Добыча и обогащение титановых руд и россыпей. Получение титановых концентратов

Как говорилось, титановые руды и россыпи содержат до 30-35% диоксида титана. Для получения непосредственно из них металла или его соединений руды не пригодны: технологически и экономически невыгодно извлекать из них титан. В металлургическую переработку необходимо направлять более богатое рудное сырье, желательнее всего мономинеральное, состоящее, например, почти на 100% из одного ильменита или рутила или из какого-либо другого, богатого титаном минерала. Значит, добытые из земных недр руды, состоящие из минералов пустой породы и из титановых рудных минералов, надо предварительно обработать, обогатить, т. е. отделить пустые породообразующие минералы от рудных титановых минералов. Эта на первый взгляд простая задача на практике оказывается весьма сложной, так как требуется перерабатывать огромные массы руды, применять сложные механические и физико-химические процессы. Такая переработка руд, в процессе которой происходит разделение породообразующих и рудных минералов и получение концентрата последних, и называется обогащением руд. Коренные и россыпные руды титана обогащаются по-разному.

Коренные руды, представляющие собой твердые, крепкие скальные породы, добываемые из недр в виде крупных обломков, глыб и валунов, требуют предварительного дробления и измельчения до такой крупности зерен, при которой рудные титановые минералы высвобождались бы от сростков с породообразующими. Затем освобожденные от сростков минералы разделяются на различных аппаратах по плотности, магнитным и другим свойствам. Породообразующие минералы имеют обычно удельную массу 2-3 г/см³, а ильменит, рутил и другие титановые минералы - более 4 г/см³. На основании такой разницы их можно отделять друг от друга. Однако в концентрат тяжелых минералов наряду с титановыми могут попадать и нетитановые, но тяжелые минералы, например магнетит, сульфиды, гранаты, пироксены. Тогда разделение минералов идет методами, основанными на различии прочих физических свойств минералов: размерности зерен, магнитных и электрических, свойств поверхностей и т. п.

Контрастность в магнитных и электрических свойствах минералов используется для их разделения методами электромагнитной и электрической сепарации. Созданы специальные высоко производительные аппараты, позволяющие получать мономинеральные фракции зерен с одинаковыми магнитными или электрическими свойствами, т. е. тем самым быстро и эффективно разделять минералы.

Свойства поверхности минералов используются, чтобы при помощи специальных реагентов способствовать прилипанию пузырьков воздуха к поверхности зерна и выносить его наверх, в "пену", снимая ее специальными устройствами. Этот процесс называется флотацией минералов (от англ. flotter - плавать).

Конечная цель обогащения - это, как уже упоминалось, получение мономинеральных титановых концентратов, в которых содержание металла будет максимально приближено к содержанию в самом минерале. В ильменитовых концентратах оно должно находиться на уровне 48-65%, в лейкоксеновых - 70-80%, в рутиловых - 94-96% TiО₂.

Понятно, что для каждого типа месторождений и даже для каждого месторождения комбинация разделительных методов будет разная. Для коренных руд необходимо применять процессы дробления и измельчения руды. Для россыпных руд, как бы узко подготовленных самой природой к обогащению, процессы получения минеральных концентратов начинаются с размыва, размучивания россыпи, с ее дезинтеграции.

Рассмотрим на примерах коренных и россыпных месторождений несколько подробнее процессы получения титановых минеральных концентратов.

Обогащение коренных титановых руд

Коренные руды магматогенного типа представлены ильменит-магнетитовыми и ильменит-гематитовыми, титаномагнетитовыми, ильменитовыми и перовскитовыми разновидностями. Четыре из них имеют важное промышленное значение, перовскитовые являются перспективным видом титанового сырья.

Титаномагнетитовые и титаногематитовые руды содержат тонкодисперсные и эмульсионные включения титановых минералов, в основном ильменита, в магнетите или гематите. Поэтому механическими методами обогащения из этих руд получают железотитановый концентрат.

