Высокоглиноземистое сырье Урала

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВЫСОКОГЛИНОЗЕМИСТОЕ СЫРЬЕ УРАЛА

Бокситы

урал месторождение корунд кианитовый

Для производства высокоглиноземистых огнеупоров применяют как природное, так и искусственное сырье: гидраты глинозема, входящие в состав боксита (гидраргиллит, бемит, диаспор), корунд, минералы силлиманитовой группы - кианит (дистен), андалузит, силлиманит; искусственный, технический глинозем и электроплавленный корунд.

Бокситы - представляют собой продукты гидролитического разложения алюмосиликатов в процессе выветривания; они содержат рудные минералы в виде гидроксидов алюминия различной степени гидратации (гиббсит, бемит, диаспор) и оксида алюминия - корунда. Количество этих минералов в бокситах колеблется в широких пределах. Почти всегда в них содержатся водные силикаты алюминия (каолинит и реже другие минералы каолинитовой группы).

Химический состав бокситов (табл. 7.1) непостоянный и колеблется в широких пределах: содержание глинозема - от 36 до 80%, оксида железа - от долей до 30%. Наиболее вредной примесью является кремнезем, содержание которого изменяется от долей до 10% и более; он присутствует в виде геля, кварца, а также составной части алюмосиликатов. Кроме того, в боксите присутствуют СаО, MgО, MnО, реже К2О, Na2О и другие оксиды.

Структура боксита: оолитовая, бобовая, плотная (яшмовидная), землистая. Цвет - темно-красный, красный, розоватый, серый, зеленовато-серый. По внешнему виду боксит похож на глину, но отличается от нее тем, что с водой не дает пластичной массы. Иногда боксит нельзя отличить от землистого бурого железняка; в таком случае необходимо произвести химический анализ. Боксит представлен химической осадочной породой, по другим данным - конечным продуктом выветривания магматических, метаморфических и осадочных пород в жарком тропическом климате (латеритное выветривание) или осадочным продуктом после растворения известняков атмосферными водами.

Месторождения бокситов на Урале сконцентрированы на Северном, Южном и Приполярном Урале и простираются полосой вдоль восточного склона, на котором боксит встречается в виде залежей неправильной формы. На Северном Урале - в трех бокситорудных районах - Северо-Уральском, Ивдельском, Карпинском, - в разное время открыты десятки месторождений и проявлений.

Из месторождений Северного Урала наибольшее значение приобрело месторождение Красная Шапочка. Боксит этого месторождения отличается малым содержанием SiO2, оно приурочено к полосе девонских известняков. Средняя мощность бокситового тела около 4 м. На Северном Урале месторождения бокситов известны вблизи Алапаевска - Соколовское, Богословское и другие.

В пределах района Южноуральских бокситовых рудников выделяют две пачки: нижнюю рудную и верхнюю - терригенно-карбонатную. Нижняя в районе Ново-Пристанской и Кукшинской групп месторождений, расположенных на северо-востоке Южноуральских бокситовых рудников, сложена внизу красно-коричневым, выше - серым слоистым бокситом и аллитом. К западу от этих месторождений нижняя пачка представлена железистыми бокситовыми породами с бобовинами и оолитами, затем оолитовыми пестроцветными бокситами Вязовской группы рудопроявлений и бемит-шамозитовыми железистыми рудами западного борта Сулеймановской брахиантиклинали.

На Южном Урале известны Кукшинское месторождение бокситов, недалеко от станции Сулея, Усть-Катавское, Варненское и другие. В Южноуральском районе бокситовых рудников предусмотрено проведение разведки на Улуирском месторождении. В связи с этим запасы бокситов в районе будут увеличены и обеспеченность рудника значительно повысится. Предусмотрено проведение общих поисков бокситов на Саткинской площадке и в зонах погружения формаций верхнего девона.

