Промышленное получение материалов из вольфрамсодержащего сырья в Дальневосточном регионе

Вестник ДВО РАН. 2010. № 1

УДК

А.Д.ВЕРХОТУРОВ, Н.П.РОМАНОВСКИЙ, А. А.ТТТНАЙДЕ,Р

Промышленное получение материалов из вольфрамсодержащего сырья в Дальневосточном регионе

Для превращения Дальнего Востока из поставщика минерального сырья в поставщика материалов и изделий разработана методологическая схема комплексного подхода с соблюдением критериев устойчивого развития региона на примере ресурсной базы и технологии обработки вольфрамсодержащего минерального сырья.

Ключевые слова: минеральное сырье, вольфрам, минералогическое материаловедение, минипредприятия, системный подход.

The problem of commercial production of materials from tungsten-bearing raw material in the Far East region.

A.D.VERKHOTUROV (Institute of Water and Ecology Problems, FEB RAS, Khabarovsk), N.P.ROMANOVSKY, A.A.SCHNEIDER (Institute of Tectonics and Geophysics, FEB RAS, Khabarovsk).

To solve the vital problem of turning the Far East Region from the supplier of mineral raw materials into a supplier of materials and products based on the study of the raw material base and tungsten-bearing mineral products technology, it is necessary to apply a comprehensive and system approach with consideration of criteria of stable development. A methodological scheme of such approaches has been developed together with organization of production mineral enterprises in the region involving advanced technologies.

Key words: mineral raw material, tungsten, mineralogical study of materials, mini-enterprises, system approach.

Вольфрам - важная составная часть минерально-сырьевой базы мирового металлургического производства. В середине 1990-х годов ежегодная мировая добыча вольфрама в концентрате WO3 достигала 30 тыс. т при разведанных запасах около 6 млн т и прогнозных ресурсах порядка 9 млн т [2, 9, 10].

К 2007 г. ресурсная база вольфрама в Дальневосточном федеральном округе (ДФО) оценивалась в 35-37% от общероссийских разведанных запасов и около 60% от общероссийских ресурсов при добыче WO3 2,8-3,6 тыс. т/год [10]. В ДФО в пределах Дальневосточного мезозойского вольфрамово-оловорудного пояса запасы металла связаны не только с собственно вольфрамовыми месторождениями Приморья скарнового типа (Восток-2, Лермонтовское), но и с вольфрамсодержащими грейзенового типа (Тигриное) комплексных Sn-W-Mo руд Приморья и Приамурья (рис. 1), из которых WO3 может извлекаться в качестве сопутствующего компонента [11-13].

Несмотря на значительное количество вольфрамового минерального сырья в ДФО, возможность его переработки непосредственно после добычи до сих пор не реализована. Это заставляет отправлять вольфрамовые концентраты в западные регионы страны (г. Владикавказ) или за рубеж (Узбекистан, США), где на металлургических предприятиях получают чистый вольфрам либо сплавы на его основе [1, 4].

ВЕРХОТУРОВ Анатолий Демьянович - доктор технических наук, главный научный сотрудник (Институт водных и экологических проблем ДВО РАН, Хабаровск), РОМАНОВСКИЙ Николай Петрович - доктор геологоминералогических наук, главный научный сотрудник, ШНАЙДЕР Алевтина Александровна - кандидат геологоминералогических наук, старший научный сотрудник (Институт тектоники и геофизики ДВО РАН, Хабаровск). E-mail: dmitry@ivep.khv.ru

_____"Гч

Шкала проявления вольфрамитовой минерализации

1 5 10 25%

Рис. 1. Проявления вольфрамовой минерализации на юге Дальнего Востока [11]; I - аномалии экстенсивности проявления вольфрамового оруденения; II - крупные месторождения скарнового типа; III - средние и мелкие месторождения вольфрама гидротермального и грейзенового типов: 1 - Восток-2, 2 - Лермонтовское 3 - Сергеевское, 4 - Фестивальное, 5 - Марсовое, 6 - Тигриное, 7 - Усть-Микулинское, 8 - Забытое, 9 - Янканское, 10 - Средне-Ипатин-ское, 11 - Мерекское, 12 - Верхне-Ипатинское, 13 - Якуньское, 14 - Рудное (Баджальский рудный район), 15 - Стланиковое, 16 - Чимчигузское, 17 - Юбилейное, 18 - Рудное (Армин-ский рудный район), 19 - Беневское

