Обогащение титановых россыпей

Выше говорилось, что существует два типа россыпей — прибрежно-морские и континентальные. Первые являются комплексными. Кроме ильменита и рутила, они содержат также циркон, нередко редкоземельный фосфат — монацит, алюмосиликаты (дистен, силлиманит, ставролит). Эти россыпи обогащаются по довольно сложным схемам. В континентальных россыпях, как правило, встречается один полезный титановый минерал — ильменит, и обогащаются они по более простой технологии.

Для тех и других россыпей характерно то, что рудные и породообразующие минералы природными процессами уже практически подготовлены к обогащению: зерна освобождены от сростков друг с другом и от породообразующих минералов, пески отсортированы по крупности. Не требуется проведения таких дорогостоящих работ, как дробление и измельчение.

Важное преимущество россыпных месторождений титана состоит в том, что их можно разрабатывать открытым способом с помощью драг, гидравлики, экскаваторов, скреперов.

Все эти преимущества отработки и обогащения россыпей титана позволяют значительно снизить себестоимость получения титановых концентратов.

Разработка и обогащение россыпей обычно включают следующие производственно-технологические процессы: разрушение связности и добыча рудоносных песков, транспортировка их на фабрику, дезинтеграция (дробление), промывка, грохочение (отсев крупной гальки, обычно более 3 мм), обесшламливание (отмыв глинистых частиц — 0,05 мм), гравитационное обогащение отмытой зернистой массы на высокопроизводительных гравитационных аппаратах (конусные, винтовые сепараторы, шлюзы и т. п.), магнитная и электрическая сепарация тяжелых концентратов. Первую стадию обогащения, включающую дезинтеграцию, обесшламливание, гравитацию, называют первичным обогащением россыпей, вторую стадию (электромагнитная, электрическая сепарация, иногда флотация) — доводкой черновых концентратов.

В результате первичного обогащения сбрасывают до 70−90% породообразующих («пустых») минералов, с плотностью менее 2,9 г/см³, глину, кварц, полевые шпаты. Тяжелые минералы, с плотностью более 2,9 г/см³: ильменит, рутил, циркон и др. — концентрируются почти по 90−95% в коллективном черновом концентрате. Затем этот концентрат доводочными операциями с применением различных методов сепарации разделяется на мономинеральные селективные концентраты ильменита, рутила, циркона и др.

А теперь кратно охарактеризуем обогащение россыпных месторождений в Австралии, Индии, ЮАР, США, СССР.

Австралия за счет эксплуатации своих прибрежно-морских россыпей получает ежегодно около 1,2 млн. т ильменитовых и 0,3 млн. т рутиловых концентратов. Кроме того, здесь производятся цирконовый (около 70% мировой добычи) и другие концентраты.

Эти россыпи протягиваются вдоль восточного берега Тихого океана почти на 1000 км и представлены кварцевыми песками, почти не связанными глиной и содержащими от нескольких до 25−30% (в среднем 12%) тяжелых минералов. В составе тяжелой фракции 28 -60% ильменита, 5−14%, рутила, 7−60% циркона, от зн. до 2,5% монацита и др. Средний размер зерен минералов (в мм): монацита 0,125, циркона 0,154, ильменита 0,165, рутила 0,178.

Выделяются пески современного берега, бывшего берега отступившего моря и дюнные пески. Первые из них разрабатываются экскаваторами и бульдозерами; вторые — драгами с установками типичного обогащения; третьи — гидравлическим способом.

Схема обогащения россыпей для всех месторождений примерно одинакова. Первичное обогащение песков и получение коллективных концентратов производится на высокопроизводительных аппаратах (винтовых сепараторах, конусах) на месте добычи песков или вблизи него. При этом из них извлекается 90−98% всех тяжелых минералов, а отвальные хвосты сбрасываются для закладки выработанного пространства. Применяемые на первичной стадии обогащении аппараты имеют высокую степень автоматизации, нередко управляются всего несколькими рабочими, и дают при этом высококачественные коллективные концентраты минералов.

Выпускаемые австралийскими фирмами ильменитовые концентраты содержат 53−56% TiО2 и первые сотые доли процента вредных примесей фосфора и хрома.

Эти ильменитовые концентраты, как уже говорилось, являются прекрасным сырьем для получения белого пигмента и для плавки на шлак.

Высокими, качествами обладают и другие концентраты, близкие к мономинеральным. Например, рутиловый концентрат содержит 97−97,6% TiО2, цирконовый — 66−67% ZrO3, а примеси железа, свободного кварца составляют в них сотые-десятые доли процента. На долю Австралии приходится более 80% мирового (без СССР) выпуска рутиловых, 25% ильменитовых и более 70% цирконовых концентратов.