В Северо-Уральском бокситорудном районе предусмотрены продолжение разведки глубоких горизонтов Черемуховского и Кальинского месторождений и оценка перспектив месторождений до глубины 2000-2500 метров. Предусмотрено также проведение разведки бокситорудных участков в Ивдельском районе в целях обеспечения прироста запасов бокситов, пригодных для открытой добычи.

С позиций формационного анализа детальнее других изучен Северо-Уральский район. Здесь уже установлено, что к западу от Крутоловско-Коноваловского надвига, в Петропавловской зоне, бокситы образуют крупные месторождения, а к востоку, в Турьинской зоне, удалось обнаружить лишь бокситовые рудопроявления. Промышленные месторождения Красная Шапочка, Кальинское, Ново-Кальинское, Черемуховское, Сосьвинское и Северное разведаны детально. Все эти месторождения образуют Северно-Уральский бокситовый бассейн, который уникален в том плане, что здесь встречаются практически все известные среди девонских бокситов разновидности руд, все формации бокситоносного комплекса, весь широкий спектр пород, входящий в состав рудных, рудовмещающих формаций.

К югу от Северо-Уральского - в Карпинском районе, известно полтора десятка бокситовых месторождений и рудопроявлений (Богословское, Талицкое, Тотинское, Западно-Тотинское, Шайтанское, Любвинское и др.). Из них промышленное значение имеет лишь Тотинское.

Ивдельский район насыщен бокситами больше, чем Карпинский. В нем известны месторождения сравнительно качественных бокситов, значительных по масштабам оруднения. В Ивдельском районе известно три десятка бокситовых месторождений и рудопроявлений (Суеватское, Лозьвинское, Люльхинское, Пешинское, Новое, Вижайское, Талицкое, Северо-Тошемское, Тошемское, Юртищенское, Наталовское, Горностаевское и другие).

На обширных площадях вблизи известных рудопроявлений Суеватского, Лозьвинского, Люльхинского, Вижайского, а также Талицкого месторождения могут быть открыты новые бокситовые залежи. Не исчерпаны перспективы открытия новых рудных залежей и к западу от Крутоловско-Коноваловского надвига, восточнее месторождений Северо-Тошемского, Парминского, Юртищенского и др.

Исследования последних лет, проводимые на Приполярном Урале, непосредственно к северу от известных промышленных скоплений девонских бокситов Северо-Уральского и Ивдельского районов, позволяют положительно оценить девонские образования Тагильской структуры с точки зрения возможной бокситоносности.

Девонские карбонатные образования северной части Тагильского среднепалеозойского погружения по возрасту и условиям залегания аналогичны бокситоносным формациям Северо-Уральского бокситового района.

На Приполярном Урале, в центральной части Северо-Сосьвинского бассейна (реки Манья, Лопсия, Нахор), толща девонских крансноцветов по положению в разрезе соответствует субровскому бокситовому горизонту и служит его аналогом и перспективным районом на девонские бокситы. Выявлены проявления бокситов и высокоглиноземистых пород в пределах Карского синклинория - самого северного на западном склоне Урала.

В Южноуральском бокситорудном районе предусмотрено проведение разведки на Улуирском месторождении.

В Севоро-Уральском бокситорудном районе предусмотрено продолжение разведки глубоких горизонтов Черемуховского и Кальинского месторождений и оценка перспектив месторождений до глубины 2000-2500 м. Предусмотрено проведение разведки бокситорудных участков в Ивдельском районе в целях обеспечения прироста запасов бокситов.

