Железорудное сырье. Как добывают железную руду (72 фото)

Железную руду человек начал добывать еще в конце II тысячелетия до нашей эры, уже тогда определив для себя преимущества железа по сравнению с камнем. С тех времен люди стали различать виды железных руд, хотя они еще не имели тех названий, что сегодня.

В природе железо - один из самых распространенных элементов, и в земной коре его содержится по разным данным от четырех до пяти процентов. Это четвертое место по содержанию после кислорода, кремния и алюминия.

Железо представлено не в чистом виде, оно в большем или меньшем количестве содержится в разного вида горных породах. И если по расчетам специалистов добывать железо из такой породы целесообразно и выгодно экономически, ее называют железной рудой.

За последние несколько столетий, на протяжении которых очень активно выплавляется сталь и чугун, железные руды истощаются - ведь металла требуется все больше и больше. Например, если в XVIII веке, на заре промышленной эры руды могли содержать и 65% железа, то сейчас нормальным считается содержание в руде 15 процентов элемента.

Из чего состоит железная руда.

В состав руды входит рудный и рудообразующий минералы, различные примеси и пустая порода. Соотношение этих составляющих отличается от месторождения к месторождению.

Рудный материал содержит главную массу железа, а пустая порода - это минеральные отложения, содержащие железо в очень малых количествах или не содержащие вовсе.

Оксиды, силикаты и карбонаты железа - самые часто встречающиеся рудные минералы железных руд.

Виды железной руды по содержанию железа и по местообразованию.

• С низким содержанием железа или сепарированную железную руду, ниже 20%
• Со средним содержанием железа или аглоруду
• Железосодержащая масса или окатыши - породы с высоким содержанием железа, выше 55%

Железные руды могут быть линейными - то есть залегающие в местах разломов и изгибов земной коры. Именно они наиболее богаты железом и содержат мало фосфора и серы.

Другой вид железных руд - плоскоподобные, которые содержатся на поверхности железосодержащих кварцитов.

Красные, бурые, желтые, черные железняки.

Самым распространенным видом руды является красный железняк, который образуется безводным оксидом железа гематитом, имеющим химическую формулу Fe 2 O 3 . В гематите содержится очень высокий процент железа (до 70 процентов) и мало посторонних примесей, в частности серы и фосфора.

Красные железняки могут находиться в разном физическом состоянии - от плотного до пылевого.

Бурый железняк - это водная окись железа Fe 2 O 3 *nH 2 O. Число n может изменяться в зависимости от основы, составляющей руду. Чаще всего это лимониты. Бурые железняки, в отличие от красных, содержат меньше железа - 25-50 процентов. Их структура рыхлая, пористая, а в руде много других элементов, среди которых - фосфор и марганец. В бурых железняках содержится много адсорбированной влаги, пустая же порода - глинистая. Свое название этот вид руды получил из-за характерного бурого или желтоватого цвета.

Но несмотря на довольно низкое содержание железа, из-за легкой восстановимости перерабатывать такую руду легко. Из них часто выплавляют высокачественный чугун.

Бурый железняк чаще всего нуждается в обогащении.

Магнитными рудами называют те, которые образованы магнетитом, являющимся магнитным оксидом железа Fe 3 O 4. Название подсказывает, что эти руды имеют магнитные свойства, которые утрачиваются при нагревании.

Магнитные железняки реже встречаются, чем красные. Но железа в них может содержаться даже свыше 70 процентов.

По своей структуре он может быть плотным и зернистым, может выглядеть как кристаллы, вкрапленные в породу. Цвет магнетита - черно-синий.

Еще один вид руды, который называется шпатовым железняком. Ее рудосодержащей составляющей является карбонат железа с химическим составом FeCO 3 под названием сидерит. Другое название - глинистый железняк - это если в руде содержится значительное количество глины.

Шпатовые и глинистые железняки встречаются в природе реже других руд и содержат относительно немного железа и много пустой породы. Сидериты могут преобразовываться в бурые железняки под влиянием кислорода, влаги и осадков. Поэтому залежи выглядят так: в верхних слоях это бурый железняк, а в нижних - шпатовый железняк.

Железные руды представляют собой горные породы, содержащие железо, причем в таком количестве, что руду выгодно перерабатывать. В природе имеется около 20 минералов с высоким содержанием железа (23-72%). Железо в руде находится в виде окислов или солей, соединенных с горной породой. В зависимости от состояния, в котором находится железо, различают четыре вида железных руд.

Бурый железняк содержит Железо в виде водного окисла 2Fe2O3-3H2O. Цвет руды желто-бурый. Эта руда бедна железом (от 35 до 60%), а серы и фосфора, наоборот, содержит больше, чем другие руды. Руда легко восстановима. Крупнейшие ее месторождения находятся на Урале (Бакальские руды с высоким содержанием железа, почти без примесей серы и фосфора). Большие запасы бурого железняка в порошкообразном виде имеются на Керченском полуострове. Известны также Тульское и Липецкое месторождения, руды Кольского полуострова, Тогайского железорудного бассейна.

Красный железняк содержит Железо в виде окисла Fe2O3. Руда красного цвета, содержание железа 55-60%. Это одна из лучших железных руд; она легко восстанавливается, содержит мало серы и фосфора. Богатейшие месторождения красного железняка находятся в Кривом Роге. Крупные запасы красного железняка имеются также в районе Курской магнитной аномалии.

Магнитный железняк содержит Железо в виде окисла Fe304. Руда черного цвета, содержание железа 45-70%. Это наиболее богатая железом руда. Она обладает магнитными свойствами, плотна, восстанавливается с трудом. Залегает главным образом на Урале - в горах Магнитная, Высокая, Благодать. Недавно разведаны месторождения магнитного железняка в Тогайской степи в Казахстане.

