Институт металлургии им. Н. А. Ватолина УрО РАН (Екатеринбург, Россия)

К. В. Пикулин, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, pikulin.imet@gmail.com
С. Н. Тюшняков, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник
С. А. Федоров, канд. техн. наук, старший научный сотрудник
Р. И. Гуляева, канд. хим. наук, старший научный сотрудник
С. В. Сергеева, канд. техн. наук, старший научный сотрудник
Л. Ю. Удоева, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник

В условиях устойчивого роста глобального спроса на ниобий и тантал вовлечение в переработку новых месторождений и разработка эффективных технологий извлечения этих металлов приобретают особую актуальность. Традиционные гидрометаллургические схемы отработаны для богатых концентратов, однако их применение для бедного сырья и техногенных образований сопряжено с технологическими и экономическими трудностями. Перспективным направлением представляется пирометаллургическая переработка с извлечением ценных компонентов в металлоконцентрат (сплав) методом алюминотермического восстановления. В настоящей работе рассмотрено алю минотермическое восстановление тантала и ниобия на примере природного колумбит-танталита (колтана) – одного из основных рудных минералов тантал-ниобиевого сырья промышленного значения. Представлены результаты комплексного исследования вещественного состава пробы и его влияния на эффективность алюминотермического восстановления металлов. Установлено, что ниобий и тантал в исследуемой пробе колтана находится в составе минералов колумбит-танталита и тапиолита, отличающихся кристаллической структурой. Олово присутствует в виде касситерита и частично как изоморфная примесь в танталите. Экспериментально показано, что процесс взаимодействия минеральных составляющих колтана с алюминием зависит от их кристаллохимической устойчивости: степень восстановления металлов из колумбит-танталита гораздо выше, чем из тапиолита. Максимальное извлечение Nb и Ta в сплав без добавления флюса составило 93,0 и 86,3 %, соответственно, а с добавлением оксида кальция для шлакообразования показатели снизились до 73,9 и 85,3 % из-за образования редкометалльных алюминатов кальция. В обоих случаях отмечено «обогащение» продукта восстановления (сплава) целевыми металлами при практически исходном содержании сопутствующих компонентов (Fe, Mn, Sn). Алюминотермию тантал-ниобиевого сырья можно рассматривать как альтернативный метод пирометаллургического обогащения, пригодный как для кондиционных, так и для бедных редкометалльных концентратов.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-79-00206, https://rscf.ru/project/25-79-00206/ с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Урал-М».

