К проблеме практического использования вкрапленных хромовых руд Саксей-Ключевской площади массива Средний Крака (Южный Урал)

Для мировой практики в целом характерно повышение интереса к исследованиям обогащения низкоградных хромовых руд, увеличения извлекаемости полезных компонентов из хвостов обогащения и отвалов, а также комплексного использования руд [17, 18]. Потребность в хромитовом сырье в России на протяжении последних 20 лет покрывалась в основном за счет импорта [6]. В настоящее время основные запасы хромовых руд металлургического типа сосредоточены на четырех месторождениях: Аганозерском (26,5 млн т. при среднем содержании 22,65% Cr2O3), Сопчеозерском (9,5 млн т. при среднем содержании 25,68% Cr2O3), Центральном и Западном (около 5 млн т. при среднем содержании 37% Cr2O3) [14]. Большая часть руд по содержанию оксида хрома и отношению Cr/Fe относятся к низкоградным и требуют обогащения, в котором ведущая роль принадлежит гравитационным методам [1].

Приведем несколько примеров, свидетельствующих о повышении роли продуктов обогащения низкоградных хромити-тов в металлургии. В последние годы на лидирующие позиции в производстве феррохрома вышел Китай, где широко используется новая технология получения феррохрома в электродуговых печах постоянного тока (DC-furnace). В ней, в отличие от классической технологии «AC-furnace», с успехом используются тонкие хромитовые концентраты, которые не требуют предварительной агломерации [16]. Основные производители хромитового сырья также увеличивают выпуск тонких хромовых концентратов. В частности, такие концентраты на некоторых

рудниках ЮАР получают из отходов от извлечения платиноидов пласта UG-2. В Турции – одной из ведущих стран, добывающих хромиты, запасы руд составляют 26,6 млн т. при среднем содержании 20% Cr 2 O 3 и еще 400 млн т. более низкоград-ных хромититов рассматриваются как ресурсный потенциал для использования в ближайшем будущем [19]. В настоящее время в США реализуется проект «Минеральные пески Орегона» (Oregon Mineral Sands), цель которого заключается в промышленном освоении пляжевых песков Тихоокеанского побережья. Основным полезным компонентом является хром-шпинелид, хотя содержание его в песках не превышает 10%. Общее количество запасов и ресурсов по месторождениям проекта составляет 11,23 млн т. при среднем содержании 8,1% хромита (менее 5% Cr 2 O 3 ).

Приведенные выше данные показывают, что месторождения даже с очень низким содержанием Cr2O3 востребованы. В большинстве случаев они являются легко-обогатимыми при условии высокого содержания оксида хрома в рудообразующем хромшпинелиде [18]. На массивах Крака, где выделяются как минимум три перспективные хромитоносные площади (Саксей-Ключевская, Апшакская и Мало-башартовская) [12 и др.], поисковые работы проводились в недостаточном объеме. Первый этап исследований охватывает 1930-е гг. (Тиховидов, 1932; Фарафонтьев, 1937 и др.), когда была детально изучена поверхность массивов, выявлено большинство известных сегодня месторождений и рудопроявлений. После открытия уникальных месторождений Кемпирсай-ского массива все работы на массивах Крака были свернуты. Позднее, в 1970-х гг., в незначительном объеме проводились поиски хромовых руд на массиве Средний Крака (Шумихин, Радченко, 1979), а на рубеже 1990-2000 гг. силами частных компаний изучались отдельные лицензионные участки [12]. Месторождения и ру-допроявления хромовых руд массивов Крака относятся к категории низкоград- ных (5-25% Cr2O3), но представлены протяженными рудными зонами и сложены высокохромистыми рудообразующими хромшпинелидами [10, 12]. Они могут представлять определенный интерес как дополнительный источник хромитового сырья при условии подтверждения значительных объемов руд и получения положительных результатов по их обогащению.

