STUDY OF GRANULOMETRIC AND CHEMICAL-MINERAL COMPOSITIONS OF TOMTOR ORE DEPOSIT

Cover Page

Abstract


A study of the particle size distribution, mineral and chemical composition of the complex scandium-rare-earth-niobium Tomtor ore deposit has been conducted. It is shown that the basis of the ore is comprised of phosphates, carbonates and niobates. The main identified minerals are the minerals of crandallite group (gorceixite, goyazite and florencite), pyrochlore and monazite, in addition, clearly identified boehmite, apatite, and quartz. A group of other minerals includes siderite, kaolinite, rutile and some other minerals. It is established that the investigated ore belongs to a mineral variety of the pyrochlore-monazite-crandallite ores of phosphate-rare-metal type with a predominance of crandallite minerals (50%) and relatively low content of pyrochlore (~7%) in its composition. Based on the content of niobium oxide Nb2O5 (~4%) in a sample, the ore can be attributed to the second class according to the accepted classification, i.e. the rich niobium ores, containing from 3,5 to 9% Nb2O5. Tomtor ore deposit is also rich in the mineral content of rare earth elements. On the basis of the conducted research the conclusion about practical impossibility of beneficiation of “Tomtor” ore deposits by traditional methods and economic feasibility of ore processing by the combined pyro - and hydrometallurgy methods is made.


