавленной азотной кислоте.

Известно около 40 никелевых и кобальтовых минералов. Главнейшие минералы никеля и кобальта приведены в табл. 4.

Подавляющая часть никеля извлекается из руд месторождений двух промышленных типов – сульфидных медно-нике- левых и силикатно-никелевых. Незначительная часть никеля извлекается из руд гидротермальных месторождений меди, кобальта и т.д. Кобальт, в отличие от никеля, редко образует крупные концентрации и добывается попутно из руд медноникелевых и других месторождений. Значительные запасы кобальта сосредоточены в железорудных месторождениях, где они присутствуют в виде изоморфной примеси в пирите, халькопирите. Разработаны и внедрены в промышленность технологические схемы извлечения кобальта из пирита и халькопирита, содержащихся в железорудных месторождениях. Как изоморфная примесь в сульфидах (пирите, пирротине, халькопирите) кобальт содержится в небольших количествах в некоторых медноколчеданных и других месторождениях.

37

Вольфрам – элемент VI группы периодической системы, порядковый номер – 74, атомная масса – 183,8, плотность – 19,3 г/см3, температура плавления – 3395±15 °С, цвет сере- бристо-белый.

Этот металл обладает самой высокой тугоплавкостью, высокой химической стойкостью: при комнатной температуре не изменяется, на воздухе (при температуре красного каления) окисляется в ангидрит вольфрамовой кислоты. В соляной, серной и плавиковой кислотах почти нерастворим, в азотной кислоте и царской водке окисляется с поверхности, в смеси азотной и плавиковой кислот, а также в насыщенном растворе щавелевой кислоты в присутствии перекиси водорода растворяется.

Из химических соединений вольфрама наибольшее значение имеют трехокись вольфрама WO3, или вольфрамовый ангидрит, представляющий собой порошкообразное вещество желтого цвета, вольфраматы (соли вольфрамовых кислот типа MeWO4, перекисные соединения с общей формулой Me2WOх, где х может изменяться от 5 до 8), соединения с галогенами,

38

серой и углеродом. Вольфрам образует многочисленные сплавы с различными металлами (никелем, хромом, железом, кобальтом, молибденом и др.), а также соединения с углеродом и бором (карбиды и бориды) чрезвычайно высокой твердости.

Вольфрам применяется при производстве стали (как легирующая добавка), твердых, жаропрочных, кислотоупорных и других специальных сплавов, красителей, при производстве электроламп накаливания, а также в радио-, рентгенотехнике и в качестве химических реактивов. Черная металлургия потребляет около 90 % всего производства вольфрама. Вольфрамовые руды подвергаются обогащению с целью получения вольфрамового концентрата, содержащего не менее 60 % WО3, и удаления вредных примесей (фосфор, кремнезем, медь, сера, мышьяк). Конечным продуктом переработки является металлический вольфрам, или ферровольфрам.

Известно около 20 вольфрамовых минералов. Промышленное значение имеют вольфрамит (Fe, Mn)WO4 (WO3 – 76,5 %), гюбнерит MnWO4 (WO3 – 76,6 %), ферберит FeWO4 (WO3 – 76,3 %), шеелит CaWO4 (WO3 – 80,6 %) и молибдошеелит Са(W, Мо)О4.

Молибден – элемент VI группы периодической системы, порядковый номер – 42, атомная масса – 95,9, плотность – 10,02–10,32 г/см3, температура плавления – 2620±20 °С, цвет серебристо-серый.

Этот металл устойчив в разбавленной серной и плавиковой кислотах и в холодных растворах щелочей; слабо растворяется в горячей соляной кислоте, царской водке и в смеси разбавленных азотной и серной кислот. На воздухе при температуре выше 400 °С окисляется в молибденовый ангидрид МоО3, который плавится при температуре 795 °С и кипит при 1155 °С.

Молибден широко применяется в промышленности. Свыше 80 % всего добываемого молибдена используется в металлургии, главным образом в качестве легирующей добавки для получения спецсплавов (в том числе броневых сталей). Около 5 % молибдена используется в химической, керамической, стекольной и некоторых других отраслях промышленности. Металлический молибден применяется в электрических лампах для подвески вольфрамовых нитей, при изготовлении радиоламп и рентгеновских трубок. В последние годы легко-

39

растворимые соединения молибдена используют в сельском хозяйстве в качестве удобрения.

Главный промышленный минерал молибдена – молибденит MoS2 (Мо – 59,94 %), являющийся наиболее распространенным минералом этого элемента. Более 98 % всей добычи молибдена производится из молибденовых руд, которые могут содержать примесь рения в количествах около 30 г/т, реже до 100–120 г/т. Имеет также промышленное значение молибдошеелит Ca(W, Mo)O4 (WO3 – 70 %, МоО – 10 %, СаО – 20 %), часто встречающийся в скарновых вольфрам-молибденитовых месторождениях.

Встречающиеся в зонах окисления молибденитовых месторождений минералы из класса молибдатов, такие как повеллит СаМоО4, вульфенит РbМоО4, ферромолибдит Fe2[МоО4]3×7H2O промышленного значения не имеют.

Ванадий – элемент V группы периодической системы элементов, порядковый номер – 23, атомная масса – 50,94, плотность – 6,11 г/см3, температура плавления – 1900 °С, цвет се- ро-стальной.

При нормальной температуре ванадий устойчив к атмосферному воздействию, при высоких температурах легко окисляется. Растворим в азотной, плавиковой и концентрированной серной кислотах, царской водке, расплавленных щелочах, поташе и селитре. Нерастворим в водных растворах щелочей и серной кислоты. С кислородом ванадий образует ряд окислов: VO, VO2, V2O5. Пятиокись ванадия и ее соли относятся к числу важнейших для промышленности соединений ванадия.

Главной областью применения ванадия является черная металлургия, где он используется в виде феррованадия, ванадата кальция и пятиокиси ванадия для легирования чугуна и стали. В цветной металлургии ванадий применяется для производства сплавов (медно-ванадиевые сплавы и ванадиевые бронзы). Применяется также в химической и полиграфической промышленности, керамическом производстве, кинематографии, медицине, для изготовления красок и т.д.

Ванадий входит в состав многих минералов, но практическое значение имеют лишь немногие: патронит VS2, роскоэлит

KV2[АlSi3О10](ОН)2, карнотит K2[UO2] [VO4]2 ×3Н2О, ванадинит Pb5[VO4]3Cl, деклуазит (Zn, Cu) Pb (VO4) ОН.

40