Природный корунд

Система Al - О включает ряд кислородных соединений алюминия. Важнейшим из них является Al2O3 (глинозем). В природе оксид алюминия встречается в кристаллическом состоянии в виде минерала корунда (б-Al2O3) и гидратов оксида алюминия. Корунд является породообразующим минералом. В природе корунд встречается как в чистом, так и (более часто) в загрязненном виде. Разновидности, окрашенные в различные цвета, представляют собой драгоценные камни (сапфир, рубин, лейкосапфир и др.). В виде примесей в корунде находятся микроскопические включения магнетита (Fe3O4), железного блеска - гематита-магнетита (Fe2O3), оксида хрома Cr2O3. Кроме того встречаются, хотя и в значительно меньших количествах, кварц, известняк, рутил, хлорит, цианит, слюда и др. Зернистый корунд в смеси с магнитным железняком и небольшим количеством кварца называется наждаком. Более чистые разновидности корунда содержат 95-98% Al2O3.

Корунд растворим в H2SО4 при температуре выше 200оС. Нерастворим в минеральных кислотах и щелочах.

Твердость корунда 9 (по Моосу), истинная плотность 3,9-4,1 г/см3 (в зависимости от примесей), огнеупорность, в зависимости от содержания оксида хрома Cr2O3, колеблется 1850 до 2030оС.

Образование корунда в основном связано с магматическими процессами, контактным или региональным магматизмом. Корунд обнаружен в некоторых бокситах (Северный Урал), он накапливается в россыпях - зерна и метакристаллы до 15-20 см в поперечнике (в районе Рай-Из, Полярный Урал), в корундо-полевошпатовых жилах (верховье реки Березовка, Кыштымский район), в пегматитах Ильменских гор, вдоль восточного берега озера Лертяш. В хлоритовых сланцах месторождения Косой Брод Свердловской области обнаружен наждак. Рубины и сапфиры встречаются в россыпях на территории Свердловской области. Однако содержание корунда в породе невелико, и эти месторождения не имеют промышленного значения.

В пегматитах Урала в россыпях по рекам Санарке и Каменке выявлены розовые топазы, а в Ишимских и Назямских горах - шпинель MgAl2O4.

Природный корунд используется для оптико-механической, подшипниковой и стекольной промышленности, в производстве абразивной бумаги и точильных кругов. Сведений о применении в настоящее время природного корунда для производства огнеупоров и керамики в Российской Федерации и за рубежом нет.

Борзовское месторождение корунда расположено в 12 км от станции Кыштым Челябинской области. Месторождение приурочено к полосе гранито-гнейсов. Центральная часть месторождения сложена оливино-бронзитовыми породами и продуктами их метаморфизации (антинолитом и серпентинитом), в которых находятся жилы корундовых плагиоклазов. Последние состоят главным образом из плагиоклазов, корунда и шпинели. В меньших количествах присутствуют: биотит, пирит, хлорит, рутил, кальцит, апатит, титанит, циркон и другие минералы.

Содержание корунда в породе составляет около 60-70%. Месторождение почти совершенно выработано.

Кианиты Урала

В последние годы все больший интерес вызывают кианитовые (дистеновые) породы - кианит, андалузит и силлиманит. Минералы группы кианита являются модификациями одного и того же алюмокремниевого соединения Al2O3·SiO2 или Al2SiO5, и, следовательно, имеют один и тот же химический состав. Однако, несмотря на общность химического состава, эти минералы значительно различаются вследствие структурной индивидуальности по некоторым важным свойствам (табл. 7.2.).

Таблица Химический состав бокситов и природных корундов Урала

Таблица Важнейшие свойства минералов кианитовой группы

Между всеми тремя формами минералов кианитовой группы возможны полиморфные превращения при изменении температуры и (или) давления. Закалка всегда позволяет стабилизировать переход и сделать его необратимым. Однако наиболее активно такие превращения протекают в порошковых

материалах в присутствии жидкой фазы и поэтому не могут иметь особого значения при промышленном обжиге кианита с целью получения тонкокерамических и огнеупорных материалов. Все три минерала при нагреве выше 1300оС с большей или меньшей скоростью разлагаются на муллит и кристобалит (или силикатное стекло). Конкретная температура фазового перехода зависит от дисперсности материала и наличия примесей. В идеале прошедшая до конца реакция может быть представлена следующим образом:

3(Al2O3 ·SiO2) >3Al2O3·2SiO2 + SiO2

Именно эта реакция имеет практическое значение при производстве муллитокремнеземистой керамики и огнеупоров из минералов кианитовой группы.

