Леопольд Леонтьев Директор Института металлургии УрО РАН, академик Владлен Резниченко Заведующий лабораторией Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, доктор технических наук
Мировое производство титана и его пигментного диоксида основано на использовании рутилового, ильменитового и аризонитового сырья. Привлечение для этой цели титаномагнетитов заветная мечта отечественных и зарубежных ученых. Хотя развитие производств, связанных с использованием ванадия, обеспечило частичное применение этих руд, их комплексная разработка пока остается нерешенной задачей.
Достижения науки последнего десятилетия позволяют перейти к новой технологии переработки титаномагнетитов. Она дает возможность получать природнолегированный металлический продукт для производства ванадиевых сталей массового потребления, пентаоксид ванадия для выпуска аккумуляторов, металлический ванадий для атомного машиностроения, диоксид титана и его тетрахлорид для производства белого пигмента и металлов на основе титана. Попутно концентрируются в полупродукты рассеянные элементы и благородные металлы. В перспективе это сделает титаномагнетиты наиболее используемым сырьем.
Россия с ограниченными запасами рутила и пигментного ильменита обладает огромными запасами лейкоксенов и особенно титаномагнетитов, занимая второе место в мире по ресурсам титана в недрах. Страна располагает также основами высокоэффективной технологии их переработки в искусственное сырье с высокой реакционной способностью, отвечающее жестким требованиям производителей титана и его пигментного диоксида. Использование титаномагнетитов позволит создать технологии с замкнутым циклом.
Условия, которые сложились в России, определяют переход от крупномасштабного производства в рамках экономики всей страны к производству на региональном уровне. Таких перспективных регионов несколько. Это, прежде всего, Дальний Восток с тяготеющей к нему зоной БАМ, Нижнее Приангарье, Алтай, Урал, Республика Коми, Центр, Кольский полуостров.
Природные ресурсы Дальнего Востока представлены крупными месторождениями комплексного сырья. Сюда входят титаномагнетитовые (железо, титан, ванадий), полиметаллические (цинк, свинец, олово), апатито-титаномагнетитовые, никелевые, медно-никелевые, хромитовые и другие разновидности руд. В качестве извлекаемых примесных элементов они содержат скандий, вольфрам, индий, висмут, галлий, драгоценные, в том числе платиновые металлы. Им сопутствуют минералы, выделяемые в концентраты (щелочные алюмосиликаты, гранаты и др.). Источники сырья Дальнего Востока необходимо рассматривать во взаимосвязи с комплексным освоением крупных месторождений зоны БАМ, Якутии, Джугджура.
Ресурсы Дальнего Востока наиболее эффективно могут быть использованы с извлечением всех ценных элементов с полнотой, которая определяется современным развитием науки и техники, экономически оправданными технологическими решениями, оптимальным использованием энергии и соблюдением экологических требований. Теоретические основы такой схемы разработаны учеными РАН (см. рисунок) и удостоены Государственной премии РФ 2000 года.
Важнейшие месторождения этого региона титаномагнетиты Татарского пролива, россыпи Игурута и других островов Курильской гряды, Халактырское (Камчатка), Маймаканское апатито-ильменито-титаномагнетитовое, Чалганы (россыпь по р. Амур), Хабаровское (Катэнская и другие россыпи по р. Уссури), ильменито-титаномагнетиты побережья Тихого океана. Наиболее изучены месторождения Татарского пролива, Маймаканское, Хабаровское, Чалганы.
На западном шельфе Татарского пролива расположена крупная провинция прибрежно-морских россыпей титаномагнетитов. Общее их количество оценивается в пределах от 0,5 до 2,75 млрд. т. В руде есть железо, титан, ванадий, скандий и редкоземельные металлы. Содержание пентаоксида ванадия в концентрате составляет 0,4 0,6 %, диоксида титана 8 10 %, оксидов железа 60 70 %. По своему составу месторождение аналогично титаномагнетитовым россыпям Курильских островов и Камчатки, но чище по содержанию серы и фосфора. Институтом металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова предложена схема получения ванадиевого чугуна, пригодного для последующей деванадации, и титанатного шлака для последующего выделения титана, пигментного диоксида и магнезиального продукта для изготовления огнеупоров. Экономическая эффективность комплексной переработки титаномагнетитовых концентратов этого месторождения характеризуется коэффициентом 0,157 (нормативный уровень 0,15), срок окупаемости капиталовложений 6,75 года (нормативный 6,7).