1. Zelikman A. N., Korshunov B. G., Elyutin A. V., Zakharov A. M. Niobium and tantalum. Moscow: Metallurgiya, 1990. 296 p.
2. Shikika A., Sethurajan M., Muvundja F., et al. A review on extractive metallurgy of tantalum and niobium. Hydrometallurgy. 2020. Vol. 198. 105496.
3. Mantz J. W. Improvisational economies: Coltan production in the eastern Congo. Social Anthropology. 2008. Vol. 16, Iss. 1. pp. 34–50.
4. Somarin A. K. Geochemical fingerprinting of conflict minerals using handheld XRF: an Example for coltan, cassiterite, and wolframite ores from Democratic Republic of the Congo, Africa. Minerals. 2019. Vol. 9, Iss. 9. 564.
5. Rodriguez O., Alguacil F. J., Baquero E. E., et al. Recovery of niobium and tantalum by solvent extraction from Sn-Ta-Nb mining tailings. RSC Advances. 2020. Vol. 10, Iss. 36. pp. 21406–21412.
6. Allain E., Kanari N., Diot F., Yvon J. Development of a process for the concentration of the strategic tantalum and niobium oxides from tin slags. Minerals Engineering. 2019. Vol. 134. pp. 97–103.
7. Htwe H. H., Lwin K. T. Study on extraction of niobium oxide from columbite-tantalite concentrate. World Academy of Science, Engineering and Technology. 2008. Vol. 46. pp. 133–135.
8. Rodriguez M., Quiroga O., Ruiz M. del C. Kinetic study of ferrocolumbite dissolution in hydrofluoric acid medium. Hydrometallurgy. 2007. Vol. 85, Iss. 2–4. pp. 87–94.
9. Shikika A., Zabene F., Muvundja F., et al. Extraction of Ta and Nb from a coltan bearing ore by means of ammonium bifluoride fluorination and sulfuric acid leaching. Minerals. 2021. Vol. 11, Iss. 12. 1392.
10. Zhou H., Zheng S., Zhang Y., Yi D. A kinetic study of the leaching of a low-grade niobium–tantalum ore by concentrated KOH solution. Hydrometallurgy. 2005. Vol. 80, Iss. 3. pp. 170–178.
11. Wang X., Zheng S., Xu H., Zhang Y. Leaching of niobium and
tantalum from a low-grade ore using a KOH roast–water leach system. Hydrometallurgy. 2009. Vol. 98, Iss. 3-4. pp. 219–223.
12. Maiorov V. G., Nikolaev A. I., Kopkov V. K., Elizarova I. P. On alkaline opening of columbite and tantalite. Russian Journal of Applied Chemistry. 2011. Vol. 84, Iss. 10. pp. 1694–1697.
13. Deblonde G. J.-P., Weigel V., Bellier Q., et al. Selective recovery of niobium and tantalum from low-grade concentrates using a simple and fluoride-free process. Separation and Purification Technology. 2016. Vol. 162. pp. 180–187.
14. Brocchi E. A., Moura F. J. Chlorination methods applied to recover refractory metals from tin slags. Minerals Engineering. 2008. Vol. 21, Iss. 2. pp. 150–156.
15. Petukhov M. A., Rakova N. N., Chub A. V. Investigation of the process of chlorination of tantalate–columbate concentrates. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2007. Vol. 48, Iss. 3. pp. 194–202.
16. Orlov V. M., Kiselyov E. N., Kryzhanov M. V. Powders of niobium and tantalum from production waste of lithium niobate and lithium tantalite. Khimicheskaya Tekhnologiya. 2017. Vol. 18, Iss. 4. pp. 146–150.
17. Munter R., Parshin A., Yamshchikov L., et al. Reduction of tantalum pentoxide with aluminium and calcium: thermodynamic modelling and scale skilled tests. Proceedings of the Estonian Academy of Sciences. 2010. Vol. 59, Iss. 3. pp. 243–252.
18. Kryzhanov M. V., Orlov V. M., Sukhorukov V. V. Thermodynamic modeling of magnesiothermic reduction of niobium and tantalum from pentoxides. Russian Journal of Applied Chemistry. 2010. Vol. 83, Iss. 3. pp. 379–383.
19. Awasthi A., Bhatt Y. J., Krishnamurthy N., et al. The reduction of niobium and tantalum pentoxides by silicon in vacuum. Journal of Alloys and Compounds. 2001. Vol. 315, Iss. 1-2. pp. 187–192.
20. De Lazzari C. P., Cintho O. M., Capocchi J. D. T. Kinetics of the nonisothermal reduction of Nb2O5 with aluminium. ISIJ International. 2005. Vol. 45, Iss. 1. pp. 19–22.
21. Gulyaeva R. I., Udoeva L. Yu., Petrova S. A., et al. Phase transformation during metallothermic reduction of tantalite. Metallurgist. 2022. Vol. 66, Iss. 1-2. pp. 200–214.
22. Tyushnyakov S. N., Gulyaeva R. I., Udoeva L. Yu., et al. Metallothermic reduction of natural cassiterite. Metallurgist. 2021. Vol. 65, Iss. 7-8. pp. 746–759.
23. Klyushnikov A. M., Gulyaeva R. I., Sergeeva S. V., et al. Aluminothermic synthesis of corundum from natural topaz. Refractories and Industrial Ceramics. 2022. Vol. 63, Iss. 2. pp. 143–149.
24. Villeneuve M., Wazi N., Kalikone C., Grtner A. A Review of the G4 “tin granites” and associated mineral occurrences in the Kivu Belt (Eastern Democratic Republic of the Congo) and their relationships with the last kibaran tectono-thermal events. Minerals. 2022. Vol. 12, Iss. 6. 737.
25. Melcher F., Graupner T., Gbler H.-E., et al. Tantalum–(niobium–tin) mineralisation in African pegmatites and rare metal granites: Constraints from Ta–Nb oxide mineralogy, geochemistry and U–Pb geochronology. Ore Geology Reviews. 2015. Vol. 64. pp. 667–719.
26. Pikulin K. V., Gulyaeva R. I., Udoeva L. Yu., et al. Technology for processing poor tantalum concentrates. The 2^nd International conference on technologies, properties and applications of rare metals and related materials (Raremet-2022). Moscow: JSC “Giredmet”, 2022. pp. 20–22.