Роль скандия в повышении комплексного использования титаномагнетитовых руд

Скандий относится к весьма дорогостоящим металлам. В 1995 г. 1 г Sc2O3 (99.9%) стоил 63.2 долл., а 1 г металлического скандия (99.99%) 125 долл. (по данным коммерческого каталога). В настоящее время наметился ряд областей, где он может играть важную роль. Для ЭВМ используется Ge-Gd-Sc гранат. В производстве лазеров возможно использование Ga-Sc-Gd граната. В светотехнике применяются высокоинтенсивные ртутные лампы с добавкой иодида скандия. Из оксидов скандия и кальция, а также оксидов скандия и циркония получена высокотемпературная  керамика. Представляют интерес твердые электролиты, содержащие скандий. Налажено производство нейтронно-активационных детекторов из металлического скандия и его сплавов. Из металлического скандия изготавливаются фильтры для получения квазимонохроматического пучка нейтронов, скандиево-тритиевые мишени для нейтронных трубок и генераторов, а также скандиево-тритиевые источники  b-частиц. Возможно применение скандия и его сплавов в качестве материала для ракето- и самолетостроения, астронавтики, что связано с небольшой его плотностью (3.02 г/м3) и довольно высокой температурой плавления (1539°С). Получены сплавы на основе алюминия, легированного скандием (0.2-0.4% Sc), прочность которых в 4 раза больше чистого алюминия, использование которых возможно в автомобилестроении и оборудовании нефтяных скважин, особенно в северных регионах РФ на морском шельфе. Перспективно применение скандия в электронике, солнечной энергетике, при изготовлении химического оборудования и в других областях. Добавка карбида скандия к карбиду титана повышает твердость последнего до твердости алмаза. Однако расширение областей применения скандия тесно связано с наличием достаточно качественного сырья и достаточно экономичной технологии его получения.

В природе известно ограниченное количество месторождений собственных минералов скандия, масштабы которых незначительны. Он встречается главным образом в виде примеси (0.00n-0.n% Sc) в других минералах: пироксенах, амфиболах, гранатах, цирконе, ильмените и др. Его получение во всем мире осуществляется попутно с производством главных полезных компонентов. (U, Ti, TR и др.).

После распада СССР основные сырьевые источники скандия, из которых производилось его извлечение, остались в Казахстане и на Украине. В Казахстане они представлены группой редкоземельно-фосфат-урановых месторождений костного детрита (Меловое и др.); в карбонат-фторапатите содержится до 0.02% Sc. На Украине все ильменитовые руды (коренные и экзогенные) обогащены скандием (до 0.015%). Кроме того, там же интерес представляют карбонат-натриевые метасоматиты Желтореченского месторождения, в эгирине которого содержится около 0.1% Sc.

В России установлено несколько генетических типов месторождений, перспективных на скандий:

1) Магматические ильменит-титаномагнетитовые в габбро-норитах и габбро-анортозитах (Большой Сейим и др.); титаномагнетитовые в пироксенитах и горнблендитах (Гусевогорское и др.);

2) Карбонатитовые (Ковдор и др.);

3) Грейзеновые вольфрамита и касситерита (Якутия);

4) Гидротермально-метасоматические с тортвейтитом (Кумир);

5) Остаточные – коры выветривания с монацитом, пирохлором и ксенотимом (Томтор);

6) Седиментационные – бокситы (Кальинское и др.); каменные и бурые угли (Канско-Ачинский бассейн и др.); глины с костно-детритовыми остатками (Сев. Кавказ);

7) Россыпи – прибрежно-морские ильменит-цирконовые (Туганское, Лукояновское и др.).

Среди перечисленных типов месторождений наиболее высокими содержаниями скандия характеризуются остаточные руды Томтора, ксенотим которого содержит до 1.65% Sc. Комплексные скандиево-редкоземельно-иттриево-ниобиевые руды этого месторождения содержат 0.04-0.08% Sc. Однако отдаленность этого объекта (Якутия) от промышленных центров делает эксплуатацию месторождения Томтор довольно сложной. С учетом вышеизложенного наиболее доступным сырьем для попутного получения скандия в РФ являются рудные пироксениты, характеризующиеся достаточно высоким (0.01% Sc) и стабильным содержанием скандия.

