Изучение технологических свойств руд радиоактивных металлов

70. Проведению технологических исследований руд должно предшествовать изучение возможности радиометрической крупнопорционной сортировки в транспортных емкостях добываемой горнорудной массы. Предварительные прогнозные технологические показатели получаются расчетным путем при обработке данных опробования или каротажа в технологических контурах эксплуатационных блоков. Руководствуясь соответствующими нормативно-методическими документами [9] должны быть установлены: порционная контрастность руд выделенных природных разновидностей; физические признаки, которые могут быть использованы для разделения горнорудной массы; показатели радиометрической сортировки для порций разного объема.

Для экспериментального подтверждения технологических показателей крупнопорционной сортировки проводятся опытные горные работы с экспресс-анализом горнорудной массы в транспортных емкостях на рудоконтролирующей станции (РКС) и сортировкой на кондиционную, некондиционную руды и отвальную породу. Достоверность экспресс-анализа руды в транспортных емкостях и качество продуктов сортировки должно быть заверено контрольным валовым опробованием.

При положительных результатах необходимо уточнить промышленные (технологические) типы руд, требующие селективной добычи, или подтвердить возможность валовой выемки рудной массы, уточнить параметры системы отработки, а также определить возможность получения сортов богатой руды.

71. Исследования способности руд к радиометрической сепарации кускового материала включают испытания специально отобранных проб на лабораторных или полупромышленных сепараторах. При этом должны определяться гранулярный состав руды после крупного дробления с оценкой распределения металла по классам, выход машинных классов при дроблении, технологические показателей радиометрической сепарации с получением кускового концентрата, отвальных хвостов и промпродукта, направляемого вместе с отсевом на переработку традиционными методами обогащения.

В результате должны быть определены целесообразность радиометрической сепарации руд перед гидрометаллургической переработкой и возможность их разделения на сорта для заводской и кучной переработки. Одновременно, особенно на месторождениях с телами сложной морфологии, следует оценить возможность получения отвальных хвостов при сортировке руд, извлекаемых массовыми системами при повышенном разубоживании и целесообразность применения таких высокопроизводительных и дешевых систем.

72. В процессе разведки должна быть изучена в лабораторных, а при необходимости, в натурных условиях возможность извлечения урана из добытых некондиционных руд способом кучного выщелачивания.

73. Технологические свойства руд изучаются в лабораторных и полупромышленных условиях на минералого-технологических, малых технологических, лабораторных, укрупненно-лабораторных и полупромышленных пробах. Лабораторные исследования проводятся на этапе поисков и оценки. На стадии разведки должны проводиться технологические исследования в полупромышленных условиях.

74. При имеющемся опыте промышленной переработки для легко вскрываемых руд допускается использование аналогии, подтвержденной результатами лабораторных исследований. Для труднообогатимых или новых типов руд, опыт переработки которых отсутствует, технологические исследования руд, а в случае необходимости и продуктов их переработки, должны производиться по специальным программам, согласованным с заинтересованными организациями.

75. Отбор проб для полупромышленных технологических исследований следует выполнять в соответствии с существующими инструкциями по отбору урановых руд для технологических испытаний.

76. Минералого-технологическими и малыми технологическими пробами должны быть охарактеризованы все природные разновидности руд, выявленные на месторождении. По результатам их испытаний проводится технологическая типизация руд месторождения с выделением промышленных (технологических) типов и сортов руд, изучается пространственная изменчивость вещественного состава, физико-механических и технологических свойств руд в пределах выделенных промышленных (технологических) типов и составляются геолого-технологические карты, планы, разрезы.

77. На лабораторных пробах должны быть изучены технологические свойства всех выделенных промышленных (технологических) типов руд в степени, необходимой для выбора оптимальной технологической схемы их переработки и определения основных технологических показателей обогащения.

78. Полупромышленные технологические пробы служат для проверки технологических схем и уточнения показателей обогащения руд, полученных на лабораторных пробах.

