Руды редких металлов и элементов: виды и характеристики, способы добычи, применение

Редкометаллические руды – это геологические породы, имеющие в своём составе редкие металлы (группа в 60 элементов, мало встречающихся в природе) в чистом виде или в качестве примесей других химических элементов. Причём концентрация металлов в рудах должна быть такой, чтобы разработка месторождений была рентабельной.

Виды и характеристики

Сами редкие металлы разделены на пять больших групп:

• Лёгкие: бериллий, литий, рубидий, стронций, цезий.
• Радиоактивные: актиний, радий, торий, уран и трансурановые элементы.
• Рассеянные металлы: галлий, гафний, германий, индий, рений, селен, таллий, теллур.
• Редкоземельные: иттрий, лантан и лантаноиды, скандий.
• Тугоплавкие металлы: ванадий, вольфрам, молибден, ниобий, тантал, цирконий.

Данное подразделение весьма условно, так как с совершенствованием геологоразведки и развитием промышленности, некоторые металлы уходят из разряда редких элементов. Само понятие «редкости» говорит об их незначительном использовании. Однако новые прогрессивные технологии коренным образом меняют ситуацию.

Источниками получения редких металлов могут служить месторождения, высокоминерализованные воды, рапа солёных озёр, россыпи, а также побочная продукция или отходы основных производств. Редкометаллические руды можно подразделить на непосредственно богатые редкими элементами, и руды других элементов, в которых редкие минералы присутствуют как примеси. Среди комплексных руд можно выделить:

• вольфраммолибденовые,
• титан-ниобий-тантал-редкоземельные,
• уран-ванадиевые,
• литий-цезиевые,
• цирконий-ниобиевые.

Примерами непосредственно руд редких металлов являются:

• Литиевые руды – это сподумен, амблигонит, лепидолит, циннвальдит, петалит.
• Бериллиевые руды – берилл, бертрандит, фенакит.
• Титановые руды – ильменит, рутил, ильменорутил, перовскит, сфен.
• Циркониевые руды – бадделит, циркон.

Важные рудные минералы [ править ]

• Акантит (охлажденный полиморф аргентита ): Ag 2 S для производства серебра.
• Барит : BaSO 4
• Боксит Al (OH) 3 и AlOOH, высушенный до Al 2 O 3 для производства алюминия
• Берилл : Be 3 Al 2 (SiO 3 ) 6
• Борнит : Cu 5 FeS 4
• Касситерит : SnO 2
• Халькоцит : Cu 2 S для производства меди.
• Халькопирит : CuFeS 2
• Хромит : (Fe, Mg) Cr 2 O 4 для производства хрома.
• Киноварь : HgS для производства ртути.
• Кобальтит : (Co, Fe) AsS
• Колумбит — Танталит или Колтан : (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6
• Галенит : PbS
• Самородное золото : Au, обычно связанное с кварцем или россыпными месторождениями.
• Гематит : Fe 2 O 3
• Ильменит : FeTiO 3
• Магнетит : Fe 3 O 4
• Малахит : Cu 2 CO 3 (OH) 2
• Молибденит : MoS 2
• Пентландит : (Fe, Ni) 9 S 8
• Пиролюзит : MnO 2
• Шеелит : CaWO 4
• Сперрилит : ПТС 2 для производства платины
• Сфалерит : ZnS
• Уранинит ( настуран ): UO 2 для производства металлического урана.
• Вольфрамит : (Fe, Mn) WO 4

Способы добычи

Открытый

Так как значительные запасы редких металлов сосредоточены в земной коре, подверженной выветриванию и россыпях, то наиболее распространённым способом их добычи является открытый способ. Для освоения россыпных месторождений часто применяется драга – плавучий горно-обогатительный комплекс.

В случае карьерных залежей производится комплекс геологоразведочных, вскрышных, землеройных и транспортных работ с последующим обогащением. Естественно, это связано с большими затратами и вредным влиянием на окружающую среду.

Закрытый

Шахтный способ добычи не утрачивает своих позиций в списке методов извлечения таких полезных ископаемых, какими являются руды редких металлов. Обычно его применяют, когда возникает необходимость изъятия дорогостоящих пород из земных недр, залегающих на глубинах до полукилометра и более.

В противном случае добыча будет нерентабельна, так как не покроет расходы на строительство шахты и эксплуатацию дорогостоящего оборудования.

СОДЕРЖАНИЕ

• 1 Рудные месторождения 1.1 Классификация 1.1.1 Гидротермальные эпигенетические отложения
• 1.1.2 Гидротермальные источники, связанные с гранитом
• 1.1.3 Магматические отложения
• 1.1.4 Отложения вулканического происхождения
• 1.1.5 Метаморфно переработанные отложения
• 1.1.6 Карбонатитово-щелочно-магматические породы
• 1.1.7 Осадочные отложения
• 1.1.8 Осадочные гидротермальные отложения
• 1.1.9 Руды, связанные с астроблемами

Технология обогащения

Сырьё, из которого извлекаются редкие металлы и элементы обычно содержат в себе десятые, а то и тысячные доли процента необходимых материалов.

