1.2. Магнетит

1.2.1. Характеристика магнетитовых руд

В связи с широким развитием тяжелосредного обогащения твердых горючих ископаемых (уголь, антрацит) важное значение приобретает выбор магнетитовых концентратов, применяемых в качестве утяжелителей для приготовления суспензий.

Качество магнетитовых концентратов определяется как технологией обогащения, так и качеством железистых магнетитовых руд.

Железистые магнетитовые руды, сформировавшиеся в различных геологических условиях, отличаются разнообразием минерального состава, текстурно-структурным строением, физических свойств, которые определяют технологические параметры обогащения для каждой руды.

Основной рудный минерал магнетитовых руд – магнетит, подчиненное значение могут иметь гематит, мартит^*, пирротин, пирит, халькопирит, кобальтин, сфалерит, галенит, марказит, арсенопирит.

В чистом магнетите (FeO · F₂O₃) содержится 72,4 % железа, стехиометрическое соотношение двухвалентного и трехвалентного железа 1:2, плотность 4900–5200 кг/м³, твердость по шкале Мооса – 5,5–6,0 единиц. Природные магнетиты отличаются существенным содержанием примесей различных элементов и соответственно сложным химическим составом. Содержание железа в них изменяется в широких пределах.

Условно месторождения магнетитовых руд делят на две группы: с относительно чистым магнетитом и с магнетитом, содержащим изоморфные и дисперсные примеси. Например, в рудах, добываемых горно-обогатительными комбинатами Криворожского бассейна и КМА, имеющих осадочно-метаморфическое происхождение, собственно магнетита присутствует от 29,4 до 40 %, гематита (мартита) – от 1,5 до 7,0 %. Содержание железа колеблется от 31,1 до 35,6 %.

В магнетитовых рудах контактово-метасоматического и гидротермального происхождений (горно-обогатительные комбинаты Соколовско-Сарбайский, Азербайджанский, обогатительные фабрики «Абагурская», «Мундыбашская», «Высокогорная», «Лебяжинская», «Гороблагодатская», «Магнитогорская», «Северо-Песчанская») собственно магнетита присутствует от 29,6 до 59,1 %, гематита (мартита) – от 0,5 до 3,6 %. Содержание железа колеблется от 29,9 до 46,9 %.

Магнетитовые руды того же происхождения, добываемые и обогащаемые Ковдорским ГОКом, относятся к магномагнетитам [(Fe, Mg)O · Fe₂O₃]. В них содержание собственно магнетита составляет 44 %, железа 28,2 %.

Руды Коршуновского ГОКа квалифицируются как титаномагнетитовые (FeO · F₂O₃ + FeO · TiO₂) и содержат изоморфные примеси титана, магния, алюминия, кальция. Содержание магнетита составляет 34,0 %, гематита (мартита) – 4 %, железа – 28,7 % Понижение содержания железа объясняется также дисперсной вкрапленностью нерудных минералов (от 5 до 15 %), которые практически невозможно отделить от магнетита.

Гематито-магнетитовые руды добываются и обогащаются на Оленегорском (Мурманская обл.) и Михайловском (КМА) ГОКах, а также на Магнитогорском комбинате. Эти руды содержат от 12 (Магнитогорская фабрика) до 32,6 % (Михайловский ГОК) магнетита и соответственно от 8,7 до 16,5 % гематита и мартита. Содержание железа изменяется от 32,1 (Оленегорский ГОК) до 38,5 % (Михайловский ГОК).

Значительное содержание в гематито-магнетитовых рудах самостоятельно вкрапленных зерен гематита либо сростков гематита с магнетитом является препятствием для использования концентратов, полученных из этих руд, в качестве утяжелителей при тяжелосредном обогащении угля.

По химическому составу (%) магнетитовые кварциты осадочно-метаморфического происхождения, поступающие на горно-обогатительные комбинаты Криворожского бассейна и Курской магнитной аномалии (табл.1.4), отличаются сравнительно высоким содержанием железа и окиси кремния, по минералогическому (%) (табл. 1.5) характеризуются большим количеством магнетита и кварца. На ряде ГОКов обогащается магнетитовая руда, в которой содержится 5–7% гематита (Южный, Лебединский и Северный горно-обогатительный комбинаты). Из нерудных компонентов в необогащенной руде присутствует значительное количество слюды, что характерно для всех ГОКов, обрабатывающих магнетитовые кварциты. Иногда в магнетитовых кварцитах отмечается существенное содержание сидерита (ЮГОК – 5,7 %, Криворожский центральный ГОК – 11,2 %, Новокриворожский ГОК – 11,0 %). Низкое содержание серы и фосфора (кроме руд некоторых месторождений, в которых серы бывает от 0,16 %, а фосфора – до 0,1 %) является ценным свойством магнетитовых кварцитов.

