В природе известно более 70 минералов титана, но важнейшие из них — рутил и ильменит. Они встречаются в прибрежных россыпях, которые на десятки километров тянутся вдоль береговой линии в Индии, Канаде, Норвегии, США, Индонезии, Японии, СССР. Минералы титана встречаются и в коренных месторождениях, а также сопутствуют апатиту, магнетиту, касситериту, редким металлам — танталу, ниобию, бериллию и др.
Минералы титана, как правило, имеют высокую плотность — более 4,5 г/см3 — и могут извлекаться гравитационными методами. Первая стадия обогащения — получение коллективного концентрата тяжелых (шлиховых) минералов. В этот концентрат, кроме титановых минералов, попадают циркон, магнетит, монацит (минерал редкоземельных элементов), касситерит, золото, хлорит, гранат, турмалин и др. Разработка месторождений ведется скреперами и драгами.
Коллективный концентрат в зависимости от соотношения попавших в пего минералов разделяется магнитной или электрической сепарацией. Ильменит обладает магнитными свойствами и выделяется в поле высокой интенсивности вслед за магнетитом, который извлекается слабомагнитным полем.
Все большее значение приобретает флотация тонко-вкрапленных титановых минералов из комплексных руд. Новый реагент (ИМ-50), представляющий собой смесь гидроксамовых кислот, является селективным собирателем титановых минералов.
Химическая переработка титановых концентратов производится по сложной технологии. Вначале из ТiO2 путем хлорирования в присутствии восстановителя при температуре 800–1250 °C получают TiCl4. Его очищают от примесей и получают жидкий четыреххлористый титан. В стальных реакторах при 900 °C металлическим магнием или натрием восстанавливают TiCl4 до титановой губки. Хлориды и магний отгоняют в вакууме и получают металлический титан. Эта трудоемкая, дорогая и сложная технология постепенно совершенствуется. Считается, что XXI век распростится в значительной степени с железом и машиностроение перейдет на создание алюминий-титановой подвижной техники, легкой и нержавеющей, экономичной, с большим безремонтным ресурсом. Это будут легкие автомобили, сельхозтехника, вагоны, нержавеющие суда большой грузоподъемности.
Переход промышленности на сплавы из легких прочных металлов заметно расширит сырьевую базу. Ведь титан, алюминий, магний и другие металлы можно получать из бедных и сложных по составу руд, отходов производства, идущих ныне в отвалы. Это дает возможность применить экологически чистые технологии.
Камни плодородия
Почва живет своеобразной жизнью, где химические процессы yеживой природы так переплетаются с жизнью организмов, что отделить их друг от друга представляется совершенно невозможным.
А. Е. Ферсман
«Элемент жизни и мысли»
Так назвал фосфор академик А. Е. Ферсман. Фосфор содержится не только во всех органах зеленых растений, главным образом в плодах и семенах, по и в животных, их костях, мышцах, нервных тканях. В теле человека содержится в среднем 1,5 кг фосфора, в том числе 12 г в нервах и мозге. Успех земледелия, судьба урожая во многом зависят от количества фосфорсодержащих удобрений. Добыча фосфатных руд в мире перевалила за 100 млн т в год.
Хотя фосфор входит в состав 190 минералов, его получают в основном из двух: апатита Са5(РО4)3(Е, ОН) и фосфорита Са3(РО4)2.
Апатит — минерал магматического происхождения, образцы его разнообразны: от мелкокристаллических зернистых скоплений до прекрасно образованных больших кристаллов. Цвет апатита желтый, зеленый, голубой, коричневый, фиолетовый, белый. Кристаллы апатита напоминают то берилл, то кварц, иногда это радиально-лучистые шары или плотные массы, неотличимые от простого известняка. Он бывает тусклым и блестящим, прозрачным и непрозрачным. Минерал то прячется мелкими вкраплениями среди других пород, то образует целые залежи и даже горы, как в хибинских тундрах, где расположено самое крупное в мире месторождение апатита. За свое непостоянство апатит и получил название, которое в переводе с греческого означает «обманщик».
