Вещественный состав и направления использования твердых полезных ископаемых. Учебное пособие

Несмотря на то, что ванадий содержится в земной коре в большем количестве, чем медь, цинк, свинец и некоторые другие металлы, самостоятельные промышленные месторождения ванадия встречаются крайне редко. Объясняется это тем, что ванадий в основном рассеян в различных минералах и горных породах.

Собственно ванадиевые месторождения (роскоэлитовые) в настоящее время утратили свое значение в связи с попутным получением ванадия из комплексных уранванадиевых руд, а также из титаномагнетитов, ванадийсодержащих фосфоритов и бурых железняков.

4.2. Цветные металлы

Медь – элемент I группы периодической системы, порядковый номер – 29, атомная масса – 63,54, плотность – 8,94 г/см3, температура плавления – 1083 °С, цвет желтокрасный (на свежем изломе – розоватый, переходящий в крас- но-бурый благодаря покрытию тонкой пленкой окислов).

Основными потребителями меди и ее сплавов являются различные отрасли электротехнической промышленности (радиоаппаратура, телефонная и телеграфная связь, силовые и осветительные линии, приборостроение и т.д.). Использование меди в электротехнике обусловлено ее высокой электропроводностью, составляющей 90 % от электропроводности серебра. Широкое промышленное применение имеют сплавы меди: томпак, латунь, бронзы (оловянная, свинцовая, алюминиевая, кремниевая, бериллиевая), мельхиор, никелин, константан, манганин.

В природе известно значительное количество минералов меди, но лишь 14 из них могут иметь промышленное значение: халькопирит (медный колчедан) CuFeS2, борнит Cu5FeS4, халькозин (медный блеск) Cu2S, ковеллин CuS, блеклые руды, теннантит Cu3AsS3 и тетраэдрит Cu3SbS3, энаргит Cu3AsS4, куприт Сu2О, тенорит СuО, малахит Сu2[СО3]×[ОН]2, самородная медь Сu, азурит Сu3[СО3]2×[ОН]2, хризоколла CuSiO3×2H2O, броншантит Cu4[SO4]×[ОН]6. Главными промышленными минералами являются сульфиды меди, обычно содержащие железо, реже сурьму и мышьяк.

41

Медные руды, как правило, являются комплексными, в них помимо минералов меди присутствуют минералы железа, цинка, свинца, молибдена, нередко мышьяка, сурьмы. Кроме того, они содержат золото, серебро, селен, теллур, которые извлекаются при их переработке; руды отдельных промышленных типов месторождений содержат в тех или иных количествах рений, кадмий, германий, индий, галлий, таллий, кобальт и другие элементы.

При геолого-промышленной оценке месторождений и расчете кондиций наряду с медью учитывается ценность извлекаемых попутных компонентов (сера, цинк, молибден, свинец, благородные и редкие металлы).

По качеству сырья медные руды в зависимости от содержания в них меди делятся на весьма богатые – более 3–5 %; богатые – более 2 % (для руд меднопорфировых месторождений – более 1 %); среднего качества (рядовые) – более 1 % (для руд меднопорфировых месторождений – более 0,4 %); бедные – от 0,7 до 1,0 % (для руд меднопорфировых месторождений – менее 0,2 %).

По степени окисления руды медных месторождений подразделяются на сульфидные, смешанные и окисленные. Критерием для отнесения руд к тому или иному типу служит процентное содержание меди в оксидной форме. Для сульфидных руд оно не превышает 10 %; в смешанных варьирует от 11 до 50 %; а в окисленных превышает 50 %. Для каждого месторождения эта цифра уточняется в процессе технологических исследований. В комплексных рудах, где основное промышленное значение имеют другие металлы (никель, свинец, цинк, молибден, железо, олово, вольфрам, золото, висмут) медь часто является важным попутно извлекаемым компонентом.

