Современные методы металлургии, машиностроения и материаловедения

М И НИ С Т ЕРС Т ВО НА УК И И ВЫ С ШЕГО  О БРА З О ВА НИ Я РФ
№ 4776
УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ МИСИС
ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ
Кафедра обогащения и переработки полезных ископаемых 
и техногенного сырья
В.А. Игнаткина
В.А. Бочаров
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ 
МЕТАЛЛУРГИИ, 
МАШИНОСТРОЕНИЯ 
И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
Учебное пособие
Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета
Москва 2023

УДК 
 622.7 
И26
Р е ц е н з е н т 
д-р техн. наук, проф. Е.В. Богатырева
Игнаткина, Владислава Анатольевна.
И26  Современные методы металлургии, машиностроения 
и материаловедения : учеб. пособие / В.А. Игнаткина, В.А. Бочаров . – Москва : Издательский Дом НИТУ 
МИСИС, 2023. – 272 с.
ISBN 978-5-907560-64-2
В учебном пособии изложены современные методы переработки 
труднообогатимого минерального сырья. Представлены принципы 
компоновки методов в комбинированных технологиях переработки руд на основе данных вещественного состава минерального 
сырья. Приведены примеры реализации комбинированных технологий в Российской Федерации и за рубежом на действующих 
предприятиях.
Учебное пособие предназначено для организации самостоятельной работы студентов магистратуры при подготовке к практическим и лабораторным занятиям по дисциплине «Современные методы металлургии, машиностроения и материаловедения», 
реализуемой в рамках магистерской программы «Технология 
минерального сырья» направления подготовки 22.04.02 «Металлургия»; будет полезно для аспирантов по научной специальности 
2.8.9 «Обогащение полезных ископаемых»; может быть использовано для организации самостоятельной работы студентов по дисциплинам, связанным с переработкой минерального сырья, направления подготовки 21.05.04 «Горное дело»
УДК 622.7

В.А. Игнаткина,  
В.А. Бочаров, 2023
ISBN 978-5-907560-64-2

НИТУ МИСИС, 2023

Оглавление
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Глава 1. Современное состояние минеральносырьевой базы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1. Вещественный состав руд . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2. Классификация руд  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3. Технологические показатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.4. Оценка эффективности процесса переработки . . . . . . 37
Вопросы для самоконтроля  
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Глава 2. Рудоподготовительные процессы . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.1. Основные направления в рудоподготовке . . . . . . . . . . 39
2.2. Физико-механические свойства, 
гранулометрический состав 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3. Предконцентрация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Вопросы для самоконтроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Глава 3. Флотационный метод обогащения  
. . . . . . . . . . . . . . 53
3.1. Основы флотации  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2. Реагентные режимы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.1. Собиратели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.2. Модификаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3. Технологические схемы флотации  . . . . . . . . . . . . . . . 80
Вопросы для самоконтроля  
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Глава 4. Химическое обогащение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.1. Термодинамические и кинетические основы 
растворения минеральных фаз . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2. Аппараты и сооружения технологии 
выщелачивания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.1. Аппараты агитационной технологии  
. . . . . . . . . . 99
4.2.2. Перколяция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3. Методы химического растворения целевых 
компонентов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3

4.3.1. Кислотное выщелачивание меди 
из минерального сырья  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.3.2. Щелочное выщелачивание 
(меди из минерального сырья) 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
4.3.3. Цианирование благородных металлов . . . . . . . . 124
4.3.4. Бесцианидные растворители золота . . . . . . . . . . 126
4.3.5. Микробиологическое растворение золота  . . . . . 143
4.3.6. Содовое растворение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.4. Извлечение целевых металлов из растворов . . . . . . . 148
4.4.1. Прямое электролитического восстановление 
металла из раствора  
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.4.2. Осаждение металла в виде малорастворимого 
соединений  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.4.3. Электрохимическое восстановление 
(цементация) 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.4.4. Экстракция 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.4.5. Сорбционные методы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Вопросы для самоконтроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Глава 5. Термохимическое обогащение  . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.1. Общая характеристика высокотемпературных 
процессов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
5.2. Обжиг 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5.2.1. Окислительный обжиг 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5.2.2. Окислительный сульфатизирующий обжиг  . . . 189
5.2.3. Окислительный хлорирующий обжиг  . . . . . . . . 191
5.2.4. Сегрегационный (восстановительный) 
обжиг  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
5.2.5. Термическая диссоциация. 
Магнетизирующий обжиг  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
5.3. Агломерация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
5.4. Плавка концентратов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Вопросы для самоконтроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Глава 6. Интенсификация физико-химических 
процессов переработки минерального сырья  . . . . . . . . . . . 204
6.1. Механоактивация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.2. Катализ в процессах выщелачивания . . . . . . . . . . . . 206
4

