Ценные и вредные элементы в рудах и отходах месторождений черной металлургии

Помимо элементов, имеющих промышленное значение, в руде содержатся примеси. Одни из них повышают ценность сырья, а другие снижают его качество. Раньше железные руды с высоким содержанием этих примесей не разрабатывались. От содержания элементов-примесей и их разнообразия зависит технология переработки руды. Для более полного извлечения ценного компонента (или ценных компонентов) из руды и производства качественного конечного продукта необходимо знать элементный состав руды и влияние того или иного элемента на процесс извлечения ценного компонента (или ценных компонентов) и качество конечного продукта.

Цель данной работы — на основе анализа опубликованных данных охарактеризовать вредные и ценные элементы-примеси, содержащиеся в рудах и отходах железо-, медьсодержащих, свинцово-цинковых, никелевых и кобальтовых месторождений.

Руду называют простой или комплексной, если из нее извлекают соответственно один или несколько полезных компонентов. В комплексных рудах часто содержатся примеси редких металлов, например: в бокситах — Ga, La и Sc, в железных рудах — V, в титановых — V, Sc, Nb. Наличие примесей редких элементов (V, Ge, Ga, TR и др.) повышает ценность руд, в таком случае говорят о наличии ценных элементов-примесей. Вредные примеси затрудняют металлургический передел руд (и их концентратов) или ухудшают качество получаемого продукта. Для правильного и наиболее полного использования руды необходимо детальное изучение их элементного и вещественного (в частности, минерального) состава [10].

Минимальное содержание ценных компонентов, которое экономически целесообразно для промышленного извлечения, а также допустимое максимальное содержание вредных примесей, называют промышленными кондициями. Они зависят от форм нахождения полезных компонентов в руде, технологических способов ее добычи и переработки. При совершенствовании последних изменяется оценка руды конкретного месторождения. Так, в 1955г в Кривом Роге добывалась железная руда с содержанием железа не ниже 60 %, а впоследствии стали использовать руды, содержащие 25–30 % железа. Чем выше ценность металла, тем меньше могут быть запасы его руды в месторождении и ниже его содержание в руде (таблица 1). Особенно это относится к редким, радиоактивным и благородным металлам. Например, скандий получают из руд при его содержании около 0,002 %, золото и платину — при содержании 0,0005 % [10].

Таблица 1

Минимальные промышленные кондиции для коренных руд* [10]

*Коренными называются руды, находящиеся на месте их первоначального образования.

Неоспоримость положения о скором исчерпании отдельных видов природных минеральных ресурсов и необходимость новых крупных капиталовложений в освоение новых месторождений ставят вопрос о целесообразности использования сырья техногенных месторождений. Обычно под техногенным минеральным сырьем понимаются отвалы вскрышных и вмещающих пород отработанных месторождений, а также хвостохранилища горно-обогатительных фабрик, где концентрация компонентов основной добычи, а также попутных полезных соединений меньше, чем в разрабатываемых промышленных пластах. Тем не менее, эти компоненты могут быть извлечены с применением новейших технологий [1].

Утилизация отвалов вскрышных пород позволяет сокращать их площади и тем самым экономить ресурс геологического пространства, а извлечение полезных компонентов из хвостохранилищ, кроме экономической выгоды, способствует очищению поверхностной части литосферы от вредных для здоровья биоты примесей; особенно это касается тяжелых металлов и радиоактивных элементов.

Порода, идущая в отвал, состоит из тех же минералов, и соответственно, из тех же элементов, что и рудоносная порода. Поэтому вредные и ценные элементы-примеси будут рассмотрены в руде месторождений. Однако следует принять во внимание, что порода отходов производства в процентном соотношении будет отличаться от рудоносной породы: в отходах содержание примесей возрастет по отношению к ценному компоненту.

Железные руды в ряде случаев содержат попутные ценные компоненты, использование которых улучшает технико-экономические показатели работы предприятий по добыче полезных ископаемых и позволяет получать дефицитную товарную продукцию.

Попутные ценные компоненты железных руд и концентратов переходят в чугун и сталь или уходят в шлаки, откуда могут быть частично извлечены. Такие полезные примеси, как никель, кобальт, марганец, являющиеся легирующими компонентами, частично переходя из чугуна в сталь, дают возможность получения специальных сталей с заданными свойствами [2].

Наиболее распространенная примесь железных руд — марганец. В обычных условиях плавки марганец вводится в чугун с марганцевой рудой, подаваемой в аглошихту. Наличие марганца в железной руде позволяет избежать расхода на марганцевую руду и снизить себестоимость чугуна.

Хром и никель являются ценными легирующими элементами, переходящими в чугун, а затем и в сталь, и улучшающими ее качество. Они позволяют снизить расход дорогостоящих феррохрома и ферроникеля. Содержание хрома и никеля в рудах обычно небольшое и составляет от десятых долей процента до нескольких процентов [7].

Из шлаков металлургического передела титаномагнетитовых концентратов извлекается ванадий; фосфорсодержащие шлаки используются в качестве удобрений. Из пироксеновых хвостов обогащения титаномагнетитовых руд может извлекаться скандий [2].

