Минералого-технологические особенности железных руд Тагарского месторождения трапповой формации

Актуальность работы.

Несмотря на то, что Россия по-прежнему занимает первое место в мире по запасам железных руд, минерально-сырьевая база этого важнейшего полезного ископаемого черной металлургии вызывает тревогу. Причины заключаются, в первую очередь, в относительно низком качестве отечественных руд и расположении месторождений в слабо освоенных районах. Постоянно растущая потребность металлургической промышленности в железорудном сырье побуждает вовлекать в переработку труднообогатимые и бедные по содержанию железные руды, требующие сложных комплексных технологий обогащения с использованием современного оборудования. Для создания эффективных технологий обогащения таких руд необходимо глубокое изучение их вещественного состава и технологических свойств, что значительно повышает роль технологической минералогии, являющейся фундаментом научных изысканий в области обогащения минерального сырья.

Особенно острая сырьевая ситуация сложилась в Сибири с обеспеченностью железорудным сырьем Западно-Сибирского железорудного комбината в связи с тем, что разведанные запасы Коршуновского и Рудногорского месторождений подходят к концу, а отработка подземным способом железных руд Коршуновского месторождения по данным ТЭО признана нерентабельной. Вовлечение в разработку месторождений Кодинской группы может кардинально улучшить ситуацию с сырьевым обеспечением. Возможность рентабельной разработки этой группы связывается с крупным инвестиционным проектом «Комплексное развитие Нижнего Приангарья», реализуемым государством в период с 2006 по 2017 гг.

В настоящее время современные минералого-аналитичёские методы позволяют получать значительно более полную информацию о минералах и рудах в целом и, следовательно, разрабатывать рациональные технологии их обогащения с получением кондиционных концентратов даже из руд, считавшихся ранее необогатимыми, а также дополнительно извлекать и использовать все попутные минеральные фазы и компоненты. Поэтому сегодня многие из месторождений благодаря современным технологиям добычи и переработки могут представлять промышленный интерес, в том числе и Татарское месторождение, руды которого являются объектом исследования. При этом получение объективной информации о составе, структуре и свойствах руд возможно только с учетом их генезиса путем изучения типоморфных особенностей рудообразующих минералов.

Цель работы — выявление типоморфных особенностей магнетита трапповой формации, определяющих технологические свойства руд и качество конечных товарных продуктов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Комплексом минералого-аналитических методов изучить вещественный состав железных руд Тагарского месторождения.

2. Установить типоморфные особенности магнетита в первичных рудах и коре выветривания, и оценить их влияние на поведение магнетита в процессах обогащения.

3. Изучить гравитационные и магнитные свойства первичных руд методами технологической минералогии.

4. Оценить влияние вещественного состава руд и концентратов на качество конечных товарных продуктов (окатышей).

Фактический материал.

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте минерального сырья им. Н. М. Федоровского (ФГУП «ВИМС») в рамках бюджетной темы «Технологическая и геолого-экономическая переоценка железорудных месторождений Кодинской группы Средне-Ангарского района и подготовка их к лицензированию», основной задачей которой являлось создание эффективной технологии переработки руд на основе современных методов обогащения. Непосредственным объектом исследований являлся керн технологических скважин, сформированные из него технологические пробы трех природных типов руд (магнетитового, гематит-магнетитового и гетит-гидрогетитового), продукты их обогащения и химико-металлургического передела (окатыши).

В процессе исследований изучено более трехсот прозрачных, полированных шлифов и брикетов, просмотрено более пятисот проб железных руд, продуктов их обогащения и металлургического передела. В работе использованы результаты нескольких сот рентгенографических (Наумова И. С) и химических анализов (аналитический отдел ФГУП «ВИМС») и несколько десятков микрорентгеноспектральных (к.г.-м.н. Чистякова Н. И., к.г.-м.н. Трубкин Н. В., ИГЕМ РАН), оптико-геометрических анализов (Кривощеков Н.Н.), электронно-микроскопических (д.г.-м.н. Дубинчук В. Т., Ожогин Д.О.) и мессбауэровских исследований (д.г.-м.н. Коровушкин В. В., МИСиС). Помимо этого, использованы результаты определения физических свойств рудных и породообразующих минералов, и их фракций (плотности, микротвердости, микрохрупкости, показателя преломления, удельной магнитной восприимчивости (д.г.-м.н. Раков Л.Т.), люминесценции (Рассулов В.А.). Методы исследований.