Методика исследований

Для решения поставленной задачи были применены два подхода, имеющие целью оценить возможность обогащения руд на различных стадиях измельчения. В первом случае моделировалось получение кускового хромитового концентрата фракции –100 + 50 мм при рентгенорадиометрической сепарации (РРС). Данный метод обогащения руд применительно к нерадиоактивным полезным ископаемым стал использоваться сравнительно недавно [4, 5, 15 и др.]. Среди его основных преимуществ следует отметить следующие: 1) данная технология является «сухой», не предусматривающей расхода водных ресурсов; 2) низкая себестоимость достигается за счет исключения таких энергоемких процессов, как обезвоживание; 3) сухие технологии обогащения требуют меньших капитальных затрат, т. к. нет необходимости в строительстве сложных гидротехнических сооружений для складирования жидких отходов [2]; 4) по-кусковая сепарация на стадии предварительного обогащения позволяет отделить значительные объемы пустой породы и существенно повысить содержание ценного компонента в рудах (промежуточных продуктах) перед дальнейшей переработкой [7].

Опытно-промышленные испытания установки рентгенорадиометрической сепарации СРФ-2-100/10 проводились в пределах Апшакской площади массива Южный Крака (Апшакский и Северо-Апшакский лицензионные участки). На Ашкарской ДОФ силами ЗАО «ГДК

Хром» применялась крупнокусковая рентгенорадиометрическая сепарация фракции -100+50 мм, что позволило получать концентрат (>30% Cr 2 O 3 ) и/или промежуточный продукт (10-30% Cr 2 O 3 ) в зависимости от содержания на выходе оксида хрома. Принципиально важным результатом этих работ следует считать возможность проводить сортировку добытой горной массы с предельно низкими порогами содержания оксида хрома, вплоть до 5-7% Cr 2 O 3 , т. к. при этом практически все минерализованные куски остаются в пром-продукте (Меньшикова Т.Ф., устное сообщение).

Базируясь на этих результатах, мы поставили задачу смоделировать состав кусковых концентратов, которые могут быть получены из вкрапленных руд перспективных площадей массивов Крака. Для этого выбраны несколько наиболее представительных участков, где ранее были пройдены канавы или технологические выемки. Из одного и того же искусственного обнажения отбирались бороздовые пробы длиной не менее 2 м и серия минерализованных обломков (30-50 штук) с размером сечения не менее 50 мм. В дальнейшем все штуфы разрезались поперек полосчатости на примерно равные части. Одна часть оставлялась для изучения текстурно-структурных и минералогических особенностей, из второй части образца после измельчения отбиралась навеска для определения химического состава.

Второй подход включал оценку возможности получения тонкого гравитационного концентрата из вкрапленных руд. Для этой цели использовался материал бороздовых проб, которые отбирались из старых горных выработок 1930-х и 1970-х гг. и опытно-промышленных выемок, пройденных в начале 2000-х гг. [12]. Обогащение проводилось на винтовом шлюзе ВШ-5 в ПГНИУ (Пермь). Из исходного материала отбиралась общая навеска на определение содержания оксида хрома в бороздовой пробе, затем проба делилась на две части, которые соответственно из- мельчались до размерности -1,0 мм и -0,5 мм. Пробы более крупной фракции, кроме того, были предварительно отмучены. Перед обогащением пробы просушивались и взвешивались.

Пробоподготовка включала следующие этапы: 1) обогащение дробленого материала проб на винтовом шлюзе с получением концентрата; 2) сушка и взвешивание концентрата винтового шлюза; 3) полуколичественный минералогический анализ концентрата винтового шлюза; 4) квартование концентратов винтового шлюза и отбор навески для анализа. Содержание оксида хрома определялось рентгенофлюоресцентным методом на спектрометре VRA-30 (Германия) в ИГ УНЦ РАН (аналитики С.В. Мичурин, А.М. Мусина, Ф.Р. Валиева). Условия измерения: напряжение на аноде 30 kv, ток 30 mA, материал анода – хром. Измерение проводили в вакууме с использованием кристалла LiF 220 на аналитической линии хрома Ka1. Предел обнаружения при измерении Cr 2 O 3 составлял 0,1 %. Анализируемые пробы (5 г) предварительно истирали со связующим (ПВС-8) и прессовали при давлении 25-27 т на подложке из борной кислоты.

