Николаев А.И.
Заместитель директора Института
химии КНЦ РАН, д.т.н., проф.

Перспективы использования африкандского месторождения перовскитовых руд как сырьевой базы для обеспечения отечественной промышленности стратегическими материалами, содержащими титан и редкие металлы

1. Проблема дефицита титанового и редкометалльного сырья

Россия обладает разнообразной богатой минерально-сырьевой базой, практически не имеющей аналогов в других странах. Вместе с тем в России отмечается дефицит многих традиционных сырьевых материалов, содержащих титан, ниобий, тантал, редкоземельные металлы (РЗМ). Российская промышленность использует в основном украинский диоксид титана производства Крымского ГАК «Титан» и Сумского Объединения «Сумыхимпром». Выпускаемый украинскими заводами продукт имеет низкое качество (повышенное содержание примеси железа и, как следствие, низкая белизна). 1кг качественного импортного диоксида титана заменяет 1.3- 1.5 кг украинского диоксида титана по укрывистости краски. По белизне такие краски значительно уступают импортным краскам. Поэтому отечественная краска на украинском диоксиде титана не может вытеснить импортную краску с российского рынка из-за низкого качества по белизне [1].

Положение в стране с производством редких металлов и их соединений также неудовлетворительно. Потребность в редких металлах покрывается во многом за счет импортных материалов. А именно уровень потребления титана и редких металлов на душу населения в значительной степени определяют уровень развития промышленности страны. Т.е. производство данных продуктов рассматривается, с одной стороны, как индикатор развития промышленности, а с другой, как катализатор, способный вызвать ее ускоренное развитие.

Отсутствие отечественного производства стратегических материалов создает реальные угрозы экономической безопасности России.

2. Отечественные месторождения традиционного и нетрадиционного сырья

Большую часть сырья ведущие мировые производители получают из россыпных месторождений. Учитываемые государственным балансом коренные месторождения в нашей стране характеризуются в целом невысоким содержанием диоксида титана (7-13%), значительно уступающим рудам за рубежом (18-35%). Отечественные месторождения комплексного сырья характеризуются более низкими концентрациями титана и редких элементов и часто худшими географо-экономическими условиями разработки.

Среди разнообразного титанового и редкометалльного сырья Кольского полуострова реальные перспективы длительной промышленной эксплуатации имеют Африкандское и Ловозерское месторождения перовскитовых и лопаритовых руд. Эти месторождения, а также Хибинское месторождение апатито-нефелиновых руд, как попутный источник титансодержащего сырья - сфенового и титаномагнетитового концентратов, являются одними из крупнейших по ресурсам титана и редких металлов в России. Отмеченное сырье относится к нетрадиционным видам, т.к. оно не нашло широкого применения в промышленной переработке. Разведанные запасы данных месторождений позволяют организовать крупномасштабное производство, способное покрыть совокупные потребности всей страны в сырье и разнообразной титановой и редкометалльной продукции на длительную перспективу. Из указанного сырья перерабатывается только лопарит в ограниченном масштабе. Малые объемы переработки лопарита (~800 т/месяц) не могут удовлетворить потребности страны ни в редкометалльной, ни тем более в титановой продукции. Для получения 1 т лопаритового или сфенового концентратов требуется более 50т руды, тогда как для получения 1 т перовскитового концентрата достаточно 6 т руды.

3. Об Африкандском .месторождении перовскитовых руд

С учетом химического состава титано-редкометалльных концентратов наибольший интерес для промышленной переработки представляет Африкандское месторождение. Перовскит Африкандского месторождения содержит (мас.%): 0.64-2.50 (Nb+Ta)₂O₅, 50.8-56.8 TiO₂, 0.12-1.93 SiO², 0.15-1.30 Al₂O₃, 0.43-2.00 Fe₂O₃, до 1.44 FeO, 2.18-10.7 Ln₂O₃ (сумма оксидов РЗМ), 26.3-38.1 CaO, 0.10-2.35 Na₂O, 0.07-0.14 ThO2. По содержанию титана перовскитовый концентрат близок ильменитовому, наиболее массовому традиционному титановому сырью.

Наличие в перовските ниобия, тантала, РЗМ повышает его ценность по сравнению с ильменитом. Стратегия освоения месторождений нетрадиционного сырья должна основываться на приоритетной разработке и применении энерго- и ресурсосберегающих технологий добычи, переработки и комплексном использовании минерального сырья.

На месторождении выделены различные типы руд: крупнозернистый рудный пироксенит, амфибиоловый рудный пироксенит, рудный оливинит и пироксено-нефелиновый рудный пегматит. Разновидности руд отличаются друг от друга содержанием рудных и нерудных минералов, вкрапленностью перовскита и степенью дезинтеграции. Нерудные минералы представлены пироксеном, роговой обманкой, оливином, вермикулитом, флогопитом, нефелином, кальцитом, шорломитом.