Шпатовый железняк содержит Железо в виде соли FeCO3. Эту руду называют сидеритом, или болотной рудой. Она бедна железом (от 30 до 45%). Залежи шпатового железняка встречаются на Урале в районе Бакальского месторождения

Комплексные железные руды содержат, кроме железа, другие металлы (хром, никель, титан, ванадий), восставав-ливаемые в доменной плавке:

хромоникелевые бурые железняки Орско-Халиловского месторождения содержат 35-45% железа; 1,3-1,5% хрома и 0,3-0,5% никеля;

титаномагнетиты, содержащие 42-48% железа; 0,3-0,4/о ванадия и 4,5-13,0% двуокиси титана, добываются на Урале в Качканарском, Кусинском и Первоуральском месторождениях.

Марганцевые руды применяют, чтобы увеличить содержание марганца в выплавляемых чугунах. Эти руды мягки, рыхлы и гигроскопичны. Содержание окиси марганца в них 28- 40%. Наиболее важным месторождением богатых руд (содержание окиси марганца 48-52%) являются Чиатурское на Кавказе, Никопольское на Украине, у г. Ачинска в Сибири, Уралоазовское и Полуночное на Урале и в Казахстане.

В процессе доменной плавки, кроме железных и марганцевых руд, используют различные отходы: чугунный лом и стружку, загрязненный стальной лом.

Флюсы применяют в доменной плавке для сплавления пустой породы и золы топлива в шлак. При работе доменных печей на коксе используют главным образом известняк (СаСO3). Если в пустой породе находятся основные окислы, применяют кислые флюсы - кварциты.

В качестве топлива для доменной плавки используют кокс. Металлургическое топливо должно иметь следующие качества: высокую теплотворную способность, прочность, пористость, невысокую зольность и минимальное содержание серы. Кокс отвечает почти всем этим требованиям. Теплота сгорания кокса 5600 ккал/кг , поэтому на нем выплавляют 98% мирового чугуна. Кокс получают из каменного угля при нагревании его до 950-1000° без доступа воздуха в специальных печах. При этом из угля удаляются летучие вещества, а остающаяся часть спекается в твердый и пористый кокс.

Современная коксовая печь (батарея) состоит из 50-70 узких длинных камер емкостью 18-20 мв каждой из них выжигается 12-16 т кокса. Длительность процесса коксования около 12-15 часов. Из одной тонны угля можно получить 750-800 кг кокса и 300-350 м3 высококалорийного газа.

Лучшим коксом считается кузнецкий, содержащий 0,5-0,6% серы и 12-13,5% золы.

Одним из наиболее эффективных частичных заменителей кокса в доменной плавке является природный газ. Стоимость его не превышает 2 руб. за 1000 л3, т. е. в десятки раз ниже стоимости кокса.

Применение природного газа способствует снижению себестоимости чугуна, так как экономится от 10 до 15% кокса.

5. Устройство доменной печи и её работа

Доменная печь - домна) является шахтной печью непрерывного действия. Она имеет форму двух усеченных конусов, сложенных широкими основаниями, между которыми находится цилиндрическая часть, называемая распаром.

Чугун выплавляется из железных руд в специальных печах, называемых доменными. Отсюда процесс получения чугуна из железных руд называется доменным процессом.

Доменная печь имеет большое количество специальных устройств и механизмов, обеспечивающих беспрерывность процесса. Большинство механизмов работает автоматически.

1-скип; 2-засыпной аппарат; 3-доменная печь; 4-фурменные отверстия; 5- чугунная летка; шлаковая летка; 7-воздухонагреватели; 8-газоочистительные устройства; 9-дымовая труба

Смесь из руды, кокса и флюса подготовляется в определенной пропорции для загрузки в доменную печь. Такая смесь называется шихтой. Специальный подъемник - скип 1 перемещающийся по наклонным путям, доставляет шихту к верхней части доменной печи, откуда она через засыпной аппарат 2 поступает в печь 3.

Для поддержания интенсивного горения загружаемого кокса необходимо большое количество воздуха. Воздух подается в печь через специальные отверстия 4 в нижней части печи, которые называются фурменными отверстиями. Чтобы воздух пробил высокий столб шихты и проник во все части печи, а также чтобы имелось достаточное количество кислорода для сгорания всего топлива, воздух вдувают в печь под давлением в 1-2 ати. Воздух подогревается до температуры 600-800°, так как вдувание большого количества холодного воздуха снижает температуру внутри печи, в результате чего процесс плавки руды замедляется.

Подогрев воздуха осуществляется в воздухонагревателях 7, которые строятся рядом с доменной печью. Воздухонагреватели отапливаются доменным (колошниковым) газом, получающимся при выплавке чугуна. Доменный газ предварительно очищается от пыли в специальных газоочистительных устройствах 8. Продукты сгорания из воздухонагревателей удаляются через дымовую трубу 9.

Полученный в печи жидкий чугун опускается в нижнюю ее часть, откуда периодически выпускается через отверстие 5, называемое чугунной леткой. В специальных ковшах большой емкости чугун от доменной печи отвозится в сталеплавильные цехи для переработки в сталь или к разливочной машине для получения чугунных чушек.

Пустая порода, флюсы и зола топлива образуют в печи жидкий шлак, который имеет меньший удельный вес, чем чугун, и поэтому располагается над жидким чугуном. Шлак выпускается из печи через шлаковую летку 6 и направляется для переработки и дальнейшего использования в качестве строительного материала или в шлаковый отвал.