Вольфрам и молибден являются полезными примесями железной руды, однако в рудах встречаются крайне редко [7].

Перспективными являются предложенные технологии извлечения из железных руд и продуктов их переработки германия и других редких элементов [2].

Вредные примеси железных руд: S, P, As, Zn и Pb. Сера вызывает снижение прочности стали при повышенных температурах (красноломкость) и поэтому во всех случаях является вредной примесью. Хотя основное количество серы в доменную печь вносится с коксом, иногда ее много содержится и в руде. Если же руда подвергается агломерации, то этот предел может быть повышен до 2 %. Это объясняется тем, что при агломерации с газами удаляется до 95 % всей серы. Поэтому использование серосодержащих руд без агломерации практически невозможно [7].

Поступающая в доменную печь сера распределяется между газом, чугуном и шлаком. Однако основное количество ее переходит в шлак. В рудах сера находится в виде сульфидов FeS₂, сульфатов CaSO₄. Сульфатная сера переходит в металл интенсивнее, чем сульфидная.

Фосфор вредно влияет на качества стали, снижая ее прочность при низких температурах (хладноломкость), и поэтому в большинстве случаев является вредной примесью. В доменной печи фосфор восстанавливается из соединений и полностью переходит в чугун, а затем частично и в сталь. Поэтому содержание его в рудах должно быть низким и составлять сотые доли процента.

В некоторых случаях повышенное содержание фосфора в чугуне не только допустимо, но и необходимо. Так кислородные конверторы могут перерабатывать чугуны с повышенным содержанием фосфора. Вторым исключением является выплавка литейных чугунов, фосфористые сорта которых могут содержать 0,3–0,7 % и даже до 1,2 % фосфора. Фосфористые чугуны обладают высокой текучестью и хорошо заполняют форму.

Цинк является вредной примесью, хотя и не переходит в чугун. Содержание цинка порядка 0,2 % очень вредно потому, что, сублимируясь в нижней части печи, он конденсируется в кладке верха печи и вызывает ее расширение.

Свинец также является вредной примесью. Скапливаясь в горне печи, он разрушает кладку [7].

Раньше железные руды с высоким содержанием этих примесей не разрабатывались. В настоящее время железные руды с содержанием серы выше нормы подвергаются специальной предварительной обработке. Например, магнетитовые сернистые руды горы Магнитной предварительно обогащаются путем магнитной сепарации, в результате чего отделяются сульфиды, вместе с которыми выводится и сера; после этого концентрат из магнетита пригоден для нормальной плавки.

Фосфористые руды раньше также не использовались для плавки. В 1879 г. инженер Томас разработал метод плавки на основном поде, так называемый метод томасирования, позволивший из фосфорсодержащих чугунов выплавлять кондиционную сталь. Получаемый при этом так называемый томасов шлак — фосфористый продукт — идет на удобрение [6].

Переработка руд с использованием всех составляющих их полезных элементов называется комплексной. Вопросу комплексного использования руд уделяется в настоящее время большое внимание как в России, так и в зарубежных странах. Так, например, из руд колчеданных месторождений Урала, полиметаллических месторождений Алтая медно-никелевых месторождений Монче-Тундры и Норильска, золоторудных месторождений Урала, Сибири могут быть извлечены при комплексной переработке попутно с основными компонентами редкие металлы, рассеянные элементы, а также железо и сера в большом количестве.

На современном этапе развития особое внимание уделяется изучению техногенных месторождений. Таким образом, одна и та же рудная залежь отрабатывается дважды: сначала из первоисточника, а затем из отходов первоначальной добычи. Этому способствует развитие технологий обогащения.

Литература:

1.                  Трофимов В. Т., Зилинг Д. Г. Экологическая геология: учебник — М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2002. — 415с.

2.                  Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Железные руды. — М.: ФГУ «Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых», 2007. — 40 с.

3.                  Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Медные руды. — М.: ФГУ «Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых», 2007. — 39 с.

4.                  Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Никелевые и кобальтовые руды. — М.: ФГУ «Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых», 2007. — 37 с.

5.                  Методические рекомендации по применению Классификации запасов месторождений и прогнозных ресурсов твердых полезных ископаемых. Свинцовые и цинковые руды. — М.: ФГУ «Государственная комиссия по запасам полезных ископаемых», 2007. — 40 с.

6.                  Вещественный состав руд, парагенетические ассоциации элементов в минералах и рудах // Биофайл: научно-информационный журнал. [Электронный ресурс] URL: http://biofile.ru/geo/15143.html (дата обращения: 08.02.2015)

7.                  Железная руда // Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков: информационный портал о черной и цветной металлургии. [Электронный ресурс] URL: http://uas.su/allmet/1ore/ironore/003.php (дата обращения 08.02.2015)

8.                  Медные руды. // Горная энциклопедия. [Электронный ресурс] URL: http://www.mining-enc.ru/m/mednye-rudy (дата обращения 08.02.2015)

9.                  Никелевые руды // Горная энциклопедия. [Электронный ресурс] URL: http://www.mining-enc.ru/n/nikelevye-rudy/ (дата обращения 08.02.2015)

10.              Руда // Электронный справочник. [Электронный ресурс] URL: http://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_3319.html (дата обращения 08.02.2015)