Введение Известно [1-3], что масштабы производства и потребления редкоземельных металлов (РЗМ) в мире за последние 20 лет увеличились в 3 раза. Анализ темпов современного развития промышленного производства показывает, что в ближайшие 5-10 лет потребность в редкоземельных металлах существенно вырастет. В связи с этим важнейшим направлением научных исследований представляется изучение действующих и новых перспективных месторождений руд РЗМ с целью решения задачи организации их высокоэффективной промышленной переработки и наиболее полного извлечения ценных металлов. Одним из наиболее перспективных месторождений руд РЗМ на территории Российской Федерации является Томторское комплексное скандий-редкоземельно-ниобиевое месторождение, расположенное на северо-западе Республики Саха (Якутия), в экономически не освоенном районе. Практическая значимость руд Томтора определяется колоссальными запасами и уникальными концентрациями ниобия, иттрия, скандия и тербия. Запасы месторождения оцениваются в 154 млн т руды. По запасам и концентрациям РЗМ оно превышает все известные мировые аналоги и является уникальным: средняя массовая доля оксидов РЗМ достигает 8-12%, в том числе 0,5% наиболее ценного оксида иттрия (III) [4]. Также руды Томтора содержат большие концентрации ниобия (до 7%). Руды первоочередного к эксплуатации участка Буранный Томторского месторождения представлены высокими содержаниями ниобия, иттрия, скандия и относятся к классу комплексного полиметаллического сырья. Объем кондиционных руд участка Буранный, подсчитанный по бортовому содержанию Nb2O5 - 1%, составляет 42,7 млн т [5]. Содержание оксидов редкоземельных металлов в рудах месторождения Томтор в 2 раза выше, чем в наиболее богатом зарубежном месторождении Маунтен-Пасс в США, а содержание ниобия в 2,5-3 раза выше, чем в самом богатом месторождении Бразилии - Araxa, обеспечивающем более 80% мировой добычи ниобия [6; 7]. Проблемой освоения Томторского месторождения является то, что оно располагается в районе с суровыми климатическими условиями и неразвитой инфраструктурой. Распределение РЗМ в рудах Томторского месторождения представлено на рис. 1 [8]. Рис. 1. Относительная массовая доля РЗМ в рудах Томторского месторождения [Fig. 1. Relative mass fraction of REE in ores of Tomtor Deposit] Целью данной работы являлось изучение технологической пробы руды месторождения Томтор для определения методов ее промышленной переработки. Для достижения поставленной цели исследования были выполнены следующие задачи: · исследование гранулометрического, минерального и химического состава руды; · изучение распределения целевых компонентов руды по классам крупности. Методика проводимых исследований Гранулометрический состав материала пробы определяли с помощью набора сит ЭКРОС (ТУ 3618-001-39436682-98). Минеральный состав пробы исследуемой руды определяли методом электронной микроскопии (энергодисперсионный анализ). Изучение вещественного состава пробы проводилось с использованием количественного химического анализа и атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (АЭС ИСП). Результаты исследований Технологическая проба руды месторождения Томтор представляет собой тонкодисперсный сыпучий материал темно-оливкового цвета крупностью -2+0 мм. Влажность руды составляет порядка 15%. Гранулометрический состав и содержание целевых компонентов по классам крупности представлены в табл. 1. Гранулометрический состав и содержание целевых компонентов в руде месторождения Томтор по классам крупности [Table 1. Particle size distribution and content of target components in Tomtor ore deposit by fraction sizes] Таблица 1 Размер фракции, мм [Fraction size, mm] Доля фракции, % [Fraction percentage, %] Плотность [Density] Содержание, масс.% [Content, wt.%] удельная, г/см3 [Specific, g/cm3] объемная, г/см3 [Bulk, g/cm3] Сумма РЗО*** [REO amount***] Nb2O5 P2O5 Sc2O3 -1+0* 100 3,42 1,55 19,8 4,00 22,5 0,062 -1,0+0,5 5,8 3,43 1,57 19,5 3,15 21,8 0,052 -0,5+0,315 14,8 3,54 1,58 20,4 3,37 19,0 0,060 -0,315+0,1 47,4 3,56 1,58 20,1 3,57 18,2 0,064 -0,1+0,045 6,8 3,55 1,62 21,6 4,00 20,8 0,078 -0,045+0 25,2 3,56 1,65 22,8 4,44 22,6 0,090 -0,020+0** 20,2 - - 22,5 4,65 22,1 0,092 * исходная проба руды (до рассева); ** выход фракции -0,020+0 мм определялся методом седиментационного анализа; *** РЗО - оксиды редкоземельных металлов [* the original ore sample (before sieving); ** output fraction -0,020+0 mm was de-termined by sedimentation analysis; *** REO - oxides of rare earth metals] Как следует из представленных данных, гранулометрический состав руды в пробе характеризуется довольно высоким содержанием частиц тонких классов, при