Крупнейшее Маймаканское месторождение, как и ряд подобных в этом регионе (более 100 рудопроявлений и 6 месторождений апатито-ильменито-титаномагнетитов), находится в верховьях р. Маймакан на северных склонах Джугджурского хребта. Разработана генеральная схема комплексного использования этих руд, содержащих 7 % TiO2, 14,17 % Feоб, 4,3 % P2O5, 0,17 % V2O5. Согласно этой схеме, основной товарной продукцией будут аносовитовый (рутильный) продукт, природнолегированная ванадиевая сталь, феррованадий и апатитовый концентрат, попутной легкая магнезиальная фракция обогащения шлака для выпуска огнеупоров. Шлак от производства феррованадия может использоваться для изготовления цемента. Из хвостов обогащения возможно получение щебня для строительства дорог в этих малоосвоенных местах. Получаемый аносовитовый продукт отвечает техническим условиям для производства титана или его пигментного диоксида. Экономическая эффективность характеризуется коэффициентом 0,15, использование горной массы 0,78, окупаемость 6,77 года.
Полученный на Хабаровском месторождении ильменитовый концентрат из песков притока Уссури отличается от норвежского, наиболее предпочтительного на мировом рынке, несколько повышенным содержанием примеси хрома. Она удаляется на электротермическом переделе с получением богатых титановых шлаков переводом хрома в металлическую фазу или известными в производстве пигментного диоксида сернокислотными способами. Переработка хабаровского ильменитового концентрата может осуществляться на Комсомольском химико-технологическом предприятии с получением рутильного пигмента высокого качества марки Р-1.
При обогащении песков россыпного месторождения Чалганы (г. Благовещенск) выделен железо-титановый концентрат (выход 20 22 %; химический состав 32,8 % TiO2, 18,99 % FeO, 46,89 % Fe2O3). Основной фазой является ильменито-гематит. Ближайший аналог концентрата рудные продукты месторождения Лак-Тио (Канада), из которых производятся титановые шлаки, поставляемые на мировой рынок как качественное сырье для выпуска пигментного диоксида титана. Рекомендована двухстадийная плавка концентрата с предварительным восстановлением оксидов железа газообразным восстановителем и их плавкой в руднотермической электропечи.
Развитие производительных сил в зоне БАМ связано с комплексным освоением месторождений черных, цветных и редких металлов. Наиболее известные из них Удоканское (медь и серебро), Ханинское (апатиты), Катугинское (ниобий, тантал, цирконий, самородный криолит и др.), расположенные в непосредственной близости к Чарской долине. Такое соседство дополняющих друг друга крупных месторождений позволяет рассматривать возможность создания замкнутого ресурсосберегающего и экологичного производства. Горная и технологическая составляющая могут быть территориально разделены, поскольку климатические и геосейсмические условия в регионе весьма сложны. Видимо, целесообразно горную составляющую расположить вдоль трассы БАМ, а технологическую в промышленной зоне, примыкающей к Комсомольску-на-Амуре. К Чарско-Удоканскому комплексу тяготеют крупнейшие в мире месторождения титаномагнетитовых и ильменитовых руд Чинейское, Мало-Тагульское, Большой Сейим и др.
Аналогом Чинейского месторождения являются ресурсы Бушвальдского комплекса (Южная Африка). При обогащении руд выделяется целый ряд концентратов и рудных продуктов титаномагнетитовый (выход 38 52 %; 14 % TiO2, 60 % Feоб, 1,25 % V2O5), ильменитовый (выход до 5,5 %; 35 40 % TiO2), медно-никелевый с содержанием до 28 % Cu (соотношение Cu:Ni:Co=16:7:1) и др. Хвосты обогащения содержат медь и кобальт, концентрирующиеся в рудный продукт. Некоторые участки Чинейского месторождения, богатые медно-никелевыми рудами, содержат металлы платиновой группы и аналогичны норильскому типу.