Подготовительный процесс

Дробление и измельчение позволяют отделить добываемые минералы от пустой породы. В результате получается продукт приемлемой для дальнейшей переработки формы с заданной концентрацией добываемого металла.

В случае трудностями с обогащением (урановые руды или ряд других полезных ископаемых) применяют гидрометаллургические способы извлечения металлов. Для ряда ценных минералов крупноразмерной фракции используется ручная разработка руды на транспортёре.

Основной процесс

Основной процесс обогащения представляет собой механические, физические и химические процессы, целью которых является получение концентрата (продукта обогащения руды, обладающего повышенной концентрацией необходимого минерала) и отходов.

В случае переработки руд редких металлов применяют следующие виды обогащения:

• Дробление с последующей обработке на грохоте основано на разной степени твёрдости полезных и пустых пород.
• Скольжение нужных минералов по наклонной плоскости со скоростью отличной от неиспользуемых материалов.
• Гравитационное обогащение – принцип действия этого метода базируется на разной скорости падения зёрен минералов в газообразной или жидкой среде.
• Флотационное обогащение, – в основу которого положено изменение смачиваемости поверхности под воздействием флотореагентов.
• Магнитное обогащение разделяет материалы по их магнитным свойствам.
• Электростатическое обогащение основано на использовании различии электрических свойств минералов.

Вспомогательный процесс

Технологические процессы, способствующие проведению основных процессов переработки, носят название «вспомогательных».

Непосредственно из руд получить редкие металлы не представляется возможным. На выходе целого ряда сложных процессов основной переработки имеются лишь оксиды и соли. Конечных потребителей это, естественно, не устраивает, так как им требуются металлы высокой степени очистки.

Для решения этой проблемы применяют методы обогащения, суть которых заключается: в разложении, создании соединений нужной чистоты, получении технически чистого металла или сплавов с его наличием в их составе, рафинировании металла, получении слитков или изделий с одновременным формированием нужной физико-химической структуры. В основе этих методов лежат гидрометаллургические, химические и пирометаллургические процессы.

Как устроен металл

Каждый металл в своей структуре имеет элементы, связанные между собой химической связью. Между данными частицами электроны практически отсутствуют, к тому же у них с центром атом внешне слабое взаимодействие. При этом атомы металла соединены в правильную решетку. Так, что в случае проведения мысленной линии через ядра элементов, можно получить идеальный порядок, который подвластен геометрии, при этом между отдельными атомами расстояние у разных представителей металла разное. Это связано с тем, какая у них температура или давление.

Сфера применения

Производство и потребление редких металлов и элементов растёт с каждым годом. Особую потребность в них испытывают самые перспективные отрасли науки и техники.

Радиоэлектроника

Саму основу полупроводниковых приборов составляют такие химические элементы, как галлий, германий, индий, селен, теллур. В современных мобильных устройствах насчитывается порядка двух десятков редкоземельных металлов. Стоящие на каждом рабочем столе дисплеи мониторов содержат в своём составе европий, иттрий, тербий. На базе ниобия созданы сверхпроводящие материалы. Создание современной электронной лампы невозможно без бериллия, вольфрама, молибдена, циркония и тория.

Приборостроение

Очень широкое применение редкие металлы находят в приборостроении. Это, прежде всего рубидий и цезий – наиболее востребованные материалы при производстве фотоэлементов. Кроме того из редких металлов изготавливают сверхмощные магниты, электровакуумную технику, люминесцентные лампы, солнечные батареи. Множество современных технических средств содержит в своём составе драгоценные материалы: платину, золото, серебро, иридий, палладий, родий. Радиоактивные металлы широко используются в изготовлении приборов для научных исследований и медицины.

Атомная техника

Использование явления радиоактивности в своё время послужило основой создания ядерной энергетики. Реакторы современных атомных электростанций, ледоколов, атомных подводных лодок работают на уране. Кроме того в атомной технике достаточно широко используются: бериллий, цирконий, гафний, ниобий, тантал, ванадий и литий. И это – далеко не предел. Современные исследования термоядерных реакций, а в перспективе и создание новых атомных установок в самых различных отраслях потребуют всё большего привлечения редких минералов и элементов.

Машиностроение

Современное машиностроение имеет в своём арсенале более 60 металлов и тысячи сплавов. Значительную часть из них составляют редкие металлы. Очень часто они выступают в качестве важных добавок в составе сплавов. Именно благодаря таким добавкам, создаются высокопрочные соединения, устойчивые к высоким температурам, химическому и механическому воздействию, коррозии.