Различные типы руд характеризуются рядом специфических особенностей, которые необходимо учитывать при разработке технологий обогащения руд и переработке получаемых при этом концентратов. Особенностями данного сырья являются следующие: Руды имеют комплексный состав и являются коренными. В отличие от россыпных месторождений, разработка коренных требует проведения буро- взрывных работ, а обогащение - дробления и измельчения руды. Полезный компонент (титан) сосредоточен и в перовските, и титаномагнетите. Эти минералы имеют различные технологические свойства и легко поддаются разделению.

Технология обогащения перовскитовых руд является более изученной и проверенной, по сравнению с технологией переработки перовскита [2]. За время опытно-промышленных испытаний обогатительной технологии (разработчик ГоИ КНЦ РАН) переработано около 30 тыс.т перовскитовой руды и получено более 5 тыс.т высококачественного перовскитового концентрата, а также 3 тыс.т титаномагнетитового концентрата. По основным лимитирующим примесям получаемый перовскитовый концентрат отвечает техническим условиям ТУ-48-04-38-72. Опытно-промышленными испытаниями была доказана возможность стабильного выпуска кондиционного перовскитового концентрата: (масс.%): TiO2 - ≥48, CaO - 34-35, (Nb, Ta)2O5 - 1.0-1.2, cумма оксидов редкоземельных элементов - 3.5-4, ThO2 - 0.1.

Африкандское месторождение перовскито-титаномагнетитовых руд разведано лишь на глубину 420 м и при этом нижняя граница месторождения не достигнута [3]. Выклинивания рудного тела не обнаружено. Условия залегания руд благоприятствуют организации открытой добычи. Месторождение связано железнодорожным сообщением с промышленными центрами страны, Мурманским и Кандалакшским морскими портами. Район обеспечен электроэнергией (Кольская атомная станция), водными ресурсами (озеро Имандра), хвостохранилищем для сброса твердых отходов. Вблизи от месторождения расположен жилой поселок.

Общие запасы руд в месторождении с учетом его изученности составляют 626.2 млн. т, в том числе по категориям: В - 38.2 млн. т руды (4.2 млн. т TiO₂), C1 - 152,4 млн. т (13.4 млн. т TiO₂), С2 - 435.5 млн. т (34.6 млн. т TiO₂). Общее количество TiO₂ в месторождении - 52.2 млн. т. Среднее содержание диоксида титана в рудах составляет 9.2%. Запасы пентаоксида ниобия, подсчитанные в пределах контуров В и С, составляют 382 тыс. т (содержание пентаоксида ниобия в руде 0.2%). Перовскит Африкандского месторождения содержит до 0.14% ThO₂. Удельная активность использованного концентрата составляла 0.8-1.4Ч 10-6 Кюри/кг. Работа с такими концентратами регламентируется «Санитарными правилами работы с радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующих излучений» [3].

Многие другие сырьевые источники редких металлов относятся к естественно-радиоактивному сырью. Например, радиоактивность лопаритового концентрата примерно в пять раз выше, чем перовскитового. Также повышенную радиоактивность имеют колумбитовый и танталитовый концентраты. Наличие в перовскитовом концентрате малых количеств примесей радионуклидов, из которых основным является торий, затрудняет использование данного сырья. Радионуклиды - словно ложка дегтя в бочке меда. Немногочисленные попытки освоения Африкандского месторождения в большинстве случаев натыкались на указанное препятствие.

4. Переработка перовскитового концентрата

Впервые судьба месторождения решалась в 60-тые годы прошлого столетия. В 1958 г. была построена обогатительная фабрика для производства перовскитового и титаномагнетитового концентратов. Мощность по перовскиту составляла до 30 тыс.т/год. Концентраты предназначались для выплавки ферротитана на Ключевском заводе ферросплавов. Результаты опытно-промышленных плавок дали отличный результат. Продукт соответствовал всем требованиям технических условий на ферротитан. Радионуклиды концентрировались в шлаковой фазе. Поскольку шлак отделяли с помощью пескоструйных аппаратов, то концентрация радионуклидов в воздухе производственных помещений существенно превышала санитарные нормы, что и явилось причиной отказа от перовскита. Сегодня в Кольском научном центре РАН разработаны эффективные методы разрушения шлаковой корки и очистки поверхности сплава под слоем воды, что полностью исключает пыление, но тогда это было еще неизвестно.

Параллельно с пирометаллургическим методом переработки перовскита разрабатывались гидрометаллургические методы переработки данного концентрата.