Обогащение чисто ильменитовых руд, содержащих до 5 % апатита, разработано на уровне опытно-промышленных испытаний. Коренные руды этого типа подвергаются также дроблению и мелкому измельчению, а затем гравитационному обогащению дальнейшей магнитной и электромагнитной сепарацией в доводочных операциях. Для удаления апатита и получения апатитового концентрата применяется флотация. Ильменитовые концентраты содержат 45-50% TiО₂, около 0,1% P₂O₅ и могут использоваться как для получения титанового пигмента по сернокислотной технологии, так и для плавки на шлак и последующего получения титановой губки.

Перовскитовые руды титана Кольского полуострова являются на сегодняшний день перспективным видом титанового сырья. Их обогатимость хорошо изучена на уровне лабораторных исследований и опытных работ. Эти руды сложены пироксенами и амфиболами, оливином, нефелином, биотитом, вермикулитом, кальцитом и рудными минералами: перовскитом, титаномагнетитом, сфеном.

Измельченную руду подвергают магнитной сепарации для выделения титаномагнетита и других минералов железа, а немагнитную фракцию после обесшламливания сначала флотируют для отделения кальцита и получения кальцитового продукта, а затем производит операции по флотации перовскита. В результате получают титаномагнетитовый концентрат с 60% железа и 7-8% TiО₂ при извлечении последнего 13-15% и перовскитовый концентрат с 48-50% TiО₂ при извлечении 65-70%.

Перовскитовые концентраты являются комплексным редкометалльно-титановым сырьем. Кроме титана и железа, они содержат до нескольких процентов тантала с ниобием, редкие земли, иногда цирконий, радиоактивные элементы. Однако пока этот концентрат не используется промышленностью в силу технологических трудностей извлечения из него титана или получения пигмента.

Важным перспективным источником титанового сырья могут стать лейкоксеноносные песчаники метаморфогенного типа. Их обогащение гравитационно-флотационным способом позволит получить титановые концентраты с содержанием до 50% TiО₂ и 40% SiО₂. Промышленное производство лейкоксеновых концентратов сдерживается пока также трудностями технологического порядка.

Обогащение титановых россыпей

Выше говорилось, что существует два типа россыпей - прибрежно-морские и континентальные. Первые являются комплексными. Кроме ильменита и рутила, они содержат также циркон, нередко редкоземельный фосфат - монацит, алюмосиликаты (дистен, силлиманит, ставролит). Эти россыпи обогащаются по довольно сложным схемам. В континентальных россыпях, как правило, встречается один полезный титановый минерал - ильменит, и обогащаются они по более простой технологии.

Для тех и других россыпей характерно то, что рудные и породообразующие минералы природными процессами уже практически подготовлены к обогащению: зерна освобождены от сростков друг с другом и от породообразующих минералов, пески отсортированы по крупности. Не требуется проведения таких дорогостоящих работ, как дробление и измельчение.

Важное преимущество россыпных месторождений титана состоит в том, что их можно разрабатывать открытым способом с помощью драг, гидравлики, экскаваторов, скреперов.

Все эти преимущества отработки и обогащения россыпей титана позволяют значительно снизить себестоимость получения титановых концентратов.

Разработка и обогащение россыпей обычно включают следующие производственно-технологические процессы: разрушение связности и добыча рудоносных песков, транспортировка их на фабрику, дезинтеграция (дробление), промывка, грохочение (отсев крупной гальки, обычно более 3 мм), обесшламливание (отмыв глинистых частиц - 0,05 мм), гравитационное обогащение отмытой зернистой массы на высокопроизводительных гравитационных аппаратах (конусные, винтовые сепараторы, шлюзы и т. п.), магнитная и электрическая сепарация тяжелых концентратов. Первую стадию обогащения, включающую дезинтеграцию, обесшламливание, гравитацию, называют первичным обогащением россыпей, вторую стадию (электромагнитная, электрическая сепарация, иногда флотация) - доводкой черновых концентратов.