На основе двухстадийной плавки могут быть получены природнолегированный ванадием и титаном исходный продукт, используемый для выплавки ванадиевых и титансодержащих сталей различного назначения, в том числе для массового потребления, и шлаковая титанованадиевая фаза для химико-технологической переработки на пигментный диоксид или его тетрахлорид и пентаоксид ванадия для выпуска феррованадия и получения металлического ванадия электролитическим рафинированием в расплавленных средах. Ильменитовый и медно-никелевые концентраты имеют самостоятельную технологическую ценность. Согласно технико-экономической оценке, при годовом объеме производства 400 тыс. т титано-ванадиевого шлака коэффициент экономической эффективности составляет 0,15, рентабельность 15 %, срок окупаемости вложений 6 лет.
Месторождение Большой Сейим расположено на центральном участке БАМ в восточной части Каларского анортозитового массива. Изучение руд позволяет отнести их к сложным, с непостоянным фазовым составом. Тем не менее различаются три их разновидности магнетито-ильменитовые, ильменито-титаномагнетитовые и ильменитовые. Преобладают ильменито-титаномагнетитовые руды, представленные титаномагнетитом (34 %), ильменитом (36,12 %), пироксеном (6,74 %) и др. Титан распределяется так: с ильменитом 89,4 %, с титаномагнетитом 5,5 %, с нерудными минералами 5,1 %. Полученный ильменитовый концентрат имеет типичный состав 48,5 % TiO2, 0,38 % SiO2, 0,89 % Al2O3, 7,5 % Fe2O3, 38,1 % FeO, 2,74 % MgO, 0,05 % V2O5, 0,05 % P2O5, 0,57 % MnO и др. Обладает высоким качеством для производства пигментного диоксида титана по сернокислотной схеме. Полученные из него титановые вещества сырье для производства тетрахлорида титана, исходного продукта для выпуска металлического титана.
Титаномагнетитовый концентрат (8 12 % TiO2) занимает промежуточное положение между бедными титаномагнетитами Гусевогорского месторождения (Урал) и богатыми Пудожгорского (Карелия) и Копанского (Урал).
Кроме того, при обогащении бедной разновидности руд выделяется титанистый железованадиевый концентрат с низким содержанием титана (около 3 % TiO2) и высоким ванадия (0,83 %). Переработка по электротермической технологии двухстадийная плавка с предварительным восстановлением железа в кипящем слое позволяет получить металлическую фазу с содержанием углерода 0,02 %, кремния 0,057 0,074 %, титана 0,018 0,04 %; марганца 0,004 0,01 %, ванадия 0,17 0,29 %, серы 0,008 0,014 %, фосфора 0,012 0,018 % и титанованадиевый шлак, при прямой переработке которого получены черновой пентаоксид ванадия (98,1 % V2O5) и титанатный продукт (до 70 % TiO2).
Мало-Тагульское месторождение находится в Иркутской области. Главными рудными минералами здесь являются титаномагнетит, ильменит, магнетит и др., нерудными плагиоклаз, пироксен и др. В долях процента присутствуют сульфиды пирит, халькопирит, пирротин и пентландит. По химическому составу руды являются высокотитанистыми и высокованадиевыми с низким содержанием фосфора. При обогащении выделяется титаномагнетитовый (выход 11 60 %) и ильменитовый (выход 5,2 18 %) концентраты. Исследования показали перспективность использования коллективного концентрата смеси ильменитового и титаномагнетитового (содержание железа 57,9 %; TiO2 14,4 %; V2O5 0,9 % и др.). Металлическая фаза является исходной для производства природнолегированных сталей и пентаоксида ванадия. Шлак по составу близок к получаемому в зарубежной практике для производства пигментного диоксида титана. На мировом рынке известен как канадский тип шлака.
Естественные богатства Алтая и Нижнего Приангарья включают крупные месторождения комплексных руд. Даже в минимальном варианте использования их значение для страны огромно. Речь идет, прежде всего, об удовлетворении потребностей экономики в цветных, редких и благородных металлах, сокращении импорта бокситов, обеспечении Ачинского глиноземного комбината высококачественными нефелиновыми концентратами, выпуске удобрений и продукции стройиндустрии. Создание Нижне-Ангарского промышленного комплекса явится максимальным вариантом освоения природных ресурсов с вовлечением в оборот примыкающих ильменитовых и титаномагнетитовых месторождений Харловского и Лысанской группы, оконтуренных и технологически изученных.
