Характеристика основных типов руд и минералов цветных металлов

Полезные ископаемые или минеральное сырье – это природные минеральные образования земной коры неорганического и органического происхождения, которые при современном состоянии техники и технологии могут с достаточной эффективностью применяться в народном хозяйстве в естественном виде или после предварительной обработки.

По физическому состоянию полезные ископаемые, добываемые из недр земли делятся на твердые ( руда, угли, торф, нерудные полезные ископаемые), жидкие ( нефть, минеральные воды) и газообразные ( природные горючие и инертные газы).

Совокупность полезных ископаемых, заключенных в недра составляют понятие минеральные ресурсы, которые являются основой для развития таких важнейших отраслей промышленности, как энергетика, черная и цветная металлургия, химическая промышленность, производство строительных материалов. Ежегодно в мире добывается до 20 т горной массы на человека в год. Удвоение количества добываемой горной массы происходит каждые 8 -10 лет. Из этой горной массы промышленностью используется только 30-40%.

В зависимости от области промышленного применения минеральные ресурсы подразделяются на следующие основные группы : топливно-энергетические ( нефть, природный газ, ископаемый уголь, горючие сланцы, торф); рудные, являющиеся сырьевой базой для черной и цветной металлургии ( железная и марганцевая руда, хромиты, бокситы, медные, свинцово-цинковые, никелевые, молибденовые, вольфрамовые, оловянные, руды редких и благородных металлов; горно-химическое сырье ( фосфориты, апатиты, поваренная, калийные и магнезиальные соли, сера, барит, боросодержащие руды, бром- и иодсодержащие растворы; природные строительные материалы и нерудные полезные ископаемые, поделочные технические и драгоценные камни( мрамор, гранит, яшма, горный хрусталь, гранат, гранат, корунд и др.; гидроминеральные ( подземные пресные и минерализованные воды). Такая классификация минеральных ресурсов является условной, т,к, промышленное применение одних и тех же полезных ископаемых может быть различными, например, нефть и газ являются не только энергетическим топливом, но и сырьем для химической промышленности.

Развитие мировой экономики постоянно сопровождается ростом потребления топливно-энергетических и других видов минерального сырья. Потребление цветных и легирующих металлов увеличилось за последние 100 лет в 3-5 раз. В ХХ1 веке будет продолжаться интенсивный рост потребления практически всех видов минерального сырья. Только в предстоящие 50 лет потребление нефти увеличиться в 2-2,2 раза, природного газа – в 3-3,2 раза, железной руды – в 1,4-1,6 , первичного алюминия – в 1,5-2 , меди – в 1,5-1,7, никеля – в 2,6-2,8, цинка – в 1,2-1,4 , других видов минерального сырья – в 2,2-3,5 раза. В связи с этим в ближайшие 50 лет объем горно-добычных работ увеличится более чем в 5 раз.

В соответствии с вещественным составом металлические полезные ископаемые подразделяются на руды черных и цветных металлов. В свою очередь руды цветных металлов – это руды , содержащие тяжелые цветные металлы ( медь, свинец, цинк, никель), легкие цветныеметаллы ( алюминий, магний), благородные металлы ( золото, серебро, платина) и руды редких металлов. К последним относятся руды, содержащие легкие металлы ( литий, бериллий, рубидий, цезий), тугоплавкие ( титан, циркон, гафний, ванадий, ниобий, тантал, молибден, вольфрам, рений), рассеянные (галлий, индий, таллий, германий, селен, теллур), редкоземельные ( скандий, иттрий, лантан, лютеций и др.) и радиоактивные ( уран, торий, радий, полоний).

Основным источником получения цветных и редких металлов являются руды, содержащие один или несколько цветных, редких и благородных металлов в виде природных минералов определенного состава и кристаллической структуры, являющихся естественными продуктами процессов, происходящих в земной коре. Иногда в рудах встречаются самородные металлы такие, как золото, серебро, платина, медь. Промышленные руды содержат ценные элементы в количествах, при которых их использование технически возможно и экономически целесообразно. Минералы, которые извлекаются из руды для их дальнейшего промышленного применения, называются ценными или полезными, а те которые не используются в данный момент, называются минералами вмещающих пород. Такое деление условно, т.к. один и тот же минерал в одном случае считается минералом вмещающих пород, а в другом он представляет промышленную ценность и извлекается.

