CC BY
192
УДК 549.08:622
БОКСИТЫ ТИМАНА: МИНЕРАЛПГО-ТЕХНОЛПГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
О. Б. Котова, А. В. Вахрушев
Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар [email protected]
В статье изложены результаты минералого-технологических исследований бокситов Тиманского региона (Россия), более подробно рассмотрены бокситы Вежаю-Ворыквинского месторождения. В ходе работы применялись современные аналитические методы, включая нетрадиционный метод малоуглового рассеяния, комплексирование которых позволило получить достоверные минералого-технологические характеристики как самой бокситовой руды, так и ее вещественных составляющих.
Ключевые слова: бокситы, минералогия бокситов, технологические свойства.
BAUXITES OF TIMAN: MINERALOGICAL AND TECHNOLOGICAL FEATURES
O. B. Kotova, A. V. Vakhrushev
The results of mineralogical and technological studies of bauxites from Timan region (Russia) are given in the article; the bauxites from the Vezhayu-Vorykvinskoe deposit are reviewed in detail. Modern analytical methods have been applied in the process of the work, including non-traditional method of small angle scattering, which complexing allowed receiving reliable mineralogical and technological characteristics of both the bauxite ore, and its material components.
Keywords: bauxites, bauxite mineralogy, technological properties.
Алюминий — важное стратегическое сырье, во многом определяющее положение России на международном экономическом рынке. Сочетание физических, механических и химических свойств алюминия обуславливает его широкое применение практически во всех областях техники, особенно в виде его сплавов с другими металлами.
Объединенная компания «Российский алюминий» — лидер мировой алюминиевой отрасли — была создана в марте 2007 г. в результате объединения РУСАЛа, СУАЛа и глиноземных активов О1епсоге. Продукция экспортируется в 70 стран мира. Компания СУАЛ осуществила ввод в эксплуатацию Среднетиманского бокситового рудника и разрабатывала проект строительства глиноземного завода в г. Сосногорске. Россия является одним из крупнейших в мире производителей алюминия, однако собственного глиноземного сырья в стране не хватает, запасы бокситов невелики (3 % от мировых) и в основном низкого качества. Из-за большого дефицита собственного бокситового сырья Россия вынуждена импортировать его из других стран.
Решение проблемы недостатка сырья нам видится в развитии поисковых, добывающих и перерабатывающих технологий, в глубоком изуче-
нии бокситовых руд с привлечением современных методов минералогических исследований с целью вовлечения в переработку всего минерального вещества, выделения новых видов сырья, разработки новых геоматериалов.
Прогнозные ресурсы бокситов России оцениваются более чем в 404 млн т, они относятся к категориям Р1 и Р2 и распределены между ними практически поровну. Неблагоприятные горно-геологические условия размещения бокситовых месторождений на Урале и в Центральной России (в том числе большие глубины залегания), низкое качество руд в других регионах (в Архангельской области, Сибири), обусловливают их слабую конкурентоспособность. Периодически возникает интерес к вовлечению в крупномасштабное промышленное использование альтернативных бокситам ресурсов высокоглиноземистого сырья — кианита, нефелинов Кольского полуострова, цеолитов. Такие работы, безусловно, необходимы, но вряд ли они могут решить проблемы в короткие сроки и в современных экономических условиях.
Значительная часть прогнозных ресурсов (66 %) выявлена в пределах Средне- и Южно-Тиманского бокситоносных районов (рис. 1). Месторождения бокситов Тимана, разработ-
ка которых ведется уже несколько лет, имеют большое значение для всего алюминиево-глиноземного комплекса страны. Помимо уже выявленных месторождений и проявлений имеется несколько слабоизученных площадей. В частности, целесообразна постановка поисковых работ в пределах Ижемской потенциально бокситоносной площади, перспективы которой были впервые обозначены в 1970-е гг. в связи с находками бокситоподобных пород по р. Черь Ижемская.