В результате первичного обогащения сбрасывают до 70-90% породообразующих ("пустых") минералов, с плотностью менее 2,9 г/см³, глину, кварц, полевые шпаты. Тяжелые минералы, с плотностью более 2,9 г/см³: ильменит, рутил, циркон и др. - концентрируются почти по 90-95% в коллективном черновом концентрате. Затем этот концентрат доводочными операциями с применением различных методов сепарации разделяется на мономинеральные селективные концентраты ильменита, рутила, циркона и др.

А теперь кратно охарактеризуем обогащение россыпных месторождений в Австралии, Индии, ЮАР, США, СССР.

Австралия за счет эксплуатации своих прибрежно-морских россыпей получает ежегодно около 1,2 млн. т ильменитовых и 0,3 млн. т рутиловых концентратов. Кроме того, здесь производятся цирконовый (около 70% мировой добычи) и другие концентраты.

Эти россыпи протягиваются вдоль восточного берега Тихого океана почти на 1000 км и представлены кварцевыми песками, почти не связанными глиной и содержащими от нескольких до 25-30% (в среднем 12% ) тяжелых минералов. В составе тяжелой фракции 28 -60% ильменита, 5-14%, рутила, 7-60% циркона, от зн. до 2,5% монацита и др. Средний размер зерен минералов (в мм): монацита 0,125, циркона 0,154, ильменита 0,165, рутила 0,178.

Выделяются пески современного берега, бывшего берега отступившего моря и дюнные пески. Первые из них разрабатываются экскаваторами и бульдозерами; вторые - драгами с установками типичного обогащения; третьи - гидравлическим способом.

Схема обогащения россыпей для всех месторождений примерно одинакова. Первичное обогащение песков и получение коллективных концентратов производится на высокопроизводительных аппаратах (винтовых сепараторах, конусах) на месте добычи песков или вблизи него. При этом из них извлекается 90-98% всех тяжелых минералов, а отвальные хвосты сбрасываются для закладки выработанного пространства. Применяемые на первичной стадии обогащении аппараты имеют высокую степень автоматизации, нередко управляются всего несколькими рабочими, и дают при этом высококачественные коллективные концентраты минералов.

Выпускаемые австралийскими фирмами ильменитовые концентраты содержат 53-56% TiО₂ и первые сотые доли процента вредных примесей фосфора и хрома.

Эти ильменитовые концентраты, как уже говорилось, являются прекрасным сырьем для получения белого пигмента и для плавки на шлак.

Высокими, качествами обладают и другие концентраты, близкие к мономинеральным. Например, рутиловый концентрат содержит 97-97,6% TiО₂, цирконовый - 66-67% ZrO₃, а примеси железа, свободного кварца составляют в них сотые-десятые доли процента. На долю Австралии приходится более 80% мирового (без СССР) выпуска рутиловых, 25% ильменитовых и более 70% цирконовых концентратов.

Второй крупнейший производитель титановых, циркониевых и монацитовых концентратов из прибрежно-морских песков - Индия. Запасы протягивающихся на сотни километров вдоль современного берега песков весьма значительны. Основными районами их добычи и обогащения являются штаты Керала и Мадрас. В штате Керала, на месторождении Траванкор, рудоносные пески, содержащие около 15-20% тяжелых минералов, залегают вблизи берега, на дне неглубокого моря. В тяжелой фракции преобладает ильменит (60-80%), 3-6% составляет рутил, 3-7% - циркон, 1-10% - монацит, 2-5% - силлиманит и др.

Пески добывают после периода муссонов, когда под действием сильных волн во взвешенном состоянии в прибрежных песках легкие минералы - кварц, силлиманит и др. - отделяются от осаждающихся на дно тяжелых минералов. Природнообогащенные таким образом пески, содержащие 75-95% тяжелых минералов, собирают и хранят для последующих доводочных операций в виде куч частично обезвоженного черного песка. Иногда более бедные "черные" пески дообогащают прямо на берегу на винтовых сепараторах. Как видим, операции по первичному обогащению прибрежно-морских песков в Индии практически отсутствуют. Затем этот коллективный концентрат предварительным грохочением на ситах освобождают от обломков пород, ракушек, корней растений и разделяют методами магнитной, электрической сепарации, гравитации и флотации на почти мономинеральные ильменитовый, рутиловый, монацитовый, цирконовый и силлиманитовый концентраты.