Харловское месторождение расположено в обжитом районе степной части Алтая. В пределах массива выделяются более десяти рудных горизонтов мощностью от 10 до 200 м, простирающихся до нескольких километров. Рудное вещество представлено титаномагнетитом и ильменитом, нерудная часть плагиоклазом, пироксенами и оливином. Месторождение сравнимо с такими известными, как Кусинское и Стремигородское. При обогащении выделяются концентраты ильменитовый (выход 6,4 %; 33,7 % Fe, 46,5 % TiO2), титаномагнетитовый (выход 10,5 %; 60 % Fe, 7,9 % TiO2, 0,72 % V2O5) и плагиоклазовый (выход 20 %; 36 % Al2O3, 46,4 % SiO2, 3,17 % K2O+Na2O). Разработана генеральная схема комплексного использования руд, которая включает магнитно-флотационное обогащение с получением коллективного концентрата (смесь ильменитового и титаномагнетитового), электротермическую переработку в двух стадиях с получением металлической фазы для выпуска ванадиевого (18,25 % V2O5) и титанового шлака (72,18 % TiO2) и магнезиальноглиноземного продукта (18,5 % Al2O3, 42,77 % MgO) для передела на оксид магния с последующим производством огнеупоров, глинозема и др.
Основные технико-экономические и экологические показатели: срок окупаемости капиталовложений 4,1 года, коэффициент использования горной массы 0,65 по генеральной схеме и 0,13 0,15 по отраслевым вариантам, использование рудного вещества 0,7 и 0,14 0,16 соответственно.
Лысанская группа месторождений отличается высоким содержанием в руде оксида магния. При обогащении выделяется ильменитовый (выход 11 %; 34,5 % Feоб, 38,6 % TiO2, 3,4 % MgO), титаномагнетитовый (выход 29,1 %; 51,8 % Feоб, 11,64 % TiO2, 5,2 % MgO) и коллективный концентраты (15,38 18,97 % TiO2, 44,7 46,7 % Feоб, 5,38 9,32 % MgO). Титановые шлаки от плавки коллективных концентратов содержат 52,94 71,25 % TiO2+Ti2О3. При их обогащении получены рутильные продукты с 92 % TiO2. Технология переработки концентратов при оценке оказалась неэффективной по отраслевым нормативам. Однако при комплексном использовании руд с извлечением не только железа и титана, но и магния, переработка лысанских руд будет полностью отвечать экономическим и экологическим требованиям.
Проблему титанового сырья на Урале и в Республике Коми следует решать на основе комплексного использования лейкоксенов (Ярегское месторождение) и титаномагнетитов богатой разности (прежде всего, Медведевское и Копанское месторождения).
Ярегское месторождение лейкоксена в Республика Коми одна из крупнейших на территории СНГ залежей собственно титановых руд представлено нефтеносными песчаниками с лейкоксеном, содержащим до 11 % TiO2. После извлечения нефти и обогащения песчаника получен концентрат, содержащий около 50 % TiO2. В ИМЕТ УрО РАН разработана технология получения из него пигментного продукта. Одновременно возможно извлечение оксида кремния.
Дальнейшая доводка продукта до товарного концентрата остается нерешенной задачей. Имеются частные технологические решения, которые не могут решить проблему комплексного использования лейкоксена такого крупного месторождения. Очевидно, выход следует искать в получении искусственного рутила для экспорта и технологического продукта с высокой реакционной способностью, содержащего не менее 85 % TiO2, для внутреннего потребления переработки методами хлорирования и технологического кислотного разложения.
Основные запасы Медведевского месторождения представлены ильменитовыми и ильменито-титаномагнетитовыми рудами. Ильменитовые (7,16 % TiO2, 14,8 % FeO, 6,47 % Fe2O3, 0,12 % V2O5) содержат 13 15 % основного минерала. Ильменито-титаномагнетитовые (6,16 % TiO2, 18,4 % FeO, 13,47 % Fe2O3, 0,32 % V2O5) содержат 20 % титаномагнетита, 7 10 % ильменита, 0,5 1 % пирита и пирротина. При обогащении ильменитовых руд выделяется ильменитовый концетрат (выход 13,75 %; 43,6 % TiO2, 36,2 % Feоб). Из ильменито-титаномагнетитовых руд получают ильменитовый (выход 10,99 %; 30,2 % TiO2, 43,8 % Feоб) и титаномагнетитовый (выход 27,4 %; 14,6 % TiO2, 55 % Feоб) концентраты. При электротермическом переделе (двухстадийная плавка) получены титановые шлаки, перерабатываемые на пигментный диоксид. Имеется технология обогащения шлаков с получением продукта, содержащего 98 % TiO2, или титанованадиевых шлаков, перерабатываемых в указанный продукт с попутным извлечением пентаоксида ванадия. В последнем случае применяется двухстадийная плавка с предварительным восстановлением газом (шахтная печь–электропечь и другие варианты), с получением качественного металлического природнолегированного продукта для передела на ванадиевую сталь, в том числе массового потребления.