Основной объем минералого-аналитических исследований выполнен в минералогическом и аналитическом отделах Всероссийского института минерального сырья им. Н. М. Федоровского (ФГУП «ВИМС») в соответствии с нормативно-методическими документами Научных советов по аналитическим методам (НСАМ) и минералогическим методам исследований (НСОММИ). Для решения поставленных задач были использованы следующие методы исследования: оптической микроскопии (петрографический, минераграфический, оптико-минералогический и оптико-геометрический) для изучения минерального состава и структурных особенностей руд, продуктов их обогащения и металлургического передела. Аппаратура: оптические микроскопы Nikon Optihot-Pol, Leica DM RX, Olympus BX-51, стереомикроскоп МБС-1, оптико-геометрический анализ минералов и пор проведен с помощью систем анализа изображений Leica Qwin Standart и TomAnalysisрентгенографического (количественного) фазового анализа (Р (К)ФА) для диагностики минералов, установления их кристаллохимических параметров, определения минерального состава руд, продуктов их обогащения и металлургического передела. Аппаратура: рентгеновский дифрактометр X’Pert PRO PANalyticalмикрорентгеноспектрального анализа для изучения элементного состава минералов и распределения в них элементов-примесей. Аппаратура: сканирующий электронный микроскоп, совмещенный с энергодисперсионной приставкой JXA-8100, JSM-5610LVэлектронной микроскопии для выявления форм нахождения полезных и вредных попутных компонентов в минералах, структур распада твердого раствора в магнетите, выявления тонких особенностей его строения. Аппаратура: растровый электронный микроскоп Tesla BS-301, просвечивающий электронный микроскоп Tesla BS-540- мессбауэровской спектроскопии для составления баланса распределения железа в закисной и окисной формах по минералам руды, определения фазового состава и структурных особенностей магнетита, установления степени окисления магнетита в продуктах химико-металлургического передела (окатышах). Аппаратура: спектрометр электродинамического типа с источником Со57 в матрице хромаметоды определения физических свойств минералов и фракций: объемометрический для измерения плотности рудных и породообразующих минералов на установке Василевского М. М. в барометрической трубкекаппаметрический для измерения удельной магнитной восприимчивости рудных и породообразующих минералов, минеральных фракций на установке Kappabridge KLI-2 с напряженностью поля 300 А/ммикровдавливания для определения микротвердости и микрохрупкости рудных и породообразующих минералов на полуавтоматическом микротвердометре ПМТ-ЗМлюминесцентной спектроскопии для диагностики апатита на установке, смонтированной на базе лазера на молекулярном азоте и микроспектрофотометра МСФУ-312- иммерсионный для измерения показателей преломления породообразующих минералов.

Научная новизна работы.

1. Впервые в первичных рудах Тагарского месторождения установлены две генерации магнетита, которые при одинаковом элементном составе отличаются морфологией выделения и строением.

2. Установлены типоморфные признаки магнетита: микроскопические включения породообразующих минералов, микроблоковое и кавернозное строение, изоморфная примесь магния и алюминия, окисленность, выражающаяся в гематитизации и маггемитиза-ции, влияющие на технологические свойства первичных и вторичных руд.

3. Впервые выявлены оолитовые разновидности гематит-магнетитовых руд остаточной коры выветривания Тагарского месторождения, образование которых предположительно связано с процессами метасоматического замещения. Для гетит-гидрогетитовых руд переотложенной коры выветривания выявлены вредные минеральные примеси фосфора — апатит и карбонат-фторапатит, образующие тонкодисперсные включения в одном из главных рудных минералов — гетите-гидрогетите.

4. Эмпирически установлено, что индикатором перехода от неокисленных руд к окисленным является серпентин, имеющий гипергенный генезис. Признаками гипергенного происхождения является замещение им гидротермальных минералов — хлорита и флогопита, и устойчивая ассоциация с маггемитизированным магнетитом.

Практическая значимость 1. Типоморфные особенности магнетита железных руд Тагарского месторождения позволяют прогнозировать его поведение в процессах магнитного и гравитационного обогащения и качество получаемых продуктов.