Все медные руды подвергают обогащению по соответствующему для каждого типа руд способу, в результате которого получают концентрат. Весьма богатые медные руды (более 5 % меди) пригодны для непосредственной плавки, а концентраты подвергают пирометаллургической переработке с получением черновой меди. Электролитическое рафинирование черновой меди обеспечивает получение меди высокой чистоты и извлечение многих ценных компонентов.

42

Свинец – элемент IV группы периодической системы, порядковый номер – 82, атомная масса – 207,2, плотность – 11,37 г/см3, температура плавления – 327,4 °С, цвет синеватосерый.

Это ковкий металл, он легко прокатывается в весьма тонкие листы. Примесь серебра, золота, меди, олова, висмута, сурьмы и других элементов увеличивает твердость свинца и снижает его пластичность. Под действием нагретого воздуха расплавленный свинец переходит в РbО. Разбавленные серная и соляная кислоты на свинец не действуют; горячая концентрированная серная, соляная и плавиковая кислоты хорошо растворяют свинец. Вода, сернистый газ, растворы соды, спирты и многие органические кислоты действуют на свинец незначительно.

Благодаря мягкости, ковкости, легкоплавкости и хорошим фрикционным свойствам широко применяется в промышленности – в электротехнике для производства аккумуляторов; входит в состав ряда сплавов (баббиты, типографский сплав и т.д.); в химической промышленности используется для изготовления или покрытия частей аппаратуры, подвергающихся воздействию активных реагентов; для производства красок, кабеля, фольги толщиной 0,0125–0,0250 мм, экранов от радиоактивного излучения; в военном деле и т.д.

Цинк – элемент II группы периодической системы, порядковый номер – 30, атомная масса – 65,38, плотность – 7,13 г/см3, температура плавления – 419,5 °С, цвет синеватобелый.

Всухом воздухе он не окисляется; во влажном воздухе или

вводе, содержащей углекислый газ, образует тонкую пленку, предохраняющую его от дальнейшего окисления. В расплавленном состоянии образует химическое соединение с железом. Реагирует со всеми кислотами с выделением водорода; в азотной кислоте растворяется легко.

Основное применение – цинкование поверхности стальных

ичугунных изделий для предохранения от коррозии; входит в состав ряда сплавов (латунь, бронза, мельхиор и др.). Используется для изготовления листов, лент, труб, проволоки, фасонных деталей путем литья под давлением, автомобильных шин (как наполнитель), белил, типографских шрифтов. В ги-

43

дрометаллургии цинк применяется для извлечения золота из цианидных растворов.

Кадмий – элемент II группы периодической системы, порядковый номер – 48, атомная масса – 112,4, плотность – 8,65 г/см3, температура плавления – 320,9 °С, цвет серебристый с синеватым отливом.

Вобычных условиях на воздухе не окисляется. При накаливании на воздухе сгорает, переходя в бурую окись кадмия CdO. В соляной и серной кислотах медленно растворяется с выделением водорода.

Кадмий применяется в виде сплавов. Сплав кадмия с медью используется при производстве проводов контактной сети электротранспорта (железные дороги, трамвайные и троллейбусные линии). Сплавы кадмия с медью и свинцом являются стойкими подшипниковыми материалами. С оловом и свин-

цом кадмий дает легкоплавкие припои с температурой плавления менее 200 °С. Металлический кадмий применяется для изготовления щелочных аккумуляторов и кадмирования поверхности стальных изделий с целью защиты их от коррозии. Сернистый кадмий применяется как кадмиевая желтая краска. Кадмий добывается из отходов цинкового, свинцового и медного производства.

Вприроде известно около 50 минералов свинца, около 30 минералов цинка, 4 минерала кадмия, однако не все они имеют промышленное значение. Главнейшими минералами свин- цово-цинковых руд являются:

1)свинецсодержащие – галенит PbS, буланжерит Pb5Sb4S11, джемсонит Pb4×FeSb6S14, церуссит РbСО3, англезит PbSO4;

2)цинксодержащие – сфалерит ZnS, вюртцит ZnS, каламин Zn4[Si2O7][ОН]2, смитсонит ZnCO3;

3)кадмийсодержащие – гринокит CdS, который встречается в зоне окисления сульфидных свинцово-цинковых руд; в большинстве случаев кадмий в форме гринокита в полиметаллических рудах не обособлен, и кадмий входит как изоморфная примесь в состав сфалерита.