Сфера применения редких металлов в машиностроении всеобъемлюща. Они встречаются всюду: начиная от нано технологий – до изготовления космических аппаратов и гигантских судов.

Химическая промышленность

Химическая отрасль немыслима без использования редких металлов и их соединений. Они повсюду: в технологическом оборудовании, среди контрольно-измерительных приборов и непосредственно в самих химических процессах. С помощью катализаторов из редких металлов сегодня мы получаем сахар, спирт, щавелевую кислоту, производим разнообразные виды топлив и технологическое сырьё.

Металлургия

Именно металлургия служит основным проводником редких металлов во все отрасли мирового хозяйства. Ведь лишь благодаря самим металлургическим процессам и получаются готовые изделия этих химических элементов. Но это далеко не всё. Важную роль играют эти минералы и в производстве чёрной и цветной металлургии, позволяя получать металлы и сплавы с заранее заданными свойствами.

На какие типы делятся металлы

Можно выделить две основные группы, на которые делятся металлы. Это связано с тем, где их применяют, то есть речь идет о черных и цветных металлах. Само название уже говорит о том, что отличаются данные типы металлов своим цветом. Но есть и другие свойства, которые служат отличительной чертой между этими двумя группами. Например, черный металл обычно отличается твердостью и плотностью, что же касается цветных металлов, то они отличаются пластичностью и мягкостью. Черный металл включает железо, к которому относят и сплавы, марганец, в эту группу еще входит хром. Практически на все свои сто процентов, если быть точнее, то на девяносто, они используются в промышленности. Из них можно изготовить чугунные и стальные производные. Для того чтобы изготовить эти составляющие применяют сплав углерода и железа, только используют разное соотношение. В стали меньше углерода, чем в чугуне. Если говорить в процентном соотношении, то не больше, чем 2,14 процента. Правда, данное соотношение процентов может меняться от сплава к сплаву. Например, бывает такая сталь, в которой углерода меньше, чем один процент. Для этого следует так кипятить смесь металла, пока углерод не испарится, достигнув необходимого процента.

Что же касается цветных металлов, то к ним относится очень много добываемой руды. Можно сказать, что это оставшиеся нежелезные металлы, речь идет о меди, алюминии, никеле, свинце, цинке, олове и множестве других. При этом этот тип металлов делится еще на две составляющие. Мы говорим как о легком, так и о тяжелом металле. При изготовлении как первой, так и второй группы затрагивается большое количество энергии. Если работа ведется с легкими металлами, то на них ее расходуется больше. Легкие металлы касаются магния, алюминия, титана, а тяжелые связаны со свинцом, оловом, медью, никелем, цинком. Как уже было отмечено, процесс производства цветных металлов имеет двойную специализацию, которая отличается одна от другой в сфере промышленности. Именно поэтому промышленность решили разделить на две части. Это тяжелая и легкая металлургия. При этом в первом случае заводы находятся поближе к сырью, а во втором поближе к источнику дешевой энергии.

Месторождения в России и мире

Редкометальные месторождения разнообразны по своей природе и встречаются во многих странах мира. Так, крупнокристаллические породы – пегматиты, богатые бериллом, литием и танталом, цезием и рубидием залегают на территориях следующих месторождений:

• Берник-Лейк – Канада.
• Бикита – Зимбабве.
• Карибиб – Намибия.
• Гринбушес – Австралия.
• Коктогай – Китай.

Накопленные в россыпях танталитовые минералы до сих пор добываются наполовину ручным старательским способом на африканском континенте: в Бурунди, Конго, Нигерии и Руанде.

Карбонатиты – продукты кристаллизации глубинных слоёв, ставшие главными источниками ниобия и редкоземельного сырья, были обнаружены и освоены в Бразилии (Араша) и на территории США (Маунтин-Пасс). Позже к ним присоединились: Сент-Оноре в Канаде, Томторское месторождение в Якутии (Россия), Сейс-Логос в Бразилии.

Также разведаны богатейшие месторождения карбонатитов в Китае (Баюнь-Обо) и в Австралии (Маунт-Уэлд). Последнее отличается высочайшей концентрацией полезных ископаемых.

На территории России расположено достаточно крупное месторождение лопарита на Кольском полуострове. Также имеются залежи редкометальных щелочных гранитов в Катугинском (г. Тува) и Улук-Танзекском (Читинская область) месторождениях.

В целом можно констатировать, что количество мировых месторождений (число которых постоянно растёт) редких металлов вполне способно обеспечить их потребность на многовековую перспективу.