Доменная печь работает беспрерывно по принципу противотока: исходные материалы загружаются сверху, постепенно опускаются вниз, превращаясь в чугун и шлак, а газы, нагревшиеся в нижней зоне печи, поднимаются кверху навстречу исходным материалам.

Печь имеет наружную стальную оболочку, которая называется кожухом, и внутреннюю кладку, или футеровку. Футеровка должна устойчиво сопротивляться износу от трения беспрерывно опускающихся столбом исходных материалов, выдерживать действие высоких температур, не расплавляясь и не давая деформаций. Поэтому для футеровки применяется высококачественный огнеупорный (шамотный) кирпич.

6. Производство стали в конвертерах

КИСЛОРОДНЫЙ КОНВЕРТЕР с верхней продувкой. 1 – стальной кожух; 2 – огнеупорная футеровка; 3 – кислородная фурма; 4 – завалка флюса; 5 – легирующие добавки; 6 – летка; 7 – ковш; 8 – заготовка; 9 – проволока; 10 – бесшовная труба; 11 – блюм; 12 – балка; 13 – толстолистовая сталь; 14 – листовая заготовка (сляб); 15 – листовой прокат.

Кислородный конвертер с верхней продувкой представляет собой грушевидный сосуд (с открытой узкой верхней горловиной) диаметром ок. 6 м и высотой ок. 10 м, облицованный изнутри магнезиальным (основным) кирпичом. Эта футеровка выдерживает примерно 1500 плавок. Конвертер снабжен боковыми цапфами, закрепленными в опорных кольцах, что позволяет наклонять его. В вертикальном положении конвертера его горловина находится под вытяжным колпаком дымоотводящего камина. Боковое выпускное отверстие, имеющееся с одной стороны, позволяет отделить металл от шлака при сливе. В конвертерном цеху рядом с конвертером обычно имеется загрузочный пролет. Сюда транспортируется в большом ковше жидкий чугун из доменной печи, а в стальных бункерах накапливается металлолом для загрузки. Все это сырье переносится к конвертеру мостовым краном. По другую сторону от конвертера расположен разливочный пролет, где имеются приемный ковш для выплавленной стали и железнодорожные тележки для транспортировки его на разливочную площадку.

Перед началом кислородно-конвертерного процесса конвертер наклоняют в сторону загрузочного пролета и через горловину засыпают металлолом. Затем в конвертер заливают жидкий металл из доменной печи, содержащий около 4,5% углерода и 1,5% кремния. Предварительно металл подвергается десульфуризации в ковше. Конвертер возвращают в вертикальное положение, сверху вводят охлаждаемую водой фурму и включают подачу кислорода. Углерод в чугуне окисляется до CO или CO2, а кремний – до диоксида SiO2. По «течке» (загрузочному лотку) добавляется известь для образования шлака с диоксидом кремния. Со шлаком выводится до 90 % кремния, содержащегося в чугуне. Содержание азота в готовой стали сильно понижается благодаря промывающему действию CO. Приблизительно через 25 мин дутье прекращается, конвертер немного наклоняют, отбирают пробу и анализируют ее. При необходимости в корректировке можно снова возвратить конвертер в вертикальное положение и ввести в горловину кислородную фурму. Если же состав и температура расплава соответствуют спецификациям, то конвертер наклоняют в сторону разливочного пролета и через выпускное отверстие сливают сталь.

7. Получение стали в мартеновских печах

Мартеновский процесс был разработан в 1865 г. французскими металлургами отцом Э. Мартеном и сыном П. Мартеном. Мартеновская печь по устройству и принципу работы является пламенной регенеративной печью. В ее плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов. Рабочее плавильное пространство печи ограничено снизу ванной, образованной подиной и откосами; сверху - сводом; с боков - передней и задней стенками; с торцов - головками. В передней стенке расположены окна, через которые в печь загружают исходную шихту и дополнительные материалы (по ходу плавки), а также берут пробы металла и шлака, удаляют шлак при дефосфорации. Окна закрыты заслонками со смотровыми отверстиями. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне подины. Отверстие плотно забивают малоспекающимися огнеупорными материалами.

Для более полного использования тепла отходящих газов в системе газоотводов установлены регенераторы. Регенераторы выполнены в виде камер, заполненных насадкой из огнеупорного кирпича. Принцип регенерации тепла заключается в том, что насадка одной пары регенераторов некоторое время нагревается до 1250 – 1300 оС отходящими из печи газами. Затем при помощи клапанов направление движения регенераторов меняется автоматически. Через один из нагретых регенераторов в рабочее пространство печи подается воздух, через другой – газ. Проходя через насадку, они нагреваются до 1100- 1200 С. В это время другая пара регенераторов нагревается, аккумулируя тепло отходящих газов. После охлаждения насадки регенераторов до установленной температуры снова происходит автоматическое переключение клапанов.

8. Получение стали в электропечах

Плавка в электропечах имеет ряд преимуществ перед плавкой в конверторах и мартеновских печах. Высокая температура позволяет применять сильноосновные шлаки, вводить большое количество флюсов и достигать максимального удаления из стали серы и фосфора. Для плавки в электропечи не требуется воздуха; окисляющая способность печи невысока, поэтому количество FeO в ванне незначительно, сталь получается достаточно раскисленная и плотная. Благодаря высокой температуре в печи можно получить легированные стали с тугоплавкими элементами: вольфрамовые, молибденовые и др.

Исходными материалами для плавки в электропечах являются стальной лом, железная руда, окалина. Передельный мартеновский чугун применяют только для сталей с высоким содержаниемуглерода, но чаще заменяют электродным боем или малосернистым коксом.

