Вольфрам

Оглавление

1.общие сведения физические свойства вольфрама:
2.Области применения
3.основные минералы вольфрама
4.оценка месторождений при поисках и разведке
5.разработка месторождений
6.Получение металлического вольфрама и его соединений

1.общие сведения

Вольфрам входит в 4-ю группу периодической системы Менделеева. Его атомный номер 74, атомная масса 183,85. Природный вольфрам состоит из смеси пяти изотопов
Массовые числа изотопов: 180 182 183 184 186
Содержание природной смеси 0,13 26,31 14,28 30,64 28,64
соответственно %

физические свойства вольфрама:
плотность 19,3 г/см3 твердость по Бринеллю 488 кг/мм2 температура плавления 3410 оС, температура кипения 5930 оС,
электрическое сопротивление при 20 оС 5,5.10 – 4, при 2700оС 90,4.10-4.
Валентность переменчивая от2 до6 наиболее устойчив 6-валентный вольфрам 3- и 2-валентные соединения вольфрама неустойчивы и практического значения не имеют. Радиус атома вольфрама- 0,141 нм.
Кларк вольфрама земной коры составляет по Виноградову, 0,00013 г/т. его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных – 0,00001, основных – 0,00007, средних – 0,00012, кислых – 0,00019.
Вольфрам является одним из наиболее тяжелых и самым тугоплавким металлом. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 оС хорошо поддается ковке и может быть вытянут в тонкую нить.
Вольфрам имеет высокую стойкость: при комнатной температуре не изменяется на воздухе; при температуре красного каления медленно окисляется в ангидрид вольфрамовой кислоты; в соляной, серной и плавиковой кислотах почти не растворим. В азотной кислоте и царской водке окисляется с поверхности. В смеси азотной плавиковой кислоты растворяется, образуя вольфрамовую кислоту. Из соединений вольфрама наибольшее значение имеют: триоксид вольфрама или вольфрамовый ангидрид, вольфроматы, перекисные соединения с общей формулой ME2WOX. Соединения с галогенами, серой и углеродом.
Общие мировые запасы вольфрама (без России) составляют около 7,5 млн. тонн, подтвержденные запасы около 4 млн. тонн. Наиболее крупными запасами обладают: Казахстан, Китай, Канада и США. Мировое производство вольфрама составляет 18-20 тысяч тонн в год в т.ч. в Китае 10, России 3,5; Казахстане 0,7, Австрии 0,5. Основные экспортеры вольфрама: Китай, Корея, Австрия. Главные импортеры: США, Япония, Германия Великобритания.

2.Области применения

Вольфрам находит широкое применение в производстве сталей в качестве легирующей добавки, в твердых жаропрочных сплавах, в электротехнике, в производстве кислотоупорных и специальных сплавов, в химической промышленности.
Долгое время более 60 % вольфрама использовалось в металлургии для изготовления инструментальных, нержавеющих легированных и специальных сталей. Присадка вольфрама к стали 1-20 % придает ей прочность, твердость, тугоплавкость, самозакаливаемость, кислотоупорность, повышает предел упругости и сопротивление растяжению. В настоящее время 55 % вольфрама в виде карбида идет на изготовление твердых сплавов, используемых для буровых коронок фельер для волочения проволоки, штампов, пружин, деталей пневматических инструментов, клапанов двигателей. Твердые сплавы, состоящие из вольфрама (3-15 %), хрома (25-35 %) и кобальта (45-65 %) с примесью 0,5-2,7 % углерода, применяются для покрытия сильно изнашивающихся деталей. Сплавы вольфрама медью и серебром являются хорошими контактными материалами и применяются в рабочих частях рубильников, выключателей и др. Сплав вольфрама (85-95 %) с никелем и медью обладающий высокой плотностью, используется в радиотерапии для устройства защитных экранов от гамма лучей.
Металлический вольфрам применяется для изготовления нитей накаливания в электролампах, электродов для водородной сварки, заменяя платину, для нагревателей высокотемпературных электропечей, работающих при температуре свыше 3000 оС, термопар, роторов в гироскопах оптических пирометров для катодов рентгеновских трубок, электровакуумной аппаратуры, радиоприборов, выпрямителей и гальвонометров.
Соединения вольфрама применяются в качестве красителей, для придания тканям огнестойкости и водоустойчивости.
В США вольфрам используется (%) 68 – в производстве машин и оборудования для металлообрабатывающей, горнодобывающей и строительной промышленности, 12 – для изготовления ламп и светильников, 12 – в электронной промышленности и транспорте, 5 – в химических отраслях и 3 – в прочих областях.