Рудные месторождения [ править ]

Основная статья: Классификация минеральных ресурсов

Рудное месторождение — это экономически значимое скопление полезных ископаемых во вмещающей породе. Это отличается от минеральных ресурсов в соответствии с критериями классификации минеральных ресурсов. Рудное месторождение — это одно месторождение определенного типа руды. Большинство рудных месторождений названы в соответствии с их местонахождением (например, Витватерсранд, Южная Африка), или в честь первооткрывателя (например, никелевые отростки Камбальды названы в честь бурильщиков), или по какой-то прихоти, исторической личности, видного человека, чего-то еще. из мифологии (феникс, кракен, серепентлеопард и т. д.) или кодовое название ресурсной компании, которая его нашла (например, MKD-5 было внутренним названием месторождения сульфида никеля на горе Кейт ).

Классификация [ править ]

Основная статья: рудогенез

Рудные месторождения классифицируются в соответствии с различными критериями, разработанными на основе изучения экономической геологии или рудогенеза . Приведенные ниже классификации являются типичными.

Гидротермальные эпигенетические отложения [ править ]

• Мезотермальное
  рудное месторождение золота, типичное пример которых является Golden Mile , Калгурлите
• Архейский конгломерат содержал золото-урановые месторождения, типичные для озера Эллиот , Онтарио, Канада и Витватерсранд , Южная Африка.
• Месторождения золота карлинского типа , в том числе;
• Эпитермальные
  жильные отложения штокверк

Гидротермальные источники, связанные с гранитом [ править ]

• IOCG или месторождения оксида железа, меди и золота , типичным примером которого является месторождение Cu-Au-U на Олимпийской плотине.
• Медно-порфировые +/- золото +/- молибден +/- месторождения серебра
• Связанные с интрузией медь-золото +/- (олово-вольфрам), типичным примером является месторождение Надгробие, Аризона.
• Гидромагматические месторождения железных руд магнетита и скарнов
• Скарновые рудные месторождения меди, свинца, цинка, вольфрама и т. Д.

Магматические отложения [ править ]

• Магматические никель-медно-железо-платинные месторождения, в том числе Накопление ванадисодержащего или платиносодержащего магнетита или хромита
• Кумулятивные месторождения твердого титана ( ильменита )
• Коматиит вмещал месторождения Ni-Cu-PGE
• Подтип субвулканического питателя, представленный Норильск-Талнахом и поясом Томпсона , Канада.
• Связанный с интрузией Ni-Cu-PGE, типичным примером которого является Voisey’s Bay , Канада, и Цзиньчуань , Китай

Отложения, связанные с вулканизмом [ править ]

Разрез типичного вулканического месторождения массивных сульфидов | вулканогенных массивных сульфидов (VMS).

• Вулканический массивный сульфид (VHMS) Cu-Pb-Zn, включая; Примеры включают Teutonic Bore и Golden Grove, Западная Австралия. Тип Бесши
• Тип Куроко

Метаморфически переработанные отложения [ править ]

• Парамагматические месторождения оксида железа — хромита с подиформными серпентинитами , типичными для которых являются Сэвидж Ривер, железная руда Тасмании , месторождение хромита Кубина
• Broken Hill Type Pb-Zn-Ag, относящийся к классу переработанных месторождений SEDEX.

Карбонатитово-щелочные магматические породы [ править ]

• Фосфор- танталит — вермикулит ( Фалаборва, Южная Африка )
• Редкоземельные элементы — гора Велд , Австралия и Баян Обо , Монголия.
• Диатрема содержала алмаз в кимберлите , лампроите или лампрофире

Осадочные отложения [ править ]

Увеличенное изображение образца полосчатой ​​формации железа из Верхнего Мичигана. Масштаб 5,0 мм.

• Железорудные месторождения полосчатых железных формаций , включая Месторождения руслового железа или железная руда типа пизолита

Осадочные гидротермальные отложения [ править ]

• SEDEX Свинец — цинк — серебро , типичным примером которого являются Red Dog , McArthur River , Mount Isa и т. Д.
• Стратиформная медь, содержащая аркоз и сланец, типичным примером является замбийский медный пояс.
• Стратиформный вольфрам , характерный для Рудных месторождений, Чехословакия.
• Exhalative spilite- кремней принимал месторождения золота

Руды, связанные с астроблемами [ править ]

• Никель и медь бассейна Садбери , Онтарио, Канада

Образование железной руды

По происхождению в природе можно классифицировать полезные для человека железосодержащие минералы на несколько основных групп:

1. Магматогенные образования — формируются под воздействием высоких температур.
2. Экзогенные — зародились в речных долинах в результате осадков и выветривании горных пород.
3. Метаморфогенные — образуются на базе старых осадочных месторождений от высокого давления и жара.

Эти группы в свою очередь делятся на многочисленные подвиды.