Вещественный состав и направления использования твердых полезных ископаемых. Учебное пособие

стично – в сульфидах и характеризуется неравномерным распределением. В зависимости от состава сульфидов в этих формациях выделяются различные минеральные типы;

yy золотосульфидная формация. В составе руд главную роль играют пирит, халькопирит, арсенопирит, пирротин, сфалерит и галенит в переменных количествах. Золото тесно связано с сульфидами.

К экзогенным месторождениям относятся золотоносные россыпи и «железные шляпы» сульфидных месторождений. Последние представляют собой верхнюю окисленную часть сульфидных залежей (серно-, медно-колчеданных и полиметаллических), где золото как химически устойчивый минерал накапливается вместе с гидроксидами железа, карбонатами свинца, вторичными серебряными минералами. Особенно высокое содержание приурочено к нижним горизонтам «железных шляп».

По крупности частиц золото классифицируется на крупное (>0,07мм), мелкое (от 0,001 до 0,070 мм) и тонкодисперсное (<0,001 мм).

Кроме того, известны золотосодержащие руды, в которых золото является попутным компонентом, сопровождающим металлы, которые могут представлять промышленный интерес. К таким металлам относятся серебро, медь, сурьма, свинец, цинк, уран, а также барий и т.д. Соответственно выделяют золото-пиритные, золото-мышьяковые, золото-сере- бряные, золото-медные, золото-сурьмяные, золото-урановые, золото-баритовые, золото-полиметаллические и золото-квар- цевые руды. Концентрацию золота в коренных рудах оценивают в г/т (10–4 %).

Серебро – элемент I группы периодической системы, порядковый номер – 47, атомная масса – 107,87, плотность – 10,5 г/см3, температура плавления – 960,8 °С, цвет серебри- сто-белый.

С кислородом в обычных условиях серебро не соединяется. Хорошо растворяется в азотной и горячей концентрированной серной кислотах. Со многими тяжелыми металлами образует сплавы, с ртутью – амальгаму.

Серебро используется для монетных и ювелирных сплавов, в фото- и кинопромышленности для изготовления свето-

61

чувствительной эмульсии; в химической промышленности применяется как стойкий материал для аппаратостроения. Азотнокислое серебро (ляпис) и коллоидные растворы серебра применяются в медицине как бактерицидные средства.

Минералы серебра: самородное серебро (Ag – 90–100 %), аргентит Ag2S (Ag – 87,1 %), штромейерит AgCuS (Ag – 53,1 %), дискразит Ag3Sb (Ag – 72,8–84,34 %); стефанит Ag5SbS4 (Ag – 68,4 %), полибазит (Ag, Сu)16Sb2S11 (Ag – 64,7 %), прустит AgSbS3 (Ag – 65,5 %), пираргирит Ag3SbS3 (Ag – 59,8 %), кераргирит AgCl (Ag – 72,2 %).

Серебро присутствует в полиметаллических, медных, золотых рудах в рассеянном состоянии, особенно много серебра в свинцово-цинковых месторождениях, и поэтому оно часто добывается попутно при переработке полиметаллических свин- цово-цинковых, медных и золотых руд.

Платина – элемент VIII группы периодической системы, порядковый номер – 78, атомная масса – 195,0, плотность – 21,45 г/см3, температура плавления – 1769 °С, цвет серый.

Этот металл вытягивается в очень тонкую (до 0,001 мм) проволоку. В кислотах он не растворяется, за исключением царской водки. Применяется для изготовления огнеупорной и кислотоупорной посуды, в химической и электротехнической промышленностях, авиации, приборостроении, военном, ювелирном и зубоврачебном деле.

Вприроде платина встречается в самородном виде, а также входит в состав некоторых минералов. В самородной платине обычны примеси железа, иридия, палладия, родия, рутения, меди, в зависимости от содержания которых выделяется несколько ее разновидностей. Чаще всего встречаются следующие разновидности: поликсен PtFe (Pt – 80–88 %), иридистая пластина PtFeIr (Pt – до 7 %), палладистая пластина PtPd (Pt – до 40 %), осмистый иридий (сысертскит) OsIr (Pt –

до 6 %), сперрилит PtAs2 (Pt – 52–56 %), ферроплатина PtFe (Pt – 71–79 %, Fe – 16–19 %), невьянскит IrOs (Ir – 46,8– 77,2 %, Os – 21,0–49,3 %, Ru – 0–0,5 %, Rh – 0,5–7,7 %, Pt – 0,1–5,5 %, Cu – 0–0,9 %, Fe – 0–1,4 %) и др.