Фактический материал и обсуждение

В пределах рассматриваемой площади известны Ключевское и Саксейское рудо-проявления и Шатранское месторождение бедновкрапленных руд (рис.1). Месторождение Шатран расположено в юговосточной части Саксей-Ключевской площади (рис.1 б), рудовмещающими породами являются дуниты. Рудные тела представлены уплощенными линзами и пластообразными телами протяженностью до 650 м. Мощность сильно варьирует, достигая в отдельных случаях 60 м, а в среднем равна 10 м. Прогнозные ресурсы вкрапленных хромититов на Шатранском месторождении составляют более 10 млн. т. при содержании Cr 2 O 3 5-11 % (Шумихин, Радченко, 1979).

Рис.1. Строение месторождений и рудопроявлений хромовых руд Саксей-Ключевской площади массива Средний Крака (по Е.А.Шумихину, В.В.Радченко (1979) с изменениями авторов).

А (обзорная схема): 1 - вмещающие породы, 2 - габбро, верлиты, клинопироксениты, 3 - шпинелевые перидотиты и дуниты, 4 - серпентиниты; Б - Г: 1 - породы габброидного комплекса (габбро, клинопироксениты, верлиты с подчиненными серпентинитами и апогаббровыми ме-тасоматитами), 2 - преимущественно дуниты, 3 - шпинелевые перидотиты с подчиненными дунитами, 4 - серпентиниты, 5 - вкрапленные хромовые руды, 6 - дуниты с повышенной вкрапленностью хромшпинелидов, 7 - разрывные нарушения (а) и элементы залегания струй-чатости и полосчатости хромшпинелидов, 8 - скважины и их номера (а), расчистки и их номера (б), 9 - места отбора проб

В Саксейское рудопроявление (рис. 1, в) объединены мелкие месторождения, открытые в 1930-е гг. (Тиховидов, 1932;

Фарафонтьев, 1937), – Левый Саксей и Правый Саксей, которые приблизительно соответствуют рудным телам № 2 и № 3

(Шумихин, Радченко, 1979). Оруденение представлено серией параллельных (до 46) прерывистых жил врапленных хроми-титов малой мощности (0,05-0,5 м) с изменчивым содержанием хромшпинелидов (от редко- до густовкрапленных). Образованные субвертикальными хромититовы-ми жилами рудные зоны имеют субмеридиональное простирание, согласное контактам вмещающих их мощных дунитовых тел, ширина зон составляет 1-5 м. На рудопроявлении выделено два блока, в пределах которых до глубины 100 м подсчитано 864 и 680,4 тыс. т. бедновкрап-ленной хромовой руды с содержанием 10,04 и 7,3% Cr 2 O 3 соответственно.

Ключевское рудопроявление расположено в северной части Саксей-Ключевской площади (рис.1 г), хромовое оруденение приурочено к дунитам и представлено большим числом пластообразных и линзовидных тел с простиранием на северо-запад 310-330º и крутым до вертикального падением, иногда изменяющимся в пределах одного тела с северовосточного на юго-западное. Выделяются три наиболее крупных зоны – западная, центральная и восточная. Протяженность их изменяется от 300 до 1700 м, мощность от 3 до 15 м. По падению оруденение прослежено до глубины 100 м. Прогнозные ресурсы составляют 2,7 млн. т. при содержании Cr2O3 5,65-6,84% (Шумихин, Радченко, 1979). В целом для Саксей-Ключевской площади прогнозные ресурсы хромовых руд, по данным тех же авто- ров, составляют около 15 млн т. при среднем содержании 5-11% Cr2O3.

Отбор бороздовых проб был проведен из рудных тел месторождения Шатран (СК-1872; СК-1114), месторождений Левый (СК-1870) и Правый (СК-1108) Сак-сей, точки №423 (СК-423) и рудопроявле-ния Ключевское (СК-1881). Кусковые пробы, кроме указанных пунктов, также были отобраны дополнительно на Ключевском рудопроявлении (СК-1881, СК1883, СК-1886) и месторождении Правый Саксей (СК-1860). Результаты анализа бороздовых проб приведены в табл.1, из которой следует, что в среднем по рудоносным зонам оруденение бедное, полученные цифры согласуются с данными Е.А.Шумихина и В.В.Радченко (1979). Вместе с тем неоднородное распределение хромшпинелидов внутри рудоносных зон обуславливает концентрацию большей части полезного компонента в сред-невкрапленном типе обломков фракции – -100+50 мм, которые могут быть достаточно легко отделены от вмещающих дунитов методом РРС.