этом массовая доля частиц с размером менее 100 мкм составляет около 80%, менее 45 мкм - около 25% и менее 20 мкм - около 20%. Соотношения классов различной крупности, а также значения плотности являются типичными для предварительно дробленных по классу -1+0 мм пирохлор-монацит-крандаллитовых руд. Минеральный и химический составы исследуемой пробы представлены в табл. 2 и 3. Минеральный состав руды месторождения Томтор [Table 2. Mineral composition of Tomtor ore deposits] Таблица 2 Наименование минерала [Name of mineral] Содержание, % [Content, %] Крандаллит [Crandallite] CaAl3(PO4)2(OH)5·H2O - Горсейксит [Gorceixite] BaAl3(PO4)(PO3OH)(OH)6 25 Гояцит [Goyazite] SrAl3(OH)4(HPO4)2(PO4) 20 Флоренсит [Florencite] (Ce,La,Nd)Al3(PO4)2(OH)6 8 Пирохлор [Pyrochlore] (Na,Ca)2Nb2O6(OH,F) 7 Бемит [Boehmite] AlOOH 4 Апатит [Apatite] Са5(PO4)3(F,Cl,ОН) 3 Монацит [Monazite] (Ce,La,Nd,Ca)(PO4) 13 Кварц [Quartz] SiO2 1 Прочие (сидерит, каолинит, рутил) [Other (siderite, kaolinite, rutile)] 19 Минералы крандаллитовой группы: горсейксит, гояцит, флоренсит 53 [Mineralsofcrandallitegroups: gorceixite, goyazite, florencite] Химический состав руды месторождения Томтор [Table 3. Chemical composition of Tomtor ore deposits] Таблица 3 № п/п Элемент (оксид) [Element (oxide)] Содержание [Content], % № п/п Элемент (оксид) [Element (oxide)] Содержание [Content], % 1 Ag <0,01 33 Nb2O5 4,0 2 Al2O3 14,4 34 Nd2O3 2,5 3 As 0,37 35 Ni 0,007 4 Au <0,003 36 P2O5 22,5 5 B 0,19 37 Pb 0,25 6 BaO 2,9 38 Pd <0,005 7 Be <0,001 39 Pr6O11 0,62 8 CaO 8,5 40 Pt <0,005 9 Cd 0,004 41 Re <0,005 10 CeO2 9,3 42 Rh <0,003 11 Co <0,001 43 Ru <0,0001 12 Cr 0,06 44 S 2,3 13 CuO 0,14 45 Sb <0,02 14 Dy2O3 0,19 46 Sc (Sc2O3) 0,04 (0,061) 15 Er2O3 0,17 47 SrO 3,7 16 EuO 0,12 48 SiO2 1,9 17 Fe 3,6 49 Sm2O3 0,39 18 Ga <0,05 50 Sn <0,01 19 Gd2O3 0,32 51 Ta2O5 0,08 20 Hf <0,002 52 Tb4O7 0,03 21 Hg <0,007 53 Tе <0,01 22 Ho2O3 0,04 54 ThO2 0,14 Окончание табл. 3 № п/п Элемент (оксид) [Element (oxide)] Содержание [Content], % № п/п Элемент (оксид) [Element (oxide)] Содержание [Content], % 23 J <0,03 55 TiO2 6,7 24 Jn <0,02 56 Tm2O3 0,01 25 Jr <0,01 57 U 0,005 26 La2O3 4,8 58 V2O5 2,1 27 Li 0,0005 59 W <0,02 28 Lu2O3 0,003 60 Y2O3 1,16 29 MgO 0,62 61 Yb2O3 0,096 30 MnO2 0,9 62 ZnO 0,42 31 Mo <0,007 63 ZrO2 0,11 32 Na 0,58 64 РЗO 19,75 Представленные в табл. 2 и 3 результаты позволяют сделать следующие заключения о вещественном составе руды месторождения Томтор. Основу руды в пробе составляют фосфаты, ниобаты и карбонаты. Основными идентифицированными минералами являются минералы крандаллитовой группы (горсейскит, гояцит и флоренсит), пирохлор и монацит, кроме того, четко идентифицированы бемит, апатит и кварц. В группу прочих минералов входят сидерит, каолинит, рутил и некоторые другие минералы. В целом, исследуемая руда относится к минеральной разновидности пирохлор-монацит-крандаллитовых руд фосфатно-редкометалльного типа с преобладанием в ее составе минералов группы крандаллита (более 50%) и относительно невысоким содержанием пирохлора (~7%). По содержанию в пробе Nb2O5 (~4%) руда по принятой классификации может быть отнесена ко второму сорту, т.е. к богатым ниобиевым рудам, содержащим от 3,5 до 9% Nb2O5. Выводы Руда месторождения Томтор является тонкодисперсным материалом, частицы которого представлены полиминеральными агрегатами (флоккулами) из микрокристаллов размером в доли микрометра, сформированными в основном полиморфными модификациями фосфатов с общей формулой (Sr,Ba,Ca)Al3(PO4)х(OH)y, в кристаллической решетке которых атомы Sr, Ba и Ca частично замещаются атомами редкоземельных элементов. По содержанию промышленно-ценных и породообразующих элементов руда не является аномальной. Руда принадлежит к пирохлор-монацит-крандаллитовой разновидности фосфатно-редкометалльного типа с относительно невысоким содержанием ниобиевых минералов и богата по содержанию минералов редкоземельных элементов. В исходной и измельченной пробах руды практически отсутствуют обособленные (раскрытые) частицы отдельных минералов ценных элементов. Проба руды характеризуется однородностью физико-механических свойств рудного материала при высокой гетерогенности минерального состава. Учитывая высокую комплексность исследуемой руды и тонкую дисперсность минеральных образований, можно сделать вывод о практической невозможности обогащения руды месторождения Томтор традиционными методами. Однако значительное содержание оксидов редкоземельных элементов (~20%) и относительно высокое содержание ниобия (~4% Nb2O5) позволяет считать перспективной и экономически оправданной переработку руды комбинированными методами пирои гидрометаллургии.

