Медные руды

Классификация рудного сырья

Сырье для производства меди и никеля. вспомогательные материалы

ПРОИЗВОДСТВО МЕДИ И НИКЕЛЯ

В зависимости от вида присутствующих минералов руды цветных металлов классифицируются на 4 типа:

1) сульфидные, в которых металлы присутствуют в форме сульфидов (медные, медно-никелевые и другие полиметаллические руды);

2) окисленные, в которых металлы находятся в форме кислородсодержащих соединений — оксидов, гидроксидов, карбонатов и т. д. (никелевые и медные руды);

3) смешанные, в которых металлы могут находиться как в сульфидной, так и в окисленной форме (медные руды);

4) самородные, содержащие металлы в свободном состоянии (медные руды). В самородном состоянии в природе встречаются также золото, серебро и платина.

Сульфидные руды по типу оруднения делятся на сплошные и вкрапленные (порфировые). Как следует из самого названия, в сплошных рудах основную массу составляют сульфиды, содержание же в них компонентов пустой породы (SiO2, СаО, Аl2Оз и др.) незначительно (10—20%). Во вкрапленных рудах картина обратная — основную массу руды составляет пустая порода, а содержание сульфидов в них невелико.

По числу присутствующих в рудах металлов их классифицируют на монометаллические и полиметаллические (комплексные). Большинство руд цветных металлов являются полиметаллическими и содержат до 10 и более ценных компонентов. Наиболее сложными по составу являются медно-цинковые, медно-свинцово-цинковые, медно-никелевые, медно-молибденовые, медно-кобальтовые руды. Включая в название ведущий ценный спутник, определяют тем самым тип руды со всем комплексом ценных составляющих.

Руды меди и никеля, как правило, очень бедные и содержат всего несколько процентов, а часто и доли процентов основного металла. Концентрация в них ценных элементов-спутников обычно еще меньше. Однако многие сопутствующие элементы по ценности даже превосходят основные компоненты руды. Важнейшими ценными спутниками меди в рудах являются золото, серебро, селен, теллур, цинк, свинец, кадмий, таллий, висмут, сурьма, молибден, рений и др., включая серу сульфидных руд. Одновременное присутствие в рудах всех перечисленных ценных элементов не является обязательным. Они присутствуют в разных сочетаниях, свойственных данному типу руды или месторождения.

Характерными спутниками никеля в медно-никелевых рудах являются кобальт, платина, палладий, золото, серебро, осмий, иридий, родий, рутений и некоторые другие элементы.

При оценке рудного сырья необходимо также учитывать характер присутствующей пустой породы. По этому признаку руды подразделяют на кислые и основные. В кислых рудах пустая порода в основном представлена кремнеземом; при пирометаллургической переработке эти руды требуют добавки основного флюса — известняка. Основные руды, наоборот, требуют кислых, кремнистых флюсов.

Кларк меди, т. е. ее содержание в земной коре, равен 0,01%. Однако, несмотря на низкое содержание в земной коре, она образует многочисленные месторождения руд — естественные скопления рудных медных минералов. Характерным для меди является наличие в природе руд всех четырех рассмотренных выше типов.

Известно более 250 медных минералов. Большинство из них встречаются сравнительно редко, некоторые представляют собой драгоценные камни. К наиболее распространенным медным минералам, имеющим промышленное значение при получении меди, относятся прежде всего соединения меди с серой и кислородом. Наибольшее количество меди в земной коре (около 80%) входит в состав сернистых соединений. Ниже приведены важнейшие сульфидные минералы меди:

Минерал Си, %

Ковеллин CuS 66,5

Халькозин C112S 79,9

Халькопирит CuFeS2 34,6

Борнит Cu5FeS4 63,3

Кубанит CuFe₂S₃ 23,5

Талнахит* CuFeS(i,e-2) 36—34,6

Кроме того, довольно распространены медно-мышьяковистые (энаргит Cu3AsS₄) и медно-сурьмянистые (тетраэдрит Cu₃SbS3) минералы.