3. основные минералы вольфрама

Известно 20 вольфрамовых минералов. Наиболее распространены минералы группы вольфрамита и шеелит, имеющие промышленное значение. Реже встречается сульфид вольфрамита – тунгстенсит (WS2), а также окисноподобные соединения – тунгстит, ферро - и купротунгстит, гидротунгстит. Довольно широко распространены псиломеланы, вады с высоким содержанием вольфрама.
В экзогенных условиях образуются минералы группы вульфенита: штольцит –??PbWO4 изоструктурный с шеелитом и его моноклинная разновидность-распит - ?PbWO4 .
Группа вольфрамита представлена минералами изоморфного ряда MnWO4 и FeWO4.

4.оценка месторождений при поисках и разведке

На площадях получивших в результате региональных исследований оценку прогнозных ресурсов вольфрамого сырья по категориям Р3и Р2 проводят поисковые работы.
Целью поисков является выявление месторождений вольфрама. Для этого проводят изучение перспективной площади с составлением прогнозных карт масштаба 1:50 000 на геолого-структурнофациальной основе, оконтуривание орудинения и установление факторов контролирующих его локализацию. Предварительно оценивают параметры рудных тел на поверхности и распространения оруденения на глубину залегания рудопродуцирующих магматических образований, размеры, форму, комплексность и продуктивность геохимических аномалий, содержание вольфрама и других сопутствующих элементов в рудных телах, степень окисленности руд, контуры зон, участков рудных пересечений с промышленными параметрами.
На участках развития потенциального оруденения оценивают прогнозные ресурсы по категории Р2 и частично – Р1 и при хороших геолого-экономических показателях переходят к оценочным работам. Целью оценочных работ является установления промышленного значения оруденения и выбор объектов под проектирование разведки и эксплуатации
Результатом оценочных работ является наличие или отсутствие коммерческого открытия, которое обосновывают:
Геологическая карта участка в масштабах 1 : 5 000 – 1 : 2 000.
Структурно-литолого-фациальные карты с разрезами.
Планы, разрезы и проекции рудных тел.
Карта поисково-оценочных критериев и признаков с отображением факторов рудолокализации: рудовмещающих литологических комплексов и структур, фаций метасамотитов контуров рудных тел и минерализационных зон, элементов зональности минеральных типов руд, литологических ореолов элементов-индикаторов орудинения, комплексных геофизических аномалий.
Прогнозная карта на структурно-фациальной основе с контурами промышленных и предполагаемых рудных тел и принципиальной моделью месторождения.
Подсчитанные ресурсы категории Р1, запасы категории С2 и частично С1 .
Данные о масштабах месторождения и качестве руд.
Технико-экономические расчеты целесообразности разведки и отработки месторождения.
Основная цель разведки, как начальной стадии разработки - обоснование промышленного значения месторождения и ожидаемых технико-экономических показателей, составления проекта освоения.
Для этого устанавливают:
Формы и размеры рудных тел и их запасы по категориям С1 и С2, иногда и категории В.
Границы месторождения, его геолого-структурные особенности, прогнозные ресурсы категории Р1.
Среднее содержание и фазовый состав основных и сопутствующих компонентов.
Технологические свойства руд, типы и сорта руд, степень извлечения вольфрама и сопутствующих компонентов по лабораторным и при необходимости – укрупненным пробам.
Горнотехнические условия отработки.
Гидрогеологическую обстановку месторождения.
Геолого-экономические условия месторождения, водо- и энергоснабжение будущего предприятия, капиталовложения, производительность по руде и концентратам, себестоимость продукции, рентабельность.
Технология ведения геологоразведочных работ на вольфрам зависит от задач той или иной стадии, ландшафтно-геохимической обстановки, вероятного промышленного типа оруденения.
Для выявления и оценки вольфрамовых месторождений используются геологические геохимические и геофизические методы, горно-буровые работы и опробование, минералого-петрографические и аналитические методы исследований. В зависимости от детальности изучения меняется роль и соотношение применяемых методов.