Титаномагнетиты составляют 76,8 % общих запасов уральских железных руд. Использовать их комплексно значит кардинально решить сырьевую проблему металлургии региона. Титаномагнетиты представлены бедной по титану разностью Кыштымской и Качканарской группы, Висинским, Суроямским и Велиховским месторождениями и богатой разностью руды Кусинского, Копанского и Медведевского месторождений. Они могут эффективно перерабатываться по комплексным схемам методами электротермии и химической технологии.
Недра центральной части России представлены россыпными месторождениями Центральным, Лукояновским, Шкурлатовским (песчаники) и др. Рациональное их использование возможно на основе Волгоградского промышленного комплекса с использованием мощностей Вторчермета, химического комплекса, завода «Красный Октябрь» и др. по технологиям, вытекающим из химико-металлургических исследований, выполненных учеными РАН для оценки рудных концентратов, содержащих черные, цветные и редкие металлы.
Центральное месторождение (Тамбовская область) представляет собой погребенную прибрежно-морскую россыпь с циркон-рутило-ильменитовой минерализацией. Рудные пески сложены мелкозернистым кварцем, сцементированным глиной с примесью полевых шпатов, глауконита, граната, эпидота, турмалина, ставролита и других алюмосиликатов. В качестве рудных минералов присутствуют циркон (до 0,05 %), рутил (до 0,5 %), ильменит (до 2,5 %). Горно-геологические условия залегания рудных песков благоприятны для открытой добычи. Пласт может быть отработан карьером с коэффициентом вскрыши 2 м3/м3 рудного вещества. В результате обогащения из песков получены ильменитовый концентрат с содержанием 58 % TiO2 при извлечении ильменита 85 %, рутиловый с содержанием 93 % TiO2 при извлечении 80 %, цирконовый с содержанием 65 % ZrO2 при извлечении циркония
90 %. Переработка ильменитового концентрата на пигментный диоксид сернокислотным способом оказалась малоэффективной. Наиболее перспективна его переделка на титановые шлаки (до 90 % TiO2) и их хлорирование с получением TiCl4 для производства металлического титана и его пигментного диоксида.
В песках Лукояновского месторождения (Нижегородская область) обнаруживается циркон (1,3 % 24 кг/м3) и рутил (0,45 % 18 кг/м3), которые выделены в самостоятельные концентраты и могут использоваться по назначению. Однако преобладает комплексный ильменито-хромито-гематитовый концентрат (30 % Fe2O3, 30 % TiO2, 10 % Cr2O3). Исследованиями ИМЕТ им. А.А. Байкова дан химико-металлургический вариант его переработки с получением металлического хромистого продукта для передела на хромистый шлак (до 60 % Cr2O3) искусственное сырье для производства феррохрома и полупродукта для получения стали, а также титанатного продукта (шлаковая фаза) для выпуска диоксида титана. С учетом геологических данных об открытии в Воронежской области месторождений цветных металлов, в том числе никеля, появляется возможность организовать производство нержавеющей стали из местного сырья.
В песчаниках вскрыши Шкурлатовского месторождения гранитов (Павловский ГОК) обнаружены ильменит (130 кг/м3), циркон (5,6 кг/м3) и др. Методами обогащения выделен измененный ильменитовый концентрат (48,29 % TiO2, 13,57 % Fe2O3, 29,2 % FeO, 4,66 % MgO, 0,34 % Cr2O3 и др.) При его металлургической переработке получен титановый шлак (выход 60 % от концентрата) с содержанием до 80 % TiO2, который может найти применение в производстве пигментного диоксида титана. Используя резервные мощности Павловского ГОКа, электротермические Волгоградского завода «Вторчермет», а также химического комплекса, можно организовывать переработку шкурлатовского ильменитового и лукояновского ильменит-хромо-гематитового концентрата. К этой схеме уже привлечено внимание частных предпринимателей.