Основные текстурные типы хромовых руд рассматриваемой площади показаны на рис.2 и расположены по мере возрастания в них количеств рудного минерала и/или степени контрастности. Текстуры с однородным распределением зерен рудного минерала по объему имеют весьма ограниченное распространение на изученных объектах.

Таблица 1. Содержание оксида хрома в бороздовых пробах хромовых руд Саксей-Ключевской площади

№ п/п	№ пробы	Объект	Cr 2 O 3 , %	Длина борозды, м
1	СК-1870-Б	Саксей Левый	4,55	2,5
2	СК-1114-Б	Шатран	8,10	1,7
3	СК-1881-Б	Ключевское	7,98	2,5
4	СК-1108-Б	Саксей Правый	7,07	2,0
5	СК-423-Б	точка 423	6,52	2,0
6	СК-1872-Б	Шатран	5,83	3,5

Примечание : анализы выполнены рентгенофлюоресцентным методом (VRA-30) в Институте геологии УНЦ РАН, аналитики С.В. Мичурин, А.М. Мусина, Ф.Р. Валиева.

Рис.2. Текстурные особенности хромовых руд Саксей-Ключевской площади. На всех изображениях длина масштабной линейки составляет 1 см

Чаще всего подобные образцы характеризуются равномерно вкрапленной текстурой и значительно реже – массивной. В первом случае наблюдается равнозернистая структура (0,0n – 0,1 мм), размер зерна всегда возрастает к массивным рудам, и распределение становится неоднородным. Значительно больше распространены на месторождениях полосчатые текстуры хромититов, они доминируют.

Мощность чередующихся рудных и нерудных прослоев в редковкрапленных полосчатых рудах от нескольких мм до 12 см. При увеличении мощности рудных прослоев переход от них к вмещающему дуниту может происходить как постепенно, так и резко, увеличивая контрастность распределения полезного компонента в обломках. Наиболее ценными с практической точки зрения являются густовкрап-ленные и массивные хромовые руды. На изученных объектах они имеют подчиненное значение, слагая отдельные прослои внутри зон полосчатых вкрапленников.

По данным анализа кусков хромовых руд фракции –100+50 мм была составлена гистограмма (рис.3, а), на которой четко виден интенсивный максимум в интервале составов 10-20% Cr2O3 (50,6 % общего количества), отвечающих типам редко- и средневкрапленных руд по классификации Б.В.Перевозчикова [8]. По распространенности затем следуют убоговкрап-ленные руды с содержанием 5-10% Cr2O3 (16,8% общего количества) и средне-густовкрапленные с содержанием 20-30% Cr2O3 (22,1% общего количества). Весьма редко встречаются относительно богатые руды с содержанием выше 30% Cr2O3 (10,7% общего количества). Среднее содержание оксида хрома в отобранных минерализованных обломках из рудопрояв-лений и месторождений Саксей-Ключевской площади составляет 17,1%. Как следует из опытных работ ЗАО «ГДК Хром» на Северо-Апшакской площади массива Южный Крака [9], при РРС вкрапленных хромовых руд можно реализовать достаточно низкие пороги сортировки. В случае, если нижний порог концентрата будет равен 5% Cr2O3, то среднее содержание в кусковом концентрате поднимется до 18,2%.

Расчет гранулометрического состава рудных минералов был проведен в образце хромовой руды наиболее распространенного полосчатого типа (рис.2, а - г), в котором в незначительном объеме распространены участки массивного сложения. Результаты исследования приведены на графике (рис.3, б).

