Урановые руды и минералы

Различие состава, химических и физических свойств урановых минералов и вмещающих их руд, присутствие в рудах ряда ценных попутных примесей определяют многообразие и специфику технологических процессов и схем переработки уранового сырья и расход реагентов.

Наиболее важным показателем качества и ценности урановых руд является содержание в них урана. Различают пять сортов руд:

1. очень богатые (>1% урана), весьма редко встречающиеся;

2. богатые (1-0,5%), тоже редкие;

3. средние (0,5-0,25%);

4. рядовые (0,25-0,09%);

5. бедные (0,09% и менее до нижнего промышленного минимума).

Выделяют также шесть основных групп руд, отличающихся по минеральному и химическому составу, что определяет способ гидрометаллургической переработки и химических реагентов. Важнейшее значение для удешевления добычи и производства природного урана имеет наличие в рудах полезных сопутствующих компонентов. Их попутное комплексное извлечение наряду с ураном позволяет снизить промышленный минимум содержания урана в перерабатываемых рудах до 0,01-0,03%.

По запасам урановых руд лидируют США, Канада, ЮАР, Австралия и Казахстан. В России добыча урана ведется в г. Краснокаменске (Читинская область) и Курганской области (методом подземного выщелачивания).

Промышленная технология извлечения урана из руд использует свойство растворимости окислов урана в водных растворах азотной, серной и соляной кислот, а также в щелочных растворах. Практически в жидкий раствор из руды можно перевести почти весь уран. Технологические процессы перевода и концентрирования металлов, содержащихся в измельченной рудной массе, в растворы (выщелачивание) и последующее селективное извлечение металлов из этих растворов называются гидрометаллургическими процессами.

Таблица 11

Характеристики некоторых минералов урана

Минерал	Формула	Цвет	Примерный состав и плотность	Происхождение и некоторые месторожде-ния	Растворимость
Настуран (урановая смолка, смоляная обманка, урановые черни)	xUO2·yUO3·zPbO Окислы: Fe, Co, Ni, V, Cu, Ca	От смоляно-черного до светло-серого	(UO2+UO3)-66-85%, ρ=4,5-7,7 г/см3	Гидротер-мальные	Растворяется в HNO3, HCl и H2SO4
Уранинит	UO2·yUO3·PbO Окислы: Th, Zn и др.	Черный, Бурова-то-чер-ный	(UO2+UO3)-46-88%, ρ=8-10 г/см3	В гранитах, пегматитах; гидротер-мальные	Хорошо растворяется в разбавленной HNO3 и концентрированной HCl
Браннерит	Метатитанат U, Th и V.	Черный	UO2 – до 29%; UO3 – до 42%; TiO2 – 31-43%; ThO2-8%; CaO-1,1-3,45%, Fe2O3-4%.	Магматичес-кое. Золотонос-ные пески Айдахо (США)	Разлагается в горячей HNO3 и концентрирован-ной H2SO4

Промышленное производство природного урана состоит из следующих основных процессов (схема на рис.3):

· добыча руды и ее транспортирование на место переработки;

· дробление, измельчение, механическое обогащение добытой руды, позволяющее выявить и удалить пустую породу;

· выщелачивание из рудной массы урана с помощью кислот или щелочей и удаление обедненной рудной массы («хвостов») в хвостохранилища;

· селективное выделение урана из растворов или пульп методами сорбции, экстракции или химического осаждения;

· получение сухого уранового химического концентрата из различных урановых соединений с содержанием (в перерасчете на закись-окись урана) 75% и более;

· выделение попутных полезных химических соединений;

· получение чистых соединений природного урана (аффинаж).

Руда добывается и транспортируется высокомеханизированным способом с применением современной техники, с учетом специфических требований к технике безопасности и охране труда, установленных для работ с радиоактивными материалами и продуктами радиоактивного распада (радон и другими радионуклидами естественного происхождения).

Из-за неравномерности концентрации и распределения урановых минералов в рудной массе требуется применять сортировку руды на различные по содержанию ценных минералов сорта и обнаруживать и отбрасывать пустую породу, т.е. применять обогащение руды урановыми минералами. Существует несколько методов механического обогащения руд: радиометрический, гравитационный и флотационный.

Радиометрическое обогащение основано на использовании специфического свойства урановых руд – радиоактивности. Метод основан на измерении различной интенсивности гамма-излучения от отдельных кусков (при максимальном размере 200-300 мм) или от порции дробленной и измельченной массы. С помощью автоматического сепарирующего устройства удается отсортировать руду на богатые и бедные по урану сорта и отделить с небольшими затратами пустую породу (от 10 до 50% общей массы обогащаемой руды), направив ее в отвалы. Радиометрическое обогащение применяется в несколько стадий. Начинается оно непосредственно в забоях рудников, где проверке подвергаются вагонетки с рудой, и продолжается на гидрометаллургическом заводе, где процесс ведется на потоке руды, перемещаемой ленточными транспортерами.

Если же урановые минералы рассеяны по всей рудной массе и ассоциированы с минералами пустой породы, а, кроме того, загрязнены илом или глиной, то в этом случае применяются гравитационное и флотационное обогащение.

Гравитационное обогащение основано на разнице плотности ряда урановых материалов (6,5-10,5 г/см³) и минералов пустой породы (обычно 2,5-2,7 г/см³). В гравитационном методе используется закон падения твердых тел в жидкой (обычно водной) среде или водных суспензиях, что требует значительного дробления и измельчения руды. Гравитационное обогащение успешно комбинируют с другими процессами, например с флотацией.

Флотационное обогащение основано на различии смачиваемости минеральных частиц измельченной (<0,3 мм) руды, благодаря чему частицы одних минералов прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются вместе с ними на поверхность пульпы, образуя пену, а частицы других остаются в пульпе. Добавление различных флотационных реагентов (коллекторы, вспениватели, активаторы, депрессоры и пр.) увеличивает или уменьшает природную смачиваемость минералов и позволяет лучше их разделять.

Каждый способ обогащения предъявляет свои требования к степени предварительного дробления или измельчения руд: для радиометрического обогащения – 25-300 мм, гравитационного – 0,07–0,1 мм, флотационного – 0,07–0,15 мм. При процессах обогащения руд теряется (направляется в отвалы) от 5 до 15 % урана.

Урановые руды, в зависимости от условий их залегания, добывают открытым способом (в карьерах или шахтах). На дальнейшую переработку поступают куски руды различного размера. В большинстве случаев руды имеют неравномерно рассеянное по объему тонкое вкрапление урановых минералов (размером ~ 10–100 мкм), которые закрыты или экранированы пустой породой. Поэтому первой технологической операцией является вскрытие (обнажение) урановых минералов, освобождение их от обволакивающей породы. Такое вскрытие осуществляется дроблением и измельчением. Тонкое измельчение перед гидрометаллургической обработкой позволяет обнажить урановые минералы хотя бы в одной плоскости, что обеспечивает их прямое химическое взаимодействие с растворителем.

Затраты на дробление и измельчение довольно велики и достигают 10–15% всех расходов на получение уранового концентрата.

Для дробления крупных кусков используются огромные щековые (раздавливающие) и конусные (истирающие) дробилки. Более тонкий размол выполняется с помощью, шаровых и стержневых мельниц. Весь процесс проходит обычно в несколько стадий. Недостаточно измельченная руда, пройдя гидравлические классификаторы (гидроциклоны), снова возвращается в мельницу.