По содержанию основных компонентов свинцово-цинковые руды подразделяются:

1)на богатые руды – с содержанием свинца более 4 % или с суммарным содержанием свинца и цинка более 7 %;

44

2)рядовые (среднего качества) – с содержанием свинца от 2 до 4 % свинца или суммарным содержанием свинца и цинка от 4 до 7 %;

3)бедные руды – с содержанием свинца 1,2–2,0 % или суммарным содержанием свинца и цинка 2–4 %.

По степени окисления руды полиметаллических месторождений подразделяются на три типа: сульфидный, смешанный и окисленный. Критерием для отнесения руд к тому или иному типу служит процентное содержание свинца и цинка в

оксидной форме: сульфидный тип имеет содержание свинца ≤15 %, цинка ≤10 %; смешанный тип – соответственно 16– 50 % и 11–50 %; окисленный тип – соответственно >50 % и >50 %.

Все свинцово-цинковые руды являются комплексными и содержат значительное количество попутных компонентов, которые повышают ценность руд. Из-за комплексного состава

иотносительно невысокого содержания ценных компонентов руды подвергаются обогащению. При обогащении обычно получают свинцовый, цинковый, пиритный, баритовый, иногда медный и другие концентраты.

Алюминий – элемент III группы периодической системы,

порядковый номер – 13, атомная масса – 26,98, плотность – 2,7 г/см3, температура плавления – 660 °С, цвет серебристобелый.

По распространенности в земной коре занимает третье место (после кислорода и кремния). В горных породах среднее содержание алюминия неодинаково, %: в осадочных глинистых – до 10,45; в основных магматических – 8,76; в средних магматических – 8,85; в кислых магматических – 7,7 и в магматических ультраосновных – 1,74.

Алюминий легко соединяется с кислородом и кремнием. При окислении на его поверхности быстро образуется тонкая, но прочная окисная пленка, которая предохраняет металл от дальнейшего окисления и делает его устойчивым к коррозии. Наиболее сильно действует на алюминий соляная кислота, слабее – серная и незначительно – концентрированная азотная. Органические кислоты на алюминий не действуют.

Сплавы алюминия обладают весьма ценными техническими качествами – легкостью, прочностью, антикоррозийной

45

стойкостью, благодаря которым они находят широкое применение в авиационной и автомобильной промышленности, строительстве и железнодорожном транспорте, машиностроении и электропромышленности (в качестве заменителя меди и свинца – токонесущие провода, оболочки кабелей, трансформаторы и т.д.). В большом количестве алюминий применяется для изготовления посуды, мебели, красок и т.д.

Главными промышленными минералами алюминия являются диаспор HAlО2 (Al2О3 – 84,97 %), бёмит AlOOH (Al2О3 – 84,97), гидраргиллит (гиббсит) Al(ОH)3 (Al2О3 – 65,4 %), нефелин NaAlSiO4 (Al2О3 – 32–35 %), лейцит K[AlSi2O6] (Al2O3 – 23,5 %), алунит KAl3 [SO4]2(ОН)3 (Al2О3 – 37 %).

Основные промышленные типы алюминиевых руд приведены в табл. 5.

Боксит – наиболее востребованный тип алюминиевой руды, состоящий в основном из гидроксидов алюминия (гиббсит, бё-

46

мит, диаспор), а также оксидов и гидроксидов железа и глинистых минералов. В бокситах отношение содержания оксида алюминия к содержанию оксида кремния составляет не менее 2 (кремниевый модуль). Сопутствующие бокситам породы с кремневым модулем менее 0,85 называются сиаллитами, а с модулем 0,85–2,00 – аллитами. В зависимости от минерального состава выделяют два основных типа боксита – моногидратный (бёмитовый и диаспоровый) и тригидратный (гиббситовый).