Превращение восточных регионов России из поставщиков минерального сырья в поставщиков материалов и технологий обусловливает необходимость комплексного системного подхода к решению задач, стоящих перед геологической, горнодобывающей и металлургической отраслями промышленности. В связи с этим целью настоящей работы является разработка и научное обоснование схемы получения материалов и изделий из вольфрамсодержащего минерального сырья [3-5, 7]. Исследования проведены на рудных объектах Приморья и Приамурья. Особое внимание в настоящей работе уделено характеристике вольфрамитовых месторождений грейзенового типа.

Результаты исследований

Месторождения Восток-2 и Лермонтовское относятся к разряду крупных вольфрамоворудных объектов скарнового типа с шеелитовой минерализацией. Среднее

содержание WO3 в рудах Лермонтовского месторождения оценивалось в 2,3%, на месторождении Восток-2 в отдельных рудных телах - 0,7-2,7%; запасы составляют, соответственно, 30 тыс. т и 72 тыс. т. Детальное геологическое описание указанных месторождений приведено в работах [8, 10].

Отработка месторождений Восток-2 (с 1977 г.) и Лермонтовское (с 1987 г.) в ряде случаев велась хищническим способом, когда изымались главным образом богатые руды, а в госбалансе оставались блоки с низким содержанием WO3. Это делало дальнейшие добычные работы малорентабельными; Лермонтовский ГОК вообще прекратил поставку концентрата, хотя промышленность и транспорт ДФО постоянно нуждаются в вольфрамсодержащих материалах [1]. Шеелитовый концентрат Лермонтовского месторождения имеет следующий средний химический состав (вес. %): 8Ю2 - 27,96; А1203 - 0,78; Бе203 -5,29; Бе0 - 0,72; СаО - 19,2; ]^0 - 2,45; W03 - 55,4; ТЮ2 - 0,25; 803 - 0,1; Н20 - 0,(58; С02 - 0,43; К20 - 0,17; №0 - 0,18.

Второй группой вольфрамовых месторождений являются оловянно-молибден-воль-фрамовые рудоносные объекты гидротермального и грейзенового типов, в которых W03 находится в вольфрамитовой форме. Большинство из них недоразведаны, пока относятся к мелким и средним объектам. Однако, несмотря на низкие (сотые-десятые доли процента) содержания металла в таких рудах, крупнообъемный, чаще штокверковый, тип позволяет рассматривать вольфрамсодержащие комплексные месторождения в качестве рентабельных объектов минерально-сырьевой базы вольфрамовой промышленности ДФО [11, 12].

Месторождение Тигриное в Арминском рудном районе Приморья представлено комплексными оловянно-молибден-вольфрамовыми рудами с крупнообъемным штокверковым оруденением [12]. По данным С.М.Родионова и А.А.Шнайдер, вольфрам находится преимущественно в форме вольфрамита. Среднее содержание W03 в руде составляет 0,04%, имеются более богатые (> 1%) участки, представляющие интерес при отработке месторождения. Кристаллизация вольфрамита и касситерита происходила почти одновременно, но вольфрамит по времени несколько опережает касситеритовую минерализацию и прослежен на большую глубину (100-300 м), чем оловянная минерализация. Шеелит встречается редко и на оценку вольфрамоносности руд существенного влияния не оказывает. Наиболее характерными типоморфными элементами-примесями в вольфрамите являются железо и марганец, которые входят в его состав изоморфно. Средний химический состав вольфрамитов месторождения Тигриное (по данным 24 мономинеральных проб) следующий (вес. %): 8Ю2 - 0,47; W03 - 72,4; Са0 - < 0,3; Бе0 - 12,45; Бе203 - 1,8; Мп0 - 10,74; ТЮ2 - 0,03; А1203 - 0,32; Mg0 - < 0,3.