В Соединенных Штатах Америки основные россыпные месторождения титана и циркония приурочены к прибрежно-морским отложениям, дюнам и древним террасам вдоль побережья штата Флорида.

Рудоносные пески добываются земснарядом и подвергаются первичному обогащению на плавучей обогатительной установке, смонтированной на трех баржах. Баржи с обогатительной установкой могут передвигаться, причем каждая самостоятельно, по мере отработки россыпи. На первой барже пески, добытые земснарядом, предварительно разрыхленные взрыванием, подвергаются грохочению для отделения крупного материала и обезвоживанию. Крупняк (более 6,4 мм) додрабливается и тоже поступает на обогащение. На второй барже с помощью 704 винтовых сепараторов производится первичное гравитационное обогащение песков крупностью - 6,4 мм, а на третьей 396 винтовых сепараторов производят их перечистку, в результате которой получают коллективный концентрат тяжелых минералов и отвальные хвосты.

Коллективный концентрат по пульпопроводу перекачивается на береговую доводочную фабрику, где с использованием обычных электрических и магнитных методов получают селективные ильменитовый и цирконовый концентраты.

Наиболее крупной во Флориде является фабрика "Трейл-Ридж". Оно выпускает в год около 100 тыс. т ильменитового концентрата и 35 тыс. т цирконового.

Ильменитовые концентраты содержат 57-58% диоксида титана, не более 2,5% кремнезема и не более 0,05% пятиокиси фосфора и могут быть использованы как для производства пигмента, так и для плавки на шлак.

В штате Флорида древние прибрежно-морские пески террасового дюнного происхождения, содержащие около 1,5% ильменита, 0,5% рутила и лейкоксена, 0,5% циркона, перерабатывают фабрики "Джексонвилл" (около 2,5 млн. т песков в год) и "Хайленд" (около 10 млн. т песков в год).

Таким образом, Америка наряду с Австралией и Индией является крупнейшим в мире производителем титановых и цирконовых концентратов.

Значительное количество (примерно 700-800 тыс. т в год) титанового сырья, главным образом ильменитового концентрата, получают обогащением прибрежных песков месторождения Ричардс-Бей в ЮАР. Современные пески, перерабатываемые фабрикой "Умгабага", содержат 8% тяжелой фракции, состоящей из ильменита, рутила, циркона, монацита и др., подвергаются первичному обогащению со сбросом в море 90% породообразующих ("пустых") минералов. Обогащение их производится принципиально по той же схеме, что и для других комплексных россыпей: первичная гравитация и разделение коллективных концентратов магнитными, электрическими и гравитационными методами. Особенностью процесса обогащения здесь является применение соленой морской воды и оттирки коллективных концентратов перед доводочными операциями. Из песков получают ильменитовый, рутиловый, цирконовый концентраты, а также монацитовый и гранатовый продукты.

Ильменитовый концентрат содержит 50,1% TiО₂ и почти полностью используется для получения 85% титанового шлака (около 400 тыс. т в год). Рутилового концентрата с содержанием 95,4 % TiО₂ производится около 56 тыс. т в год.

В Советском Союзе титановые минеральные концентраты, как уже упоминалось, добываются из россыпных месторождений двух генетических типов - погребенных прибрежно-морских и континентальных.

Россыпи первого типа представляют собой глинистые кварцевые пески. Они залегают под мощной толщей перекрывающих пород на глубине 25-40 м и добываются в открытых карьерах с помощью экскаваторов. По системе конвейеров добытые пески подаются на обогатительную фабрику полного цикла переработки.

Получаемый из этих россыпей ильменитовый концентрат является лучшим в мире титановым сырьем. Он состоит на 93-95% из измененного ильменита с примесью лейкоксена, содержит 63,5-65,5% TiО₂ и незначительное количество примесей кремния, алюминия и др. Рутиловый концентрат тоже очень высококачественный титановый продукт: в нем 95% TiО2, менее 2% железа, менее 1,5% кремния и циркония, сотые доли процента других примесей (фосфора, серы и т. д.). Цирконовый содержит не менее 65% ZrО₂, дистен-силлиманитовый - не менее 57% Al₂O₃, ставролитовый - не менее 45,5% Аl₂О₃.