Сульфидные медные минералы имеют как гидротермальное, так и магматическое происхождение. При высоких температурах и давлениях вода, выделяющаяся при застывании магмы, наряду с сульфидами меди растворяет сульфиды, селениды и теллуриды многих других металлов и прежде всего железа, цинка, свинца, мышьяка и сурьмы. В растворе содержатся также благородные металлы, висмут и редкие металлы. При охлаждении термальных вод из них выкристаллизовывается целый комплекс ценных минералов: халькопирит CuFeS2, сфалерит ZnS, галенит PbS.

Основными компонентами пустой породы являются пирит FeS2 и кварц. Соотношение между ценными минералами может „меняться в широких пределах. Совместная кристаллизация минералов, особенно если она протекала сравнительно быстро, часто приводит к очень-тонкому их прорастанию, что крайне затрудняет разделение ценных минералов при обогащении. Поскольку температура кристаллизации различных минералов неодинакова, состав, руды меняется по глубине месторождения. Меняются также стехиометрический состав однотипных минералов и содержание в них примесей.

Магматические месторождения, содержащие медь, образуются при кристаллизации ультраосновных пород. В этих месторождениях важнейшими спутниками меди являются никель, кобальт, платиновые металлы. Железо кристаллизуется в виде пирротина FeS,никель в основном в виде пентландита (Fe, Ni)S, но частично он может входить изоморфно и в состав пирротинов. Таким образом, и в магматических месторождениях медь встречается в комплексе со многими другими ценными элементами.

В природных условиях первичные сульфидные минералы могут подвергаться воздействию атмосферных агентов (кислорода, СОг, воды) и претерпевать изменения (выветриваться). Очень часто ковеллин и халькозин являются продуктом превращения первичных минералов. Более глубокое превращение приводит к образованию кислородных соединений меди.

Старейшей рудной провинцией является Урал. По восточному склону Уральского хребта с севера на юг полосой протяженностью около 800 км разбросана большая группа медных месторождений, приуроченных к так называемым зелено-каменным породам. К этой группе относятся месторождения Турьинской группы, районов Кировграда, Красноуральска, Среднеуральска, Медногорска, Гая, Си-бая, Карабаша.

Руды восточного склона Уральского хребта относятся к категории медно-цинковых сульфидных руд. Основными спутниками меди в них являются цинк, свинец, золото, серебро, часто присутствуют висмут, германий, кадмий, индий, таллий, селен, теллур. Руды подвергают селективному обогащению с получением медного, цинкового и пиритного концентратов. Они являются основной сырьевой базой для медных заводов и комбинатов Урала: Красноуральского, Среднеуральского, Карабашского и Медногорского.

На западном склоне Уральского хребта в так называемых пермских песчаниках расположёны многочисленные, но небольшие по мощности месторождения преимущественно окисленных медных руд. Некоторые из этих месторождений были базой медной промышленности в XVII—XVIII вв. В настоящее время их практически не используют. В целом Урал, занимавший когда-то ведущее положение в производстве меди, свое главенствующее положение утратил. Запасы уральских медных руд постепенно истощаются. Центр тяжести в производстве меди перемещается в Казахстан и Заполярье.

Важными источниками медного сырья в Казахстане являются Коунрадское, Саякское и Джезказганское месторождения. Они обеспечивают рудой Балхашский и Джезказганский горно-металлургические комбинаты. Руды данных месторождений относятся к категории вкрапленных. Основной вмещающей породой этих руд является кварц, т. е. они относятся к кислым породам. Ценными спутниками меди во вкрапленных рудах являются молибден и рений. Содержание благородных металлов невелико.

Отличительной особенностью казахстанских месторождений являются их большая мощность и залегание вблизи земной поверхности. Поэтому разработку месторождений ведут открытым способом с использованием мощной современной техники, что обусловливает относительно низкую стоимость руды.

Вкрапленные руды легко обогащаются, а полученные при этом концентраты характеризуются высоким содержанием меди (так, джезказганские концентраты содержат до 40% меди). Большие масштабы производства, применение дешевых методов добычи руды и хорошая их обогатимость позволяют вовлекать в эксплуатацию руду с содержанием 0,3% меди. Кроме Джезказганского и Коунрадского месторождений, в Казахстане имеется еще несколько крупных месторождений такого же типа, например Бощекульское.

Наряду с вкрапленными рудами в восточном Казахстане имеются месторождения пиритных медно-цинковых руд, близких по составу к уральским (Орловское, Николаевское, Белоусовское и др.). В Казахстане имеется также большое количество (около 1000) мелких месторождений окисленных руд, которые пока не вовлекают в эксплуатацию.