Для создания оптимальных технологий передела с использованием всех полезных компонентов руды необходимы дополнительные сведения
о минеральных особенностях и физических свойствах бокситов. Следует учитывать, что на данный момент на Среднетиманском бокситовом руднике некондиционные бокситы с кремниевым модулем меньше 4 и попутные породы бокситовых руд с кремниевым модулем меньше 2 (их общее содержание составляет 30—40 %), как правило, отправляются в отвалы карьера [7]. В то же время есть пример использования руды и вскрышных пород Иксинского месторождения бокситов (Северо-Онежский бокситовый рудник) в производстве композиционных материалов.
Интенсивное развитие современных минералогических методов
исследований позволяет пересмотреть перспективы бокситового сырья, включая объем затрат, необходимый на его добычу, переработку и связанные с ними природоохранные мероприятия. При оценке руд на обо-гатимость важную роль играет седи-ментационный, а также ситовой анализы и последующее изучение гранулометрических фракций. Однако применение этих методов невозможно, либо затруднено, когда нужно получить данные о гранулометрическом составе зерен размером меньше
1 мкм в хорошо сцементированной породе. Успехи минералогических исследований тонкодисперсной составляющей бокситовых руд связываются с использованием рентгеновского и синхротронного излучения в комбинации с электронной микроскопией (ТЕМ и SEM).
Метод малоуглового рассеяния (МУР) нами был опробован на бокситах Вежаю-Ворыквинского месторож-
Рис. 1. Среднетиманский бокситорудный район: 1—6 — месторождения (красные кружки): 1 — Вежаю-Ворыквинское, 2 — Верхнещугорское, 3 — Восточное, 4 — Свет-линское, 5 — Володинское, 6 — Заостровское; Южно-Тиманский бокситорудный район. 1—3 — месторождения (желтые кружки): 1 — Кедвинское, 2 — Пузлинское, 3 — Тимшерское
дения, для которых характерна высокая дисперсность основной массы слагающих минералов со сложным полиминеральным смешением. В отличие от других дифракционных методов (рентгеновского структурного анализа) с помощью МУР можно исследовать структуру неупорядоченных объектов в диапазоне от 1 до 1000 нм. Так, применение данного метода позволило установить, что в бокситах Вежаю-Ворыквинского месторождения присутствуют тонкодисперсные частицы, линейный размер большинства из них равен 40 нм. Результаты измерений с помощью малоуглового рассеяния согласуются с данными РЭМ (рис. 2). Используя для МУР синхротронное излучение можно значительно увеличить чувствительность метода в сторону частиц малых размеров. Синхротронное излучение стало важнейшим инструментом исследования свойств вещества. Во всем мире создаются центры
Рис. 2. Комплексирование метода малоуглового рентгеновского излучения с электронной микроскопией: а — зависимость интенсивности рентгеновского излучения от угла наклона; б — агрегат частиц в гематит-бёмитовых бокситах Ве-жаю-Ворыквинского месторождения РЭМ изображение в режиме упругоотраженных электронов
по использованию синхротронного излучения, строятся дорогостоящие источники. Нам удалось провести ряд исследований на Курчатовском источнике синхротронного излучения (КИСИ), полученные данные находятся в стадии обработки.
Минеральный состав Тиманских бокситов с различной степенью детальности освещен во многих работах [1— 3, 5—12 и др.], однако тонкодисперсная составляющая бокситовых пород ни в одной из них не обсуждалась. В рамках статьи мы не имеем возможности представить минералогию всех бокситовых месторождений Тимана, поэтому рассмотрим в качестве примера Вежаю-Ворыквинское месторождение, самое крупное из них и обладающее наибольшим разнообразием минерального состава бокситов. В его пределах можно встретить большинство из известных в районе типов и разновидностей руд, в частности природно обесцвеченные маложелезистые бокситы. Основными рудообразующими минералами бокситов Вежаю-Ворык-винского месторождения являются бё-мит, гематит, шамозит, каолинит, примеси представлены гидрослюдами, кварцем, рутилом.