Второй тип отрабатываемых в СССР россыпей - континентальные россыпи ильменита. Они приурочены к древним русловым и террасовым отложениям и залегают под слоем современных осадков мощностью от нескольких метров до 10-20 м. Для добычи рудоносных песков приходится производить довольно большие объемы вскрышных работ, разрабатываются они глубокими карьерами и драгами

Продуктивные пески континентальных россыпей представляют собой сравнительно простые природные образования, они состоят из крупно-среднезернистого кварцевого песка с ильменитом крупностью 1,5-0,07 мм, сцементированного глиной каолинитового состава.

Драги и переносная фабрика отрабатывают русловые и террасовые ильменитоносные пески, карьером добываются пески перемытой коры выветривания основных пород (элювиально-делювиальные отложения). Добытые в карьере ильменитоносные песчано-глинистые отложения обогащаются на стационарной фабрике полного цикла обогащения.

Ильменитовые концентраты, получаемые из континентальных россыпей, содержат 50-57% TiО₂, 0,08-0,13 P₂O₅ и менее 0,05% Cr₂O₃. Они идут в основном на сернокислотную переработку для получения белого пигмента. Получают из континентальных россыпей и более высокотитанистые ильменитовые концентраты (с TiО₂ до 60%), которые идут в металлургическое производство.

А теперь кратко охарактеризуем минерально-сырьевую базу титана - основу титановой промышленности мира.

Прогнозные запасы этого металла в недрах нашей планеты (без СССР) оцениваются примерно в 10 млрд. т. Однако реально разведанные и учтенные запасы диоксида титана значительно меньше. По оценкам геологов, они составляют около 600 млн. т TiО₂, в том числе примерно 405-410 млн. т (около 70% общих учтенных запасов) связывается с ильменитом и 175-190 млн. т (30%) - с рутилом. По отдельным континентам и странам эти запасы (в млн. т) распределяются крайне неравномерно: 200 - на Американском континенте, 120-130 - в Европе, 100 - в Азии, 80 - в Африке, 30 - в Австралии.

Производство титановых, концентратов из руд и россыпей на том или ином континенте не всегда соответствует наличию запасов титанового сырья в его недрах. Так, за 1980-1985 гг. больше всего титановых концентратов выпускалось в Америке (США, Канада, Бразилия) - около 1,0-2,5 млн. т в год. Втрое место занимала Австралия - 1,1-1,4, третье - Европа (Норвегия, Финляндия) - 0,7-1,0, четвертое - Африка (в основном ЮАР)-0,7-0,8, пятое - Азия (Индия, Малайзия, Шри-Ланка, Япония) - 0,3-0,4 млн. т в год.

В зависимости от качества концентрата цены на титановое сырье колеблются на мировом рынке в значительных размерах. В начале 80-х гг. цена на австралийский ильменитовый концентрат с содержанием 54% TiО₂, составляла порядка 27-30 австралийских долларов за 1 т. Наиболее высоки цены на австралийский рутиловый концентрат, содержащий 95% TiО₂, - 250-350 австралийских долларов за 1 т, иногда до 400. Цена 70%-ных титановых шлаков Канады в начале 80-х гг. была 135-150 долл. за 1 т.

В заключение следует отметить, что каждый год из недр в виде готовой продукции извлекается около 3 млн т диоксида титана и примерно столько же теряется при добыче и обогащении руд и россыпей. При общих учтенных запасах диоксида титана около 600 млн т этих запасов хватит не более чем на 100 лет. Однако потребность в этом металле в связи с развитием космонавтики, авиации, других отраслей резко возрастает, и тогда исчерпать запасы титана можно гораздо раньше. Разведка новых месторождений и наращивание разведанных запасов титана - актуальная задача геологоразведчиков всего мира.

Управляемый мост для китайских вилочных погрузчиков посмотреть.