Рис.3. Распределение содержаний Cr 2 O 3 в предполагаемом кусковом концентрате из месторождений и рудопроявлений Саксей-Ключевской площади (А) и гранулометрический состав хромитита полосчатопетельчатой текстуры (Б). А: 1 – полная выборка, 2 – выборка с нижним порогом 5% Cr 2 O 3 ; Б: 1, 2 – количество зерен с соответствующим размером среднего сечения; 1 – вкрапленные, 2 – сплошные; 3, 4 – суммарная площадь, занимаемая зернами соответствующих средних размеров сечений; 3 – вкрапленные, 4 – сплошные. Количество изученных зерен на участках вкрапленного строения – 3770, сплошного – 3600

Отдельно подсчитывались характеристики рудных зерен на участках вкрапленного и массивного строения, граница между которыми проводилась в зависимости от того, расположены ли рудные зерна полностью в силикатной матрице (вкрапленный тип) или же образуют непрерывные агрегаты (массивный тип). В целом оба текстурных типа характеризуются мелким размером рудных зерен (ме- нее 1 мм) с преобладанием во вкрапленном типе класса +0,05 –0,2 мм (80,4%), а в массивном – класса +0,1 –0,4 мм (77,6%). Таким образом, подтверждается тенденция увеличения среднего размера зерен с ростом густоты вкрапленности, отмечаемая на многих месторождениях офиолитовой ассоциации, в частности на массивах Полярного Урала [13].

Как было указано выше, второй вариант изучения обогатимости вкрапленных хромовых руд массивов Крака включал получение тонкого концентрата из материала бороздовых проб без предварительной кусковой сепарации. Из табл. 2 видно, что исходный материал характеризовался различным содержанием оксида хрома, изменяясь от 4,55 до 8,1% при длинах борозд от 1,7 до 3,5 м. Отмучивание фракций -1,0 мм показало, что значительная часть проб представлена частицами глинистой размерности (от 31,7 до 45,67%). Содержание Cr 2 O 3 в глинистой фракции составило от 6,4 до 12,9%, что означает его увеличение по отношению к исходной пробе в 1,5-2 раза. Отмеченная особенность связана с тем, что на большинстве объектов пробы отбирались из приповерхностной зоны, где хромшпинелиды сильно выветрелые и в значительном количестве попадают в тонкий класс. Минимальное повышение концентрации хрома установлено в пробах из месторождения Левый Саксей (от 4,55 до 6,4%), где пробы отбирались из бортов технологических выемок, с глубины 6-8 м от поверхности.

Обогащение измельченного материала бороздовых проб на лабораторном винтовом шлюзе ВШ-5 показало, что концентраты наиболее высокого качества можно получить из руд месторождения Шатран и рудопроявления Ключевское. В обоих вариантах (фракции -1,0 мм и -0,5 мм) содержание Cr2O3 в концентрате составило 43,79-48,51% при достаточно низком выходе концентрата (6-12%) и значительной вариации извлечения полезного компонента (45,05-76,86%). Более низкие содержания Cr2O3 получены в концентратах из проб, отобранных на участке Саксей-ского рудопроявления (26,05-43,55%), выход концентрата варьирует от 7,92 до 15,42%, а извлечение Cr2O3 составляет 37,72-72,51%. Отношение Cr/Fe в концентратах составляет 2,5 – 4, в хвостах обогащения содержание оксида хрома варьирует от 1,8 до 4,8%.

Кроме того, на Саксейском рудопро-явлении было проведено изучение обогатимости предполагаемого промежуточного продукта, который может быть получен при предварительной крупнокусковой РРС. Исходные пробы характеризовались различным содержанием оксида хрома – от 11 до 26,4%. Обогащение фракции -1,0 мм позволило получить тонкий хромитовый концентрат с содержанием 36,4-

42,52% Cr 2 O 3 , а при обогащении фракции -0,5 мм из тех же проб получены концентраты с содержанием Cr 2 O 3 до 48% [11]. Таким образом, проведенные исследования в целом подтвердили выводы предшественников (Шумихин, Радченко, 1979) о хорошей обогатимости вкрапленных руд Саксей-Ключевской площади, а также показали необходимость применения крупнокусковой рентгенорадиометрической сепарации на предварительной стадии. Следует отметить, что перспективы рассмотренной площади не ограничиваются тремя указанными объектами. Точки рудной минерализации и рудопроявления отмечаются на простирании всех известных хромитоносных зон [12].