Впромышленных масштабах платиноиды накапливаются в магматических месторождениях и россыпях. Выделяются три промышленных типа ее месторождений:

62

yy магматические собственные месторождения в ультрабазитах (дунитах). Платина ассоциирует с хромшпинелидами. Из платиновых минералов распространены поликсен, иридистая платина, осмистый иридий, которые могут являться источниками россыпных месторождений;

yy магматические платинсодержащие сульфидно-медно- никелевые месторождения, в которых платиновые минералы обычно представлены очень широким спектром минералов – поликсеном, никелистой платиной, палладистой платиной и т.д. Практический интерес для извлечения металлов платиновой группы представляют руды с содержанием этих элементов 0,2–0,4 г/т и выше. Эти месторождения являются основными источниками получения платины и платиноидов в настоящее время;

yy россыпи платины. В настоящее время платиноносные россыпи (элювиальные и аллювиальные) имеют небольшое значение. Благодаря высокой плотности платина накапливается в нижних горизонтах продуктивных слоев и в разрушенной части плотика. Россыпные месторождения платины формируются при благоприятных геоморфологических условиях в районах развития ультрабазитов (дунитов), содержащих платину.

4.5. Радиоактивные элементы

Радиоактивные элементы – это природные и искусственные химические элементы, все изотопы которых радиоактивны. К природным относятся элементы периодической системы начиная с порядкового номера 84 (Ро) и заканчивая порядковым номером 92 (U). Уран и торий являются родоначальниками радиоактивных рядов и образуют радиоактивные минералы и руды. Все остальные природные радиоактивные элементы являются продуктами распада урана и тория.

Уран – элемент III группы периодической системы, порядковый номер – 92, атомная масса – 238,07, плотность – 19 г/см3, температура плавления – 1133 °С, цвет серебристый с голубоватым оттенком.

Это главный радиоактивный элемент земной коры, имеющий в настоящее время основное промышленное значение. Элементы с большим порядковым номером и атомной массой

63

в естественном виде в природе не встречаются, их можно получить только искусственным путем.

Природный уран состоит из трех изотопов: 238U (99,2739 %), 234U (0,0057 %) и 235U (0,7204 %). В результате ядерных реакций можно получить несколько изотопов урана: 228U, 230U, 232U, 233U, 237U, 240U. Уран сравнительно широко распространен в земной коре. Кларк урана (по А.П. Виноградову) составляет 2,6×10–4 % по другим источникам – несколько выше (4×10–4 %), т.е. больше кларков мышьяка, молибдена, сурьмы, золота, брома и других элементов.

Одним из наиболее характерных и практически важных свойств урана является его радиоактивность. Он самопроизвольно беспрерывно распадается, образуя последовательно ряд новых радиоактивных элементов до тех пор, пока не превратится в устойчивый радиогенный свинец. Период полураспада изотопа 238U – 4,51×109 лет, изотопа 235U – 8,91×108 лет и изотопа – 234U 2,235×105 лет. Металлический уран обладает хорошим блеском, но на воздухе быстро его теряет. При высоких температурах металлический уран хорошо волочится, куется и поддается химической обработке. Уран отличается высокой химической активностью, легко вступает в реакцию со всеми неметаллами. С металлами (ртутью, оловом, медью, свинцом и др.) образует интерметаллические соединения. В виде тонкой пыли уран самовозгорается, образуя UO3. В присутствии окислителей быстро растворяется в соляной и серной кислотах, в азотной – медленно.

В природных условиях уран образует с кислородом четыре окисла: моноокись UO, двуокись UO2, закись-окись U3O8 и трехокись UO3.

Применяется уран в военном деле, аналитической химии, фотографии и стекольной промышленности. Направленное управление ядерными реакциями обеспечивает широкую возможность применения атомной энергии в мирных целях.

Промышленно значимыми рудами урана являются руды с содержанием урана больше 2×10–2 %.

Известно около 100 минералов, содержащих уран. Однако из этого большого количества урансодержащих минералов практическое значение имеют не более 30 – оксиды урана, ураносиликаты, уранофосфаты и т.д.

64

Торий – элемент III группы периодической системы, порядковый номер – 90, массовое число – 232.

Естественный торий представляет собой практически чистый изотоп 232Th. Наибольшее применение из изотопов находит природный 232Th. Для исследовательских целей часто используется изотоп 234Th как b-излучатель, выделяемый из урановых препаратов. В земной коре массовое содержание тория составляет в среднем 8×10–4 %. Образует минералы – монацит (фосфат тория и редкоземельных элементов), торит (силикат тория), торианит (окись тория и урана). Эти минералы встречаются совместно с полевыми шпатами, кварцем, бериллом, цирконом в пегматитовых жилах, грейзенах, гранитах. Монацит концентрируется в россыпях. Основным сырьем для получения тория является монацит. Торий в настоящее время имеет ограниченное применение.