Ресурсы титанового сырья Кольского полуострова, представленные ильменитовыми, титаномагнетитовыми и перовскитовыми рудами, огромны. Только за счет использования богатых ильменитовых и титаномагнетитовых руд месторождения Гремяха-Вырмес и хибинских титаномагнетитов из нефелиновых отвалов комбината «Апатит» можно решить проблему титанового сырья для действующих предприятий России. Гремяха-Вырмес наиболее перспективное месторождение на участке богатых руд, содержащих более 20 % TiO2, расположено в обжитом районе со сложившейся инфраструктурой. Обогащение руд может быть осуществлено на Оленегорском ГОКе, а переработка ильменитовых и титаномагнетитовых концентратов этого месторождения на свободных мощностях комбината «Североникель» с использованием имеющегося избытка электроэнергии и серной кислоты.
Решение проблемы производства титана и его пигментного диоксида с учетом региональных, экологических, экономических и технологических приоритетов наиболее перспективно путем переработки титаносодержащего сырья в едином технологическом цикле с другими месторождениями регионов по общей генеральной схеме его комплексного использования. Не исключены и привычные подходы предпочтение россыпным, а не коренным рудам, ильменитовым, а не титаномагнетитовым концентратам, распределению сырья по требованиям потребителей и т.д. В этом случае существуют следующие возможности.
1. Производство белых титановых пигментов до 600 тыс. т (перспективная потребность СНГ за пределами 2010 г. с учетом тенденций в мировом использовании). Основное перспективное сырье титановые шлаки (72 85 % TiO2) от переработки ильменитовых, в том числе измененных, концентратов, и новое сырье от переработки титаномагнетитов искусственный рутиловый (до 92 % TiO2) и анатазовый (до 90 % TiO2) продукты.
2. Производство титана и его пигментного диоксида хлорным способом 70 тыс. т и 200 тыс. т соответственно.
3. Производство ферротитана для черной металлургии с использованием перовскитового (Африкандское месторождение, Кольский полуостров), ильменитового, титановых продуктов и металлических отходов титана. Объем выпуска 200 тыс. т.
4. Изготовление обмазок для электродной промышленности. Потребность в рутиловом концентрате 20 тыс. т (95 % TiO2).
При указанных объемах производства титановой продукции потребность в условно принятом по составу (42 %) ильменитовом концентрате оценивается в 2,5 млн. т (2015 г.), что отвечает современному уровню потребления ильменитового концентрата промышленностью США (3 млн. т в год).
Использование условного ильменитового концентрата в таком объеме возможно путем привлечения россыпных месторождений Ярегского, Центрального, Лукояновского, Татарского пролива, Катэнского, Халактырского и коренных Гремяха-Вырмес, Африкандского, Медведевского, Чинейского, Харловского и др.
Качество выявленных и разведанных запасов титанового сырья в России несколько ниже, чем на зарубежных месторождениях (Норвегия, Канада, ЮАР), где коренные руды содержат не менее 18 % TiO2. Руда месторождения Лак-Тио (Канада) с 32 35 % TiO2 непосредственно используется для плавки на титановый шлак. Месторождение Тапира (Бразилия) содержит 20 22 % TiO2. Более богатыми по содержанию рутила и ильменита являются разрабатываемые россыпи Австралии, Индии, Бразилии, США и др. Кроме того, все эксплуатируемые и разведанные россыпи за рубежом являются прибрежно-морскими образованиями, залегают на поверхности, не содержат глинистого цемента, достаточно легко обогащаются, что предопределяет сравнительно низкие цены на концентраты ильменита (50 70 долл./т) и рутила (370 500 долл./т). Тем не менее отечественные сырьевые ресурсы и эффективные технологии их комплексного использования позволяют удовлетворить собственные потребности в титане и его пигментном диоксиде, в пентаоксиде ванадия, редких металлах и рассеянных элементах, а также организовать их рентабельный экспорт. Наука подготовила такую возможность своими высокоэффективными разработками.
|