Основным разработчиком комплексных гидрометаллургических технологий переработки перовскитового концентрата является ИХТРЭМС КНЦ РАН [1, 3-5]. Большинство вариантов технологических схем основано на разложении концентрата минеральными кислотами - серной, азотной или соляной - с последующим разделением основных компонентов систем гидро- и пирометаллургическими методами. Схемы базируются на основе эвристических данных авторов по высокоэффективным методам кислотного разложения сырья, выделения широкой номенклатуры товарных продуктов, экстракционного разделения близких по свойствам редких металлов и известной технологии хлорной переработки высокотитанистых концентратов. Обнаруженные авторами закономерности по извлечению и разделению титана и редких металлов позволяет упростить прежние варианты технологических схем и сократить удельный расход реагентов. Важной особенностью новых схем является их ориентирование на сокращение отходов производства, более полное использование сырья, углубление его переработки и получение широкого спектра готовой продукции, в том числе с новыми улучшенными потребительскими характеристиками.

Для внедрения были рекомендованы несколько вариантов, в том числе:

- Сокращенный сернокислотный вариант, по которому разложение концентрата проводится совместно с дезактивацией, что позволяет сосредоточить радиоактивные элементы в титаногипсе (кек), сбрасываемом в отвал. Этот вариант не предусматривал выделение редких и редкоземельных элементов в виде товарных продуктов. По данному варианту получают до 1.3 т кека на 1 т перовскита. Такой кек является слаборадиоактивным отходом. Частично он может использоваться для получения строительных материалов [6]. Титан из раствора концентрируется в виде титанового полупродукта сульфата титанила моногидрата - СТМ - (TiOSO₄. Н₂О). Данная соль из лопаритового концентрата использовалась практически на всех кожевенных заводах Советского Союза в качестве экологически безопасного и эффективного дубителя кож. Синтез из СТМ пигментного диоксида титана - процесс, достаточно хорошо исследованный и опробованный в опытно- промышленном масштабе с получением продукта, соответствующего требованиям ГОСТа 9808-84 [7]. Сегодня в России производство СТМ отсутствует.

- Комплексная сернокислотная технология, по которой торий выделяется в виде концентрата для захоронения. Его количество составляет около 1% по отношению к перовскиту. Эта технология была заложена в основу опытно-промышленной установки ИХТРЭМС КНЦ РАН, строительство которой, к огромному сожалению, не было завершено из-за начавшейся в стране «перестройки». Сама технология полностью проверена только в укрупненном лабораторном масштабе. В 1982 г. ЛНПО "Пигмент" выполнено ТЭО промышленного производства 100 тыс.т/год пигментного диоксида титана и попутно редкометалльной продукции из перовскитового концентрата по сернокислотной технологии и показана его более высокая рентабельность по сравнению со Стремигородским ильменитовым месторождением Украины и другими отечественными месторождениями титанового сырья [3]. Существовал даже план реализации технологии на Приднепровском химическом заводе (г.Днепродзержинск), но завод переориентировали на производство минеральных удобрений.

- Схема комплексной азотнокислотно-сернокислотной переработки перовскита. Суть технологии заключается в азотнокислотном разложении концентрата с переводом в раствор кальция, редкоземельных элементов и тория. Титано-ниобо-танталовый остаток (~90% TiO₂) может быть использован в обмазке сварочных электродов или перерабатываться сернокислотным методом или хлорированием подобно богатому титановому шлаку или природному рутилу. Удельная активность этого продукта, по данным Института радиационной гигиены, составляет 228Th - 5.8 и 226 Ra - 2.4 пКюри/г, что близко к кларковым. Использование таких материалов не имеет ограничений по радиационному фактору. Количество твердых отходов - ториевого концентрата - составляет до 5% (от перовскита), но может быть уменьшено. В целом схема характеризуется высокими технико-экономическими показателями [3].

- Комплексная солянокислотная технология перовскита близка азотнокислотной и имеет наиболее благоприятные экологические характеристики и поэтому рекомендуется нами для проверки и реализации. По данной технологии (см. схемы на рис.1 и 2) количество ториевого кека, предназначенного для захоронения, может быть уменьшено до менее 2-х кг на 1т перовскита. В будущем возможно использование ториевого концентрата в качестве топлива на атомных реакторах нового поколения [8]. Все остальные продукты и отходы технологии нерадиоактивны. Содержание в них радионуклидов соответствует нормам на продукты, не имеющие ограничений по радиационному фактору. Гидратный титано-ниобиевый продукт (гидратный кек) - TiO₂ >90%, Nb₂O₅~2%, Ta₂O₅~0.1% - для получения пигментного диоксида титана и редких металлов целесообразно перерабатывать по хлорной технологии. Данный продукт, получаемый по солянокислотной технологии, имеет наименьшее содержание железа, что упрощает получение из него белых пигментов.