При выделении типов руд на отдельных месторождениях необходимо учитывать не только минералогическую, но и литологическую характеристику бокситов. Подразделение бокситов на литологические разновидности (каменистые рыхлые, глинистые и др.) имеет существенное значение, так как во многих случаях ими определяются их технологические и фи- зико-технические свойства.

Бокситы следует рассматривать как комплексное сырье,

вкотором наряду с алюминием содержатся ванадий, галлий, скандий, железо, титан и т.д. Наибольший практический интерес представляют ванадий и галлий. При переработке бокситов по методу Байера эти металлы в значительной мере переходят в алюминатные растворы, из которых затем извлекается алюминий. Железо, титан, скандий концентрируются

вотвальных красных шламах. Для высокожелезистых шламов созданы схемы, по которым можно получать чугун, глинозем и сырье, пригодное для производства цемента.

Важнейшим методом переработки бокситов на глинозем является гидрохимический метод Байера. В настоящее время используются комбинированные технологические схемы, сочетающие методы Байера и спекание, что позволяет достигнуть высокого извлечения глинозема из бокситов с повышенным содержанием кремнезема.

Прочие минеральные типы алюминиевых руд, такие как сульфатные (алунитовые), силикатные (нефелиновые и апа- тит-нефелиновые) имеют ограниченное использование в связи со сложностью получения из них глинозема.

Олово – элемент IV группы периодической системы, по-

рядковый номер – 50, атомная масса – 118,7, плотность – 7,29 г/см3, температура плавления – 230,9 °С, цвет серебри- сто-белый.

47

Олово чрезвычайно мягкий и ковкий металл, легко прокатывается в листы толщиной до 0,005 мм (оловянная фольга). В разбавленных соляной и серной кислотах растворяется очень медленно, в концентрированных и горячих – быстро, в слабой азотной – хорошо. Крепкая азотная кислота окисляет олово в α- и β-оловянные кислоты, сильно концентрированная на олово не действует. С сильными щелочами олово образует станнаты. Органические кислоты (лимонная, молочная, винная, щавелевая и т.д.) при отсутствии кислорода на олово почти не действуют, а в присутствии кислорода разъедают его.

Химическая устойчивость олова (антикоррозийность), безвредность его солей для здоровья людей, легкоплавкость и способность давать высококачественные сплавы с медью (бронза), а также антифрикционные сплавы (баббиты), типографские сплавы и припой обеспечили ему широкое применение в промышленности и в быту.

Известно 18 минералов олова, но промышленное значение имеют лишь два: касситерит и станнин.

Касситерит SnO2 – оловянный камень, имеет теоретический состав: олово – 78,62 %, кислород – 21,38 %. Практически постоянно присутствуют Fe, Мn, W, T, Nb, In, Ge, Ca, Be, Zr, SiO2, иногда V, Ni, Sb, Se. Твердость касситерита – 6–7, кристаллы призматические, часто игольчатые, реже дипирамидальные. Плоскости призм обычно покрыты вертикальной штриховкой, а плоскости пирамид – штриховкой, параллельной их комбинационным ребрам. Обычны двойники.

Кроме кристаллического касситерита существует его разновидность – «деревянистое олово», которое встречается в виде натечных образований груше- и каплевидной форм с ра- диально-концентрической структурой затвердевшего тела се- ровато-зеленого, желто-красного, бурого и коричневого цвета. По химическому составу «деревянистое олово» несколько отличается от кристаллического касситерита, в нем в повышенных количествах присутствуют Fe2O3, SiO2, BeO, Al2O3, Sb2O3, As2O3, Ag, Zn, Pb, Ge, B.

Касситерит в поверхностных условиях очень стойкий минерал. Исключительная химическая стойкость касситерита в сочетании с благоприятными физическими свойствами обусловливают сохранность его в рыхлых отложениях и образование месторождений оловоносных россыпей.

48

Станнин Cu2FeSnS4 – оловянный колчедан. Теоретический состав его следующий, %: Сu – 29,6; Fe – 13; Sn – 27,6; S – 29,8.

