Форстерит ковдорского месторождения – перспективный вид огнеупорного сырья

УДК 666.762:622.765(470.21)

ФОРСТЕРИТ КОВДОРСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ – ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ВИД ОГНЕУПОРНОГО СЫРЬЯ

Д-р техн. наук, проф. , канд. техн. наук ,

ИХТРЭМС Кольского научного центра РАН, Институт геологии Карельского научного центра РАН, Горный институт Кольского научного центра РАН

Разработана технология флотации форстерита из отходов обогатительного производства Ковдорского ГОКа. Получены форстеритовые концентраты, содержащие 50,9% MgO, 4,4-5,2% FeO, 0,6% CaO. Лабораторные технологические испытания показали, что форстеритовый концентрат может быть использован для получения огнеупорной керамики, не уступающей по качеству фаянсу.

Комплексные железные руды Ковдорского месторождения руды перерабатываются на обогатительных фабриках ОАО “Ковдорский ГОК” Технология их обогащения предусматривает последовательное выделение железорудного (магнетитового), апатитового и бадделеитового концентратов (рис.). Отходы обогатительного производства представлены, вес.%: форстеритом (38-48 вес.%), кальцитом (21-30%), флогопитом (10-11%), а также неизвлеченной частью магнетита (2,5-3%), апатита (6-6,5%), бадделеита (0,3-0,6%). Перспективы развития предприятия связаны с увеличением полноты и комплексности извлечения полезных компонентов и получением новых нетрадиционных видов продукции, одним из которых является форстерит – сырье для производства огнеупорных материалов. Таким образом, разработка и совершенствование технологической схемы получения форстеритового концентрата является актуальной научной и практической задачей

В Кольском научном центре РАН совместно с ГОК» на протяжении ряда лет проводятся исследования по разработке технологии получения форстеритового концентрата из отходов обогатительного производства. Важным аспектом этих исследований является получение концентрата заданного качества в соответствии с требованиями промышленности огнеупоров. Жесткие требования к качеству форстеритового концентрата в настоящее время не определены из-за отсутствия конкретных потребителей. По некоторым данным, сырье для производства огнеупорной керамики должно содержать: MgO 48-50 %, не более 1,5 % CaO, железа в пересчете на Fe2О%. В соответствии с техническими требованиями к форстеритовому концентрату для производства огнеупорного кирпича соотношение MgO/SiO2 должно быть не менее 1,2, Fe2O3 - не более 6%, СаО - не более 1,5%. Содержание диоксида циркония в форстеритовом концентрате не лимитируется.

Форстерит - силикат, относящийся к оливинам магнезиально-железистой серии с полной смесимостью между крайними членами Мg2SiO4 и Fe2SiO4. При этом к форстериту относится оливин, содержащий от 0 до 10 молекулярных процентов фаялита (Fe2SiO4) и от 90 до 100 молекулярных процентов Мg2SiO4. Поэтому содержание FeO в форстерите может достигать 9.8%. Форстерит Ковдорского железорудного месторождения содержит, как правило, от 3 до 8 молекулярных процентов Fe2SiO4, а количество главных окислов в чистой разности составляет в среднем: MgO - 51.2%(4, FeO-5.7% (, SiO%. Кроме Fe2+ в структуру форстерита в подчиненных количествах входят катионы Fe3+, Al3+, Mn2+, Ca2+. В процессах вторичного изменения форстерит замещается серпентином, клиногумитом, флогопитом, иногда тремолитом. Среди них преобладающее развитие по форстериту имеет серпентин Mg3(OH)4(Si2O5), где часть ионов Mg2+ изоморфно замещается на Fe2+ [1].

Анализ мономинерального форстерита, выделенного из природных типов руд Ковдорского месторождения, свидетельствует о непостоянстве его химического состава: содержание основного компонента – MgO – изменяется в пределах 47,75-52,00%. Пределы колебания содержаний CaO cоставляют 0,32-3,00%, MnO – 0,09-0,42%, SiO2 – 38,08-41,11%, FeO – 3,47-6,98%, Fe2O3 – 0,09-0,82%. Эти данные свидетельствует о принципиальной возможности его использования как сырья для производств огнеупорной керамики.

Форстеритовый концентрат может быть выделен методом флотации [2]. Установлено, что технологические показатели флотации форстерита определяются не только его особенностями (изоморфизм, серпентинизация), но и вещественным составом исходного минерального комплекса – питания флотации форстерита. Анализ технологический схемы апатито-бадделеитовой фабрики Ковдорского ГОКа показывает, что исходным питанием флотации форстерита могут быть отходы обогатительного производства, сформированные после извлечения из руды магнетита и апатита: хвосты апатитовой флотации (в наших исследованиях - пробы 1 и 2 ) и промпродукты цикла гравитационного выделения бадделеита (пробы 3 и 4).

Из минералогического анализа этого материала (табл.1) видно, что основными минералами проб 1 и 2 являются форстерит (47-52%), карбонаты (12-21%) и апатит (около 10%). В заметных количествах присутствуют флогопит (9-15%) и пироксены (7,5-9%).