Технология обогащения вольфрамовых руд определяется в основном минеральным составом как собственно рудных тел, так и околорудно измененных вмещающих пород. Помимо шеелита (в скарновых месторождениях) и вольфрамита (в грейзеновых и гидротермальных) - основных рудных минералов, они содержат касситерит, молибденит, большую группу сульфидных минералов (халькопирит, пирит, арсенопирит, пирротин, сфалерит и др.), из породообразующих - пироксены, амфиболы, кварц, полевые шпаты, кальцит, апатит, слюды и др. Качество получаемых концентратов W03 определяют шеелит и вольфрамит как полезные компоненты, а также апатит, содержащий фосфор, являющийся строго лимитируемой вредной примесью [11, 12, 14].

Для решения вопросов, связанных с получением вольфрамсодержащих материалов непосредственно в регионе добычи вольфрамовых руд, в Институте материаловедения ДВО РАН предложено новое интеграционное научное направление - минералогическое материаловедение [1, 4, 6]. Предложена схема этапов промышленного освоения объектов минерально-сырьевой базы, соответствующая этапам исследований в области минералогического материаловедения (ММ) и на конечной стадии - материаловедения (МТ) (рис. 2). Ранее эти этапы совместно не рассматривались. МТ начинало изучение материалов, полученных на химических или металлургических предприятиях. При этом концептуальной

Конечный продукт Технология (обработка) Объект исследований Отрасль науки, производ- ство Цель исследований Задачи, методы исследований

Первоматерия Выявление Поиски, разведка. Геология перспективных оценка

Материал, Технология Первомате-

вещь

Отходы

Материал, Технология Концентрат

вещь

Отходы

Вещь, Технология

материал

Химические

элементы,

соединения,

сплавы

объектов месторождений

Горное Добыча и Извлечение руды,

дело, предваритель- дробление,

горнодобы- ная обработка предварительная

вающее минерального сортировка,

предприя- сырья. определение

тие Определение гранулометрическо-

свойств руды го, химического, фазового составов

Обогати- Обогащение Оределение

тельная рудной массы. эксплуатационных

фабрика Получение свойств.

полезного Гравитационное,

минерала магнитное

(смесей). обогащение,

Повышение концентрации флотация

Металлур- Получение Оределение

гический, материалов взаимосвязи

химический заданных состав-структура-

комбинат свойств и свойства. Пиро-,

состава гидрометаллургия,

электрометал-

лургия,

рафинирование

Промышленное

использование

Рис. 2. Схема этапов промышленного освоения объектов минерально-сырьевой базы. Тг—Т3 - виды технологии обработки руды, концентратов, химических соединений и их отходов; Т^ Т2 - технология обработки минерального сырья на минипредприятиях в регионе его добычи. Первоматерия - вещество земной коры; материал - вещество или совокупность связанных между собой веществ, используемых для практической деятельности

основой МТ являлось изучение взаимосвязей «состав-структура-свойства» материалов, изделий [6]. В свою очередь, ММ имели дело с рудами, концентратами и отходами при их производстве, а также с материалами и изделиями на стадиях производства и эксплуатации. Основой ММ является получение материалов и изделий на минипредприятиях, использующих передовые технологические процессы в регионах добычи сырья; ее концепцией - изучение взаимосвязей «минеральное сырье (состав, свойства) ^ технология (состав, свойства) ^ материал (состав, свойства) ^ изделие».

Для получения материалов и изделий с использованием вольфрамсодержащего минерального сырья использовались 3 метода: подбора, копирования и аналитический. Во всех случаях началом получения материалов являлись создание и анализ банков данных минерального сырья и известных материалов [5, 6].