65

ГЛАВА 5. НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ И НАПРАВЛЕНИЯ

ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

К неметаллическим полезным ископаемым относятся минералы и горные породы, которые являются источником получения химических элементов – неметаллов, природных химических соединений, а также минералов, которые могут быть использованы в промышленности. В соответствии с принятой в данной работе промышленной классификацией (см. табл. 3) этот тип полезных ископаемых включает ряд классов – индустриальное сырье, химическое и агрохимическое сырье, природные строительные материалы и сырье для их производства. Каждый из классов объединяет некоторое количество видов (см. табл. 3), регламентирующих основное направление их использования. Следует отметить, что ряд нерудных минералов и горных пород имеет многоплановое использование. Например, флюорит CaF2 может являться металлургическим, химическим, оптическим сырьем, а также камнесамоцветным материалом.

5.1. Индустриальное сырье

Этот вид полезных ископаемых включает минеральные субстанции, которые используются в промышленности в естественном виде или после простейшей обработки благодаря специфическим свойствам минералов и горных пород (термостойкость, высокая твердость, оптические и декоративные свойства и т.д.), определяющих их видовую принадлежность, т.е. направление использования.

5.1.1. Металлургическое сырье

Этот класс полезных ископаемых включает горные породы и минералы, используемые в металлургическом процессе в виде дополнительных присадок в шихту, которые корректируют процесс плавки. Среди них принято выделять флюсы и плавни.

66

Флюсами являются добавки в металлургическую шихту, которые ускоряют процесс отделения нерудных компонентов от металла, т.е. процесс шлакообразования.

Плавнями называют добавки, которые снижают температуру плавления руд.

Наиболее востребованным металлургическим сырьем являются карбонатные породы – известняки и доломиты.

Вчерной металлургии известняки служат флюсом в сталеплавильном, ферросплавном и доменном производствах. Исходное сырье для сталеплавильного и ферросплавного производства должно соответствовать требованиям ОСТ 14-64–80, а используемое в доменной шихте – ОСТ 14-63–80.

Флюсовые известняки должны иметь определенный химический состав – максимальное количество окиси кальция

(CaO) и как можно меньшее содержание балластных (SiO2, Al2O3) и вредных (Р, S) примесей. Кроме того, этот вид сырья должен обладать определенным комплексом прочностных свойств (прочность, истираемость и т.д.), мелкой зернистостью и однородностью. Например, прочность их должна составлять не менее 20–40 МПа.

Вчерной металлургии используются большие объемы карбонатных флюсов. Так, на выплавку 1 т чугуна расходуется до 1 т известняка. Для выплавки 1 т мартеновской стали его нужно 100–150 кг. При выплавке 1 т конвертерной или электростали требуется 120–160 кг этого материала.

Доломиты также применяются в металлургии для производства огнеупоров, заправочного материала (устройство и ремонт отдельных частей мартеновских печей и томасовских конвертеров), доломитового кирпича (футеровка металлургических печей и бессемеровских конвертеров), реже в качестве флюсов. Требования к доломитам, используемым в конвертерном производстве для изготовления смоло- и смоло-доломит- магнезитовых огнеупоров, регламентируются ТУ 14-8-232–77. Технические требования к качеству сырого доломита, предназначенного для обжига, подсыпки порогов и заправки мартеновских печей, содержатся в ОСТ 14-84–82.

Вцветной металлургии известняки с содержанием СаО не

менее 52 %, MgO не более 1,5 % и SiO2 более 3 % используются в качестве флюсов и технологического сырья, а полу-

67

чаемая из них известь – при цианировании и флотации руд. Слабомергелистые и мергелистые разновидности известняков могут служить флюсами при производстве меди и получении технологической извести, применяемой для обогащения медных руд.

Флюорит CaF2 также является важным металлургическим сырьем и выступает в виде плавня в черной металлургии. Обладая невысокой температурой плавления, при добавке в железные руды он снижает температуру их плавления, а также способствует получению более легкоплавких шлаков при мартеновском и других способах производства сталей. Флюсующие добавки флюорита способствуют не только разжижению шлаков, но и обессериванию и обесфосфорированию металла. Расход флюорита на 1 т металла основной мартеновской стали составляет 3,0–3,5 кг. В металлургических сортах флюорита содержание CaF2 не должно быть менее 75 % при лимитированных концентрациях вредных компонентов – серы, фосфора, свинца, бария и др. Оптимальная фракция металлургического флюорита (кусковатость) варьирует от 12 до 18 мм с примесью мелочи (<5 мм) не более 10 %.

