23 февраля 2016г.
Основой для получения особо чистого кварца в России в настоящее время служит существующая минеральная сырьевая база жильного кварца. Общий ресурсный потенциал жильного кварца России оценивается в 16,5 млн. тонн. Извлекаемая ценность при оценке только на особо чистый кварц составляет 12,0 млрд. долларов. По экспертной оценке запасы кварцевого сырья перспективных типов, пригодного для получения особо чистого кварца, составляют не более 25% от суммарных запасов кварцевого сырья России.
Учитывая тот факт, что запасы кварцевого сырья перспективных типов и выход особо чистого кварца не столь значительны [4], на повестку дня встает вопрос увеличения выхода особо чистого кварца и комплексного использования сырья.
Самым известным в настоящее время производителем особо чистого кварца является американская компания Юнимин и ее продукт «Йота». С конца прошлого столетия этот производитель считается почти полным монополистом на рынке особо чистого кварца (около 70 % потребителей выбирают эту марку).
Содержание элементов-примесей является важным критерием при качественно-технологической оценке кварцевого сырья. Исходный кварц содержит довольно большое количество элементов примесей: алюминий, кальций, хром, железо, медь, марганец, магний, титан, натрий и др., среди которых во всех типах кварцадоминирует железо. Обращает на себя внимание также большое содержание алюминия [5].
Государственным балансом России учтено 20 месторождений чистого кварца, из которых 12 разрабатываются. Основные провинции и месторождения высококачественного кварцевого сырья России представлены в Табл.1.
Таблица 1
Основные провинции и месторождения высококачественного кварцевого сырья России
|
Провинции, месторождения
|
Запасы кварцевого сырья, %
|
|
Проз- рачный
|
Гранули- рованный
|
Молочно- белый
|
Горный хрусталь
|
Пьезо- оптический
|
|
Южноуральская
|
|
Астафьевское
|
|
|
|
42,7
|
64,8
|
|
Теренсайское
|
|
|
|
9,8
|
11,5
|
|
Кыштымское
|
|
28,5
|
|
|
|
|
Ларинское
|
|
34,9
|
|
|
|
|
Кузнечихинское
|
|
4,8
|
|
|
|
|
Новотроицкое
|
2,8
|
|
|
|
|
|
Гора Хрустальная
|
|
|
59,7
|
|
|
|
Светлореченское
|
|
|
30,3
|
|
|
|
Караяновское
|
|
|
1,0
|
|
|
|
Приполярноуральская
|
|
Желанное
|
80,8
|
|
|
14,5
|
5,1
|
|
Додо
|
11,8
|
|
|
9,5
|
|
|
Пуйва
|
4,6
|
|
|
|
|
|
Южноякутская
|
|
Перекатное
|
|
|
|
17,1
|
10,6
|
|
ИТОГО
|
100
|
68,2
|
91,0
|
93,6
|
92,0
|
Наиболее богаты этим сырьем Республика Коми, Челябинская область, Ханты-Мансийский автономный округ и Республика Бурятия. Эти субъекты Федерации обладают 96% запасов чистого кварца. Остальные 4% разведанных запасов находятся в Мурманской области и Республике Башкортостан.
Значительный интерес в отношении особо чистого кварца представляет Уральская кварцево-жильно- хрусталеносная провинция, в пределах которой сосредоточены многочисленные месторождения молочно-белого и прозрачного гигантозернистого кварца, гранулированного кварца, горного хрусталя, пьезооптического кварца [3].
С точки зрения возможностей их извлечения они подразделяются:
- по видам – на минеральные зерна, пленочные образования, газово-жидкие включения, рассеянные и структурные элементы-примеси;
- по размерности – на крупные (>10 мкм), средние (5-10 мкм), мелкие (<5 мкм);
- по характеру локализации – располагающиеся на границах зерен, по микротрещинам, по местам выхода дислокаций, внутри целых зерен.
По возможности удаления методами обогащения минеральные зерна подразделяются:
- легко удаляемые – крупные, средние и мелкие зерна минералов, находящиеся на границах индивидов кварца, по микротрещинам;
- трудноудаляемые – средние и мелкие зерна, расположенные по микротрещинам, вблизи границ зерен, по зонам дислокаций;
- практически не удаляемые – мелкие включения, находящиеся внутри кварцевых зерен, не приуроченные к зонам дислокаций и микротрещинам.