Marianna Yu Malkova

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Author for correspondence.
Email: marianna300@yandex.ru
6, Miklukho-Maklaya str., Moscow, 117198, Russian Federation

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Architecture and Construction, Peoples’ Friendship University of Russia. Research interests: metallurgy of ferrous and non-ferrous metals, nanotechnology in metallurgy, materials science, recycling of industrial waste

Alexandr N Zadiranov

Peoples’ Friendship University of Russia (RUDN University)

Email: zadiranov@mail.ru
6, Miklukho-Maklaya str., Moscow, 117198, Russian Federation

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Architecture and Construction, Peoples’ Friendship University of Russia. Research interests: metallurgy of ferrous and non-ferrous metals, nanotechnology in metallurgy, materials science, recycling of industrial waste, foundry

  • Petukhov M.A. Issledovanie processa hlorirovanija tantalito-kolumbitovogo koncentrata i sozdanie tehnologii sovmestnoj pererabotki tantalito-kolumbitovogo i loparitovogo koncetratov [A study of the chlorination process of tantalite-columbite concentrate and creation of technology of joint processing of tantalite-columbite and loparite concentrates]: Thesis abstract.. Cand. Tech. Sc. Moscow, 2010. 26 p. (In Russ.)
  • Naumov A.V. Obzor mirovogo rynka redkozemel’nykh elementov [Global rare-earth elements market overview]. Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya [Universities’ Proceedings. Nonferrous Metallurgy]. 2008. No. 1. P. 22—31. (in Russ.)
  • Chub A.V. Gibkie mnogotselevye tekhnologii glubokoi pererabotki redkoelementnogo syr’ya khlornym metodom [Flexible, multi-purpose technologies of deep processing of rare element raw materials by chlorine method]: thesis abstract.. Cand. Tech. Sc. Solikamsk, 1999. 16 p. (In Russ.)
  • Polyakova M.A. Elementnyi sostav redkozemel’nykh rud i ego vliyanie na otsenku mestorozhdenii [Elemental composition of rare-earth ores and its influence on deposits allocation]: Thesis abstract.. Cand. Geol. Min. Sc. Moscow: IMGRE Publ., 2002. 32 p. (In Russ.)
  • Arkhangel’skaya V.V., Lagonskii N.N., Usova T.Yu., Chistov L.B. Rudy redkozemel’nykh metallov Rossii [Ores of rare earth metals in Russia]. Mineral’noe syr’e. Seriya geologo-ekonomicheskaya [Mineral raw materials. Geological-economical series]. Moscow: VIMS Publ., 2006. No. 19. 72 p. (In Russ.)
  • Ekhanin A.G., Shibistov B.V., Kurbatov I.I. Resursnaya mineral’no-syr’evaya baza tsvetnykh i redkikh metallov Krasnoyarskogo kraya [Mineral resource basis of nonferrous and rare metals of Krasnoyarsk Krai]. Prirodnye resursy Krasnoyarskogo kraya [Natural resources of Krasnoyarsk Krai]. 2010. No. 8. P. 82—89. (in Russ.)
  • Mal’kova M.Yu., Zadiranov A.N. Perspektivy sozdaniya otechestvennoi redkozemel’noi promyshlennosti [Prospects for creation of domestic rare-earth industry]. Collection of reports of the VIII International Scientific and Practical Conference of RUDN “Engineering systems — 2015”. Moscow: RUDN Publ., 2015. P. 500—505. (In Russ.)
  • Litvinova T.E. Poluchenie soedinenii individual’nykh RZM i poputnoi produktsii pri pererabotke nizkokachestvennogo redkometall’nogo syr’ya [Obtaining compounds of individual REM and associated products when processing low quality rare metal raw material]. Diss. … Doct. Tech. Sc. Saint-Petersburg, 2014. 318 p. (in Russ.)

Views

Abstract - 129

PDF (Russian) - 77

PlumX


Copyright (c) 2018 Malkova M.Y., Zadiranov A.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.