В качестве флюсов в основных печах применяют известь, а в кислых печах - кварцевый песок. Для разжижения основных шлаков применяют плавиковый шпат, боксит и шамотный бой, а для кислых шлаков - известь и шамотный бой. Для раскисления стали, кроме обычных ферросплавов, применяют комплексные раскислители (АМС, содержащий по 10% кремния, марганца и алюминия, силикомарганец, силикокальций).

Все материалы, загружаемые в электрические печи, должны быть сухими, чтобы не произошло насыщения стали водородом от разложения влаги.

Электрические печи для плавки металла делятся на три вида: печи сопротивления, дуговые и индукционные.

Для плавки стали применяют в основном дуговые и индукционные печи, а в печах сопротивления плавят сплавы цветных металллов.

Дуговые печи н аиболее распространены в промышленности, так как устройство и эксплуатация их несложны, коэффициент полезного действия высок и, кроме того, в них можно выплавлять самые разнообразные сорта стали и сплавов цветных металлов. В дуговых печах электроэнергия превращается в тепловую энергию дуги, которая передается плавящейся шихте посредством излучения.

Индукционные печи применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов с низким содержанием углерода, а также для производства тонкостенного фасонного литья специальными методами (по выплавляемым моделям, под давлением и т. п.).

Электрошлаковый переплав стали представляет собой совершенно новый метод получения высококачественных легированных сталей, в том числе и быстрорежущих. Он разработан Институтом электросварки им. Е. О. Патона Академии наук УССР.

Сущность его состоит в том, что слитки из стали, полученной в обычных печах, перерабатываются на электроды для последующей переплавки их в электрошлаковой печи. плавление электродов происходит не за счет тепла электрической дуги, а за счет тепла, выделяющегося в слое расплавленного шлака, служащего сопротивлением при прохождении через него электрического тока. Принцип электрошлакового переплава очень прост. Электрод-слиток 1 (рис. 3) диаметром до 150 мм и длиной от 2 до б м вводят в медный водоохлаждаемый кристаллизатор 2, который представляет собой полый цилиндр. К дну кристаллизатора прикреплен поддон 5 с затравкой 4 - это шайба из переплавляемой стали. На затравку насыпают электропроводный флюс из порошка алюминия с магнием. В зазор между слитком-электродом и стенкой кристаллизатора засыпают рабочий флюс 3, состоящий из Аl2O3, CaFe2 и СаО.

9. Прогрессивные способы получения стали

Одним из прогрессивных способов получения сложных и высоколегированных сталей является электрометаллургический: плавка в электрических дуговых и индукционных печах.

Сталь особо высокого качества выплавляют в вакуумных электрических печах, а также путем электрошлакового, плазменного переплава, электронно-лучевой плавки.

10. Общее сведения о металлах. Классификация металлов.

Металлы - материалы кристаллической структуры, обладающие рядом специфических свойств: металлическим блеском; высокой электропроводностью и теплопроводностью; положительным температурным коэффициентом электросопротивления; электронной эмиссией; при нормальных условиях находятся в твердом состоянии (исключением является ртуть).

По внешнему виду металлы подразделяются на черные и цветные. К черным металлам относят железо и сплавы на его основе, остальные металлы принято относить к цветным.

Черные металлы, используемые в производстве хозяйственных товаров, представлены двумя сплавами: сталью (сплав железа с углеродом, с содержанием последнего не более 2,14%) и чугуном (сплав железа с углеродом, с содержанием последнего более 2,14%).

Чугун выплавляют из железной руды в доменных печах.

Сталь получают из чугуна путем выжигания из него избытка углерода кислородом воздуха.

11. Атомно-кристаллическое строение металлов.

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

В кристаллах существует не только ближний, но и дальний порядок размещения атомов, т. е. упорядоченное расположение частиц в кристалле сохраняется на больших участках кристаллов. Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл (твердое кристаллическое тело).

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.

12. Свойства металлов и сплавов

Механические свойства

К основным механическим свойства относят:

Прочность

Пластичность

Твердость

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок.

Пластичность – способность материала изменять свою форму и размеры по действием внешних сил.

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела.

Физические свойства

К физическим свойства относят:

Плотность

Температуру плавления

Теплопроводность

Электропроводность

Магнитные свойства

Цвет – способность металлов отражать излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розовато-красный цвет, алюминий – серебристо-белый.

Плотность металла определяется отношением массы к единице объема. По плотности металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м3) и тяжелые.

Температура плавления – температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие (вольфрам – 3416 оС, тантал – 2950 оС и др.) и легкоплавкие (олово – 232 оС, свинец – 327 оС). В единицах СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К).

Теплопроводность – способность металлов передавать тепло от более нагретых участков тела к менее нагретым. Большой теплопроводностью обладают серебро, медь, алюминий. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/(м·К).

Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя противоположными характеристиками – электрической проводимостью и электрическим сопротивлением.

Электропроводность оценивается в системе СИ в сименсах (См). Электросопротивление выражают в омах (Ом). Хорошая электропроводность необходима, например, для токонесущих проводов (их изготавливают из меди, алюминия). При изготовлении электронагревательных приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (из нихрома, константана, манганина). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением – увеличивается.

Магнитные свойства выражаются в способности металлов намагничиваться. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, которые называют ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.

Химические свойства

Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, растворами щелочей и др.

К химическим свойствам относят:

Коррозионную стойкость

Жаростойкость

Коррозионная стойкость – способность металлов сопротивляться химическому разрушению под действием на их поверхность внешней агрессивной среды (коррозия происходит при вступлении в химическое взаимодействие с другими элементами).

Жаростойкость – способность металлов сопротивляться окислению при высоких температурах

Химические свойства учитывают в первую очередь для изделий или деталей, работающих в химически агрессивных средах:

Емкости для перевозки химических реактивов

Трубопроводы химических веществ

Приборы и инструменты в химической промышленности

13. Понятия: Сплав, компонент, фаза, механические смеси, твёрдые растворы, химические соединения.