Таблица 1.4

Химический состав магнетитовых руд

Таблица 1.5

Минералогический состав магнетитовых руд

Физические свойства магнетитовых кварцитов – плотность, объемная масса, пористость – зависят от содержания железа. При увеличении содержания железа от 20 до 40 % плотность возрастает с 3190 до 3820 кг/м³, объемная масса – с 3060 до 3480 кг/м³, пористость – с 4,0 до 9,1 %.

При обогащении измельченных кварцитов содержание железа в концентрате зависит от его крупности. Так, например, при измельчении до <74 мкм содержание железа составляет 61,2-67,7 %, а при измельчении <50 мкм – 64,1-69,8 %.

Основным железорудным минералом скарновых руд является магнетит, в небольших количествах присутствуют гематит и мартит. Эти руды отличаются значительным количеством сульфидов в виде пирита и пирротина, в которых содержатся титан, ванадий, кобальт, иногда цинк, свинец, медь. Плотность скарновых магнетитовых руд составляет 3100–3400 кг/м³, они менее абразивных, чем магнетитовые кварциты. При обогащении этих руд, измельченных до крупности <74 мкм, содержание железа в концентрате в зависимости от вкрапленности колеблется от 62 % (весьма тонковкрапленные руды – размер вкраплений магнетита 1-10 мкм) до 67 % и более (крупновкрапленные руды – размер вкраплений магнетита 50 мкм – 10 мм).

Магномагнетитовые руды характеризуются высоким содержанием окиси магния и практическим отсутствием кварца. Содержание железа в них ниже, чем в магнетитовых кварцитах и скарновых рудах. Сернистые соединения либо отсутствуют, либо находятся в небольших количествах, отмечается существенное содержание фосфора, связанного с апатитом. Плотность руды зависит от содержания железа и колеблется от 3250 до 4600 кг/м³.

Важнейшей технологической характеристикой железных руд, от которой зависит глубина их измельчения на ГОКах, является размер вкраплений рудных и нерудных минералов. Отмечается постепенное увеличение размеров вкраплений (от пылевидных до сплошных) по мере роста содержания в руде железа.

Для магнетитовых (гематитовых) руд характерна тонкая слоистость, связанная с чередованием рудных, нерудных и смешанных слоев. При этом мощность слоев изменяется в широких пределах – от 0,1–2 мм до десятков миллиметров. Слой представлен вкраплениями рудных, нерудных и смешанных частиц, находящихся в нем в виде зерен, сростков и агрегатов. В магнетитовых рудах средние размеры зерен – 0,1 мм, агрегатов – 0,32 мм, нерудных зерен – 0,02 мм, агрегатов – 0,07 мм, смешанных зерен – 0,03 мм, агрегатов – 0,08 мм.

Для отдельных бассейнов размер включений колеблется в значительных пределах.

По крепости магнетитовые руды относятся по большей части к плотным и обладают коэффициентом твердости по шкале проф. М.М. Протодьяконова от 6 до 16 единиц, однако имеются и преимущественно рыхлые руды (например, частично руды Коршуновского месторождения), для которых коэффициент твердости составляет 2–6 единиц.

Магнетитовые руды относятся к сильно магнитным (ферромагнетикам), тогда как гематитовые и мартитовые руды – к слабомагнитным. Вмещающие породы, например, такие как кварц – немагнитные.

1.2.2. Требования к магнетитовым концентратам – утяжелителям суспензии

Гранулометрический состав

В качестве критериев крупности магнетитовых концентратов служит обычно содержание одного или двух классов, определяющих их характерный гранулометрический состав.

В СССР и в странах СНГ до настоящего времени в угольной промышленности существует классификация магнетитовых утяжелителей по трем классам крупности с разделением на три сорта (табл. 1.6) [13].

Следует отметить недостаточную четкость отечественной и зарубежной классификаций из-за наличия нескольких критериев крупности (выход определенных классов), а также несоответствие фактического гранулометрического состава, применяемых на практике утяжелителей, диапазонам крупности, принятым в классификациях.

Таблица 1.6

Классификация магнетита по сортам

Магнитные свойства. Наряду с крупностью, важнейшей физической константой, определяющей выбор магнетитового концентрата в качестве утяжелителя, является его магнитная характеристика.

Наличие в магнетитовых рудах примесей слабомагнитных компонентов (в первую очередь, гематита и мартита, в также сопутствующих пород) ухудшает их магнитные свойства. Магнетитовые концентраты, получаемые после многостадийного измельчения и магнитного обогащения, обладают ярко выраженными магнитными свойствами, зависящими от химического состава руды, строения кристаллической решетки, крупности, насыпной массы и др. Однако их магнитные константы менее контрастны, чем у чистого магнетита.

Наиболее часто для характеристики магнитных свойств магнетитовых утяжелителей пользуются величиной магнитной проницаемости. Абсолютная магнитная проницаемость μ – физическая величина, характеризующая магнитную индукцию, т. е. результирующее магнитное поле при воздействии внешнего магнитного поля. Это отношение магнитной индукции В к магнитному потоку Н. Магнитная проницаемость связана с магнитной восприимчивостью, т. е. способностью вещества менять магнитный момент (намагничиваться) под действием внешнего магнитного поля

т. е. магнитная индукция, связана с напряженностью внешнего магнитного поля и намагниченностью вещества.