Важное значение при поисках вольфрама приобрели дистанционные методы, основанные на интерпретации космо- и аэрофотоснимков, снятых в разных спектрах. Эти данные дают важный материал для расшифровки морфоструктурных позиций потенциальных рудных объектов, позволяя более централизованно ориентировать поиски.
Визуальные поиски позволяют выявлять прямые признаки оруденения в открытых и частично открытых районах. Этому способствуют свойства вольфрамита и шеелита, длительно сохраняющихся в условиях денудации. Разрушение вольфрамита в зоне окисления сопровождается образованием по нему тукнгстита или гидроксдов железа, которые содержат повышенные концентрации вольфрама диагностика вольфрамита обычно не вызывает затруднений. Шеелит устойчив в зоне окисления, но иногда переходит в трудно определяемую мучнистую разновидность. Поэтому для применяются люминоскопы, использующие способность шеелита к свечению в ультрафиолетовых лучах.
Шлиховой метод позволяет выявлять прямые признаки вольфрамового оруденения. Он является наиболее чувствительным и обладает высокой разрешающей способностью. С его помощью улавливаются содержание триоксида вольфрама n*10-6 % и даже n*10-7 %. “знаки” в шлиховой пробе превышают чувствительность экспрессного полуколичественного спектрального анализа.
При поисках вольфрамовых месторождений применяется литохимический метод по вторичным и первичным ореолам рассеивания вольфрама и сопутствующим элементов.
Поиски по вторичным ореолам применяются в районах развития открытых ореолов: осадосных, наложенных, диффузионного и аккумулятивного типов.
Это гумидные зоны горно-таежных областей, аккумулятивно-денудационные равнины в умеренно влажном и умеренно аридном климатах.
Поискам по вторичным ореолам предшествует ландшафтно-геохимических условий, составление соответствующих карт и выяснение положения представительного горизонта. Отбор проб производиться из копушей и материала скважин. Поиски по первичным ореолам применяются на обнаженных территориях или с применением скважин на закрытых площадях.
Геофизические методы в комплексе с геологическими решают задачи выявление благоприятных факторов оруденения, его оконтуривания и оценки прогнозных ресурсов. При поиске и оценке вольфрамового оруденения обязательно проведение гравио и магниторазведки, эффективно применение электроразведочных методов, гамма спектрометрического метода.
При поисках вольфрамовых руд успешно применяется нейтронно-активационная съемка на фтор. Скважинные методы превалируют на стадиях оценки и разведки. Из скважинных методов на ряду со стандартным комплексом каротажа (ПС, КС, кавернометрия инклинометроия, гамма-каротаж), эффективен каротаж магнитной восприимчивости (КМВ), метод заряда (МЗ) метод вызванных потенциалов (МВП), МЭП, рентгенорадиометрический каротаж (РРК).
Эффективно также применение гамма-гамма-плотносного (ГГК-П) и гамма-гамма-селективного каротажа (ГГК-С).
Горно-буровые работы являются неотъемлемой частью поисков и разведки их назначение- установление геохимических и геофизических аномалий, подтверждение прогноза, вскрытие рудных тел в коренном залегании и прослеживание орудинения на глубину, для оценки промышленного значения выявленного орудинения и подсчета запасов. Одновременно эти работы используются для геологического изучения месторождения, оценки качества первичных руд, отбора минералогических и технологических проб.
Разведка месторождений в зависимости от ландшафтно-геохимических условий осуществляется системой буровых скважин в комбинации с проходкой шурфов с рассечками, а в условиях резко расчлененного рельефа – штолен с системой квершлагов с рассечками, пересекающими рудное тело.
Для изучения качества орудинения, характера его распределения и оконтуривания производится бороздовое опробование горных выработок коренных обнажений и керновое в скважинах. Штуфное опробование является вспомогательным. Скловое и точечное опробование применяются для отбора геохимических проб. Для изучения химических свойств руд и разработки технологических схем производится отбор технических проб.

5. разработка месторождений

В зависимости от условий залегания, типа и морфологии вольфрамовых месторождений для их разработки используются подземные, открытые и комбинированные способы.