Достаточно типичная схема рудоподготовки кварца включает технологические операции предварительного дробленияи промывку в скруббер-бутаре с выделением мелкой фракции, последующую стадиальную классификацию на грохотах с выделением различных классов крупности и додрабливанием надрешетного продукта. Выделенные методом грохочения крупные классы подвергаются нагреву с последующим охлаждении в проточной воде, рудно-галечному измельчению, гидравлической классификации и грохочению с выделением класса крупностью -0.4+0,1 мм. Подготовленный, как правило, по такой схеме материал далее направляется на предварительное обогащение.
По степени обогащения кварца и качеству конечного продукта в соответствии с ТУ 5726-002-11496665- 97для плавки прозрачного кварцевого сырья различают:
-концентраты промежуточной чистоты (предварительное обогащение);
-концентраты высокой чистоты (глубокое обогащение);
-концентраты ультравысокой чистоты (суперглубокое обогащение).
Существуют традиционные методы обогащения кварцевого сырья [1], применяемые на разных стадиях обработки и позволяющие удалять определенные виды примесей (Табл.2).
Таблица 2
Примеси в кварце и методы их удаления.
|
Этапы технологической обработки
|
Примесные фазы
|
Методы очистки
|
|
1
|
Минеральные включения >10-5 мкм, приуроченные к границам зерен, микротрещинам
|
Магнитная, электрическая сепарация, флотация, термообработка, выщелачивание и др.
|
|
Газово-жидкие включения (>10 мкм), приуроченные к границам зерен, микротрещинам залечивания
|
|
Пленочные образования
|
Выщелачивание
|
|
2
|
Минеральные включения 2-5 мкм, приуроченные к границам зерен, микротрещинам
|
Методы глубокого обогащения
–
высокотемпературное хлорирование,
двойное выщелачивание и др.
|
|
Газово-жидкие включения (>10 мкм). приуроченные к границам зерен, микротрещинам залечивания
|
|
3
|
Микроминеральные включения (1-2 мкм), приуроченные к границам зерен, микротрещинам, зонам дислокаций
|
Методы направленного энергетического воздействия в сочетании с традиционными методами.
|
|
Газово-жидкие включения (<10 мкм), приуроченные к границам зерен, микротрещинам, зонам дислокаций
|
|
Некоторые виды рассеянных примесей
|
|
4
|
Микроминеральные включения (1-2 мкм), внутри зерен кварца
|
Практически не разработаны
|
|
Газово-жидкие включения (<10 мкм) внутри зерен кварца
|
|
Структурные примеси
|
Предварительное обогащение, как правило, применяется на стадии рудоподготовки и включает операции гравитационного и электромагнитного обогащения, ручной или автоматической сортировки, что обеспечивает вывод в отвал вредных (породных) минералов повышенной крупности [2].
Задача снижения потерь высокочистого кварца должна решаться, начиная с первых шагов его переработки – на стадии рудоподготовки и предварительного обогащения. При добыче кварцевого сырья крупностью менее 400-500 мм производится его ручная сортировка. Уже на данном этапе наблюдаются значительные потери кварца с хвостами ручной сортировки. При последующем дроблении и классификации на грохотах, выделяется мелкий класс, который также6 направляется в хвосты обогащения. Промежуточные расклассифицированные классы, находящиеся в диапазоне крупности от 100 до 5 мм, подвергаются ручной сортировке на движущихся конвейерах с выделением хвостов. На всех выше перечисленных этапах рудоподготовки и предварительного обогащения наблюдается значительное выделение хвостов, с которыми теряется большое количество особо чистого кварца.
Поэтому, необходимо рассмотреть вопрос снижения потерь высокоценного кварца на данной стадии и разработать технологию его переработки на базе оптимизации процессов дробления и грохочения, а также на базе применения наиболее эффективного (чем ручная) метода сортировки кускового материала кварца с применением рентгенорадиометрической сепарации.