Практически содержание Sn колеблется от 24,08 до 29,08 %. Обычно присутствуют Zn (до 8,71 %), Cd (до 0,83 %), Bi (до 0,2 %), Sb (до 0,25 %), иногда Рb и Ag. Кристаллы очень редки, обычно встречаются в плотных и зернистых массах.

Станнин встречается значительно реже касситерита и характерен для группы касситерит-сульфидных месторождений. В РФ станин довольно редок и основным промышленным минералом является касситерит. В мировой практике известны весьма крупные объекты, в которых станин является главным минералом – носителем олова.

Наибольшее значение в РФ имеют оловорудные месторождения касситерит-силикатной, касситерит-кварцевой и касси- терит-сульфидной формации.

В мировой практике добычи олова из коренных месторождений ведущая роль принадлежит касситерит-сульфидной формации.

Помимо указанных типов месторождений источником получения олова могут служить оловоносные редкометалльные пегматиты, где касситерит обычно является второстепенным компонентом и повсеместно содержит повышенную примесь тантала и ниобия. Оловоносные редкометалльные пегматиты служат источником формирования комплексных редкоме- талльно-оловоносных россыпей.

Все оловянные руды, добываемые из коренных месторождений, предварительно подвергают обогащению с получением оловянных концентратов.

По технологическим свойствам оловянные руды в зависимости от крупности зерен касситерита делятся на три группы:

1)тонковкрапленные (0,01–0,10 мм);

2)мелковкрапленные (0,1–1,0 мм);

3)средневкрапленные (1–2 мм).

По содержанию олова руды подразделяются на богатые (>1 %), среднего качества (от 0,4 до 1,0 %) и бедные (от 0,2 до 0,4 %). Руды, содержащие олова от 0,1 до 0,2 %, относятся к весьма бедным.

Ртуть – элемент II группы периодической системы, порядковый номер – 80, атомная масса – 200,6, плотность – 13,52 г/см3,

49

температура плавления – минус 38,97 °С, цвет серебристо-бе- лый.

Этот металл при нормальной температуре жидкий, а при температуре минус 38,89 °С переходит в твердое состояние. В настоящее время известно свыше 1000 разнообразных областей использования ртути, основными ее потребителями являются химическая, электротехническая, радиотехническая и военная промышленности, а также медицина.

Ртуть входит в состав 15 минералов, но только некоторые из них образуют промышленные скопления.

Промышленные минералы ртути: киноварь HgS (Hg – 86,21 %), метациннабарит HgS (Hg – 86,21 %), причем именно киноварь является главным.

По технологическим свойствам ртутные руды подразделяются на собственно ртутные – монометалльные и комплексные, подлежащие переработке по определенным схемам.

Комплексные руды по вещественному составу подразделяются на три основных промышленных типа: ртутно-сурьмяные, ртутно-сурьмяно-плавиковошпатовые и ртутно-мышьяковые.

По содержанию ртути выделяются три промышленных сорта руд: штуфные (более 1 %), богатые (от 0,3 до 1,0 %) и рядовые (от 0,04 до 0,30 %).

Вредными примесями в ртутно-сурьмяных рудах являются мышьяк, а также сульфиды железа, меди, свинца и цинка.

В последние годы все большее значение приобретает возможность попутного извлечения ртути при переработке различных видов минерального сырья от полисульфидных руд до каустобиолитов.

Сурьма – элемент V группы периодической системы, порядковый номер – 51, атомная масса – 121,7, плотность – 6,69 г/см3, температура плавления – 630,5 °С, цвет оловяннобелый.

По химическим свойствам сурьма представляет собой элемент промежуточного характера, обладающий свойствами и металла, и металлоида. Она широко применяется в промышленности в виде сплавов (для изготовления аккумуляторных пластин, типографских сплавов, баббита и т.д.). Применяется она и для изготовления керамики, стекла, пластмасс, резиновых изделий и т.д.

50