Бедные титаномагнетитовые руды качканарского типа имеют широкое распространение на Урале. К ним относятся руды крупных месторождений – Гусевогорского (эксплуатируемого) и Качканарского (резервного). В настоящее время из руд Гусевогорского месторождения извлекают  только железо и ванадий. Вместе с тем они могут стать источником для получения скандия, а также титана, галлия, платины и золота. Особое значение может приобрести дорогостоящий скандий, характеризующийся повышенным устойчивым содержанием в рудных пироксенитах. Сравнительный анализ рудных ультрамафитов Гусевогорского и Качканарского месторождений показал, что средние содержания скандия в рудах одинаковых типов довольно близки (рис.1). Они снижаются по мере увеличения в них количества оливина. С учетом распространенности различных типов рудных пород Гусевогорского месторождения установлено, что на долю диаллаговых, оливиновых и роговообманковых пироксенитов приходится 92.6% всего скандия, содержащегося в ультрамафитах этого месторождения. На Качканарском месторождении 87.1% скандия заключено в диаллаговых и оливиновых пироксенитах.

В минералах титаномагнетитовых руд Гусевогорского месторождения концентрации скандия существенно различны (табл. 1). Наиболее высокие его содержания установлены в диопсиде, роговой обманке и ильмените: в среднем 0.01-0.013% Sc. В целом содержания скандия в этих минералах довольно устойчивы. Значения дисперсии (S) и коэффициентов вариации (V) относительно невысоки, что позволяет рассчитывать на стабильные повышенные содержания этого элемента в силикатной составляющей руд Гусевогорского месторождения. Это же относится к минералам титаномагнетитовых диаллагитов Качканарского месторождения, диопсид которого в среднем содержит 122.8 г/т Sc, ильменит 98.5 г/т Sc и титаномагнетит 15.7 г/т Sc. Согласно нашим расчетам на долю диопсида приходится около 90% содержащегося в рудах Качканарского типа скандия (табл. 2). Это относится к титаномагнетитовым рудам Гусевогорского и Качканарского месторождений. В роговообманковых пироксенитах Гусевогорского месторождения 73.1% всего содержащегося в них скандия приходится на диопсид и 24.9% на роговую обманку. Из рис. 2 следует, что в рудных ультрабазитах указанных месторождений наличествует прямая корреляционная связь между концентрацией скандия и содержанием в руде его главного минерала-концентратора, представленного диопсидом.

Доля скандия, которая приходится на ильменит исследованных руд обоих месторождений, не превышает одного процента. В титаномагнетите заключено не более 3% от всего скандия, присутствующего в рудных пироксенитах. Приведенные данные показывают, что при получении титаномагнетитового концентрата основная часть скандия накапливается в силикатных хвостах, которые являются потенциальным сырьем для его получения.

Если обратиться к продуктам обогащения и отходам, остающимся при получении Качканарским ГОКом титаномагнетитового концентрата, то из табл. 3 видно, что скандий концентрируется в силикатных хвостах всех стадий обогащения (100-130 т/г). Его содержание в готовой продукции ГОКа (концентрате, агломерате, окатышах) не превышает 19-24 г/т. Общий уровень скандиеносности главной продукции ГОКа достаточно низок, чтобы ожидать заметной концентрации скандия в продуктах или отходах их доменного передела. Действительно, доменные шлаки Нижнетагильского металлургического комбината содержат не более 21 г/т скандия. Его мало в доменных пылях (до 5.1 г/т), шламе (табл. 4) и ванадистом чугуне (~1 г/т). Не накапливается скандий в конверторных шлаках ванадиевого производства (до 3 г/т в ванадистых шлаках Нижнетагильского металлургического комбината), исходным сырьем которого является продукция Качканарского ГОКа. Характерно, что содержание скандия в ванадиевом шлаке примерно в 9-10 раз меньше, чем в титаномагнетитовом концентрате Гусевогорского месторождения, тогда как содержание ванадия, наоборот, примерно в 23-25 раз больше и составляет в этом шлаке около 15% V2O5.

С учетом полученных данных, относящихся к технологическим отходам металлургического производства, следует считать, что наиболее надежным источником для получения скандия в значительных количествах могут стать силикатные хвосты обогатительной фабрики Качканарского ГОКа (это же относится к резервному Качканарскому месторождению). При обогащении титаномагнетитовых руд на Качканарском ГОКе 80% объема от рудной массы складируется в шламохранилище. К настоящему времени в шламохранилище комбината уложено более 650 млн.т этих хвостов. Проведенные расчеты показали, что из добытой руды в современных условиях извлекается в объемном выражении около 20% полезных компонентов (главным образом железо и ванадий). Поэтому повышение комплексности использования добытого сырья является важной экономической задачей, решение которой позволит существенно  повысить рентабельность переработки руд Качканарского типа.