Таблица 1

Минеральный состав технологических проб (вес.%)

Минералы	Проба 1	Проба 2	Проба 3	Проба 4
Форстерит	47.0	52.0	61.0	71.0
Апатит	10.0	9.0	3.5	3.0
Карбонаты	21.0	12.0	10.0	2.0
Флогопит	9.0	15.0	2.0	Сл
Пироксены	9.0	7.5	6.0	7.0
Бадделеит	0.4	0.3	4.0	3.6
Сульфиды	Сл	Сл	8.5	11.0
Гранат	Сл	Сл	3.0	Сл
Прочие	3,6	4,2	2.0	2.4
Сумма	100.0	100.0	100.0	100.0

Второстепенные минералы - бадделеит, сульфиды, гранат, встречаются в незначительных количествах, не превышающих 0,5%. В графу “прочие” вошли такие минералы как клиногумит, магнетит, амфиболы актинолит-тремолитового ряда, ильменит, циркелит и “агрегатные зерна” (смесь вторичных тонковолокнистых и тонкокристаллических агрегатов серпентина, хлорита и карбонатов, развивающихся обычно по форстериту). Преобладают среди них, как правило, клиногумит (1-1,5%) и магнетит ( до 1%), остальные встречаются в единичных зернах, либо содержание их меньше 0,5%.

Пробы 3 и 4 сложены теми же минералами, но соотношение их меняется: количество форстерита увеличивается до 60-70%, а карбонатов и апатита снижается до 2-10%. В то же время существенно возрастает содержание бадделеита (до 4%), сульфидов (до 11%) и граната (до 3%).

Технологическая схема обогащения включала основную флотацию и две перечистки чернового форстеритового концентрата. Выделенные в результате флотации форстеритовые концентраты различаются по содержаниям элементов-примесей, что существенно влияет на качество керамики. Минералогический анализ показывает, что полученные концентраты в разной степени загрязнены апатитом, гранатом, клиногумитом, карбонатами и бадделеитом (табл. 2).

Таблица 2

Минеральный состав форстеритовых концентратов (вес.%)

Минералы,	Проба 1	Проба 1	Проба 2	Проба 3	Проба 4
Форстерит	95,3	95,2	93,8	93,3	85,9
Апатит	0,9	1,1	1,1	0,5	1,3
Карбонаты	1,1	1,0	Сл	Сл	0,5
Клиногумит	1,0	0,3	0,6	0,3	1,6
Гранат	1,2	1,0	0,5	2,8	7,7
Бадделеит	0,2	0,3	0,5	2,2	1,3
Магнетит	Сл.	0,6	Сл.	0,5	Сл.
Сульфиды	Сл.	Сл.	Сл.	Сл	1,2
Пироксен	Сл.	Сл.	3,3	Сл.	Сл.
Прочие	0,3	0,5	0,2	0,3	0,5
Итого:	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0

Прочие: флогопит, ильменит, очень редко - циркелит, а также минералы,

встреченные в данной пробе в единичных зернах ( в таблице - следы ).

В соответствии с требованиями промышленности огнеупоров лимитируемыми примесями в минеральных концентратах являются железо и кальций. Качество флотационного форстеритового концентрата находится в зависимости от вещественного состава исходного материла.

Содержание двухвалентного железа во флотационных форстеритовых концентратах колеблется в пределах 4,4 –5,2% (пробы 1 и.2) и 6,2-6,9% (пробы 3 и 4).

Осуществлена попытка снизить содержание железа методом электромагнитной сепарации. Доводка концентрата электромагнитной сепарацией (табл.3) не дала положительного результата, так как содержание FeO во всех магнитных фракциях практически остается неизменным. Микроскопический анализ магнитных фракций показывает, что они практически не содержат самостоятельной железосодержащей фазы.

Таблица3

Результаты доводки форстеритового концентрата методом

электромагнитной сепарации

Продукты обогащения	Напряженность, а/м	Выход, %	Содержание, %
			MgO	FeO
Магн. фракция 1	12.5	1.8	41.2	5.6
Магн. фракция2	25.0	10.0	46.4	5.26
Магн. фракция3	37.5	31.8	49.7	5.25
Магн. фракция4	50.0	33.8	50.8	5.02
Магн. фракция5	62.5	16.3	51.1	4.85
Магн. фракция6	125.0	4.7	51.6	4.65
Немаг. Фракция	125.0	1.6	48.0	4.27
Исходный		100.0	49.86	5.07

Содержание FeO в чистых разностях форстерита колеблется в пределах 3.-7,7% [1]. Таким образом, можно утверждать, что из ковдорского сырья нельзя получить концентрат с содержанием FeO ниже этих значений.

При получении форстеритового концентрата из проб 3 и 4 (промпродукты цикла гравитационного выделения бадделеита), в которых содержится до 11% сульфидов, необходима предварительная сульфидная флотация. В противном случае содержание FeO в форстеритовых концентратах составляет 8,0- 9,6%.

Содержание оксида кальция в форстеритовых концентратах, полученных из проб 1 и 2 (хвосты флотации апатита) не превышает 1,3 - 1,4%, и привносится апатитом (включения и вростки в форстерите) и кальцитом (механическая примесь раскрытых зерен шламовых фракций).