Наибольшее использование находит кианит. При обжиге он значительно расширяется, в связи с чем при изготовлении муллитового кирпича его обычно подвергают предварительной термообработке. Так, при обжиге до 1500оС кианит увеличивает свой объем примерно на 11-16% только в том случае, если в состав массы он был введен в сыром состоянии в виде зерен размером от 0,54 до 3-4 мм.

Если тот же кианит был измельчен (до зерен размером в сотые доли миллиметра), то рост его объема при обжиге не превышает 2,0-2,5%. На этом и основан метод производства кианитовых изделий без предварительного обжига.

Огнеупоры, изготовленные из кианитовых концентратов, обладают преимуществами перед кварцевыми, высокоглиноземистыми и другими огнеупорными материалами.

Вследствие высокого содержания глинозема кианит может быть использован в производстве алюмокремниевых сплавов (силумина), а также металлического алюминия.

Введение кианита или его аналогов (силлиманита, андалузита) в количестве от 30 до 65% в состав фарфоровой массы позволяет получить после обжига при 1400-1550оС изделия с большим содержанием муллита, высокой прочностью (до 140 МПа при изгибе), термостойкостью и со значительным электрическим сопротивлением при повышенной температуре. Идея использования природных силикатов алюминия состава Al2O3·SiO2 в качестве сырья для изготовления огнеупоров, химически стойкой керамики, электротехнического фарфора и других видов тонкой керамики относительно нова.

Кианитовые минералы находят широкое применение в США в качестве добавки при изготовлении электротехнического фарфора, в производстве огнеупорных изделий. В Великобритании искусственный силлиманит используют для производства высокоогнеупорных изделий: из плавленого муллита получают стеклобрус для стекловаренных печей. В Германии на основе кианитовых пород получают высокоогнеупорные материалы.

В бывшем СССР производство огнеупоров из высокоглиноземистого природного сырья едва превышало 50 тыс. тонн в год. Россия и другие республики СНГ обладают большими запасами сырья группы кианита. Крупнейшие месторождения сосредоточены на Кольском полуострове, в Карелии, Забайкалье, Туве, на Алтае, в Якутии, в Казахстане, в Средней Азии, на Урале, Кавказе и Украине. Их суммарные запасы составляют 1 млрд. тонн, что многократно превышает ресурсы всех остальных стран, взятых вместе.

По крайней мере, 20 рудопроявлений кианита, представляющих потенциальный промышленный интерес, расположены на Урале. Из них более 5 находятся в Челябинской области. Все они были открыты в 30-50-х годах прошлого века. Детальному изучению и доразведке большая часть рудопроявлений не подвергалась.

На Урале высокоглиноземистое сырье представлено только кианитом, лишь в районе Косулино (Свердловская область) обнаружены запасы лучистого андалузита. Прогнозные ресурсы на перспективных площадях Урала приведены в табл.

Таблица Прогнозные ресурсы кианита

Только на Сосновско-Абрамовской, Сысертской, Брусянской и Карабашской кианитовых площадях запасы оценены в 28 млн. тонн, что существенно для огнеупорных и других предприятий промышленно развитого Урала.

Согласно данным Восточного института огнеупоров (г. Екатеринбург), для основных металлургических и огнеупорных предприятий Урала (Богдановичский огнеупорный завод, Нижне-Тагильский, Челябинский, Магнитогорский металлургические комбинаты) в настоящее время требуются маложелезистый боксит и кианитовое сырье для изготовления ковшовых изделий специального назначения (продувка и вакуумирование стали), воздухонагревательного и насадочного кирпича, легковесных изделий, огнеупорных масс и заполнителей, производства стекловолокнистых огнеупорных материалов.