На Кольском полуострове на краю Хибин находится гора с широкой плоской вершиной. Круглый год открыта она полярным ветрам, окутана низкими облаками. Это суровое, поднявшееся на тысячеметровую высоту плато Раевумчорр. Летом 1923 г. на его склонах экспедиция академика А. Е. Ферсмана обнаружила голубовато-белые камни дотоле неизвестной фосфатной руды. Это были апатиты.
В «Занимательной минералогии» А. Е. Ферсман писал об этом месторождении: «…зеленый искристый апатит с серым нефелином образуют сплошную стену в 100 м. На 25 км протягивается этот замечательный пояс хибинских тундр, огибая их кольцом. Исследования показали, что апатитовая руда уходит в глубину даже ниже поверхности океана, и около двух миллиардов тонн этих ценнейших ископаемых накоплено здесь в Хибинах, не имея себе равных нигде в мире».
Великий геолог оказался не совсем точен. Запасы апатита оказались здесь в несколько раз больше. Уже в годы второй пятилетки здесь были построены комбинат «Апатит», город Кировск, а Кировская железная дорога от Ленинграда до Мурманска прошла через станцию «Апатиты».
Первой была освоена гора Кукисвумчорр. Вначале апатит без обогащения грузили в вагоны и отправляли на химические заводы для производства фосфорных удобрений, а также через Мурманск в Германию, Англию и Америку. Но вскоре в Кировске (тогда Хибиногорске) была построена флотационная обогатительная фабрика, по тем временам одна из самых крупных в мире, дававшая 1 млн т апатитового концентрата в год.
Апатит по природе своей очень легкофлотируемый минерал. Жирные кислоты и мыла, вступая в реакцию с ионами кальция, находящимися на поверхности, образуют гидрофобное покрытие, а флотация нефелина и других силикатов подавляется жидким стеклом в щелочной среде. В качестве жирно-кислотного собирателя применяется талловое масло, являющееся отходом целлюлозно-бумажной промышленности, предприятия которой расположены здесь же, на Кольском полуострове.
В результате флотации в концентрат из руды извлекается около 95 % фосфора, причем в виде почти чистого апатита: кондиционное содержание Р2О5 в концентрате — 39,4 %, а в апатите его содержание составляет 41–42 %.
Прошли десятилетия. Неиссякаемая, казалось бы, гора апатита стала понемногу беднеть. Были введены в действие новые рудники и вторая обогатительная фабрика, в несколько раз больше первой. В июне 1964 г. был введен в строй рудник на плато Расвумчорр.
Почти на самую поверхность плато выходят огромные залежи апатитовой руды. Казалось, вот оно, прямо под ногами, грузи на самосвалы и отправляй на обогатительные фабрики. Но природа ревниво хранит свои богатства, она поставила на пути к ним снежные запо-сы, крутые каменистые обрывы, густые завесы туманов. Питьевую воду сюда тоже приходится привозить. На плато Расвумчорр лета не бывает. 260 дней в году — зима с тридцатиградусными морозами, пургой и 100 дней — холодная, дождливая осень. Было решено провести из долины внутрь непокорной горы железнодорожный туннель, а сверху пробить ее насквозь и сбрасывать апатит через эти гигантские трубы-рудоспуски вниз, прямо в вагоны. Па плато подняли и смонтировали экскаваторы.
На плато можно добраться только на вездеходах, да и то не всегда. Таким же способом сначала перевозили людей и на самом руднике. От общежития, где отдыхают рабочие, до копра над рудоспуском не больше двух километров. Но были дни, когда смены проходчиков преодолевали это расстояние сквозь пургу и заносы три часа… Теперь здесь построен подземный ствол, в котором смонтированы лифты. Высота подъема — 200 этажей жилого дома.
Вровень с землей — бетонное кольцо шести метров в диаметре. Ствол рудоспуска уходит вниз почти на 600 м — это высота двух Эйфелевых башен, поставленных одна на другую. Сброшенная сюда руда скапливается внизу, в устье ствола. Затем по двум ответвлениям через люки с пневматическими затворами она поступает в вагоны-самосвалы. Одновременно могут загружаться сразу два вагона, стоящие в туннеле на параллельных путях.