При флотации форстерита из промпродуктов цикла гравитации (пробы 3 и 4) концентраты, кондиционные по содержанию оксида кальция, получены не были, что объясняется наличием граната до 7,7% (табл.2). Рентгеноспектральный анализ показал следующее содержание основных элементов в гранате; %: SiO2 -36,8-39,7; CaO - 29,8-35,0; Fe2O3 - 22,3-25,5; TiO2 - 3,3-5,1; Al2O3 - 2,2-2,9; MgO - 1,0-1,7; MnO - 0,05-0,13; Cr2O3 - 0,14-0,23. Наличие 5-7% примеси граната в форстеритовом концентрате привносит дополнительно около 1.0% Feобщ и 1.5-2.0% СаО.

С целью снижения содержания CaO проведена электромагнитная сепарация форстеритового концентрата (рис.2). При низких напряженностях магнитного поля до 24´104 а/м в магнитную фракцию выделяется основная часть граната. При более высоких напряженностях поля - до 40´104 а/м - в магнитную фракцию переходит форстерит. Немагнитная часть представлена в основном бадделеитом, апатитом и карбонатами. В результате доводки концентрата электромагнитной сепарацией качество его повысилось до 50.9% MgO. Содержание ZrO2 cоставило 0.2%, СаО - 0,6%, Fe2O%. По составу полученный продукт соответствует требованиям к составу сырья для производства огнеупорной керамики.

Важно отметить, что при флотации форстерита из хвостов апатитовой флотации (пробы 1 и 2) для получения кондиционного форстеритового концентрата применение доводочных операций не требуется (рис.3.).

Изучена возможность получения огнеупорной керамики на основе форстеритового концентрата. В качестве исходного материала в исследованиях использовался концентрат, состоящий на 95% из форстерита и примесей: апатита, карбонатов, клиногумита, граната. На основании литературных данных и проведенных исследований рассчитана температура полного плавления для системы альбит-форстеритовый концентрат, а также определено количество жидкой фазы в системе для каждой данной температуры. Установленные зависимости позволили выделить оптимальные области, в которых можно было ожидать получение высококачественной форстеритовой керамики.

На оптимальных составах проведены предварительные эксперименты. Сырьевая смесь с временной связкой прессовалась под давлением 20 Мпа и обжигалась по стандартной методике при разных температурах. После обжига определялись физические свойства образцов: объемная плотность, прочность, пористость, водостойкость. Некоторые результаты этих испытаний приведены в таблице 4.

Таблица 4

Некоторые физические свойства форстеритовой керамики

Соотношение Fe/Al в смеси	Температура обжига, град. С	Прочность при одноосном сжатии, Мпа	Плотность, кг/м2
Окислительный обжиг
80:20	1120	9,21	2.19
80:20	1200	82,62	2,17
45:55	1120	12,40	2.48
45:55	1150	32,63	2,30
45:55	1200	224,61	2,53
Восстановительный обжиг
60:40	1100	12,10	2,16
70:30	1100	12,44	2,22

Как видно, выбранные сырьевые смеси обладают широким интервалом спекания и позволяют получать плотный и высокопрочный черепок, не уступающий по качеству фаянсу.

Таким образом, форстеритовый концентрат, полученный из отходов обогащения Ковдорского ГОКа, может найти практическое применение в производстве ряда огнеупорных материалов. Для оценки возможностей и объемов его производства необходимо проведение маркетинговых исследований.

БИБЛИОГРАФИЯ

1.  , , и др. Каледонский комплекс ультраосновных, щелочных пород и карбонатитов Кольского полуострова и Северной Карелии. - М.: Недра, 19с.

2.  , Каменева и совершенствование технологии получения фостеритового концентрата из продуктов обогащения ГОК» // Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых и освоения подземного пространства Северо-Запада России. – Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2001. – С.124-128.

РЕФЕРАТ

Разработана технология флотации форстерита из отходов обогатительного производства Ковдорского ГОКа. Получены форстеритовые концентраты, содержащие 50,9% MgO, 4,4-5,2% FeO, 0,6% CaO. Лабораторные технологические испытания показали, что форстеритовый концентрат может быть использован для получения огнеупорной керамики, не уступающей по качеству фаянсу.

Сведения об авторах статьи

«ФОРСТЕРИТ КОВДОРСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ – ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ВИД ОГНЕУПОРНОГО СЫРЬЯ»

1. – доктор технических наук, профессор, зам директора по науке Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. Кольского научного центра РАН, автор более 100 научных публикаций

Служебный адрес. г. Апатиты Мурманской обл., ул. Ферсмана, 26а.

Тел. [phone], 79-549

E-mail: *****@***. ru

2. – кандидат технических наук, старший научный сотрудник Института геологии Карельского научного центра РАН, автор 60 научных публикаций

Служебный адрес: , Институт геологии.

Тел.(81

E-mail: *****@

3. , научный сотрудник Горного института Кольского научного центра РАН, автор 12 публикаций.

Служебный адрес: 4, Горный институт.

Тел.[phone]

E-mail: *****@***. ru