Химический состав руд месторождения отличается повышенным со-
держанием оксидов железа, относительно низким содержанием серы, отмечается присутствие редких металлов, средний состав руд:
АЬОз
8Ю2
Ре2Озоб[і[
тіо2
СаО
Бобщ
1УЫ
%
48.69
8.1
27.87
2.73
0.36
0.02
6.08
ва
ЫЬ
8с
V
Сг
>4і
г/т
80
400
76
510
220
57
С учетом количественного соотношения основных минералов, слагающих бокситы, выделено шесть типов руд, среди которых преобладает гематит-бёмитовый. Текстура руды, как правило, узорчатая, беспорядочная либо оолитовая, структура микрозернистая или афанитовая (рис. 3).
В результате изучения бокситов Вежаю-Ворыквинского месторождения были отмечены важные особенности их физических свойств и минерального состава, в частности:
• выявлены высокая дисперсность основной массы слагающих минералов (механических смесей с размером не более 1 мкм), значительное распространение зерен бёмита размером меньше 5 мкм;
• установлено существенное отличие кажущейся и истинной (пик-нометрической) плотности, свидетельствующее о большом объеме закрытых пор в бокситах;
• обнаружено, что часть гематита и гётита сосредоточена в наиболее тонких классах (— 0.5 мкм);
• наблюдается изоморфное замещение части оксида железа (в гётите и гематите) алюминием с образованием алюмогематита и алюмогётита, однако количество А1 изоморфно входящего в решетку гематита, меньше 0.9, в решетку гётита — меньше 7 молярных % [9];
• основными кремнийсодержащими минералами бокситов являются каолинит и шамозит; шамозит встречается преимущественно в тонкодисперсной форме, содержание оксида железа в шамозите достигает 10-15 %;
проб, дробленных до 1 мм, по методике , отработанной в лаборатории геологии кайнозоя (аналитик Т. М. Тимошенко). Большую часть породы (57.9 %) составляет песчаная фракция, на алевритовую фракцию приходится 18.5 % вещества (рис. 4, табл. 1).
Наиболее интересные результаты были получены при анализе глинистой фракции. В ней наблюдается постепенное увеличение содержания диоксида кремния по мере уменьшения размера зерен от 10 до 1 мкм, а в классе -1 мкм наблюдается резкое повышение его количества. По всей видимости, это связано с преобладанием в данном классе минералов алю-
Таблица1
Минеральный состав гранулометрических фракций гематит-бёмитовых бокситов, %
Минерал Исходный 0.05-0.03 0.03-0.01 0.01-0.005 0.005-0.001 <0.001
Бёмит 43 48 50 61 69 14
Каолинит 10 4 5 4 2 22
Шамозит 5 5 2 1 1 1
Гематит+Гётит 23 15 26 17 13 40
Рутил+анатаз 3 3 6 7 2 2
• широко распространена рентгеноаморфная фаза, которая обнаруживается при сопоставлении данных различных видов диагностики (рентгеноструктурного и химического анализов, ИК-спектрометрии, мёссбауэ-ровской спектроскопии) [5].
Нами были изучены особенности распределения вещества в гранулометрических фракциях бокситов Вежаю-Ворыквинского месторождения. Был проведен грануломертрический анализ
Г'-'-«?»«;
Г* ..". »/V -Г.. ■
мосиликатного состава, таких, как каолинит, шамозит. Кроме того, в классе -1 мкм круто вырастает содержание минералов оксидов железа (до 31.89 %), которые по всей видимости находятся в тонкой смеси с алюмосиликатами, и значительно повышаются содержания оксидов кальция, фосфора и стронция (табл. 2).
