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.

Как развивается ситуация на металлургическом рынке

Говоря о конкретном предприятии, можно прийти к выводу, что не все они остаются вечными гигантами. Так как если запасы руды в определенном месте подходят к концу, то подобный завод по обработке металла закрывается, так как в нем более нет нужды. Также завод могут перепрофилировать на другой вид деятельности.

Многое связано с ситуацией рынка, объемы производства металлической продукции тоже зависят от того, каков спрос на рынке. Это влияет и на то, во сколько обходится обработка металла, производство новой продукции. Учитывая, что количество потребляемого металла растет, так как находят новые рудники в других странах, поэтому, например, вынужден был снизить стоимость золота, которая необходима на добычу его из залежей. Но устойчивость на международном рынке пока остается стабильной. Упомянутый завод готов к расширению своего предприятия. Так как хочется им применить лазерное оборудование.

Говоря о добыче золота, хочется сказать, что в России она увеличилась в разы. Больше всего его можно получить в Красноярском крае и Кемеровском регионе. Причем используют подобный металл не только в результате его добычи, но и при переработке лома, отходной части, очищения от примесей других металлов.

Подводя итоги, хочется сказать, что металл служит хорошим подспорьем в современном мире, так как практически все изготавливается из него. А значит, его добыча будет актуальна еще долгие годы.

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.

Как добывают руду?

Для того чтобы изготовить металл, требуется самые разные руды. Под землей их существует много видов. Например, можно сказать о:

• Медно-никелевой,
• Железной,
• Свинцово-цинковой и других.

К тому же каждая руда содержит примеси, например, железная. Из нее добывают не только железо, но также и другой металл, так как там много примесей других металлов.

Как мы уже поняли, добыча металла ведется из руды, поэтому для процесса добычи нужно применять несколько методов. Речь может идти о двух таких методах, во-первых, об открытом или карьерном и, во-вторых, о подземном или шахтном. Также существует комбинированный метод, то есть открыто-подземный. Что касается первого вида добычи руды, то она ведется прямо под открытым небом на поверхности. Для этого следует сначала подготовить все необходимое, чтобы доставать горную породу. Во время этого процесса в первую очередь от доставаемой породы отделяют земляной массив, потом породу рыхлят, чтобы извлечь руду, отделив ее от всего остального. Возможна добыча из скал, в этом случае применяется буро-взрывная работа.

Для того чтобы взорвать скалу берут гранулит, гранулированный аммиачно-селитренный гранулит и водонаполненный ВВ. Добыв руду, все грузят в транспорт, используя подъемно-транспортный механизм. Потом ненужная земля отвозится на поля, где она культивируется.

Что же касается подземной работы, то верхняя часть земли не трогается. На ней можно осуществлять постройки, засаживать поля. Но капают глубоко под землей. Хотя открытый метод очень популярен, но львиную долю полезных ископаемых добывают именно под землей. Для этого месторождение нужно для начала вскрыть, потом их вынуть, этот процесс похож на открытый метод. Затем наступает очистная работа, она в том заключается, чтобы вынуть сырье валовым методом, можно это делать и по отдельности, то есть используется селективная выемка. Именно так железную руду и другие ископаемые можно добыть из-под земли.

Для добычи руды пользуются тяжелой техникой, но это не все в современном мире, так как для обнаружения залежей пользуются компьютерными технологиями, которые позволяют обнаружить, спланировать, спроектировать будущие работы.

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.

Химический состав

Свойства железной руды, ее ценность и характеристики напрямую зависят от ее химического состава. Железная руда может содержать различное количество железа и других примесей. В зависимости от этого выделяют ее несколько типов:

• очень богатые, когда содержание железа в рудах превышает 65%;
• богатые, процент железа в которой варьируется в диапазоне от 60% до 65%;
• средние, от 45% и выше;
• бедные, в которых процент полезных элементов не превышает 45%.

Чем больше побочных примесей в составе железной руды, тем больше необходимо энергии на ее переработку, и тем менее эффективным является производство готовой продукции.

Состав породы может представлять собой совокупность различных минералов, пустой породы и других побочных примесей, соотношение которых зависит от ее месторождения.

Химический состав железных руд

Состав железных руд крупных месторождений

Пустая порода также может содержать железо, но ее переработка экономически не целесообразна. Наиболее часто встречающиеся минералы представляют собой оксиды, карбонаты и силикаты железа.

Следует отметить, что в составе железистых пород может содержаться огромное количество вредных веществ, среди которых можно выделить серу, мышьяк, фосфор и другие.

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.

Цветные металлы

Важное значение для промышленности имеют цветные металлы. Многие из них геохимически относят к группе халькофильных, родственных меди (халькос – медь): медь, свинец, цинк, молибден, висмут. В природе эти металлы образуют соединения с серой, сульфиды.

Отлагались минералы цветных металлов большей частью из горячих водных растворов; главными из них являются для меди халькопирит – золотистый минерал, борнит – лиловатый минерал, постоянный спутник халькопирита, а также черный сажистый халькозин, который встречается в верхней части многих медных месторождений.

Медные руды

Месторождения меди весьма разнообразны. В последние годы очень большое значение приобрели бедные вкрапленные руды так называемого порфирового типа, которые залегают часто в вулканических жерлах. Они были образованы из горячих растворов, поступавших из глубоких магматических очагов. Запасы таких руд огромны, особенно в Южной и Северной Америке.

Большое значение имеют также пластовые залежи медных руд, образованные при вулканических извержениях на дне морей. Это так называемый колчеданный тип, в котором медный колчедан – халькопирит – встречается совместно с железным колчеданом – пиритом.

Эти месторождения долгое время служили главным источником руд на Урале. Наконец, велика роль так называемых медистых песчаников, содержащих минералы меди. К этому типу относятся месторождения в Читинской области, а за рубежом крупнейшие месторождения Катанги в Африке.

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.

Извлечение [ править ]

Некоторые рудные месторождения в мире

Некоторые дополнительные месторождения руды в мире

Основная статья: майнинг

Базовая добыча рудных месторождений состоит из следующих этапов:

1. Поиски или разведки , чтобы найти , а затем определить степень и значение руды , где она находится ( «рудное тело»).
2. Проведите оценку ресурсов, чтобы математически оценить размер и уровень месторождения.
3. Проведите предварительное технико-экономическое обоснование для определения теоретической экономики рудного месторождения. Это позволяет на раннем этапе определить, оправданы ли дальнейшие инвестиции в оценку и инженерные исследования, а также выявить ключевые риски и области для дальнейшей работы.
4. Провести технико-экономическое обоснование для оценки финансовой жизнеспособности, технических и финансовых рисков и устойчивости проекта и принять решение о том, следует ли разрабатывать предлагаемый проект рудника или отказываться от него. Это включает планирование горных работ для оценки экономически извлекаемой части месторождения, металлургии и извлекаемости руды, товарности и платежеспособности рудных концентратов, инженерных, фрезерных и инфраструктурных затрат, финансовых требований и требований к собственному капиталу, а также анализ возможного рудника от колыбели до могилы, от первоначальных раскопок до рекультивации.
5. Разработка для обеспечения доступа к рудному телу и здание шахтного цеха и оборудования.
6. Работа шахты в активном смысле.
7. Рекультивация для создания земли на месте шахты, пригодной для будущего использования.