Минералы в подавляющем большинстве – твердые тела, подчиняющиеся всем законам физики твердого тела. Реже встречаются жидкие, например, самородная ртуть. В земной коре насчитывают около 3000 минеральных видов и примерно столько же разновидностей. Из природных минералов только 200-250 имеют промышленное значение, с производством цветных и редких металлов связано немного более 40 минералов. Каждый минерал представляет собой природное соединение с присущей ему кристаллической структурой. Состав и кристаллическая структура определяют физические и химические свойства минералов, от которых зависит их поведение в процессах обогащения. Различают минералы кристаллические, аморфные – металлоиды ( например, опалы, лимонит) и метамиктные минералы, имеющие внешнюю форму кристаллов, но находящиеся в аморфном стеклоподобном состоянии.

В природе наиболее распространены минералы класса силикатов – около 25% от общего числа минералов; оксиды и гидроксиды -12 % ,сульфиды – 13%, фосфаты и арсенаты – 18% и прочие – 32%.

По типу химических связей минералы подразделяются на простые ( самородные ) и составные. Помимо простых анионов S^2-, 0^2-, 0H^-, Cl^- и др. в структуре часто встречаются комплексные солеобразующие радикалы [СO₃]^2-, [SiO₄]^4- ,[PO₄]^3- и др. В основу современной классификации минералов положены различия в типе химических соединений и кристаллических решеток.

Минералы, содержащиеся в рудах цветных и редких металлов, можно разделить прежде всего на сульфидные и несульфидные. К сульфидным минералам относятся минералы, представляющие собой природные соединения металлов и неметаллов с серой. Так, например, cульфидный минерал галенитPbS (свинцовый блеск) является основным свинцовым минералом. Он содержит до 86% свинца. Халькопирит СuFeS₂ содержит до 34% меди, молибденит МоS₂ - до 60% молибдена.

К несульфидным минералам относятся оксиды, силикаты, алюмосиликаты, карбонаты, фосфаты и др. Оксидами представлена значительная часть цветных и особенно редкометальных минералов, например, куприт Сu₂O, содержащий до 88% меди, ильменит FeTiO₃, cодержащий до 52% диоксида титана, рутил TiO₂, содержащий до 95-100% диоксида титана. Последние два минерала являются основным источником получения титана. Олово извлекается в основном из касситерита SnO₂, который содержит до 78% олова.

К силикатным минералам относится самая большая группа минералов, залегающих в земной коре. В верхней мантии земли они составляют до 92%. К этим минералам относится основная масса минералов вмещающих пород, содержащейся в обогащаемых рудах., а также значительная часть минералов редких металлов( литиевых, бериллиевых и др.) Среди силикатов наиболее распространены полевые шпаты ( в среднем 60%) и (кварц 12%), который является одним из основных минералов вмещающих пород редкометальных руд. Он может извлекаться в самостоятельный концентрат и использоваться в производстве стекла и строительных материалов. Силикатный минерал меди – хризоколла CuSiO₃∙H₂O содержит до 31% меди. Циркон ZrSiO₄ – основной минерал для получения циркония его соединений, содержит до 67% диоксида циркония и до 16% диоксида гафния.

К алюмосиликатам относится большая группа минералов редких металлов и минералов вмещающих пород. Алюмосиликаты лития ( сподумен LiAl(SiO₃)₂) и бериллия (берилл 3BeO∙Al₂O₃∙6SiO₂) являются основными минералами для производства лития и бериллия. Сподумен содержит до 8% оксида лития, а берилл до 14% оксида бериллия.

Карбонаты –группа широко распространенных минералов ( более 80 минералов) солей угольной кислоты. Наиболее известные из них кальцит CaCO₃, доломит FeCO₃ , малахит Cu₂(CO₃) (OH)₂, церуссит PbCO₃, смитсонит ZnCO₃ и др.

К фосфатам относятся такие минералы, как апатит 3Ca₃(PO₄)₂·Ca(F,Cl)₂ , монацит ThPO₄.

В зависимости от количества ценных компонентов в руде руды разделяются на монометаллическиеи полиметаллические. Из монометаллических руд извлекается только один ценный компонент, например, медь, олово, молибден и т.п. Полиметаллические руды содержат два или более ценных металлов ( медь и цинк, свинец и цинк, медь и никель, молибден и вольфрам). В природе полиметаллические руды встречаются значительно чаще, чем монометаллические. Эти руды, как правило, комплексные и даже извлечение из них попутных металлов становится экономически целесообразно. Например, медно-цинковые руды содержат, как правило, в небольшом количестве золото, которое связано в основном с сульфидными минералами – халькопиритом и пиритом. Извлечение золота при последующей металлургической переработке медного и пиритного концентрата может составить значительную часть прибыли, получаемой при переработке этих руд.