2. Особенности вещественного состава первичных руд, включающие текстуру, структуру и минеральный состав, раскрываемость главного рудного минерала — магнетита, физические свойства его сростков позволяют установить высокую контрастность рудных и породообразующих минералов по прочностным и гравитационным свойствам, и тем самым рекомендовать в качестве основного метода обогащения гравитационный.

3. На основании полученных данных по обогатимости первичных руд Тагарского месторождения дан прогноз эффективности гравитационного метода обогащения для гема-тит-магнетитовых руд остаточной коры выветривания.

4. Для улучшения прочности окатышей из концентратов железных руд трапповой формации необходимо введение в шихту известняка в качестве флюсовой добавки.

5. При производстве окатышей эффективность процесса окомкования магнетитовых концентратов повышается в тонких классах (-0,045 мм) за счет возникновения между частицами явления магнитной флокуляции.

Основные защищаемые положения.

1. Главными типоморфными особенностями магнетита, определяющими его поведение в процессах обогащения, являются: микроскопические включения породообразующих минералов, микроблоковое и кавернозное строение, присутствие изоморфной примеси магния, а также гематитизация и маггемитизация минерала в коре выветривания.

2. Гранулометрический состав и морфометрические характеристики магнетита, высокая контрастность гравитационных и прочностных свойств магнетита и породообразующих минералов (хлорита, серпентина, монтмориллонита) определяют эффективность его извлечения из первичных и вторичных руд методами гравитации.

3. Характерной особенностью концентратов железных руд трапповой формации является: 1) отсутствие в их составе легкоплавких силикатов, что исключает процесс жидко-фазного упрочнения окатышей естественной основности, 2) присутствие изоморфной примеси магния в магнетите, замедляющей процесс его окисления.

Личный вклад.

Автор принимал непосредственное участие на всех стадиях технологической переоценки руд Тагарского месторождения, начиная с литературного обзора по данной проблеме, формирования технологических и отбора минералогических проб, проведения минералогического сопровождения разработки технологических схем их обогащения, и заканчивая минералогическим исследованием конечной товарной продукции (концентратов, окатышей, охр, брикетов). В обязанности автора входило выполнение значительного объ.

11 ема анализов продуктов обогащения методами оптической микроскопии, изучение физических свойств минералов, выбор методики и методов исследования исходных руд и минералов, участие в интерпретации полученных результатов. Соискателем проведены исследования по выявлению петрографических факторов, влияющих на физико-механические свойства вмещающих пород. Апробация работы.

Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следующих конференциях и совещаниях: 4-ой научной молодежной школе «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва, 2007 г.), на VI-ом и VII-om Конгрессе обогатителей стран СНГ (Москва, 2007 и 2009 гг.), на совещании «Плаксинские чтения-2007» (Апатиты, 2007 г.), на конференции «Минерально-сырьевая база черных, легирующих и цветных металлов России и стран СНГ: проблемы и пути развития» (Москва, 2007 г.), на «Неделе горняка» (Москва, 2008 г.), на конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2008 г.), на Ш-ем Российском семинаре по технологической минералогии (Петрозаводск, 2008 г). Список публикаций по теме диссертации:

1. Азарнова JI.A., Анашкина Н. А. Минералогические методы в прогнозной технологической оценке руд черных металлов// материалы 3-ей Международной научной школы молодых ученых и специалистов. М.: ИПКОН РАН. 2006. С.195−197.

2. Сычева Н. А., Кривощеков Н. Н., Ожогина Е. Г. Влияние неоднородности минералов на обогатимость руд. Сборник материалов. YI Конгресс обогатителей стран СНГ. М., 2007, Т.2.С. 75−77.

3. Сычева Н. А. Технологические свойства железных руд скарново-магнетитового месторождения Кодинской группы Средне-Ангарского железорудного района// Материалы 4-ой Международной научной школы молодых ученых и специалистов. М.: ИПКОН РАН. 2007. С. 221−224.

4. Анашкина Н. А., Азарнова JI.A. Прикладные минералогические исследования при оценке технологических свойств руд черных металлов// Горный информационно-аналитический бюллетень № 3. М.: МГГУ.2008. С. 370−375.