Рентгенорадиометрический метод начал осваиваться в 50-60 годах прошлого столетия. За эти годы было изготовлено около 200 сепараторов, прошедших хорошую промышленную апробацию на различных горнодобывающих и металлургических предприятиях. В настоящее время выпускается несколько типов 2-х и 3-х продуктовых рентгенорадиометрических сепараторов, охватывающих диапазон крупности руд от 10 до 300 мм.
Возможность применения рентгенорадиометрической сепарации была рассмотрена на примере кварцевого сырья месторождения «Гора Хрустальная».
На данном месторождении выделяется два типа жильного кварца, отличающихся структурными особенностями и степенью метаморфизма. По химическому и минеральному составу кварц второго типа чище первичного кварца. По количеству содержащихся твердых минеральных примесей кварц условно разделен на две природные разновидности: мономинеральный или слабоминерализованный (до 8%) – кварц типа К1, сильно минерализованный (более 8%) – кварц типа К2. Между двумя природными разновидностями кварца существует различие только в количестве минеральных примесей (Табл.3), не оказывающих существенного влияния на технологию процесса обогащения.
Таблица 3
Химический состав кварца
|
Тип кварца
|
Содержание, %
|
|
SiO2
|
TiO2
|
AI2O3
|
Fe2O3
|
FeO
|
CaO
|
MgO
|
K2O
|
Na2O
|
S
|
|
К1
|
97,8
|
0,01
|
0,25
|
0,72
|
0,06
|
0,17
|
0,005
|
0,92
|
0,23
|
0,007
|
|
К2
|
86,9
|
0,25
|
3,65
|
4,37
|
1,37
|
0,40
|
0,520
|
1,93
|
0,75
|
0,040
|
На испытания были представлены две технологические пробы, имеющих очевидное (визуальное) различие в качестве, как исходного сырья, так и классах крупности, поступающих на сепарацию. Отобранный материал по вещественному составу представляет собой кварц с включениями вмещающей породы (диорит, полевой шпат).
При разработке технологии обогащения крупнокусковой фракции кварцевой руды ставилось две задачи:
- 1-я (основная) – удаление пустой породы (на пробе № 1);
- 2-я (дополнительная) – очистка кварца от примесей железа (на пробе №2).
Для выделения пустой породы и разделения кварца на сорта были проведены предварительные исследования по выбору режима сепарации на характерных образцах (кусках) как пустой породы, так и кварца. Было определено, что оптимальным параметром для выделения пустой породы и разделения кварца на сорта является характеристическое излучение железа. Отдельные куски пустой породы (полевого шпата) имеют повышенное содержание кальция. Поэтому, при сепарации был использован алгоритм выделения пустой породы, учитывающий интенсивность вторичных характеристических рентгеновских спектров железа и кальция.
Итоговые результаты испытаний по рентгенорадиометрической сепарации кварцевой руды ЗАО Карьер «Гора Хрустальная» приведены в Табл.4.
Таблица 4 Результаты испытаний по рентгенорадиометрической сепарации кварцевой руды месторождения «Гора Хрустальная»
|
Продукты обогащения
|
Выход,
%
|
Содержание компонентов, %
|
|
Fe
|
AI
|
Ca
|
Mg
|
K
|
Na
|
Ti
|
Si
|
|
Проба № 1
|
|
Концентрат
|
74,9
|
0,07
|
0,10
|
0,009
|
0,011
|
0,224
|
0,067
|
0,003
|
осн.
|
|
Хвосты сепарации
|
25,1
|
0,71
|
0,22
|
0,300
|
0,280
|
0,940
|
0,918
|
0,041
|
осн.
|
|
Итого: исходная
|
100,0
|
0,23
|
0,13
|
0,082
|
0,079
|
0,404
|
0,280
|
0,012
|
осн.
|
|
Проба № 2
|
|
Концентрат
|
75,0
|
0,008
|
0,012
|
0,007
|
0,012
|
0,030
|
0,004
|
0,001
|
осн.
|
|
Хвосты сепарации
|
25,0
|
0,056
|
0,104
|
0,023
|
0,012
|
0,110
|
0,028
|
0,001
|
осн.
|
|
Итого: исходная
|
100,0
|
0,020
|
0,035
|
0,011
|
0,012
|
0,050
|
0,007
|
0,001
|
осн.
|
На основании результатов исследований и опытно-промышленных испытаний по рентгенорадиометрической сепарации жильного кварца месторождения «Гора Хрустальная» были сделаны следующие выводы:
▪ Проба №1 содержит большое количество вредных примесей (Fe, AI, K, Na, Ca и Mg), а проба № 2 – обладает достаточно высоким качеством. В связи с этим условия и задачи обогащения для этих проб различные. Для пробы №1 – основной задачей является удаление разубоживающей пустой породы, а для пробы №2 – наиболее глубокая очистка кварцевой руды от примесей железа.