79. Укрупненно-лабораторные и полупромышленные технологические пробы должны быть представительными, те. отвечать по химическому и минеральному составу, структурно-текстурным особенностям, физическим и другим свойствам среднему составу руд данного промышленного (технологического) типа с учетом возможного разубоживания и сортировки горнорудной массы на РКС. При полупромышленных испытаниях должна быть отработана вся схема переработки руд, начиная от рудоподготовки, включая измельчение и самоизмельчение руд, и кончая экстракционной переработкой товарных регенератов. Для месторождений в районах с действующими рудоперерабатывающими предприятиями полупромышленные испытания руд должны производиться по схеме предприятия, на котором предусматривается их переработка. Отбор проб для полупромышленных технологических исследований следует выполнять по согласованным проектам и при участии представителей предприятия, которое будет проводить испытания.

80. Принципиальная возможность извлечения урана способом СПВ устанавливается геотехнологическими исследованиями на стадии оценки месторождений.

Такие исследования выполняются в лабораториях на образцах керна с нарушенной и ненарушенной структурой, в объемах, достаточных для выбора схемы, предварительной оценки показателей извлечения и расхода реагентов. Однако смоделировать в лаборатории особенности протекания процесса в недрах практически невозможно. Поэтому на стадии оценочных работ для определения промышленной ценности месторождения необходимо проведение натурных геотехнологических испытаний.

Такие испытания обычно проводятся по двухскважинной схеме, без передела продуктивных растворов, в условиях дебаланса откачки-закачки. Отношение дебитов откачки и закачки обычно выбирается порядка 3–5, что позволяет локализовать область циркуляции растворов. В процессе опыта систематически замеряются дебиты и опробуются откачиваемые растворы, по содержанию урана в которых, путем умножения на коэффициент дебаланса, оценивается вероятное содержание урана в промышленных растворах при СПВ. По общему объему растворов и среднему содержанию урана в них оценивается количество извлеченного в растворы металла, а по разности его с первоначальной оценкой в недрах — степень извлечения. Двухскважинные опыты позволяют получить достаточно надежные оценки всех параметров выщелачивания, за исключением показателей передела растворов. Отрицательный результат таких опытов чаще всего свидетельствует о невозможности отработки данного участка СПВ, а если участок достаточно типичен, то и месторождения в целом. Время, необходимое для проведения двухскважинных опытов, обычно составляет от 3 до 6 месяцев.

На стадии разведки приступают к проведению многоскважинных опытов, практически отвечающих опытной эксплуатации. Такие опыты проводят на малых группах элементарных ячеек (обычно 2–3 откачные и соответствующее количество закачных скважин), с введением в схему узла переработки растворов и с получением конечной продукции (насыщенного сорбента или желтого кека). Время проведения таких опытов составляет уже не менее 1–2 лет. В них отрабатываются оптимальные режимы и получаются все показатели, необходимые для проектирования предприятия.

Основными геотехнологическими параметрами при СПВ являются коэффициенты фильтрации и дебиты скважин по откачке, средняя концентрация урана в выходных растворах, степень извлечения металла из недр, удельные затраты реагента на кг урана, а также отношение масс рабочего раствора и прорабатываемых им пород (жидкого к твердому, Ж/Т), при котором достигается плановое извлечение.

Примерные значения этих параметров, позволяющие обосновать положительную или однозначно отрицательную оценку геотехнологических свойств месторождений, приведены в таблице (Таблица D.8).

Опытные работы по СПВ на стадии разведки обязательно должны доводиться до конца, те. до достижения содержания в растворах, отвечающего промышленному минимуму, поскольку только в этом случае могут быть получены объективные оценки извлечения и всех других показателей, необходимых для дальнейших экономических расчетов.

 

Таблица D.8 — Параметры для обоснования оценки геотехнологических свойств месторождения

Параметр	Значение, отвечающее положительной оценке	Значение, отвечающее отрицательной оценке
Коэффициент фильтрации (для воды), м/сут	> 1	< 0,5
Средняя концентрация урана в растворах, мг/л	> 40	<20
Отношение Ж/Т	1–3	>5–10
Удельные затраты реагента, кг H2SO4/кг U	< 100	>150–200
Степень извлечения урана от запасов в недрах, %	> 70	<50

81. Изучение возможности выщелачивания руд в горных выработках и кучах обычно ограничиваются лабораторными исследованиями. Как правило, эти способы могут рассматриваться только в качестве вспомогательных для утилизации попутно добываемых бедных руд или доработки их остаточных запасов в недрах на действующих предприятиях, поскольку значительные затраты на горное вскрытие и подготовку не могут быть скомпенсированы при пониженной степени извлечения и низкой интенсивности отработки. Однако при появлении месторождений, для которых подземное выщелачивание с горным вскрытием будет рассматриваться в качестве основного способа разработки, их разведка должна включать расширенные геотехнологические исследования, с проведением натурных испытаний.