5. Сычева Н. А. Морфоструктурные особенности гетит-гидрогетитовых руд коры выветривания Тагарского скарново-магнетитового месторождения// Актуальные проблемы геологического изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы твердых полезных ископаемых (тезисы докладов научно-практической конференции молодых ученых и специалистов). М.: ВИМС. 2008. С.

6. Сычева Н. А., Ожогина Е. Г., Броницкая Е. С. и др. Обоснование целесообразности гравитационного обогащения магнетитовых руд Тагарского месторождения на основании минералого-технологических исследований // Разведка и охрана недр. № 11. 2008. С. 56−60.

7. Сычева Н. А., Дубинчук В. Т., Ожогин Д. О. и др. Влияние неоднородности магнетита на качество продуктов обогащения железных руд Тагарского месторождения // Разведка и охрана недр. № 4. 2009. С. 59−63.

Структура, объем и содержание работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы (104 наименования). Общий объем работы составляет 102 страницы, в том числе 42 рисунка и 26 таблиц. Во введении обоснована актуальность работы, обозначены цели, задачи, показана научная новизна и практическая значимость проведенных исследований, сформулированы защищаемые положения. В первой главе проведен анализ исследований в области технологической минералогии железных руд, дана характеристика геологического строения Тагарского месторождения, состояние изученности вещественного состава природных типов руд. Вторая глава посвящена типоморфным особенностям магнетита, влияющим на поведение минерала в процессах обогащения. В третьей главе рассмотрены минералогические факторы обогатимости первичных руд, обосновывающие эффективность гравитационного метода обогащения. В четвертой главе определено влияние вещественного состава концентратов первичных и вторичных руд на качество окатышей. В заключении обобщены основные научные и практические результаты работы.

Автор благодарит своего научного руководителя, доктора геолого-минералогических наук Е. Г. Ожогину, оказавшую неоценимую помощь в создании работы.

За постоянную поддержку и ценные консультации автор глубоко признателен доктору геолого-минералогических наук В. Т. Дубинчуку. Автор считает своим долгом выразить признательность сотрудникам технологического отдела: кандидатам технических наук Е. С. Броницкой и Н. Д. Тютюнник, кандидату химических наук С. И. Ануфрневой, Г. А. Сладковой и Н. Ю. Стенину, проводившими экспериментальные исследования, с которыми автору было приятно и легко работать. Методическая помощь в проведении работ была оказана доктором геолого-минералогических наук Л. Т. Раковым, И. С. Наумовой и А. И. Федотовым, за что автор выражает mi отдельную благодарность. За ценные критические замечания и участие в обсуз/сдении полученных результатов автор благодарит кандидата геолого-минералогических наук Г. К. Кривоконеву и кандидата геолого-минералогических наук, доцента Г. И. Дорохову.

За моральную поддержку и участие автор благодарен всем коллегам минералогического отдела, в особенности Н. Н. Кривощекову, кандидату геолого-минералогических наук Л. А. Азарновои и А. В. Иоспе, а также сотрудникам геолого-экономического отдела кандидату геолого-минералогических наук А. В. Темнову и М. А. Турловой.

Автор выражает особую благодарность своим учителям — доктору геолого-минералогических паук Э. М. Спиридонову и кандидату геолого-минералогических наук В. И. Кузьмину. За помощь в оформлении работы автор благодарен кандидату геолого-минералогических наук Н. Г. Беляевской.

Заключение

.

В результате проведенных исследований выявлены типоморфные особенности магнетита первичных и вторичных руд Тагарского месторождения, установлены особенности вещественного состава изученных руд, и их влияние на эффективность технологических методов обогащения и качество получаемых продуктов и окатышей.