Сплав - макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

Компоненты - вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Фаза - однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.

МЕХАНИЧЕСКАЯ СМЕСЬ (в металловедении) - строение сплава из двух компонентов, которые неспособны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединений. Сплав состоит из кристаллов компонентов А и Б

Твёрдые растворы - фазы переменного состава, в которых атомы различных элементов расположены в общей кристаллической решётке.

Хими́ческое соедине́ние - сложное вещество, состоящее из химически связанных атомов двух или более элементов (гетероядерные молекулы). Некоторые простые вещества также могут рассматриваться как химические соединения, если их молекулы состоят из атомов, соединённых ковалентной связью (азот, кислород, иод, бром, хлор, фтор, предположительно астат).

14. Кристаллизация металлов и сплавов

Процессы кристаллизации металлов и сплавов, являющиеся процессами перехода их из жидкого состояния в твердое, связаны с выделением скрытой теплоты кристаллизации. Для того чтобы происходил процесс кристаллизации металла или сплава, его необходимо все время охлаждать (отводить, отнимать от него тепло).

При рассмотрении процессов кристаллизации мы прежде всего должны иметь в виду определенный объем жидкого металла или сплава, который отдает тепло, и форму, которая принимает его. Передача тепла от жидкого металла и сплава форме проходит не мгновенно, так как теплопроводность жидкого металла или сплава и формы имеет определенные конечные значения. Поэтому одновременная кристаллизация всего объема металла или сплава в форме невозможна даже при одинаковых температурах во всех точках его объема.

15. Экспериментальное построение диаграмм состояния двойных сплавов

16. Правила фаз и отрезков

Фазами могут быть жидкие растворы, твердые растворы и химические соединения. Следовательно, однородная жидкость представляет собой однофазную систему, механическая смесь двух видов кристаллов - двухфазную систему и т. д.

Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), которые можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Количественную зависимость между числом степеней свободы системы, находящейся в равновесном состоянии, и числом компонентов и фаз принято называть правилом фаз (закон Гиббса). Правило фаз для металлических систем выражается уравнением

С = К - Ф + m,

где С -число степеней свободы системы; К -число компонентов; Ф - число фаз; т - число внешних факторов (температура, давление).

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении (Р = const), это уравнение примет следующий вид: С = К – Ф + 1, где 1 - внешний переменный фактор (температура).

Пользуясь правилом фаз, рассмотрим, как происходит изменение числа степеней свободы однокомпонентной системы для случая расплавленного чистого металла (К=1; Ф=1) С = 1-1 + 1 = 1, т.е. температуру можно изменять не меняя числа фаз. Такое состояние системы называют моновариантным (одновариантным). В процессе кристаллизации Ф = 2 (две фазы - жидкая и твердая), а К=1, тогда С= 1-2+1=0. Это значит, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре (температура плавления), и она не может быть изменена, пока одна из фаз не пропадет. Такое состояние системы называют нонвариантным (безвариантным).Для диухкомпонентной системы, находящейся в жидком состоянии (К = 2; Ф=1), правило фаз имеет вид С = 2-1 + 1=2, такая система называется бивариантной (двухвариантной). В этом случае возможно изменение двух факторов равновесия (темпера­туры и концентрации), число фаз при этом не меняется. Для этой же системы при существовании двух фаз (жидкой и твердой) К=2, Ф = 2, согласно правилу фаз С = 2-2+1 = 1, т.е. с изменением температуры концентрация должна быть строго определенной.

Применение правила фаз для диаграммы состояния первого типа(см. рис.). Пользуясь этой диаграммой, можно определить фазовое состояние сплавов любого состава при любой температуре. Так, например, в области 1 существует одна фаза - жидкий раствор. Правило фаз запишется в виде С = К – Ф + 1 = 2- 1 + 1 = 2, т. е. система имеет две степени свободы. Для остальных областей 2, 3, 4 и 5 система ха­рактеризуется одной степенью свободы (С = 2 – 2 + 1 = 1).

17. Диаграмма состояния сплавов с механической смесью

22. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Феррит – это твёрдый раствор углерода в α-железе. Максимальная концентрация углерода – всего лишь 0,025% (точка P). При комнатной температуре – не выше 0,006%. Феррит мягок и пластичен.

Аустенит – твёрдый раствор углерода в γ-железе. Максимальная концентрация углерода - 2,14 % (точка E). Аустенит имеет невысокую твёрдость, пластичен, не магнитится.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа, Fe3C). Концентрация углерода, соответственно, постоянная – 6,67 % углерода. Цементит очень твёрд, хрупок, непластичен.

Необходимо так же выделить 2 структурные составляющие железоуглеродистых сплавов:

Перлит (эвтектоид) – механическая смесь 2 фаз – пластинок/зерен феррита и цементита. Перлит образуется в результате перлитного превращения аустенита («свободного» или входящего в состав ледебурита) с концентрацией углерода 0,8% при прохождении ниже линии PSK:

А0,8→Ф0,025 + Ц6,67

Железо при этом переходит из γ-формы в α-форму. Механические свойства сильно зависят от размера (дисперсности) частичек, из которых состоит данный перлит.

Ледебурит (эвтектика) – механическая смесь 2 фаз – пластинок/зерен аустенита и цементита. Ледебурит образуется из жидкой фазы с концентрацией углерода 4,3% при прохождении ниже линии ECF:

Ж4,3→А2,14 + Ц6,67

Структура ледебурита. Ц - цементит, А - аустенит.