При исследованиях в области ММ особое внимание уделяется выбору технологий, обеспечивающих экологически чистые условия получения материалов и исключающих

использование кислот, щелочей и других вредных химических реагентов. Предпочтение отдается технологиям, использующим концентрированные потоки энергии (дуговой, искровой разряды, лазерное излучение), а также экстремальные (по давлению и температуре) процессы в порошковой металлургии [15], карбидизации концентратов [7]. Исследования химического, фазового состава, кинетики восстановления минерального сырья производились в Институте материаловедения ДВО РАН, Институте химии ДВО РАН, лаборатории Дальневосточного университета путей сообщения, Хабаровском инновационно-аналитическом центре Института тектоники и геофизики ДВО РАН [3-7].

Определены минералогические, физико-химические и технологические свойства вольфрамовых концентратов, что обеспечивает их использование в порошковой металлургии, сварочных процессах, поверхностном упрочнении и легировании, разработан банк данных минерального сырья ДФО и ГОКов, производящих поставку концентратов вольфрама. Методом алюминотермии из WO3 и датолитового концентрата получены электроды, содержащие W2B5, WB, А1203, W-Fe, \V-Ni, W-Co, W-Co-Mo, W-Ni-Mo, W-Ni-Zr, W-Cr. Этот процесс экологически чист, не требует дополнительных затрат электроэнергии. Себестоимость продукции в 6-15 раз ниже, чем при традиционных технологиях. Созданы электродные материалы для электроискрового легирования на основе карбида вольфрама с добавками датолитового концентрата. Разработаны высокоэффективные установки для электроискрового легирования при упрочении поверхности материалов и изделий; технология изготовления электродного инструмента на основе вольфрам-медного псевдосплава (их себестоимость в 2-3 раза ниже используемых за рубежом); установка для непосредственного использования концентратов и шлихов в качестве легирующих материалов; электроды с использованием концентратов титана, циркония, вольфрама для сварки углеродистой и низколегированной стали. Получены порошковые материалы различного назначения, содержащие карбиды и бориды вольфрама. Разработан метод ликвационной плавки вольфрамовых концентратов для извлечения чистого карбида вольфрама. Созданы сварочные электроды с обмазками из шеелитового концентрата, что позволяет получать наплавочные покрытия с содержанием вольфрама 9,1%. Получены керамические флюсы для сварки на основе шеелитового концентрата для автоматической наплавки с содержанием вольфрама 9%, что значительно повышает эксплуатационные свойства сварочного и наплавочного материала [1].

Одновременно в Институте горного дела ДВО РАН решены вопросы технологической очистки шеелитовых руд Лермонтовского месторождения от вредной апатитовой составляющей [14]. Показано, что с помощью флотационного метода можно обеспечить необходимую очистку рудной ^03) массы от фосфора, а пенный апатитовый продукт после 3-4 перечисток доводить до уровня высококачественного концентрата Р2О5, что открывает новые перспективы производства фосфорных удобрений в ДФО.

При несомненной актуальности и важности результатов этих технологических исследований их слабая сторона заключается в том, что все они проведены только на шеелито-вых рудах, руды вольфрамитового состава не затрагивались. Последние отличаются высоким содержанием W03, оксидов железа и марганца, практически полным отсутствием вредных примесей. Марганец является желательной примесью при получении готовых продуктов металлургии. Высокое содержание оксидов железа, обладающих среднемагнитными свойствами, может существенно упростить технологию обогащения вольфрами-товых концентратов при применении электромагнитных сепараторов.

Следовательно, отсутствие технологических разработок на вольфрамитовых рудах не позволяет до конца решить вопрос о более широких возможностях промышленного использования запасов W03 перспективных вольфрамсодержащих месторождений Дальневосточного региона.

Заключение

ДФО располагает значимой минерально-сырьевой базой для расширения и усиления вольфрамдобывающей промышленности. Разработанная схема промышленного освоения рудных объектов соответствует наиболее рациональному порядку исследований в области минералогического материаловедения (разведка месторождений - добыча руды - ее обогащение до концентрата - получение химических элементов, их соединений и изделий на минипредприятиях в регионе добычи сырья) и на конечной стадии материаловедения (металлургический комбинат - отрасли промышленности).