6.3. Биохимическое вскрытие золота в сульфидах  . . . . . 207
6.4. Автоклавное вскрытие золота в сульфидах 
. . . . . . . . 214
6.5. Энергетические воздействия для интенсификации 
растворения целевых металлов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
6.6. Обжиг 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Вопросы для самоконтроля  
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Глава 7. Практика переработки труднообогатимого 
минерального сырья  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
7.1. Золотосодержащее сырье . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
7.2. Медьсодержащие руды  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
7.2.1. Медно-порфировые руды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
7.2.2. Медно-цинковые руды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
7.2.3. Медистые песчаники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
7.2.4. Медно-никелевые руды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
7.3. Полиметаллические руды  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
7.4. Руды редких металлов и РЗМ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
7.5. Руды черных металлов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Вопросы для самоконтроля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
Заключение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Библиографический список  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
5

ВВЕДЕНИЕ
Минерально-сырьевая база – основа экономики многих 
стран, включая Российскую Федерацию. Низкое качество руд 
большинства месторождений, суровые климатические условия, отдаленность и труднодоступность месторождений, низкая развитость инфраструктуры в районах месторождений относят подавляющее большинство руд месторождений России 
к труднообогатимым, а разработку таких месторождений – 
к весьма затратным производствам. 
Несмотря на труднообогатимую минерально-сырьевую 
базу, потребности разных отраслей промышленности страны 
в железорудном сырье, меди, золоте, стратегических металлах 
должны быть удовлетворены за счет национальных ресурсов, 
что является одним из элементов экономической независимости страны и оборонной безопасности государства. Для реализации современных технологий необходимо стабильное производство таких металлов, как галлий, германий, бериллий, 
индий, ниобий, тантал, вольфрам, редкоземельных, которые 
относятся к стратегическим. 
Выбор совокупности методов для переработки минеральных ресурсов прежде всего определяется вкрапленностью целевого минерала и фазовой минеральной формой целевого 
компонента (синонимы – полезные, ценные). Проф. В.Д. Самыгиным предложена взаимосвязь между размером минерального вещества и методом обогащения (см. табл.). 
В труднообогатимых рудах основные структуры минерального вещества тонкие, эмульсионные и коллоидные, поэтому 
основные методы переработки – флотация, методы химического обогащения (гидрометаллургия).
Комбинирование физико-химических методов (флотация, химическое обогащение, обжиг и др.) с механическими методами обогащения (гравитация, магнитная сепарация) в технологических схемах 
переработки руд позволяет повысить технологические показатели переработки труднообогатимых руд, снизить потери целевых компонентов с отвальными хвостами; обеспечить 
комплексность использования минерального сырья, что в совокупности способствует рациональному недропользованию.
6

Таблица 
Взаимосвязь между размером минерального вещества 
и методами обогащения (проф. Самыгин В.Д.)
Классификация 
по структуре зерен 
минералов
Размер, мм
Методы обогащения
Весьма крупные
100–20
Радиометрическая сепарация
Крупные
20–2
Гравитация (отсадка, тяжелосредная 
сепарация), магнитная сепарация
Мелкие
2–0,2
Гравитация (концентрационный стол, 
центробежные концентраторы, 
тяжелые среды), мокрая магнитная 
сепарация, электрическая 
и специальная сепарация, флотация 
(пенная сепарация)
Тонкие
0,2–0,02
Флотация, химическое обогащение 
(гидрометаллургия), мокрая высокоградиентная магнитная сепарация
Весьма тонкие 
(эмульсионные)
0,02–0,002
Флотация шламов, ионная флотация, 
химическое обогащение 
(гидрометаллургия) 
Субмикроскопические и коллоидные
< 0,002
Химическое обогащение 
(гидрометаллургия)
Разработка технологий переработки труднообогатимого 
минерального сырья ведется в следующих направлениях:
 