По минеральному составу основных металлсодержащих минералов руды подразделяются на сульфидные, смешанные и окисленные. Так в сульфидных медных рудах содержание меди в виде сульфидных минералах составляет не менее 75%, в смешанных – около 50% и в окисленных рудах сульфидными минералами медь представлена не более чем на 10- 25%.

По содержанию металлов различают руды богатые, бедные и забалансовые руды. Однако эта классификация руд является чрезвычайно условной и зависит от состояния технологии обогащения и от вида полезного минерала. Так, при одинаковом содержании металла, например, 0,1% молибденовую руду можно считать богатой, а медную – очень бедной. В забалансовыхрудах содержание ценного компонента настолько мало, что извлечение его нерентабельно и такие руды относятся к непромышленным.

Различают также руды вкрапленные и сплошные. Во вкрапленных рудах кристаллы и зерна ценных минералов рассеяны в массе минералов вмещающих пород. Сплошные руды состоят главным образом из ценных минералов и содержат небольшое количество минералов вмещающих пород. Например, сплошные или колчеданные медно-цинковые руды содержат более 35% пиритной серы ( иногда до 90 и более процентов) и сульфиды меди и цинка распределены по массе пирита, который в данном случае выполняет роль вмещающей породы. Во вкрапленных рудах содержание сульфидных минералов в том числе и пирита составляет 20-35% и они рассеяны в массе минералов вмещающих пород.

По размеру зерен ценных минералов руды бывают с весьма крупной вкрапленностью ( более 4-20 мм), с крупной вкрапленностью ( 2-4 мм), с мелкой вкрапленностью (0,2-2 мм), с тонкой вкрапленностью ( менее 0,2 мм) и с весьма тонкой вкрапленностью ( менее 0,02 мм). Размер вкрапленности ценных минералов определяет необходимую степень измельчения руды перед обогащением.

Минеральный состав руд обычно весьма разнообразен и сложен как по вещественному составу, так и по крупности минералов. Из руд с крупной вкрапленностью можно довольно легко извлечь ценные минералы в богатые концентраты, а из руд с весьма тонкой вкрапленностью сделать это с использованием только обогатительных методов очень трудно. Такие руды требуют прежде всего очень тонкого измельчения, для того, чтобы раскрыть и освободить ценные минералы от сростков с минералами вмещающей породы или друг от друга. В этом случает перед обогащением некоторых коренных руд с тонкой и неравномерной вкрапленностью ценных минералов необходимо дробить и измельчать руду до крупности менее 0,1 мм. Обогащение такой тонкоизмельченной руды обычно осуществляется с применением не только комбинированных методов обогащения, но и с использованием методов металлургии.

По условиям образования промышленные типы руд классифицируются также на коренные и россыпные. Коренные руды залегают в месте первоначального образования и расположены внутри общего массива горных пород. В таких рудах ценные минералы и минералы вмещающих пород находятся в тесной ассоциации между собой . Эти руды, после их добычи из шахты или из открытого рудника перед обогащением подвергаются дроблению и измельчению.

Россыпи – это вторичные месторождения, образовавшиеся в результате разрушения первичных коренных руд под действием физических и химических процессов выветривания. Под действием физических процессов ( колебания температуры, расклинивающее действие воды, льда, минеральных солей, ветра, ледников, морского прибоя и т.п.) происходит механическое разрушение горной массы. Эти процессы являются как бы подготовительными к химическим процессам выветривания, которые осуществляются при участии кислорода, углекислоты, воды, микроорганизмов. Сульфидные минералы при этом окисляются и выщелачиваются, удаляются щелочные и щелочноземельные элементы. Речными водными потоками и под действием морских волн россыпи переносятся на большие расстояния. Устойчивые к химическим воздействиям минералы принимают окатанную форму и освобождаются от сростков с другими минералами. Поэтому пески россыпных месторождений не подвергаются дроблению и измельчению, гравитационные процессы их обогащения значительно проще и дешевле.

В последние годы наряду с рудами и россыпями, добываемыми из различных месторождений, источниками получения цветных и редких металлов становится такназываемое техногенное сырье – отходы переработки полезных ископаемых и отходы металлургических производств, например, хвостохранилища обогатительных фабрик, породные отвалы, шлаки металлургических производств меди и т.п.

1.2. Экономическая целесообразность процессов обогащения