Основным методом переработки бокситов остается метод Байера. Главным технологическим процессом является выщелачивание. Однако этот метод рентабелен при переработке высококачественных бокситов, поэтому продолжается разработка других способов переработки некондиционных бокситов и другого алюминиевого сырья (нефелиновых руд, кианитов, цеолитов и пр.). Для доводки низкокачественных бокси-
Рис. 3. Тонкодисперсные формы минералов в бокситах Вежаю-Ворыквинского месторождения: а — оксиды железа, слагающие внешнюю кайму бобовин; б — микро-игольчатый агрегат каолинита; в — трещины, выполненные каолинитом; г — кристалл циркона
Рис. 4. Гранулометрический состав гема-тит-бёмитовых бокситов
Таблица 2
Химический состав гранулометрических фракций гематит-бёмитовых бокситов по данным РФА, масс %
Компонент Исходный состав 2-1 1-0.5 0.5-0.25 0.25-0.05 0.05-0.03 0.03-0.01 0.01-0.005 0.005-0.001 -0.001
Si02 4.23 7.03 7.02 6.72 8.68 6.10 5.27 5.85 7.84 17.42
ТЮ2 4.05 3.81 4.05 4.03 3.63 3.85 4.41 3.61 3.17 2.97
А1203 69.48 73.81 72.43 72.34 69.77 68.21 70.91 69.46 69.44 45 19
общ 21.18 14.34 15.39 15.88 16.84 20.82 18.48 20.05 18.48 31.89
МпО 0.26 0.22 0.23 0.23 0.21 0.24 0.25 0.22 0.24 0.24
MgO <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0.5
CaO 0.12 0.11 0.10 0.08 0.10 0.12 0.16 0.14 0.14 0.43
к2о <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1 <0.1
р2о5 0.48 0.50 0.60 0.53 0.61 0.52 0.39 0.52 0.59 1.68
ZrO, 0.12 0.11 0.11 0.10 0.10 0.08 0.07 0.09 0.06 0.07
SrO 0.08 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.05 0.08 0.06 0.11
тов до пригодных к переработке методом Байера используются различные методы обогащения (магнитная сепарация, флотация, обжиг, обработка различными химическими реагентами). Результаты обогащения этими методами зависят не только от физических свойств бокситовой руды (о которых мы говорили ранее), но и от минерального и гранулометрического составов, а также от формы выделения минералов.
Одним из негативных факторов, ограничивающих применение метода Байера является присутствие серы, что характерно для южно-тиманских бокситов. Для их обессеривания на практике чаще всего применяются различные технологии обжига. В Институте геологии Коми НЦ УрО РАН под руководством Б. А. Остащенко был разработан альтернативный способ частичного обессеривания бокситов, а именно гравитационный способ разделения серосодержащих минералов (пирита, марказита) и минералов глинозема (бёмита, гиббсита) и каолинита, основанный на разной плотности указанных минералов [13].
Применение наукоемких технологий. Возвращаясь к схеме получения глинозема, следует отметить, что извлекаемое рудное сырье проходит, как правило, предварительную подготовку с применением различных способов в зависимости от качества сырья и в соответствии с предполагаемым промышленным использованием.
Тиманские бокситы не всегда соответствуют ГОСТам, ограничения определяются содержанием железа, серы, оксидов кальция, и фосфора. Для снижения количества импортируемого сырья необходимы новые технологии переработки и обогащения собственного бокситового и высокоглиноземистого сырья. За рубежом и у нас в России успешно разрабатываются и реализуются на практике новые науко-
емкие технологии производства качественно новых технических материалов разного функционального назначения, развиваются поисковые работы по другим перспективным направлениям применения тонкодисперсного бокситорудного сырья, в том числе на наноразмерном уровне, для синтеза различных промпродуктов с ранее неизвестными свойствами и улучшенными эксплуатационными характеристиками. Например, показана возможность и перспективность использования маложелезистых бокситов Среднего Тимана для производства керамики, конструкционных материалов и различных композитов [4].