Второй крупнейший производитель титановых, циркониевых и монацитовых концентратов из прибрежно-морских песков — Индия. Запасы протягивающихся на сотни километров вдоль современного берега песков весьма значительны. Основными районами их добычи и обогащения являются штаты Керала и Мадрас. В штате Керала, на месторождении Траванкор, рудоносные пески, содержащие около 15−20% тяжелых минералов, залегают вблизи берега, на дне неглубокого моря. В тяжелой фракции преобладает ильменит (60−80%), 3−6% составляет рутил, 3−7% - циркон, 1−10% - монацит, 2−5% - силлиманит и др.

Пески добывают после периода муссонов, когда под действием сильных волн во взвешенном состоянии в прибрежных песках легкие минералы — кварц, силлиманит и др. — отделяются от осаждающихся на дно тяжелых минералов. Природнообогащенные таким образом пески, содержащие 75−95% тяжелых минералов, собирают и хранят для последующих доводочных операций в виде куч частично обезвоженного черного песка. Иногда более бедные «черные» пески дообогащают прямо на берегу на винтовых сепараторах. Как видим, операции по первичному обогащению прибрежно-морских песков в Индии практически отсутствуют. Затем этот коллективный концентрат предварительным грохочением на ситах освобождают от обломков пород, ракушек, корней растений и разделяют методами магнитной, электрической сепарации, гравитации и флотации на почти мономинеральные ильменитовый, рутиловый, монацитовый, цирконовый и силлиманитовый концентраты.

В Соединенных Штатах Америки основные россыпные месторождения титана и циркония приурочены к прибрежно-морским отложениям, дюнам и древним террасам вдоль побережья штата Флорида.

Рудоносные пески добываются земснарядом и подвергаются первичному обогащению на плавучей обогатительной установке, смонтированной на трех баржах. Баржи с обогатительной установкой могут передвигаться, причем каждая самостоятельно, по мере отработки россыпи. На первой барже пески, добытые земснарядом, предварительно разрыхленные взрыванием, подвергаются грохочению для отделения крупного материала и обезвоживанию. Крупняк (более 6,4 мм) додрабливается и тоже поступает на обогащение. На второй барже с помощью 704 винтовых сепараторов производится первичное гравитационное обогащение песков крупностью — 6,4 мм, а на третьей 396 винтовых сепараторов производят их перечистку, в результате которой получают коллективный концентрат тяжелых минералов и отвальные хвосты.

Коллективный концентрат по пульпопроводу перекачивается на береговую доводочную фабрику, где с использованием обычных электрических и магнитных методов получают селективные ильменитовый и цирконовый концентраты.

Наиболее крупной во Флориде является фабрика «Трейл-Ридж». Оно выпускает в год около 100 тыс. т ильменитового концентрата и 35 тыс. т цирконового.

Ильменитовые концентраты содержат 57−58% диоксида титана, не более 2,5% кремнезема и не более 0,05% пятиокиси фосфора и могут быть использованы как для производства пигмента, так и для плавки на шлак.

В штате Флорида древние прибрежно-морские пески террасового дюнного происхождения, содержащие около 1,5% ильменита, 0,5% рутила и лейкоксена, 0,5% циркона, перерабатывают фабрики «Джексонвилл» (около 2,5 млн. т песков в год) и «Хайленд» (около 10 млн. т песков в год).

Таким образом, Америка наряду с Австралией и Индией является крупнейшим в мире производителем титановых и цирконовых концентратов.

Значительное количество (примерно 700−800 тыс. т в год) титанового сырья, главным образом ильменитового концентрата, получают обогащением прибрежных песков месторождения Ричардс-Бей в ЮАР. Современные пески, перерабатываемые фабрикой «Умгабага», содержат 8% тяжелой фракции, состоящей из ильменита, рутила, циркона, монацита и др., подвергаются первичному обогащению со сбросом в море 90% породообразующих («пустых») минералов. Обогащение их производится принципиально по той же схеме, что и для других комплексных россыпей: первичная гравитация и разделение коллективных концентратов магнитными, электрическими и гравитационными методами. Особенностью процесса обогащения здесь является применение соленой морской воды и оттирки коллективных концентратов перед доводочными операциями. Из песков получают ильменитовый, рутиловый, цирконовый концентраты, а также монацитовый и гранатовый продукты.

Ильменитовый концентрат содержит 50,1% TiО2 и почти полностью используется для получения 85% титанового шлака (около 400 тыс. т в год). Рутилового концентрата с содержанием 95,4% TiО2 производится около 56 тыс. т в год.

В Советском Союзе титановые минеральные концентраты, как уже упоминалось, добываются из россыпных месторождений двух генетических типов — погребенных прибрежно-морских и континентальных.