Таблица 2. Результаты обогащения проб вкрапленных хромовых руд Саксей-Ключевской площади

№ п/п	№ пробы	Объект	Мас.% Cr 2 O 3 в исходной пробе	Выход концентрата, мас. %	Мас.% Cr 2 O 3 в концентрате	Извлечение Cr 2 O 3 , %
1	СК-1870-1	Саксей Левый	4,55	7,58	43,55	72,51
2	СК-1108-1	Саксей Правый	7,07	12,28	37,27	64,74
3	СК-423-1	точка 423	6,52	7,92	31,06	37,72
4	СК-1872-1	Шатран	5,83	6,00	43,79	45,05
5	СК-1114-1	Шатран	8,10	9,61	48,51	57,55
6	СК-1881-1	Ключевское	7,98	9,49	47,06	55,97
7	СК-1870-2	Саксей Левый	4,55	12,76	26,05	73,01
8	СК-1108-2	Саксей Правый	7,07	14,35	29,24	59,37
9	СК-423-2	точка 423	6,52	15,42	30,48	72,07
10	СК-1872-2	Шатран	5,83	9,10	44,46	69,42
11	СК-1114-2	Шатран	8,10	12,89	48,32	76,86
12	СК-1881-2	Ключевское	7,98	10,92	47,72	65,31
13	СК-1860-ПП1	Саксей Правый	13,00	14,70	42,52	48,08
14	СК-1860-ПП2	Саксей Правый	26,40	35,36	47,7	63,88

Примечание : пробы 1-6 – фракция -1,0 мм, предварительно отмученная; пробы 7-12- фракция -0,5 мм без отмучивания; пробы 13-14 –модельный промежуточный продукт.

В рамках проведенного исследования не получили пока своего решения такие проблемы, как комплексное использование руд и вопросы утилизации большого объема отвальных пород (серпентинизи- рованных дунитов) и хвостов тонкого обогащения, которые будут образованы при освоении месторождений. В настоящее время пути решения данных проблем наметились лишь в общих чертах и состо- ят в использовании отвальных пород и хвостов в огнеупорной и химической промышленности по аналогии с другими подобными объектами [1]. Одним из полезных компонентов, который может извлекаться наряду с хромитовыми концентратами на изученных месторождениях, является форстерит, по составу сопоставимый с форстеритом Ковдорского железорудного месторождения на Кольском полуострове [3], его содержание в силикатной матрице руд составляет от 10 до 50-60%, увеличиваясь с глубиной. Определенные перспективы также связываются с платинометальной минерализацией хромовых руд. Данные вопросы, как и более точные оценки объемов оруденения на рассмотренной площади, являются предметом дальнейших исследований.

Выводы

• 1.    Вкрапленные хромовые руды Сак-сей-Ключевской площади массива Средний Крака представлены преимущественно полосчатыми мелкозернистыми разновидностями с преобладанием фракции +0,05 – 0,5 мм. Измельчение руды до размерности -500 мкм приводит к высвобождению большей части рудных зерен из силикатной матрицы.

• 2.    Изучение состава вкрапленных хромовых руд фракции +50 -100 мм показало, что применение методов рентгенорадиометрической сепарации на предварительной стадии обогащения позволит получить промежуточный продукт со средним содержанием оксида хрома около 18% при нижнем пороге сортировки 5% Cr 2 O 3 . Это может существенно снизить затраты, связанные с измельчением сырой руды и последующим гравитационным обогащением.

• 3.    В результате лабораторных исследований гравитационного обогащения вкрапленных руд на винтовом шлюзе получены мелкозернистые концентраты с высоким содержанием оксида хрома (до 47-48%). Наилучшие результаты показали пробы месторождения Шатран и Ключев-

• ского рудопроявления. Дальнейшие исследования должны быть направлены на поиск оптимальных режимов винтовой сепарации, а также комплексное использование отходов от переработки сырой руды.

Работа выполнена при поддержке проекта РФФИ «р_поволжье_а №14-05-97001» и темы госконтракта «Модель образования месторождений хрома в офиолитовых комплексах Южного Урала». Авторы признательны Т.Ф.Меньшиковой и руководству ЗАО «ГДК Хром» за содействие в полевых исследованиях и предоставленную информацию по кусковой РРС сепарации хромовых руд.