82. В результате исследований технологические свойства руд должны быть изучены с детальностью, обеспечивающей получение исходных данных, достаточных для проектирования технологической схемы их переработки, с комплексным извлечением содержащихся в них компонентов, имеющих промышленное значение, а также кучного выщелачивания отвалов РКС.

По каждому из сортов и типов руд должны быть определены минеральный и химический составы исходной руды и продуктов ее обогащения, представлены данные по дробимости и измельчаемости руд и необходимой степени измельчения материала, данные ситовых анализов исходной руды и продуктов обогащения, выхода машинных классов, сведения о плотности, насыпной массе и влажности исходной руды и продуктов, определены технологические показатели переработки: для процесса выщелачивания — величина извлечения урана, для процессов флотации и гравитации — выход концентрата, его качество, метод переработки концентрата, извле­чение основных и попутных компонентов в отдельных операциях и сквозное извлечение, расход реагентов, необходимость обезвреживания промстоков. Качество продуктов переработки и концентратов должно соответствовать существующим стандартам и техническим условиям.

83. Для попутных компонентов, в соответствии с «Методическими рекомендациями по комплексному изучению месторождений и подсчету запасов попутных полезных ископаемых и компонентов» [10], необходимо выяснить формы нахождения и баланс их распределения в продуктах обогащения и передела концентратов, а также определить условия, возможность и экономическую целесообразность их извлечения. Для попутных полезных ископаемых и компонентов, требующих иных способов извлечения, по сравнению с технологией извлечения урана, технология переработки руд и их продуктов должна быть изучена в соответствии с требованиями Методических рекомендациях по применению Классификации запасов к месторождениям этих полезных ископаемых.

84. Должна быть изучена возможность использования оборотных вод, а также отходов переработки минерального сырья и даны рекомендации по очистке промстоков.

85. Основным способом переработки урановых руд является гидрометаллургический передел, которому, в зависимости от конкретных особенностей руд, могут предшествовать: радиометрическое обогащение (покусковая или мелкопорционная сортировка); механическое обогащение (гидроциклонирование, избирательное измельчение, обогащение в тяжелых суспензиях и др.); другие способы обогащения (флотация, термическая обработка и др.).

Механическому обогащению подвергаются урановые руды, в которых урансодержащие минеральные образования резко отличаются по физико-механическим свойствам от минералов вмещающих пород (например, слюдковые руды в гранитах и сланцах, фоссилизирован­ный ураноносный костный детрит в глинах и др.).

Радиометрическому обогащению подвергаются урановые руды, обладающие достаточной радиометрической контрастностью и механическими свойствами, определяющими высокий выход обогатимых классов крупности при дроблении (обычно +25 мм или +15 мм).

Прочие способы предварительного обогащения применяются для урановых руд при необходимости извлечения попутных компонентов или удаления вредных примесей.

86. Попутными полезными компонентами в рудах урановых месторождений могут являться молибден, фосфор, золото, серебро, ванадий, рений, селен, сера (при высоком содержании и целесообразности получения сульфидного концентрата для попутного сернокислотного производства), редкие земли, флюорит (при высоком содержании) и др. Руды некоторых зарубежных месторождений (Канада, Австралия) содержат в промышленных концентрациях также никель, кобальт. В рудах месторождения Падма (Карелия) отмечены платиноиды.

87. Вредными примесями являются карбонаты (при кислотной схеме переработки), сера (при карбонатной схеме), цирконий, мышьяк, флюорит (при невозможности его утилизации, как ценного компонента), органическое вещество (при его содержании в количестве, препятствующем окислению) и др.

88. Гидрометаллургическая переработка урановых руд производится по кислотной или карбонатной схемам, с применением при необходимости интенсифицирующих агентов (нагрев, давление, добавка окислителей). Выбор схемы переработки и её экономические показатели определяются химическим составом руд и типом урановой минерализации.

89. По вещественному составу урановые руды подразделяются на алюмосиликатные, карбонатные, сульфидные, фосфатные (Таблица D.9).