Потребность предприятий Урала в высокоглиноземистом огнеупорном сырье составляет 300-400 тыс. тонн, в том числе для изготовления стекловолокнистых материалов - 50-70 тыс. тонн в год.

Все уральские месторождения кианита доступны для разработки. Практически все они расположены в экономически развитых районах, вблизи автомобильных и железных дорог.

Химический состав кианитов приведен в таблице

Таблица Химический состав кианитов

* - Теоретический состав кианита - 37,10% SiO2, 62,90% Al2O3

Кианиты этих месторождений требуют обогащения из-за сравнительно низкого их содержания в добываемых породах. Руды имеют простой минеральный состав (кварц + кианит 90-95%, пирит + магнетит 5-10%), что существенно упрощает обогащение и позволяет создать на их основе безотходное производство концентратов (кианит - для получения глинозема, огнеупоров, силумина и керамики; кварц - в качестве формовочного песка, для стекольной и керамической промышленности, производства динаса; пирит - для выработки серной кислоты).

Содержание кристаллов кианита в породе Борисовского месторождения колеблется от долей до 26% и в среднем составляет 7,1% для россыпей и 8,5% для коренных залежей. Мощность россыпей 1,5-2,5 м, мощность вскрыши в среднем 0,7 м. Общие разведанные запасы кианита достигают 75 тыс. тонн, или 53 тыс. тонн чистого кианита.

Михайловское месторождение представлено непрерывной полосой кианитсодержащих сланцев. Мощность вскрыши 0,8 м, среднее содержание кристаллов кианита в руде 4,5-5%. Запасы кристаллов кианита на глубину разведочных выработок свыше 200 тыс. тонн, что в пересчете на чистый кианит составит 133 тыс. тонн.

Мало-Каслинское месторождение имеет две линзы сланцев, обогащенных кианитом. Средняя мощность вскрыши около 0,7 м. Грунтовые воды выступают на глубине 2,0-5,0 м, поэтому эксплуатация месторождения затруднена. Запасы - 5,5 тыс. тонн.

Карабашское (Егустинское) месторождение в настоящее время наиболее детально исследовано. Прогнозные ресурсы по категориям Р1+Р2, рассчитанные до глубины 50 м с коэффициентом надежности прогноза 0,3-0,6, составили для Егустинского участка 587 тыс. тонн. Среднее содержание кианита в руде 21,2%, минеральный состав руд прост - кварц + кианит + мусковит + магнетит, пирит, рутил (до 3%). Кианит мелкозернистый.

В пределах рудопроявления выделен участок с оптимальными горно-геологическими параметрами (минимальный объем вскрышных работ, выдержанный рудный горизонт при пологом залегании), пригодный для закладки в самое ближайшее время опытно-промышленного карьера.

Руды данного месторождения были многократно исследованы на обогатимость, а кианитовый концентрат и изделия из него - на огнеупорность и термостойкость.

В 1987 году шесть проб кианитовых кварцитов были изучены на обогатимость в лаборатории ПГО «Уралгелогия» (г. Екатеринбург). Из всех проб получены концентраты с содержанием 45,09-57,73% Al2O3 и 0,86-2,0% Fe2O3.

В последние годы ОАО «Уралмеханобр», ТОО «Алкам», лабораторией обогащения Уралгеолкома исследованы вещественный состав и обогатимость кианитов ряда уральских месторождений.

В процессе исследований, с учетом достигнутых технологических показателей, затрат на добычу и обогащение сырья и мировой цены на кианит, определено содержание глинозема, связанного с кианитом, для рентабельной переработки руд. Расчеты показали, что для рентабельной переработки кианитовых руд содержание Al2O3 в руде должно составлять не менее 15-20% (по кианиту 25-30%).

В табл. приведены результаты обогащения кианитовых россыпей класса 25-2 мм в тяжелых суспензиях плотностью 2,8 г/см 3 и термическим разупрочением кварца.