Кроме уже используемых собственно вольфрамоворудных месторождений шеелита типа Восток-2 и Лермонтовское, для дальнейшего изучения и промышленного освоения рекомендуются месторождения комплексных оловянно-молибден-вольфрамитовых руд типа месторождения Тигриное. При этом необходимо расширить комплекс технологических испытаний для получения кондиционных концентратов WO3 не только из шеелито-вых, но и из вольфрамитовых руд; создать комплексные технологические научно-исследовательские лаборатории при горнодобывающих, обогатительных и металлургических предприятиях; создать минипредприятия по получению из вольфрамсодержацих руд материалов и изделий непосредственно в районах добычи минерального сырья.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бабенко Э.Г, Верхотуров А.Д., Григоренко В.Г. Основные аспекты транспортного минералогического материаловедения. Владивосток: Дальнаука, 2004. 224 с.

2. Буряк В. А., Лошак Н.П. Минерально-сырьевая база ДВЭР: прогнозные ресурсы, стратегия рационального освоения // Региональные проблемы. Биробиджан: ИКАРП ДВО РАН, 2001. № 5. С. 21-24.

3. Верхотуров А.Д., Лебухова Н.В. Комплексное использование минерального сырья в порошковой металлургии. Владивосток: Дальнаука, 1998. 115 с.

4. Верхотуров А.Д. Минералогическое материаловедение как раздел науки о материалах // Хим. технология. 2002. № 7. С. 2-8.

5. Верхотуров А.Д. Наука о материалах: задачи и проблемы // Вестн. ДВО РАН. 1996. № 3. С. 88-98.

6. Верхотуров А.Д., Фадеев В.С. Некоторые вопросы современного состояния и перспективы развития материаловедения. Владивосток: Дальнаука, 2004. 320 с.

7. Верхотуров А.Д., Бутуханов В.Л., Ершова ТБ. и др. Физико-химические основы получения порошков материалов из вольфрам- и боросодержащего сырья. Владивосток: Дальнаука, 2001. 105 с.

8. Гвоздев В.И. Месторождения Восток-2 и Лермонтовское // Крупные и суперкрупные месторождения полезных ископаемых. М.: ОНЗ РАН, 2006. Т 3, кн. 2. С. 627-662.

9. Кулиш Е.А., Сорокин А.П., Врублевский А. А. и др. Эндогенная минерагения геоблоков центральной части Дальнего Востока // Региональные проблемы. Биробиджан: ИКАРП ДВО РАН, 2001. № 5. С. 21-24.

10. Лошак Н.П. Дальневосточный мезозойский вольфрамо-оловорудный металлогенический пояс // Вопр. геологии, металлогении, поисков и оценки месторождений Дальнего Востока. Хабаровск: Изд-во ДВИМС, 2002. С. 37-56.

11. Романовский Н.П., Шнайдер А.А. Перспективы развития минерально-сырьевой базы вольфрамовой промышленности юга Дальнего Востока // Руды и металлы. 2008. № 5. С. 10-16.

12. Ручкин Г.В., Шнайдер М.С., Шнайдер А.А. и др. Модель формирования оловянно-вольфрамового месторождения // Геология руд. месторождений. 1987. № 2. С. 85-88.

13. Рязанцева М.Д. Рудная минерализация и минералогическое районирование Приморского края // Вопр. геологии, металлогении, поисков и оценки месторождений Дальнего Востока. Хабаровск: Изд-во ДВИМС, 2002. С. 64-75.

14. Саматова Л.А., Киенко Л.А. и др. Извлечение апатита в одноименный продукт из шеелитовых руд Лермонтовского месторождения // Горный информ.-аналит. бюл. М.: Мир горной книги, 2007. № 16. С. 186-195.

15. Экстремальные процессы в порошковой металлургии. Киев: ИСМ АН УССР, 1986. 120 с.