1. Определены особенности состава и строения магнетита: присутствие в рудах двух генераций магнетита, которые при одинаковом элементном составе различаются строением и морфологией выделения. Магнетит I генерации значительно преобладает и отличается неоднородным строением, в связи с чем технологические показатели переработки руды определяются главным образом его конституцией и физическими свойствами. Магнетит II генерации присутствует в подчиненном количестве и отличается однородным строениемнеоднородное строение магнетита I генерации определяется присутствием микровключений породообразующих минералов, вторичных рудных минералов (магтемита и гематита), образовавшихся при окислении, кавернозным и микроблоковым строением, присутствием структур распада твердого растворамагнетит обеих генераций отличается повышенным содержанием изоморфной примеси магния и незначительным — алюминия. Содержание магния изменяется от 0 до 4%, в среднем составляет 1,3%, содержание алюминия — от о до 1,7, в среднем 0,3%- переменный состав магнетита и неоднородное строение обуславливают снижение содержания в нем железа в среднем до 67,4% и влияют на физические свойства: удельную магнитную восприимчивость, плотность, хрупкость, микротвердость. типоморфными особенностями магнетита из первичных руд, определяющими его технологические свойства, являются (в порядке наибольшей значимости): микроскопические включения силикатов, кавернозное и микроблоковое строение, присутствие изоморфной примеси магнияв рудах коры выветривания определяющим фактором является степень окисленностн магнетитаполученные данные по типоморфизму магнетита позволили прогнозировать гравитационный метод обогащения как для первичных, так и для вторичных рудиндикатором перехода от неокисленных руд к окисленным является серпентин, имеющий гипергенный генезис;

2. Установлены минералогические особенности магнетитовых руд: неравномерное развитие магнетитового оруденения на месторождении, что позволило применить на ранних стадиях обогащения крупнокусковую сухую магнитную сепарацию (CMC) и значительно сократить объем руды, поступающей на дробление и измельчение для последующего глубокого обогащениямелко-тонкозернистое строение руды определяет конечную крупность обогащения -0,074 ммтесные срастания магнетита с породообразующими минералами отрицательно влияют на эффективность их разделения, способствуют неполному раскрытию магнетита из сростков в данной крупности (раскрывается всего 82% магнетита) — единственным полезным компонентов руды является железо, основная часть которого (76,06%) связана с магнетитом, в меньшей степени (8,23%) — с гематитом. Доля нерудного железа составляет 15,03% и связана с силикатами. Незначительная часть железа (0,67%) входит в состав сульфидов железапо содержанию вредных компонентов руда относится к сернистой, малофосфористой. Вредные минеральные примеси представлены сульфидами железа (пиритом, халькопиритом) и апатитом, находящимися в срастании преимущественно с породообразующими минераламинизкая контрастность магнитных свойств магнетита и его сростков (богатых и рядовых), повышенная магнитная флокуляция, обусловленная кавернозным и микроблоковым строением магнетита, а также присутствие в руде большого количества вязких шламов, отрицательно сказывающихся на качестве магнитных фракций и определяющих недостаточную эффективность мокрой магнитной сепарации (ММС) при обогащении первичных магнетитовых рудвысокая контрастность магнетита и породообразующих минералов по прочностным и гравитационным свойствам, а также низкое содержание сульфидов железа и апатита в руде, частично уходящих при CMC, позволяющих эффективно применять при обогащении этих руд гравитационный метод, и прогнозировать его для обогащения гематит-магнетитовых руд, развитых в коре выветривания месторожденияприсутствие в коре выветривания оолитовых разновидностей гематит-магнетитовых руд, образование которых предположительно связано с процессами метасоматиче-ского замещенияприсутствие в гетите-гидрогетитых рудах двух вредных минеральных примесей фосфора — апатита и карбонат-фторапатита, образующих тонкодисперсные включения в гетите-гидрогетите.

3. Особенности вещественного состава концентратов магнетитовых и гематит-магнетитовых руд, влияющие на качество окатышей естественной основности: комкуемость концентрата, основным рудным минералом которого является магнетит, улучшается с уменьшением крупности слагающих его магнетитовых частиц в связи с возникновением между ними явления магнитной флокуляциипородообразующие минералы обоих концентратов представлены тугоплавкими силикатами (хлоритом, диопсидом, каолинитом), не образующими железосиликатного расплава в условиях температурного режима обжига, и не участвующими в упрочнении получаемых окатышей естественной основностинедоокисление магнетита, а также отсутствие обычной для железорудных окатышей естественной основности «мостиковой» структуры, объясняется наличием в концентратах магнетита с изоморфной примесью магния (магномагнетита), замедляющей процесс окисления.

Полученные результаты показали высокую эффективность применения на всех стадиях переработки железных руд Тагарского месторождения минералогических исследований с использованием современного комплекса физических методов. Полученные данные могут быть в дальнейшем использованы при минералого-технологическом изучении железных руд трапповой формации месторождений Кодинской группы (Красноярский край).