Открытые горные работы

Открытые горные работы получили широкое распространение в странах СНГ и за рубежом. Открытым способом разрабатывается Инкурское, Спокойнинское, Бом-Горхонское месторождения в России, месторождения Флэт-Ривер в Канаде, Кинг-Айленд в Австралии и др. Производительность открытых разработок достигает десятки и более тысяч тонн в сутки, коэффициент вскрыши на отдельных карьерах – 10 м3/т, потери руды – 7 % и разубоживание до 30 %. Однако в среднем показатели значительно благоприятней: коэффициент вскрыши1-2 м3/т,
Потери 2-5 % и разубоживание 3-5 %.
Технология открытых горных работ мало отличается от технологии добычи других типов скальных руд. Отбойка руды производится буровзрывными работами. Для транспорта руды и вскрыши применяют автомобильный, железнодорожный и контейнерный транспорт. Структура эксплуатационных затрат на добычу руд составляет (%):
Буровзрывные работы – 10-15.
Экскавация – 15-25.
Транспорт - 40-50.
Отвалообразование – 15-20.

Подземные работы

Подземные работы для добычи вольфрамовых руд также получили широкое распространение. Этим способом отрабатываются Акчатауское (Казахстан), Ингичкинское (Узбекистан) месторождения, месторождение Восток 2 и др. в России. За рубежом подземные работы применяют в Канаде, США, Австралии, Боливии, Португалии и др.
Для отработки рудных тел используют системы слоевого обрушения с закладкой выработанного пространства, магазинированием руды и др.

Комбинированный способ

Комбинированный способ отработки месторождений получил распространение для мощных, крутопадающих тел. Он применяется в странах СНГ, Австралии, Турции, и др.
Себестоимость руды и капитальные вложения при комбинированном способе добычи почти всегда является наиболее благоприятным, чем при подземном способе отработки месторождений.

6.Получение металлического вольфрама и его соединений

В настоящее время отсутствуют методы непосредственного получения вольфрама из концентратов. Поэтому вначале из концентрата получают промежуточные соединения, из которых затем выделяют металлический вольфрам. Получение которого включает: разложение концентратов и переход вольфрама в соединения, из которого он отделяется от сопровождающих его элементов. Выделение чистого химического соединения вольфрама (вольфрамовой кислоты) с последующим производством металлического вольфрама.

7.Испытание качества сырья

Качество вольфрамовых руд оценивается в зависимости от возможных областей применения вольфрамовых концентратов, стандартов и технических условий на них, а также с учетом извлечения сопутствующих или получения попутных концентратов. Проводят полный анализ элементного состава сырья, позволяющий установить концентрацию вольфрама и других полезных компонентов для получения попутных продуктов, оказывающих влияние на общую промышленную оценку руд и месторождений в целом, на выбор технологии комплексного использования, величину минимально промышленного и бортового содержаний трехокиси вольфрама и попутных компонентов. Детальность изучения соответствует категории запасов руд в месторождениях, поскольку даже ничтожные содержания попутных компонентов могут представлять промышленный интерес и существенно повысить ценность месторождений. При изучении минералогической характеристики сырья, кроме количественного минерального состава, устанавливается характер взаимодействия минералов, размер их ассоциаций и текстурно-структурные параметры. Элементарная и минералогическая характеристика сырья должны быть достаточными для оценки его технических свойств, выбора методов обогащения, а также выделения главных природных и технологических типов и разновидностей руд и определения извлекаемых компонентов. В рудах вольфрамовых месторождений из попутных полезных компонентов представляют ценность касситерит, молибденит, повеллит, висмутин, халькопирит, гаденит, сфалерит, берилл, золото. Кроме перечисленных компонентов, представленных самостоятельными минералами и могущих быть извлеченными в концентраты, часто являются ценными индий и скандий, находящиеся в виде изоморфных примесей в вольфрамите и касситерите, в молибдените и халькоперите. Комплектность использования вольфрамного сырья оценивается с помощью коэффициента, определенного как отношение валовой стоимости компонентов в погашенных запасах.
Технология обогащения вольфрамовых руд производится экспериментально на технологических пробах, отобранных по заранее разработанным программе и плану опробования. Требования к пробе определяются организациями, которые проводят технологические испытания и проектирование промышленного объекта. Масса проб зависит от выбранных методов обогащения верхнего предела крупности кусков и мощности установок, на которых производятся испытания.
Объем испытаний обогатимости зависит от их цели. Если месторождение, руды которого изучаются, находятся на стадии поисков, то достаточно показать возможность получения концентратов по традиционным схемам обогащения.
На оценочной стадии необходимо провести исследования обогатимости по полной схеме, на представительной по гранулометрическому и вещественному составам пробе руды в полупромышленном масштабе на оборотной воде.
При оценке качества вольфрамового сырья разведуемых месторождений используют геолого-технологическое картирование, которое позволяет на малогабаритных пробах, отбираемых от всего объема месторождений, определить природные разновидности, технические сорта, закономерности размещения, определить их технологические свойства и обогатимость.
Так как в переработку вовлекаются все более и более бедные вольфрамовые руды, то особое значение приобретают предварительные методы концентриции.
Технологическая оценка вольфрамового сырья сопровождается разработкой способов безопасного складирования и утилизации. Твердых отходов, обезвреживания стоков, рекультивации нарушенных земель.