Крупнейшим центром производства меди за последнее время стало Заполярье. Сырьем этого района являются медно-никелевые руды Кольского полуострова и уникальные месторождения района Норильска (полуостров Таймыр). Ценными спутниками меди в рудах этого типа являются никель, кобальт, сера, селен, теллур, металлы платиновой группы, золото и серебро, причем на долю платиновых приходится значительная часть общей стоимости ценных компонентов руды. Медно-никелевые руды в основном магматического происхождения; встречаются как сплошные сульфидные, так и вкрапленные руды. Содержание пустой породы в сплошных рудах составляет всего 15%, остальное — сульфиды.

Основными медными минералами являются халькопирит, кубанит и талнахит, а основным сопутствующим минералом — пирротин. Никель встречается преимущественно в виде пентландита (Ni, Fe) S. Некоторое количество никеля находится также в виде твердого раствора в пирротинах. Высокое содержание в рудах этого района благородных металлов, меди, никеля и кобальта делает их переработку экономически очень выгодной, несмотря на удаленность региона и тяжелые климатические условия Заполярья. В ближайшие десятилетия основные капиталовложения и основное увеличение производства меди и никеля ожидаются именно в этом районе.

Медные руды добывают также в Средней Азии (район Алмалыка) и в Закавказье (Армения), где имеется ряд месторождений сульфидных пиритных руд. Уникальное месторождение вкрапленных медных руд (Удоканское) разведано в Забайкалье.

Вследствие низкого содержания медилексного характера медных руд в большинстве случаев их непосредственная металлургическая переработка невыгодна, поэтому их предварительно подвергают, как правило, селективному флотационному обогащению. При обогащении медных руд основным продуктом являются медные концентраты, содержащие до 55% меди (чаще от 10 до 30%). Извлечение меди в концентраты при флотации колеблется от 80 до 95%. Кроме медных, при обогащении руд часто получают пиритные концентраты и концентраты ряда других цветных металлов (цинковый, молибденовый и т. д.). Отходами обогащения являются отвальные хвосты.

Флотационные концентраты представляют собой тонкие порошки с частицами крупностью менее 74 мкм и влажностью 8—10%.

В металлургии меди и никеля роль предварительного обогащения очень велика. От содержания ценного компонента в перерабатываемом сырье зависят производительность металлургических агрегатов, расход топлива, электроэнергии и вспомогательных материалов, трудовые затраты, потери извлекаемых компонентов и в конечном итоге себестоимость готовой продукции.

Предварительное обогащение рудного сырья, значительно более дешевое, чем непосредственная металлургическая переработка, обеспечивает:

- снижение затрат на последующие металлургические операции и себестоимости конечного продукта в первую очередь за счет сокращения объема перерабатываемых материалов;

- возможность переработки бедных руд, непригодных для прямой металлургической переработки, т. е. расширение запасов природного сырья;

- в ряде случаев повышение комплексности использования исходного сырья за счет выделения ценных компонентов в отдельные концентраты, пригодные для дальнейшей самостоятельной металлургической переработки.

Медные руды и получаемые при их обогащении концентраты имеют одинаковый минералогический состав и отличаются лишь количественными соотношениями между различными минералами.

Следовательно, физико-химические основы их металлургической переработки будут совершенно одинаковы.

Значительные осложнения возникают при обогащении сложных по составу, труднообогатимых полиметаллических руд, например уральских медно-цинковых руд. При их селективном обогащении, кроме медного, цинкового и пиритного концентратов, в значительном количестве получается так называемый промпродукт, содержащий часто 8—10% меди и до 16—18% цинка. Он резко снижает извлечение меди и цинка в одноименные концентраты и создает огромные трудности в его металлургической переработке. Переработка промпродукта традиционными металлургическими методами даже с удовлетворительными технико-экономическими показателями фактически невозможна. Если же при обогащении идти по пути сокращения выхода промпродукта или полностью предотвратить его получение, это резко ухудшит качество основных концентратов, что отрицательно повлияет на работу металлургических переделов. Для переработки сложных по составу промпродуктов в настоящее время разрабатывают новые технологические процессы.