Таблица Результаты обогащения кианитовых россыпей

* после доводки доизмельченного до 0,3-0,00 мм концентрата методом магнитной сепарации при напряженности поля 1200-1300 кА/м.

** материал крупностью 25-2 (1) мм, состоящий в основном из кварца и кианита, нагревают до температуры 700 - 900оС и резко охлаждают в воде, затем измельчают с выделением кианита класса 6 (10)-2(1).

В табл. показан выход и приведена качественная характеристика кианитовых концентратов Карабашского месторождения, полученных методом флотации.

Таблица Качественная характеристика кианитовых концентратов

При обогащении карабашских кианитов может быть попутно получено 2-3% слюдяного (мусковитового) продукта и 50-55% кварцевых песков, отвечающих требованиям ГОСТ 7031-75, в основном марки ПК-93 (93% Al2O3, <0,3% Fe2O3 и TiO2, <1% СаО).

Магнитной сепарацией в поле высокой интенсивности 1300 кА/м можно получить концентраты, содержащие: Fe2O3 - 0,7-1,5%; TiO2 - 0,8-1,0%; Al2O3 - 52,0-57,0%. При этом выход кианита снижается на 0,5-1,0%.

Абрамовский участок (Сосновско-Абрамовская кианитовая залежь) относится к перспективным как для организации производства обогащенного кианита, так и по прогнозным запасам сырья. Сосновский участок характеризуется пониженным содержанием глинозема в кианите (41-41,5%).

Кианитовые руды Мало-Брусянского участка имеют линзообразную форму длиной 100-600 м, шириной до 60 м и мощностью 10-50 м. Они перекрыты зоной выветрелых пород, содержащих суглинки с включениями обломков кварца и кианита. Кианитовая минерализация связана с кварцитами, слюдисто-кварцевыми сланцами и амфиболитовыми гнейсами.

Лабораторией обогащения Уралгеолкома испытаны на обогатимость три пробы с содержанием Al2O3 от 13,1% до 16,2%. Основные породообразующие минералы - кварц, полевые шпаты, мусковит. Рудные минералы присутствуют в незначительном количестве, кианит представлен зернами флотационной крупности (0,3-0,03 мм).

На основании проведенных исследований предложены две технологические схемы обогащения: гравитационная с промежуточной магнитной сепарацией и без нее, и флотационная с доводкой кианитового концентрата и хвостов (кварцевого продукта) магнитной сепарацией в сильном поле. Лучшие результаты достигнуты при использовании флотационной технологии, которая позволяет получить кианитовые концентраты с содержанием Al2O3 50-55%, при извлечении 68-78%, при выходе 18-21%. Хвосты флотации рекомендованы для производства изделий тонкой керамики, изготовления сварочных материалов и др.

В Восточном институте огнеупоров из необогащенных кианитов, в основном кварцевого состава, получены алюмосиликатные изделия общего назначения, отвечающие требованиям ГОСТ 390-83. Изготовлены также огнеупоры марок ШУС и ПВ, которые могут применяться при температурах до 1250оС.

Кианитовое сырье можно также использовать в технологии производства шамотных огнеупоров без предварительного обжига (на Сухоложском, Богдановичском и др. заводах).

На основании проведенных исследований может быть разработан технологический регламент и выполнено технико-экономическое обоснование обогащения уральских кианитов, выбрано месторождение и определена мощность горно-обогатительного комбината. Проведенные работы дают возможность считать, что основными источниками сырья для производства обогащенного кианита на Урале могут стать Сосновско-Абрамовская и Брусянская кианитовые залежи.

Для оценки и определения запасов кианита, уточнения содержания Al2O3 в сырье необходима постановка геологоразведочных работ, проведение укрупненных технологических испытаний с целью определения возможности использования полученных концентратов в производстве, как огнеупоров, так и тонкой керамики.

Размещено на Allbest.ur