Россыпи первого типа представляют собой глинистые кварцевые пески. Они залегают под мощной толщей перекрывающих пород на глубине 25−40 м и добываются в открытых карьерах с помощью экскаваторов. По системе конвейеров добытые пески подаются на обогатительную фабрику полного цикла переработки.

Получаемый из этих россыпей ильменитовый концентрат является лучшим в мире титановым сырьем. Он состоит на 93−95% из измененного ильменита с примесью лейкоксена, содержит 63,5−65,5% TiО2 и незначительное количество примесей кремния, алюминия и др. Рутиловый концентрат тоже очень высококачественный титановый продукт: в нем 95% TiО2, менее 2% железа, менее 1,5% кремния и циркония, сотые доли процента других примесей (фосфора, серы и т. д.). Цирконовый содержит не менее 65% ZrО2, дистен-силлиманитовый — не менее 57% Al2O3, ставролитовый — не менее 45,5% Аl2О3.

Второй тип отрабатываемых в СССР россыпей — континентальные россыпи ильменита. Они приурочены к древним русловым и террасовым отложениям и залегают под слоем современных осадков мощностью от нескольких метров до 10−20 м. Для добычи рудоносных песков приходится производить довольно большие объемы вскрышных работ, разрабатываются они глубокими карьерами и драгами Продуктивные пески континентальных россыпей представляют собой сравнительно простые природные образования, они состоят из крупно-среднезернистого кварцевого песка с ильменитом крупностью 1,5−0,07 мм, сцементированного глиной каолинитового состава.

Драги и переносная фабрика отрабатывают русловые и террасовые ильменитоносные пески, карьером добываются пески перемытой коры выветривания основных пород (элювиально-делювиальные отложения). Добытые в карьере ильменитоносные песчано-глинистые отложения обогащаются на стационарной фабрике полного цикла обогащения.

Ильменитовые концентраты, получаемые из континентальных россыпей, содержат 50−57% TiО2, 0,08−0,13 P2O5 и менее 0,05% Cr2O3. Они идут в основном на сернокислотную переработку для получения белого пигмента. Получают из континентальных россыпей и более высокотитанистые ильменитовые концентраты (с TiО2до 60%), которые идут в металлургическое производство.

А теперь кратко охарактеризуем минерально-сырьевую базу титана — основу титановой промышленности мира.

Прогнозные запасы этого металла в недрах нашей планеты (без СССР) оцениваются примерно в 10 млрд. т. Однако реально разведанные и учтенные запасы диоксида титана значительно меньше. По оценкам геологов, они составляют около 600 млн. т TiО2, в том числе примерно 405−410 млн. т (около 70% общих учтенных запасов) связывается с ильменитом и 175−190 млн. т (30%) — с рутилом. По отдельным континентам и странам эти запасы (в млн. т) распределяются крайне неравномерно: 200 — на Американском континенте, 120−130 — в Европе, 100 — в Азии, 80 — в Африке, 30 — в Австралии.

Производство титановых, концентратов из руд и россыпей на том или ином континенте не всегда соответствует наличию запасов титанового сырья в его недрах. Так, за 1980;1985 гг. больше всего титановых концентратов выпускалось в Америке (США, Канада, Бразилия) — около 1,0−2,5 млн. т в год. Втрое место занимала Австралия — 1,1−1,4, третье — Европа (Норвегия, Финляндия) — 0,7−1,0, четвертое — Африка (в основном ЮАР)-0,7−0,8, пятое — Азия (Индия, Малайзия, Шри-Ланка, Япония) — 0,3−0,4 млн. т в год.

В зависимости от качества концентрата цены на титановое сырье колеблются на мировом рынке в значительных размерах. В начале 80-х гг. цена на австралийский ильменитовый концентрат с содержанием 54% TiО2, составляла порядка 27−30 австралийских долларов за 1 т. Наиболее высоки цены на австралийский рутиловый концентрат, содержащий 95% TiО2, — 250−350 австралийских долларов за 1 т, иногда до 400. Цена 70%-ных титановых шлаков Канады в начале 80-х гг. была 135−150 долл. за 1 т.

В заключение следует отметить, что каждый год из недр в виде готовой продукции извлекается около 3 млн т диоксида титана и примерно столько же теряется при добыче и обогащении руд и россыпей. При общих учтенных запасах диоксида титана около 600 млн т этих запасов хватит не более чем на 100 лет. Однако потребность в этом металле в связи с развитием космонавтики, авиации, других отраслей резко возрастает, и тогда исчерпать запасы титана можно гораздо раньше. Разведка новых месторождений и наращивание разведанных запасов титана — актуальная задача геологоразведчиков всего мира.