23. Диаграмма состояния сплавов железо-цементит

Диаграмма железо-углерод (железо-цементит) – это графическое отображение структуры сплавов, состоящих только из железа и углерода, в зависимости от исходной средней концентрации углерода и текущей температуры сплава. Диаграмма железо-углерод позволяет понять процессы, происходящие при термообработке стали.

Диаграмма железо-углерод (железо-цементит). Упрощенная

линия ACD. Линия ликвидус. При охлаждении сплавов ниже нее начинается их кристаллизация;

линия AECF. Линия солидус. При охлаждении сплавов ниже нее весь сплав переходит в твердое состояние;

линия ECF. Иногда называется линией ледебуритного превращения. При охлаждении сплавов с содержанием углерода выше 2,14% ниже нее жидкая фаза превращается в ледебурит;

линия PSK. Линия перлитного превращения. При охлаждении сплавов ниже нее аустенит превращается в перлит.

Отметим несколько важных точек на диаграмме:

точка E. Точка максимального насыщения аустенита углеродом – 2,14%, при температуре 1147°С;

точка P. Точка максимального насыщения феррита углеродом – 0,025%, при температуре 727°С;

точка S. Точка «0,8% С-727°С» превращения аустенита с концентрацией углерода 0,8% в перлит (эвтектоид) той же средней концентрации;

точка C. Точка «2,14 % С-1147°С» превращения жидкости с концентрацией углерода 2,14% в ледебурит (эвтектику) той же средней концентрации.

Желе́зные ру́ды - природные минеральные образования, содержащие железо и его соединения в таком объёме, когда промышленное извлечение железа из этих образований целесообразно. Несмотря на то, что железо входит в большем или меньшем количестве в состав всех горных пород , под названием железных руд понимают только такие скопления железистых соединений , из которых с выгодой в экономическом отношении можно получить металлическое железо .

Классификация

Различаются следующие промышленные типы железных руд:

Существует четыре основных вида железорудной продукции, использующиеся в чёрной металлургии :

• сепарированная железная руда (обогащённая методом сепарации рассыпчатая руда),
• железорудные брикеты .

Химический состав

По химическому составу железные руды представляют собой окиси , гидраты окисей и углекислые соли закиси железа, встречаются в природе в виде разнообразных рудных минералов , из которых главнейшие: магнетит , или магнитный железняк; гематит , или железный блеск (красный железняк); лимонит , или бурый железняк, к которому относятся болотные и озерные руды; наконец, сидерит , или шпатоватый железняк (железный шпат), и его разновидность сферосидерит. Обыкновенно каждое скопление названных рудных минералов представляет смесь их, иногда весьма тесную, с другими минералами, не содержащими железа, как, например, с глиной , известняком или даже с составными частями кристаллических изверженных пород. Иногда в одном и том же месторождении встречаются некоторые из этих минералов совместно, хотя в большинстве случаев преобладает какой-нибудь один, а другие связаны с ним генетически.

Богатая железная руда

Богатая железная руда имеет содержание железа свыше 57 %, а кремнезёма менее 8-10 %, серы и фосфора менее 0,15 %. Представляет собой продукт природного обогащения железистых кварцитов, созданных за счёт выщелачивания кварца и разложения силикатов при процессах длительного выветривания или метаморфоза. Бедные железные руды могут содержать минимум 26 % железа.

Выделяют два главных морфологических типа залежей богатой железной руды: плоскоподобные и линейные. Плоскоподобные залегают на вершинах крутопадающих пластов железистых кварцитов в виде значительных по площади с карманоподобной подошвой и относятся к типовым корам выветривания. Линейные залежи представляют падающие в глубину клиноподобные рудные тела богатых руд в зонах разломов, трещиноватостей, дробления, изгибов в процессе метаморфоза. Руды характеризуются высоким содержанием железа (54-69 %) и низким содержанием серы и фосфора. Наиболее характерным примером метаморфозных месторождений богатых руд могут быть Первомайское и Жёлтоводское месторождения в северной части Кривбасса .

Богатые железные руды идут на выплавку чугуна в доменных печах , который затем переделывают в сталь в мартеновском , конвертерном или электросталеплавильном производстве. Небольшая часть добываемых богатых железных руд используется в качестве красителей и утяжелителей для буровых глинистых растворов . Отдельно выделяют процессы прямого восстановления железа , одним из продуктом которого является горячебрикетированное железо . Бедные и средние по содержанию железа руды в целях промышленного использования должны предварительно пройти через процесс обогащения .