Предложено магнитные свойства магнетитовых утяжелителей характеризовать величиной условной магнитной проницаемости μ_ус, измеряемой в долях единицы от значения магнитной проницаемости эталонной пробы чистого магнетита, для которого μ_ус =1.

Измерение условной магнитной проницаемости осуществляется с помощью специального прибора-компаратора, состоящего из моста переменного тока с катушками индуктивности и показывающего гальванометра.

Магнетитовый концентрат считается пригодным к использованию в качестве утяжелителя, если для него μ_ус >0,7. Отечественные магнетитовые концентраты обладают высоким содержанием магнитных фракций (как правило, выше 94 %), однако в числе требований к магнетитовому утяжелителю указывается также и нижний предел содержания магнитных фракций – 90 %.

Содержание магнитных фракций в утяжелителе определяется с помощью магнитного анализатора.

При измерении условной магнитной проницаемости берется магнитная фракция утяжелителя, выделенная с помощью магнитного анализатора.

Магнитные свойства исследованных магнетитовых концентратов и содержание в них магнитной фракции приведены в табл. 1.7.

Все концентраты по магнитным свойствам и содержанию магнитной фракции отвечают требованиям, предъявляемым к утяжелителям.

Таблица 1.7

Магнитные свойства магнетитового концентрата

Плотность. В качестве утяжелителей рекомендуется применять магнетитовые концентраты плотностью 4300–4600 кг/м³ и более (примерно до 5000 кг/м³).

Плотность магнетитового концентрата является одной из важных физико-механических характеристик его как утяжелителя суспензии, так как определяет количество дисперсной фазы в суспензии заданной плотности и ее вязкость. Допустимое содержание в разделительной среде для тяжелосредных обогатительных процессов дисперсной фазы, т. е. утяжелителя, и засоряющих его угольных зерен должно быть не выше 32 %. Магнетитовые концентраты плотностью 4300–5000 кг/м³ обеспечивают получение разделительной среды плотностью до 2100 кг/м³, что удовлетворяет практически всем требованиям обогащения угля, антрацитов и сланцев.

Результаты измерения плотности исследованных магнетитовых концентратов следующие: Южный ГОК 4330, Соколовско-Сарбайский 4680, Лебединский 4930, Качканарский 4620, Азербайджанский 4560, Коршуновский 4355, Высокогорское рудоуправление 4440, Ковдорский 4570 кг/м³.

Таким образом, все эти магнетиты укладываются в нормативные показатели.

Определение качества магнетита осуществляется в соответствии с ДСТУ ISO 8833:2003 Магнетит для збагачення вугілля. Методи випробування [14].

1.2.3. Магнетит для обогащения угля

В настоящее время магнетит для процессов углеобогащения специально не выпускается.

Качество магнетитовых концентратов, поставляемых угольной промышленности, значительно изменилось из-за усовершенствования технологических схем измельчения и обогащения руды на ГОКах. Существенно возросло в магнетитовом концентрате содержание тонких классов и соответственно уменьшился средний размер зерна. В связи с этим увеличились потери магнетита при магнитной регенерации суспензий и с продуктами обогащения. Особенно это сказывается при обогащении углей с легкоразмокаемой породой.

В табл. 1.8 приведены потери магнетита на углеобогатительных фабриках Украины. Данные табл. 1.8 демонстрируют, что потери магнетита составляют от 1,2 до 4,9 кг/т перерабатываемого угля, что в 1,3–4,3 раза больше, чем предусмотрено нормами для обогащения крупного машинного класса в колесных сепараторах. Возросшие потери магнетита на углеобогатительных фабриках Украины, по нашему мнению, связаны в первую очередь с его гранулометрическим составом и относительной магнитной проницаемостью.

Таблица 1.8

Потери магнетита при обогащении крупного машинного класса на углеобогатительных фабриках Украины

В табл. 1.9 приведены данные качества магнетитовых концентратов, выпускаемых горно-обогатительными комбинатами Криворожского железорудного бассейна: ЦГОКа, ЮГОКа, СевГОКа, ИнГОКа, НКГОК Арселоор Миталл Стилл, а также общие требования к магнетитовому утяжелителю суспензий, применяемых для обогащения углей. При этом для сравнения взяты сорта с лучшими показателями качества магнетитовых концентратов.

Таблица 1.9

Исходные данные для сравнительного анализа

Из табл. 1.9 следует, что рассматриваемые сорта соответствуют общим требованиям к магнетиту-утяжелителю по всем показателям, кроме крупности. В современных магнетитовых утяжелителях отсутствуют сорта К и М.

Применение магнетита сорта Т вместо сортов К и М для обогащения соответственно крупного и мелкого машинных классов угля и привело к росту потерь магнетита на углеобогатительных фабриках.