Главным минеральным компонентом силикатных хвостов Качканарского ГОКа является диопсид. Выполненный в ИМГРЭ химический анализ этих отходов обогащения выявил следующий состав (% мас.): 45.02 SiO2; 0.67 TiO2; 8.60 Al2O3; 4.35 Fe2O3; 3.95 FeO; 0.14 MnO; 13.85 MgO; 20.28 CaO; 0.90 Na2O; 0.10 K2O; 0.12 P2O5; 1.30 H2O+; 24 H2O–; å 99.52 (аналитик В.Д. Богомолова); содержание скандия в них 115 г/т. Химический состав хвостов очень близок к составу монофракции диопсида, выделенной из рудных диаллаговых пироксенитов Гусевогорского месторождения (% мас.): 50.80 SiO2; 0.41 TiO2; 2.04 Al2O3; 3.50 Fe2O3; 4.51 FeO; 0.11 MnO; 15.29 MgO; 23.31 CaO; 0.09 Na2O; 0.06 K2O; 0.70 H2O+; å 100.52 (аналитик В.Н.Архангельская); уровень концентрации скандия в диопсиде такой же, как в силикатных хвостах. Некоторое увеличение содержания Al2O3 в хвостах объясняется, вероятнее всего, присутствием роговой обманки, являющейся постоянным минеральным компонентом руд Качканарского типа.

Ранее (Л.Н.Комиссарова и др., 1963) была предложена технологическая схема извлечения оксида скандия из силикатных хвостов рудных пироксенитов. По этой схеме первой операцией является вскрытие силикатных хвостов, что осуществляется их сплавлением со щелочью. После перевода скандия в кислотный раствор производится карбонатная обработка. После одной операции карбонатной обработки получается промежуточный продукт, содержащий 4-7% оксида скандия. Окончательная очистка этого промпродукта осуществляется экстракцией или сорбцией с последующим осаждением оксалата скандия. Однако указанный способ был относительно дорог.

В настоящее время разработан более совершенный способ получения скандия из хвостов мокрой магнитной сепарации (ММС), которые остаются в процессе обогащения на Качканарском ГОКе. По этой технологии первоначально предусматривается подготовка хвостов с целью получения наиболее обогащенного пироксенового концентрата. Схема комплексной переработки хвостов ММС включает ряд операций: 1 – мелкое измельчение хвостов ММС в стержневых мельницах (до 0.1 мм); 2 – классификация измельченного продукта; 3 – две стадии мокрой магнитной сепарации на барабанных магнитных сепараторах с высокой напряженностью магнитного поля; 4 – сгущение и обогащение на концентрационных столах; 5 – фильтрация железного, магнетитового и пироксенового концентратов. По этой схеме, помимо пироксенового, предусмотрено получение платинового, золото-сульфидного и ильменитового концентратов. Полученный пироксеновый концентрат (0.01-0.013% скандия) направляется на гидрометаллургическую переработку (рис. 3) с целью получения чернового концентрата скандия (ОС-99.0), рис. 4. Кроме того получают титановый кек, содержащий 28.4% TiO2 и цирконовый концентрат. Установлено, что оксид скандия марки ОС-99.0 можно использовать для получения металлического скандия. В 1991 г. на опытной установке из пироксеновых хвостов Качканарского ГОКа были получены первые образцы оксида скандия. В 1992 г. ВНИПИпромтехнология завершено технико-экономическое обоснование строительства в Качканаре опытно-промышленного производства оксида скандия, который будет получаться из хвостов обогатительной фабрики.

Возможным источником для получения скандия может также стать ильменит, содержащийся в рудах качканарского типа. По рассмотренной технологической схеме получение ильменитового концентрата возможно. Содержание скандия в нем по нашим данным составляет 90-150 г/т. Способы получения скандия из ильменитового концентрата разработаны.

Предложенный способ технологической переработки отходов обогащения титаномагнетитовых руд качканарского типа может существенно расширить комплексность их использования. Внедрение этого способа в производство целиком обеспечит необходимую потребность скандия в РФ для современных условий и на перспективу. Среди элементов-примесей, содержащихся в рудах качканарского типа скандий представляет особую ценность. Обеспеченность запасами этих руд делает сырьевую базу скандия в России весьма надежной и гарантированной на многие годы эксплуатации этих месторождений. 

Журнал "Горная Промышленность" №1 1997