Основным побочным продуктом глиноземного производства являются красные шламы (бокситовые отходы). Ежегодно в мире получается до 40 млн т красных шламов, основная часть которых до сих пор не используется. Высокая щелочность этих отходов отрицательно влияет на воды, почву и воздух. Потенциальные проблемы включают в себя вытекание щелочного раствора и бокситовых отходов вследствие повреждения трубопроводов или дамб, строительство которых требует вложения значительных средств. Кроме того, они занимают большие земельные площади. Уже сегодня есть достижения в решении проблемы использования и утилизации бокситовых отходов, например: хранение, производство строительных материалов, подготовка новых материалов для защиты окружающей среды, извлечение полезных элементов и др. Наша задача заключается в том, чтобы обобщить имеющийся опыт и инновационно применить его к освоению местного сырья.
В заключение следует отметить, что все этапы современного производства алюминия представляют собой многостадийные и достаточно сложные операции. Обойти множество тех-
нологических цепочек позволит разрабатываемый в Институте геологии Коми научного центра альтернативный способ получения алюминия методом лазерной плавки.
Работа выполнена при поддержке программы ОНЗ РАН № 3 (проект 09-Т-5-1012 «Развитие научных основ эффективных технологий глубокой и комплексной переработки трудно-обогатимых руд и углей»).
Литература
1. Беляев В. В. Маложелезистые белоцветные бокситы: распространение, состав, промышленное использование. Сыктывкар, 2009. 44 с. (Научные достижения — практике / Коми научный центр УрО РАН; вып. 126). 2. Беляев В. В., Яцкевич Б. А., Швецова И. В. Девонские бокситы Тимана. Сыктывкар: Коми НЦ УрО РАН, 1997. 192 с. 3. Бушинский Г. И., Закруткин В. Е. Геохимия бокситов Южного Тимана. М.: Наука, 1978. 120 с. 4. Голдин Б. А., Секушин Н. А., Рябков Ю. И. Электропроводящая керамика на основе маложелезистых бокситов Среднего Тимана. Сыктывкар, 1992. 13 с.
5. Ершова К. С., Солнцева Л. С., Умнова Е. Г. и др. О рентгеноаморфной фазе в бокситах // Изучение строения и фазового состава минеральных объектов комплексом физических методов анализа. М.: ВИМС, 1976. Вып. 1. С. 65-76.
6. Закруткин В. Е. Структурные типы бокситов и бокситоносных отложений Южного Тимана // Проблемы генезиса бокситов. М.: Наука, 1975.
7. Землянский В. Н. Развитие технологических процессов комплексной утилизации А1-, Т1- и Бе- силикатных горнопромышленных и техногенных отходов. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, Ухта: Изд-во УГТУ, 2005. 397 с.
8. Лихачев В. В. Редкометальность бокситоносной коры выветривания Среднего Тимана. Сыктывкар: Коми
НЦ УрО РАН, 1993. 224 с. 9. Пастухова М. В., Ершова К. С. и др. Исследование кристаллохимических особенностей и изоморфизма в минералах алюминия и железа бокситов в связи с проблемой использования низкосортных бокситовых руд. М.: ВИМС, 1978. 10. ПерепелицынВ. А., КорминаИ. В., Карпец П. А. Вещественный состав и свойства огнеупорных бокситов //
Новые огнеупоры. 2005. № 8. С. 66—73
11. Швецова И. В. Типоморфизм акцессорных минералов в среднетиман-ских бокситах и их материнских породах // Типоморфизм и генетическая информативность минералов: Тр. Инта геологии Коми фил. АН СССР. Вып. 30. Сыктывкар, 1979. С. 86-94.
12. Шумов О. В., Воропаева Н. П. Особенности морфологии рудных тел раз-
личных генетических типов бокситов на месторождениях Среднего Тимана // Прогнозирование месторождений бокситов. М.: ВИМС, 1983. С. 59-66.
13. Юшкин Н. П., Бурцев И. Н., Оста-щенко Б. А., Малышев Н. А., Беляев В. В. Девон в минерально-сырьевом потенциале Тимано-Североуральского региона. Сыктывкар: Геопринт, 2003. 40 с.
Рецензент к. г.-м. н. Э. С. Щербаков