Таблица D.9 — Типы вещественного состава урановых руд

Тип руды	Разновидности типа	Определяющий компонент
Вид	Содержание, %
Алюмосиликатный	–	Силикаты и алюмосиликаты	>95
Карбонатный	низкокарбонатный	Карбонаты	6–12
среднекарбонатный	12–15
высококарбонатный	>25
Сульфидный	малосульфидный	Сульфиды	3–10
среднесульфидный	10–25
высокосульфидный	>25
Фосфатный	малофосфатные	P2 O5	3–10
среднефосфатные	10–20
высокофосфатные	>20
Каустобиолитовые	Ураноносные угли и твердые битумы	–
Углистые и битуминозные сланцы, песчаники и другие породы	–

По содержанию урана руды разделяются на три сорта: богатые (более 0,3 % урана), рядовые (0,1–0,3 %) и бедные (<0,1 %).

По типу урановой минерализации руды разделяются на следующие основные типы:

- настурановые и уранинитовые (оксидные);

- коффинит-настурановые;

- браннеритовые, настуран-браннеритовые и настуран-коффинит-браннеритовые

- апатитовые и настуран-апатитовые;

- уранофановые и слюдковые.

Руды оксидного, коффинит-настуранового и слюдкового типов легко вскрываются, как при кислотной, так и при карбонатной схеме. Титанатовые, фосфорные и уранофан-уранотиловые руды могут перерабатыватся только по кислотной схеме. При этом, среди титанатовых руд встречаются, как относительно легко вскрываемые, так и весьма упорные разности.

По содержанию попутных компонентов урановые руды могут быть разделены на две основные группы: руды, в которых уран и попутные компоненты входят в состав одних и тех же минералов (уран и ванадий в карнотите, фосфор и уран в апатите); и руды, в которых уран и прочие компоненты заключены в разных минералах (Ni-Co в сульфоарсенидах, Мо, Au и Ag в сульфидах и иных формах). Руды первой группы поступают на гидрометаллургический передел, независимо от наличия попутных компонентов, а последние могут быть извлечены в виде чистых химических продуктов. Руды второй группы могут предварительно обогащаться методами гравитации или флотации, с выделением попутных компонентов в самостоятельные концентраты. Молибден, который часто бывает связан с нефлотируемыми иордизитом и ильземанитом, извлекается в едином с ураном гидрометаллургическом процессе.

Кислотный метод получил наибольшее распространение как более экономичный и обеспечивающий высокое извлечение урана. При взаимодействии с кислотами урановые минералы образуют комплексный катион UO₂⁺², устойчивый даже в слабокислых средах. На большинстве предприятий используют H₂SO₄, реже применяют соляную и азотную кислоты. Наиболее благоприятными для кислотного выщелачивания являются руды, сложенные преимущественно силикатами, алюмосиликатами, кварцем и содержащие лишь небольшие количества карбонатов (4.5 %), фосфатов, сульфидов, свободных оксидов железа и органического вещества. В разбавленных кислотах хорошо разлагаются все вторичные минералы урана. Уранинит, настуран и черни выщелачиваются в присутствии окислителя. Достаточно высокое извлечение урана из углей, асфальтита и других органических веществ достигается лишь после обжига.

Тантало-ниобиевые, циркониевые, редкоземельные минералы, ураносодержащие титанаты требуют для разложения и извлечения урана применения концентрированных кислот и повышенных температур вскрытия.

Карбонатное выщелачивание проводится в автоклавах и пачуках. При взаимодействии с растворами щелочей уран избирательно в виде комплексного уранил-карбонатного иона переходит в раствор, в то время как карбонаты и силикаты остаются в кеках. Селективность процесса обеспечивает получение слабо загрязненных растворов. С целью полного вскрытия урановых минералов требуется измельчение до –0,06 мм. Для растворения оксидов четырехвалентного урана необходимо применение окислителей. Плохо разлагаются в щелочах силикаты урана, ниобо-тантало-титанаты и уранаты. Карбонатный способ непригоден, если руды содержат много гипса и гумусовых веществ.

Извлечение урана из растворов и пульп производится сорбционно-экстракционным способом. Процесс сорбции из осветленных пульп осуществляется в ионообменных колоннах. Для десорбции урана со смолы используют растворы серной и азотной кислоты, сульфата аммония, хлорида натрия. Параллельно из осветленных растворов и растворов перечистки десорбентов уран извлекается жидкостной экстракцией. Сопутствующие урану ценные компоненты извлекаются вместе с ураном на стадии выщелачивания, затем выделяются на стадиях сорбции, десорбции и экстракции, реже методами химического осаждения и кристаллизации.