▪ При исследовании на обогатимость пробы №1 было установлено, что чем меньше крупность кварцевой руды, тем выше ее качество. Если содержание железа в классе крупностью -300+100 мм составляет 0,39%, то в классе -100+40 мм его содержание 0,23%, а в мелком классе -40+20 мм содержится всего 0,11% Fe.
▪ В результате рентгенорадиометрической сепарации машинных классов (-300+100, -100+40 и -40+20 мм) пробы №1 была достигнута достаточно высокая степень очистки обогащенных концентратов от основных вредных примесей. Так содержание железа снизилось в 2,2 раза для класса -40+20 мм и в 5,6 раза для класса - 300+100 мм. Также произошло уменьшение содержания в обогащенной руде и других примесей: Al (в 1,3-7,5 раза), Са (в 1,8-35,5 раза), Mg (в 3,9-7,2 раза), К (в 1,5-6,2 раза) и Na (в 1,7-17,1 раза).
▪ При рентгенорадиометрической сепарации пробы №2 был получен концентрат, содержащий 0,008% Fe; 0,02%AI; 0,007%Ca; 0,012%Mg; 0,027%K и 0,004%Na. При этом произошло снижение содержания железа в 3,3 раза и алюминия в 2,8 раза, при одновременном увеличении этих же примесей в хвостах сепарации в 21 и 8 раз соответственно.
▪ Анализ продуктов рентгенорадиометрической сепарации (химический и визуальный) позволяет говорить о том, что полевой шпат, присутствующий в исходной кварцевой руде, удаляется в хвосты сепарации не полностью. Это связано с тем, что отдельные разновидности полевого шпата, не содержащие примесей железа и кальция, не могут быть выделены в хвосты обогащения методом РРС.
В связи с этим, для решения задачи повышения качества кварца, нами рекомендуется проведение теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку оптимальной технологии (схемы, методов и режимов) рудоподготовки и предварительного обогащения на базе оптимизации процессов дробления, грохочения и автоматической (рентгенорадиометрической) сортировки кварцевого сырья. Также необходимо провести моделирование объектов исследований на стадии рудоподготовки и предварительного обогащения кварцевого сырья, разработку конструкторской документации и изготовление экспериментального образца рентгенорадиометрического сепаратора под задачи предварительного обогащения кварцевого сырья.
Научные исследования проведены при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России (уникальный идентификатор проекта RFMEF160714X0026).
Список литературы
1. Данилевская, Л.А. Кварцевое сырье Карелии / Л.А. Данилевская, Л.С. Скамницкая, В.В. Щипцов; Петрозаводск: Карельский научный центр РАН. 2004. 226 с.
2. 2. Исаев, В.А. Структурные примеси в кварце / В. А. Исаев // Часть I. Обзор и анализ традиционных способов очистки кварца от структурных примесей: М.: МГГУ. Горный инф-аналитич. бюл. № 9. 2006. С. 11-23.
3. Кузнецов, С.К. Жильный кварц Приполярного Урала / С. К. Кузнецов. СПб.: Наука, 1998. 203 с.
4. Мельников, Е.П. Геология, генезис и промышленные типы месторождений кварца / М.: Недра, 1988. 216 с.
5. Скамницкая, Л.С. Выбор методов обогащения жильного кварца на основе закономерностей распределения и форм нахождения в нем примесей (на примере участков Меломайс и Фенькина Лампи) / Новые методы технологической минералогии при оценке руд металлов и промышленных минералов / Л.С. Скамницкая, Л.А. Данилевская //Сб. статей по материалам III Всероссийского Семинара по технологической минералогии / Петрозаводск. 2008. С.