Факторы, определяющие ценность руд

1. Главным фактором, определяющим металлургическую ценность железных руд, является содержание железа. Железные руды по этому признаку делятся на богатые (60-65 % Fe), со средним содержанием (45-60 %) и бедные (менее 45 %). Снижение количества железа в руде вызывает прогрессивное уменьшение ее металлургической ценности вследствие значительного увеличения в доменной плавке относительного выхода шлака. Практикой работы доменных печей установлено, что с повышением содержания железа в шихте на 1 % (абс.) производительность печи возрастает на 2-2,5 %, а удельный расход кокса снижается на 1-1,5 %.
2. Состав пустой породы оказывает существенное влияние на качество железной руды. При основности пустой породы, равной нулю, количество шлака удваивается по сравнению с количеством пустой породы, вносимой рудой. Если же пустая порода руды самоплавкая, то есть основность руды и шлака равны, то введения флюса не требуется, и количество шлака равно количеству пустой породы, то есть выход его будет вдвое ниже. Пропорционально снижению выхода шлака уменьшается удельный расход кокса и увеличивается производительность доменной печи. Таким образом, металлургическая ценность руд возрастает с увеличением основности пустой породы.
3. Вредные примеси понижают ценность руды, а при значительном количестве делают ее непригодной для непосредственного использования в доменной печи даже при высоком содержании железа.
   • В процессе доменной плавки небольшое количество соединений серы переходит в газ и уносится с ним из печи, но основная масса серы распределяется между чугуном и шлаком. Чтобы перевести максимальное количество серы в шлак и не допустить получения сернистого чугуна, в доменной печи должны быть высоконагретые шлаки с повышенной основностью, что в конечном счёте увеличивает удельный расход кокса и пропорционально снижает производительность печи. Считается, что снижение содержания серы в рудной части шихты на 0,1 % (абс.) сокращает удельный расход кокса на 1,5-2 %, расход флюса - на 6-7 % и на 1,5-2 % повышает производительность доменной печи. Действующие кондиции ограничивают максимальное содержание серы в руде, предназначенной для доменной плавки, величиной 0,2-0,3 %. Однако в связи с тем, что в настоящее время перед подачей в печь основная масса добываемых руд подвергается обогащению с последующей термической переработкой концентратов в процессе агломерации или обжига окатышей , в результате которой значительная доля исходной серы (80-95 %) выгорает, стало возможным использовать железные руды с содержанием серы до 2-2,5 %. При этом руда, в состав которой входит сульфидная сера, при прочих равных условиях обладает большей ценностью по сравнению с рудой, сера в которой находится в виде сульфатов , так как последняя при агломерации и обжиге окатышей удаляется хуже.
   • Ещё хуже при агломерации удаляется мышьяк . В доменной плавке он полностью переходит в чугун. Содержание мышьяка в добываемой руде не должно превышать 0,1-0,2 %, даже если она идет на агломерацию.
   • Фосфор при агломерации не удаляется. В доменной печи он полностью переходит в чугун, поэтому его предельное содержание в руде определяется возможностью выплавки чугуна данного сорта. Так, для бессемеровских (чистых по фосфору) чугунов его количество в руде не должно превышать 0,02 %. Наоборот, при получении фосфористого чугуна для томасовского передела оно должно составлять 1 % и выше. Среднее содержание фосфора, равное 0,3-0,5 %, наиболее неблагоприятно, поскольку для выплавки томасовских чугунов такая концентрация фосфора мала, а для бессемеровских - слишком велика, что приводит к ухудшению технико-экономических показателей сталеплавильного процесса.
   • Цинк при агломерации не удаляется. Поэтому технические условия ограничивают содержание цинка в проплавляемых рудах величиной 0,08-0,10 %.
4. Полезные примеси повышают металлургическую ценность железных руд по следующим причинам. При проплавке таких руд могут быть получены природнолегированные чугуны, а затем - стали, не требующие введения специальных дорогих добавок для легирования (или сокращающие их расход). Так используются примеси никеля и хрома в рудах. В других случаях одновременно с чугуном получаются иные ценные металлы. Например, при переработке титаномагнетитовых руд в результате металлургического передела, кроме железа, извлекается очень ценный и дорогой металл - ванадий , благодаря чему становится экономически выгодным перерабатывать сырье с низким содержанием железа (см. например Качканарский ГОК ). Повышенное количество марганца в железных рудах позволяет получать марганцовистые чугуны, в которых полнее проходят процессы десульфурации, улучшается качество металла.
5. Способность руды обогащаться (обогатимость руды) - важный признак её металлургической ценности, так как большинство добываемых железных руд подвергается тем или иным методам обогащения в целях повышения содержания в них железа или снижения концентрации вредных примесей. Процесс обогащения заключается в более или менее полном отделении рудного минерала от пустой породы, сульфидов. Обогащение облегчается, если пустая порода почти не содержит железа, а частицы рудного минерала представляют собой относительно крупные зерна. Такие руды относятся к категории легкообогатимых . Тонкая вкрапленность рудных частиц и большое количество железа в пустой породе делают руду труднообогатимой , что значительно снижает ее металметаллургическую ценность. По обогатимости отдельные типы руд можно расположить в следующий ряд в порядке ее ухудшения: магнитные железняки (обогащаются самым дешевым и эффективным способом - магнитной сепарацией), гематитовые и мартитовые руды, бурые железняки, сидериты. Примером легкообогатимой руды могут служить магнетиты Оленегорского месторождения . Магнитная сепарация позволяет легко отделить кварц пустой породы от магнетита. При содержании железа в исходной руде 29,9 % получают концентрат с 65,4 % железа. Также при магнитной сепарации титаномагнетитов Качканарского месторождения , доля железа в которых 16,5 %, получают концентрат с 63-65 % железа. К разряду труднообогатимых руд можно отнести, например, керченские бурые железняки, промывка которых при исходном содержании железа 40,8 % позволяет повышать его в концентрате лишь до 44,7 %. В отмытой от руды пустой породе его доля при этом достигает 29-30 %. Металлургическая ценность железной руды дополнительно повышается, когда при ее обогащении из пустой породы попутно извлекаются другие полезные компоненты. Например, при обогащении руды Ено-Ковдорского месторождения, кроме железорудного концентрата, получают апатитовый концентрат, являющийся сырьем для производства минеральных удобрений. Такая комплексная переработка добываемой из недр железной руды значительно увеличивает рентабельность разработки месторождения.
