University of Oulu

Multidisciplinary study of the beneficiation potential of the Kiviniemi ferrous scandium deposit

Saved in:
Author: Kallio, Rita1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Geology, Oulu Mining School (OMS)
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 3.2 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526234939
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2022
Publish Date: 2022-11-25
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented, with the assent of the Doctoral Programme Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu, for public defence in Auditorium IT116, Linnanmaa, on 2 December 2022, at 1 p.m.
Tutor: Professor Saija Luukkanen
Professor Timo Fabritius
Professor Ulla Lassi
Reviewer: Associate Professor Hesham Ahmed
Professor Alan Butcher
Opponent: Professor Pertti Lamberg
Description:

Abstract

The European Union lacks domestic primary production of scandium (Sc); therefore, this metal is currently classified as a critical raw material with a very limited, highly concentrated supply base. Finding new Sc sources would create a foundation for a more stable market, decrease the dependency on non-European suppliers and increase the use of Sc in high-technology applications.

To respond to the lack of supply, potential primary and secondary resources of Sc are being investigated. The recently discovered Sc deposit associated with the Kiviniemi mafic intrusion in eastern Finland has a preliminary mineral resource estimate of 13.4 Mt with an average Sc grade of 163 g/t, allowing for regarding Kiviniemi as a potential Sc deposit. The Kiviniemi intrusion has high Sc, Fe, Ti, and P contents, with Sc being mainly incorporated into the lattices of ferrous clinopyroxene and amphibole. To release Sc from ferrous silicates, the following 3-stage processing scheme has been suggested: 1) magnetic separation to decrease the amount of alkali-containing diamagnetic minerals and produce ferrous concentrate enriched in Sc; 2) pyrometallurgical reduction of the ferrous component from the magnetic concentrate, and 3) hydrometallurgical extraction of Sc from FeO-depleted and Sc2O3-enriched slag. The purpose of thesis was to conduct experimental investigations on suggested processing steps, supplemented with material characterization.

A combination of low-intensity (LIMS) and high-gradient magnetic separation (HGMS) with SLon® resulted in 32–45 mass% reduction from the feed and only negligible losses of Sc2O3 to the tailings. The characteristics of the reduction of the ferrous oxide component from the magnetic preconcentrate were investigated using thermogravimetric analysis (TGA). Moderate additions of CaO were shown to improve the reduction characteristics and segregation of metallic iron from the Sc2O3-enriched slag. The resulting acidic, amorphous slag was submitted to H2SO4-based leaching experiments. Although the risk of gelation was avoided by the mentioned methods, the efficiency of leaching remained at best at the level of 40−50%. However, the obtained results provide a foundation for further investigations on the beneficiation possibilities of Kiviniemi-type ferrous scandium deposits. Further studies could include modification of slag properties to improve the potential for selective leaching and/or further investigations of the direct hydrometallurgical extraction of Sc from the concentrates, provided a control over Fe dissolution could be established.

see all

Tiivistelmä

Skandium on EU:n luokittelun mukaan ns. kriittinen raaka-aine, jolla on kohtalainen tai korkea taloudellinen merkittävyys ja Euroopan teollisuuden kannalta saatavuusriski. Sen kysynnän odotetaan kasvavan merkittävästi lähitulevaisuudessa korkean teknologian käyttökohteissa.

Kiviniemen skandiumesiintymä on EU:n alueella merkittävä potentiaalinen raaka-ainelähde odotusarvoltaan kasvaville Sc-markkinoille. GTK:n alustavan malmiarvion mukaan se sisältää 13,4 miljoonaa tonnia skandiumpitoista kiveä, jossa keskipitoisuus on 163 g/t skandiumia. Skandium on Kiviniemen mineralisaatiossa sitoutunut rautapitoisten silikaattimineraalien, pyrokseenin ja amfibolin kidehilaan. Kiviniemen-tyyppisen lähtömateriaalin prosessoimiseksi on ehdotettu kolmivaiheista menetelmäketjua: 1) malmi rikastetaan perinteisillä magneettisilla menetelmillä pyrokseeni-amfibolirikasteeksi; 2) korkean rautapitoisuuden vuoksi rikasteen sisältämä rautaoksidikomponentti pelkistetään pyrometallurgisin menetelmin metalliseksi raudaksi skandiumin konsentroituessa kuonafaasiin; 3) skandium liuotetaan tuotetusta kuonasta. Tässä tutkimuksessa selvitettiin kokeellisesti ehdotettuihin vaiheisiin liittyviä ilmiöitä sekä karakterisoitiin tuotettuja materiaaleja.

Magneettisilla erotusmenetelmillä pystytään poistamaan merkittävä määrä (32–45 massa-%) alkaleja sisältäviä, diamagneettisia harmemineraaleja skandiumin saannin pysyessä korkealla tasolla. Tuotetun, rautapitoisen rikasteen pelkistystutkimuksissa todettiin maltillisen CaO-lisäyksen parantavan metallisen raudan erottumista happamasta kuonasta. Happaman ja amorfisen Sc2O3-pitoisen kuonan liuotusprosessin haasteina on estää piihappogeelin muodostuminen; käytetyillä H2SO4-pohjaisilla menetelmillä geelin muodostuminen vältettiin, mutta skandiumin saanti liuokseen jäi 40–50 %:iin. Tutkimus on kuitenkin tuottanut lisää hyödyllistä tietoa Kiviniemen-tyyppisen materiaalin hyödyntämisvaihtoehtojen kartoittamiseen. Jatkotutkimuksissa voitaisiin tarkastella joko sulapelkistyksellä muodostetun kuonan lisämodifiointia liuotuksen selektiivisyyden parantamiseksi, ja/tai selvittää mahdollisuuksia rikasteen hydrometallurgiselle prosessoinnille, mikäli raudan liukeneminen ja sen erotus saataisiin hallintaan.

see all

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

  1. Kallio, R., Tanskanen, P., & Luukkanen, S. (2021). Magnetic preconcentration and process mineralogical study of the Kiviniemi Sc-enriched ferrodiorite. Minerals, 11(9), 966. https://doi.org/10.3390/min11090966

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  2. Kallio, R., Tanskanen, P., Heikkinen, E.-P., Kokkonen, T., Luukkanen, S., & Fabritius, T. (2022). Reduction characteristics of Kiviniemi ferrous scandium concentrate. Minerals Engineering, 177, 107369. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2021.107369

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  3. Kallio, R., Tanskanen, P., Heikkinen, E.-P., Kokkonen, T., Luukkanen, S., & Fabritius, T. (2022). Slag modification in reduction of Kiviniemi ferrous scandium concentrates. Metals, 12(5), 709. https://doi.org/10.3390/met12050709

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

  4. Kallio, R., Lassi, U., Kauppinen, T., Holappa, E., Christophliemk, M., Luukkanen, S., Tanskanen, P., & Fabritius, T. (2022). Leaching characteristics of Sc-enriched, Fe-depleted acidic slags. Minerals Engineering, 189, 107901. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2022.107901

    Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-3493-9
ISBN Print: 978-952-62-3492-2
Issue: 854
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 1171 Geosciences
Subjects:
Funding: For its main part (2019–2021), this research was funded by the Foundation for Research of Natural Resources in Finland with additional funding in 2022 from the K. H. Renlund Foundation.
Copyright information: © University of Oulu, 2022. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.