– предварительная химическая обработка руды и труднообогатимых промпродуктов для повышения контрастности технологических свойств рудных минералов путем образования 
на их поверхности зерен определенных флотоактивных соединений или, наоборот, для растворения имеющихся на этих 
зернах природных пассивирующих поверхностных пленок 
(медные или полиметаллические руды), а иногда для образования новых технологически более извлекаемых минеральных соединений цветных, редких металлов (сульфидные 
медно-никелевые и окисленные никелевые, медные руды, сподуменовые руды), магнетизирующего обжига железных минералов (железные и железосодержащие руды) и т.п.;
 
– доводка некондиционных по примесям, но богатых по целевому компоненту концентратов обогащения (серные, вольфрамовые, молибденовые, железные, марганцевые, графитовые, 
кварцевые), выщелачиванием, термохимическими методами;
7

 
– переработка всей массы коллективных, низкосортных, 
бедных концентратов, промпродуктов (вольфрамовые, молибденовые, медно-никелевые, ниобиево-танталовые, полиметаллические), а в некоторых случаях и руд (золотые, урановые, 
алюминиевые, кобальтовые, медные) с применением химического растворения либо высокотемпературного обжига в окислительной среде с селективным переводом цветных и редких 
металлов в газовую фазу;
 
– производство металла из минеральных ресурсов на месте разработки месторождений (кучное и подземное выщелачивание).
Тонкая вкрапленность целевых компонентов вплоть 
до твердых растворов, разнообразие минеральных форм извлекаемых компонентов определяет сложность и многостадиальность технологических схем переработки. Наименьшие 
эксплуатационные расходы характерны при химической 
доводке некондиционных богатых концентратов. Термохимическая переработка (пирометаллургические методы) коллективных, низкосортных и бедных продуктов обогащения 
требует значительно больших капитальных, эксплуатационных и природоохранных затрат, чем гидрометаллургические 
методы. 
В настоящее время основные усилия исследователей 
в области переработки твердых полезных ископаемых концентрируются на технологии подземного выщелачивания, 
которая обеспечивает отсутствие вскрыши и выемки руды 
на поверхность при строительстве карьера, шахт; гидротехнических сооружений для хранения отходов добычи и переработки. Подобный подход требует, с одной стороны, наличия месторождений, в которых рудные тела проницаемы для 
выщелачивающих растворов и изолированы от водоносных 
слоев. С другой стороны, необходимо разрабатывать новые 
выщелачивающие агенты, которые относятся к так называемым дружественным зеленым реагентам и использование 
которых на практике снижает нагрузку на окружающую 
среду. Последнее особенно актуально для золотодобычи, поскольку цианирование для подземного выщелачивания неприемлемо.
8

Таким образом, на выбор методов рудоподготовки и технологии переработки руды, минеральных концентратов и промежуточных продуктов операций сепарации прежде всего 
влияет вещественный состав минерального материала. При 
технико-экономическом обосновании разработки и перереработки руды с получением товарного продукта учитывается 
объем запасов месторождения, производительность фабрики, 
достигаемые технологические показатели, капитальные и эксплуатационные расходы, развитость инфраструктуры, месторасположение месторождений, логистика и стоимость доставки товара (концентратов, металла) до потребителя, стоимость 
металла на рынке.
9

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ 
МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ БАЗЫ
Общими трендами для вещественного состава руд отечественной и зарубежной минерально-сырьевой базы являются:
 
– снижение исходного содержания целевого компонента;
 
– уменьшение вкрапленности целевых минералов. 
На рис. 1.1 приведены зависимости изменения по годам 
качества (исходного содержания ряда цветных металлов и золота) руд, вовлекаемых в переработку.
Рис. 1.1. Снижение по годам исходного содержания 
цветных металлов и золота в рудах, вовлеченных 
в переработку 
Как видно из рис. 1.1, наблюдается общая тенденция снижения исходного содержания целевых металлов в рудах. 
На рис. 1.2 приведено изображение тонкого взаимопрорастания зерен сульфидов между собой и с породными минералами характерной пробы массивной сульфидной руды для одного из месторождений Уральского региона.
Тесное взаимопрорастание рудных (целевых минералов 
меди, сопутствующих целевых сульфидов цинка и свинца; 
сульфидов железа (пирит и его модификации (марказит, мель10