Осаждение химического концентрата закиси — окиси урана (U₃O₈) из концентрированных растворов производится аммиаком, реже перекисью водорода.

Товарной продукцией горно-химических комбинатов, осуществляющих весь цикл добычи и переработки уранового сырья, обычно является закись-окись урана (U₃O₈), требования к которой устанавливаются ТУ 95 1981–89. Извлечение урана из руды в закись — окись колеблется в пределах 85–97 % соответственно для содовых и кислотных схем. Для отдельных предприятий, особенно при СПВ, товарной продукцией может являться и тн. «желтый кек» (аммоний-уранил-трикарбонат –АУТК), качество которого определяется ТУ 95 2776–2001.

Дальнейшая переработка атомно-энергетического сырья включает аффинаж, с получением особо чистых (ядерная чистота) соединений, производство гексафторида урана, обогащение по изотопу ²³⁵U, получение двуокиси НОУ и, наконец, производство на ее основе тепловыделяющих элементов АЭС (ТВЭЛ-ов).

90. Основным сырьем для производства тория и его соединений является монацитовый концентрат. В промышленности используют два способа разложения монацитовых концентратов: сернокислотный и щелочной. При сернокислотном способе используют избыток кислоты (230-250% от стехиометрического) и температуру процесса 250°С. В результате сульфатизации получается спек, из которого выщелачивается водой сульфаты РЗМ и тория. Далее раствор отправляют на выделение РЗМ и тория.

Щелочной способ используют для высококачественного концентрата (˃98% монацита), при избытке щелочи до 300% и температуре смеси 140°С с образованием осадка гидроксидов РЗМ и тория. Полученный осадок растворяют в концентрированной соляной кислоте и отправляют на выделение тория и РЗМ.

Для отделения от РЗМ и выделения тория промышленное применение имеют следующие способы: осаждение тория в виде оксалата, пирофосфата или сульфата, ступенчатая нейтрализация с осаждением фосфатов тория и РЗМ, экстракционное разделение тория и РЗМ с использованием ТБФ.

Получение металлического тория осуществляют восстановлением его солей щелочными и щелочноземельными металлами или электролизом хлорида или фторида тория в расплаве хлоридов натрия или калия.

91. Отработка урановых месторождений способом СПВ, а также выщелачивание руд на месте залегания в горных выработках и в кучах, производятся с применением тех же реагентов. Кислотный способ при подземном и кучном выщелачивании не требует добавки специальных окислителей, хотя их применение может интенсифицировать процесс. Карбонатная схема требует обязательного введения в раствор окислителя, причем в качестве такового уже не может использоваться пиролюзит, применяемый в заводских условиях. В качестве окислителя при СПВ чаще всего используют кислород воздуха или чистый кислород, вводимые путем аэрации растворов. Более эффективным, но дорогим и сложным в эксплуатации (пожаро, взрывоопасность) окислителем является пергидроль. Сравнительные характеристики кислотной и карбонатной схем СПВ приведены в таблице (Таблица D.10).

Чаще используется кислотная схема, обеспечивающая более высокую интенсивность процесса. Карбонатная схема выступает в качестве конкурирующей при повышенной карбонатности пород и руд или при иных факторах, осложняющих применение кислотной схемы. В таких случаях выбор оптимальной схемы определяется экономическими расчетами.

 

 

Таблица D.10 — Сравнительные характеристики кислотной и карбонатной схем

Характеристика	Кислотная схема	Карбонатная схема
Основной реагент	H2SO4	Na2CO3, NaHCO3, (NH4)2CO3
Окислитель	Не обязателен	O2, H2O2
Концентрация основного реагента	5–30 г/л	0,5–10 г/л
окислителя: О2	–	100–300 мг/л
Н2О2	–	0,1–3 г/л
pH растворов	0,8–1,2	8–11
Вредные факторы	Карбонаты > 2,5 % CO2	Сульфиды, >1 %
Общая эффективность процесса	Высокая	Пониженная
Материал труб и арматуры	Полиэтилен, пластики, нерж.сталь	Допустим черный металл
Экологически вредный фактор	Оставление в недрах кислотных растворов	Извлечение на поверхность активного Ra