Флюорит используется также для производства криолита Na3AlF6 – который используется в качестве разжижителя глинозема (Al2O3) при электролитическом получении металлического алюминия.

В качестве плавня флюорит используется в цементном производстве. Добавка его в шихту снижает температуру обжига цемента с 1400–1425 °С до 1000–1025 °С, а температуру спекания – с 1025 °С до 800–900 °С, что снижает энергоемкость этого вида производства.

5.1.2. Абразивы

Абразивами принято называть минералы, реже горные породы, используемые в процессах шлифования, полирования, хонингования, суперфиниширования, разрезания материалов и широко применяемые в заготовительном производстве и окончательной обработке различных металлических и неметаллических материалов. К ним относятся минералы с минералогической твердостью больше 7 по шкале Мооса – технические алмазы, корунд, гранаты, кварц и т.д.

68

Самыми качественными абразивами являются алмазы. Среди технических алмазов принято различать следующие разновидности:

yy борт – темноокрашенные недостаточно прозрачные кристаллы с включениями, а также их сростки;

yy карбонадо – тонкозернистые поликристаллические агрегаты темно-серого или черного цвета, легко раскалывающиеся при ударе и дающие осколки с раковистым изломом;

yy балласы – сферической формы радиально лучистые агрегаты с корковым строением с более твердой, чем ядро, тонкозернистой оболочкой.

Технические алмазы используются и в качестве фильеров для волочения проволоки особых сортов для изготовления режущих инструментов (резцы, сверла и т.п.), армирования буровых коронок, изготовления шлифовальных кругов, абразивных порошков и т.д.

Корунд Al2О3 – второй по твердости минерал после алмаза – является естественным абразивом, кристаллизуется в виде столбчатых, таблитчатых, остропирамидальных и боченковидных кристаллов.

Твердость по шкале Мооса равна 9. Чистые и прозрачные кристаллы корунда имеют особые названия – прозрачный синий корунд называется сапфиром, а прозрачный красный – рубином и относятся к драгоценным камням.

Наждак представляет собой природную смесь корунда с магнетитом и некоторым количеством гематита и шпинели.

Корунд и наждак применяются в качестве абразивного материала в металлообрабатывающей и других отраслях промышленности. Твердость и шлифующая способность наждака зависят от количества присутствующего в нем корунда. Наждак крепок и выдерживает сильное нагревание.

Корунд и наждак применяются для изготовления точильных кругов и брусков, шлифовальных лент (наждачная бумага), шлифовальных порошков и т.д. В настоящее время в связи с созданием большого количества искусственных абразивов (например, карборунда, являющегося карбидом кремния) применение в промышленности корундов и наждаков снизилось.

69

Гранаты также могут рассматриваться как абразивы в связи с их высокой (около 8) твердостью. С этой целью используется гранат альмандин, часто встречающийся в больших скоплениях. Выяснилось, что в аналогичных условиях при обработке изделий из дерева и цветных металлов гранатовый инструмент (бруски, абразивные ленты (шкурки)) служит дольше корундовых и в целом является более эффективным.

Промышленный интерес могут представлять также кварцевые абразивы – кварцевый песок, а также бруски, изготавливаемые из кварцевых песчаников и кварцитов.

Следует отметить, что будущее абразивной промышленности, несмотря на наличие природных абразивов, все-таки в искусственном получении абразивных материалов.

5.1.3. Оптическое минеральное сырье

Под пьезооптическим минеральным сырьем подразумеваются оптический кварц, исландский шпат (оптический кальцит) и оптический флюорит, а также бесцветный пластинчатый гипс (гипсовый шпат).

К оптическим кварцам относятся кристаллы бесцветного горного хрусталя, прозрачные для лучей ультрафиолетовой области спектра с длиной волны в пределах до 2000 Å, однородные по показателю преломления, без оптических дефектов, с определенными размерами светопропускания.

Основным условием кондиционности кристалла оптического кварца является наличие в нем области, лишенной дефектов. Дефектами являются мутные непрозрачные участки, трещины, посторонние включения, дофинейские и бразильские двойники, свили, «голубые» лучи. Чем больше бездефектная область, тем лучше кристалл. Бездефектную часть кристалла, пригодную для использования в технических целях, называют монообластью или моноблоком.

Для определения качества минерального сырья установлено три важнейших показателя: масса кристаллосырья, процент выхода моноблоков и масса кварца в моноблоках.

Кристаллосырьем называют кристаллы оптического кварца, прошедшие обогащение.

Процент выхода моноблоков – это отношение объема бездефектной области к объему всего кристалла. Устанавливается визуально опытными обогатителями-сортировщиками.

70