7.Геолого-экономическая оценка месторождений.

Эффективнвность освоения месторождения определяется системой экономических показателей, отражающих соотношение затрат (с учетом налогов) и стоимости извлекаемой товарной продукции. Критериями эффективности освоения служат срок окупаемости капитальных вложений и их рентабельность. Оптимальная величина данных показателей устанавливается с учетом интересов предполагаемого инвестора и рационального использования недр.
Специфика оценки месторождений вольфрама определяется их особенностями. Для штокверковых и стратиформных месторождений с вкрапленным распределением полезных минералов характерно отсутствие четких границ, которые устанавливаются лишь по данным опробования по установленному в кондициях условному содержанию триоксида вольфрама, в котором учитывается содержание других полезных компонентов. Как правило, это молибден, висмут, олово реже медь для молибдена величина переводного коэффициента 0,8-1,3; висмута – 1,1-1,5; олова – 0,8-1,24 и меди – 0,02-0,06
Обоснование бортового содержания производится обычно вариантным способом. Рудные тела жильных и скарновых вольфрамовых месторождений оконтуриваются по геологическим границам.
Высокий уровень мирового производства вольфрама в значительной мере обеспечивается разработкой крупных скарновых и реже штокверковых месторождений. Жильные и грейзеновые месторождения, хотя и содержат богатые руды, из-за ограниченности запасов играют в обеспечении промышленности вольфрамом, хотя при освоении не требуют больших капиталовложений и могут дать более быстрый экономический эффект.
Геолого-эконамическая оценка вольфрамового месторождения производится на основе кондиций для учета запасов: содержание триоксида вольфрама
( бортовое и минимально промышленное ), приведенное к условному триоксиду вольфрама. Глубина подсчета запасов и экономически обоснованные контуры карьера при открытой добыче, минимальная мощность рудных тел, максимальная мощность безрудных или некондиционных прослоев включаемых в подсчетный контур способ учета попутных компонентов ( первичные коэффициенты на условный WO3) граничные параметры для подсчета запасов попутных компонентов. Коэффициент рудонасыщенности и др.
геолого-экономическая оценка осуществляется на более ранних стадиях изучения вольфрамово-рудного объекта, основываясь на запасах категории С2 и ресурсах категории Р1, получаемых на оценочной стадии с основанием технико-экономических соображений (ТЭС) и обоснованием целесообразности разведки месторождения. В связи с меньшей достоверностью имеющейся информации более широкое применение находит принцип аналогии.
С большим использованием аналогий устанавливаются стоимостные показатели (кап. Затраты, эксплуатационные расходы и т.п.) и параметры кондиций подсчета запасов. В случае когда по результатам ТЭС устанавливается, что из-за ограниченности запасов вольфрамовых руд и попутных компонентов создание рентабельного горнодобывающего предприятия невозможно. Рекомендуется произвести расчеты при каком минимальном количестве аналогичных запасов обеспечивается рентабельная работа вольфрамового рудника. Лишь после этого окончательно решают вопрос о необходимости дальнейшего проведения геологоразведочных работ по обеспечению прироста запасов.
В ТЭО кондиций оценивают возможные экологические последствия освоения месторождения различными способами (подземным и открытым). Приоритет отдают схеме освоения вольфрамового объекта, при которой наноситься минимальный экономический вред при условии рационального использования и не только главного, но и сопутствующих полезных компонентов, содержащихся в рудах.
В результате доразведки месторождения, изменения данных о его запасах, строения, изменения конъюнктуры на вольфрамовую продукцию, может возникнуть необходимость переоценки месторождения с учетом новых данных.