Основным отходом переработки перовскита по отмеченным схемам, помимо ториевого концентрата, является титаногипс, пригодный для производства цементного клинкера. Вместо титаногипса возможна утилизация кальция в виде нитратных или хлоридных соединений, имеющих широкие области применения, например, минеральные удобрения, средство для борьбы с обледенением дорог, буровые растворы в нефтедобыче. Однако требуются маркетинговые исследования для уточнения реальных масштабов их использования.

Основные ключевые операции вариантов технологий, представленных выше, прошли успешную проверку в укрупненном лабораторном и опытно-промышленном масштабах с использованием производственной базы КНЦ РАН, г.Апатиты, опытного производства ЛНПО «Пигмент», г.г.Санкт-Петербург и Челябинск, Приднепровского химического завода, г.Днепродзержинск, АО «Силмет», г.Силламяэ. Многолетний опыт промышленной переработки лопарита - минерала перовскитового ряда - является дополнительным доказательством жизнеспособности предлагаемых к реализации технологий перовскита.

Выход основной продукции на 1 т перовскитового концентрата по различным вариантам технологий близок и составляет в среднем:

· пигментный диоксид титана - 0.44-0.48 т,

· пентаоксид ниобия - 7.5-8.7 кг,

· редкоземельный концентрат - 25-35 кг,

· титаногипс (сбрасывается в хвостохранилище; в будущем может использоваться в составе вяжущих, в производстве наполнителей и др. областях) - 0.9-1.4 т,

· ториевый или железо-ториевый концентрат - соответственно около 2-х и до 100 кг.

Благоприятными конъюнктурными факторами освоения Африкандского месторождения являются следующие:

- отсутствие в России крупной подготовленной титановой сырьевой базы;

- потребность в сырье и готовой продукции удовлетворяется за счет импортных продуктов из Украины и стран дальнего зарубежья;

- помимо соединений титана перовскит может рассматриваться в качестве источника дефицитных редких и редкоземельных металлов.

Разрабатываемый КНЦ РАН проект имеет целью создание горно-обогатительного и химико-металлургического производства по получению и переработке перовскитового концентрата непосредственно на месте добычи руды. Проект предусматривает создание новых рабочих мест в поселке Африканда, обеспечит экономическую безопасность России в титановой и, частично, в редкометалльной промышленности, снимет социальную напряженность в поселке Африканда.

С целью исключения кризисных ситуаций, характерных для отечественной экономики в целом, в рамках проекта совместно с Институтом экономических проблем КНЦ РАН проводится углубленный анализ взаимосвязи «качество - стоимость - спрос» и создается программа его экономического развития. Программа предусматривает разработку товарно-рыночной стратегии создаваемого комплекса. Осталось найти инвесторов, готовых профинансировать богатейшее, но бесхозное месторождение. В лице специалистов КНЦ РАН они найдут благодарных сподвижников, заинтересованных в скорейшей реализации технологии.

Литература
1. Николаев А.И., Герасимова Л.Г., Лухтон М.М. и др. Экологическая характеристика технологии перовскитового концентрата. Сб.: Фундаментальные проблемы комплексного использования природного и техногенного сырья Баренцева региона в технологии строительных материалов. Материалы межд. научной конф. Апатиты. 2003. С.62-64.
2. Найфонов Т.Б., Белобородов В.И., Захарова И.Б Флотационное обогащение комплексных титановых и циркониевых руд. - Апатиты: Кольский научный центр РАН, 1994. - 156 с.
3. Калинников В.Т., Николаев А.И., Захаров В.И. Гидрометаллургическая комплексная переработка нетрадиционного титано-редкометалльного и алюмосиликатного сырья. Апатиты: Кольский научный центр РАН, 1999. - 225 с.
4. Николаев А.И., Ларичкин Ф.Д., Лухтон М.М. Проблемы комплексной переоценки освоения Африкандского месторождения перовскито-титаномагнетитовых руд // Горный журнал. 2004. №11. С.10-14.
5. Николаев А.И., Герасимова Л.Г. Майоров В.Г. и др. Исследование и разработка новых вариантов комплексной переработки титано-редкометалльного сырья Кольского полуострова гидрометаллургическими методами // Север-2003. Проблемы и решения. Апатиты. 2004. - С.186-197.
6. Гуревич Б.И. Вяжущие вещества из техногенного сырья Кольского полуострова. Апатиты: Кольский научный центр РАН, 1996. - 179 с.
7. Герасимова Л.Г. Пигменты и наполнители из природного титансодержащего сырья и техногенных отходов. Апатиты: Кольский научный центр РАН, 2001. - 96 с.
8. Котова В.М. Ториево-редкометалльное сырье и перспективы его использования в ядерной энергетике России в XXI веке. // Стратегия использования и развития минерально-сырьевой базы редких металлов России в XXI веке. Т.1. - М.: ВИМС - 2000. - С..91-99.

Журнал "СЕВЕР промышленный" № 8 2007