6. К основным физическим свойствам, влияющим на металлургическую ценность железных руд, относятся: прочность , гранулометрический состав (кусковатость), пористость , влагоемкость и др. Прямое использование малопрочных и пылеватых руд в доменных печах невозможно, так как их мелкие фракции сильно ухудшают газопроницаемость столба шихтовых материалов. Кроме того, поток доменного газа выносит из рабочего пространства печи рудные частицы размером менее 2-3 мм, которые оседают затем в пылеуловителях. При переработке малопрочных руд это приводит к увеличению их удельного расхода на выплавку чугуна. Добыча рыхлых пылеватых руд связана с необходимостью строительства дорогостоящих агломерационных фабрик для их окускования , что значительно обесценивает такие руды. Количество мелочи особенно велико при добыче бурых железняков и гематитовых руд. Так, богатые руды Курской магнитной аномалии при добыче дают до 85 % мелочи, нуждающейся в окусковании. Средний выход фракции крупнее 10 мм (пригодной для доменной плавки) из богатых криворожских руд не превышает 32 %, а выход фракции крупнее 5 мм из добываемых керченских руд - не более 5 %. По условиям доменной плавки нижний предел крупности руды, загружаемой в доменные печи, должен составлять 5-8 мм, однако в связи с трудностью отсеивания на грохотах таких мелких фракций, особенно влажных руд, он повышается до 10-12 мм. Верхний предел размеров кусков определяется восстановимостью руды и не должен превышать 30-50 мм, но на практике бывает и 80-100 мм.
7. Прочность руд при сушке, нагреве и восстановлении. В связи с тем, что в состав руд входят минеральные компоненты с различными коэффициентами термического расширения, при нагреве в кусках руды возникают значительные внутренние напряжения, вызывающие их разрушение с образованием мелочи. Слишком быстрая сушка может вызвать разрушение кусков руды под действием выделяющегося водяного пара. Снижение прочности железорудных материалов при сушке и нагреве называют декрепитацией.
8. Важным технологическим качеством железных руд считается их размягчаемость. В доменной печи тестообразные массы шлака, образовавшегося при размягчении рудной части шихты, создают большое сопротивление проходу газов. Поэтому желательно использовать руды с наиболее высокой температурой начала размягчения. В этом случае руда не размягчается в шахте доменной печи, что благоприятно сказывается на газопроницаемости столба шихты. Чем короче интервал размягчения руды (разность температур между началом и концом размягчения), тем быстрее размягченные тестообразные массы превращаются в жидкий подвижный расплав, не представляющий большого сопротивления для потока газов. Поэтому руды с коротким интервалом и высокой температурой начала размягчения имеют большую металлургическую ценность.
9. Влагоемкость руды определяет ее влажность. Для различных типов железных руд допустимая влажность с учетом их влагоемкости устанавливается техническими условиями: для бурых железняков - 10-16 %, гематитовых руд - 4-6 %, магнетитов - 2-3 %. Повышение влажности увеличивает транспортные расходы на перевозку руды, а в зимнее время требует затрат на сушку для исключения ее смерзаемости. Таким образом, с ростом влажности и влагоемкосги руд их металлургическая ценность снижается.
10. Характер пористости руды во многом определяет реакционную поверхность взаимодействия газообразных восстановителей с оксидами железа руды. Различают общую и открытую пористость. При одинаковом значении общей пористости с уменьшением размера пор реакционная поверхность кусков руды возрастает. Это при прочих равных условиях повышает восстановимость руды и её металлургическую ценность.
11. Восстановимостыо руды называют ее способность с большей или меньшей скоростью отдавать кислород , связанный с железом в его оксиды, газообразному восстановителю. Чем выше восстановимость руды, тем меньше может быть время ее пребывания в доменной печи, что дает возможность ускорить плавку. При одинаковом времени пребывания в печи легковосстановимые руды отдают печным газам больше кислорода, связанного с железом. Это позволяет снизить степень развития прямого восстановления и удельный расход кокса на выплавку чугуна. Таким образом, с любой точки зрения повышенная восстановимость руды является ее ценным свойством. Наибольшей восстановимостыо обладают обычно рыхлые, высокопористые бурые железняки и сидериты, которые при удалении CO 2 в верхних горизонтах доменной печи или в результате предварительного обжига приобретают высокую пористость. За ними в порядке уменьшения восстановимости следуют более плотные гематитовые и магнетитовые руды.
12. Размеры железорудного месторождения являются важным критерием его оценки, так как с увеличением запасов руды возрастает рентабельность его разработки, повышается экономичность строительства и эксплуатации основных и вспомогательных сооружений (карьеров , шахт , коммуникаций, жилья и т. д.). Доменный цех современного металлургического комбината средней мощности выплавляет 8-10 млн т чугуна в год, а его годовая потребность в руде составляет 15-20 млн т. Для того чтобы компенсировать затраты на строительство, комбинат должен работать не менее 30 лет (амортизационный срок). Это соответствует минимальным запасам месторождения 450-600 млн т.
13. Существенное влияние на определение браковочного предела по содержанию железа оказывают условия добычи, зависящие от характера залегания рудного тела. Глубокое залегание рудных пластов требует строительства дорогостоящих шахт для их разработки, больших эксплуатационных расходов (на вентиляцию, освещение шахт, откачку воды , подъём руды и пустой породы и др.). Примером чрезвычайно неблагоприятных горно-геологических условий залегания рудного тела может служить Яковлевское месторождение КМА , в котором высота кровли над рудой достигает на отдельных участках 560 м. В кровле расположены восемь водоносных пластов, что создает тяжёлые гидрогеологические условия для горных работ и требует отвода подземных вод из района рудной залежи или искусственного замораживания грунта в этом районе. Все это требует больших капитальных и эксплуатационных затрат на добычу руды и снижает ценность руд. Залегание месторождения вблизи от дневной поверхности земли и возможность добычи руды открытым способом (в карьерах) значительно удешевляют добычу руды и повышают ценность месторождения. В этом случае становится рентабельным добывать и перерабатывать руды с более низким содержанием железа, чем при подземной добыче.
14. Наряду с данными о количестве и качестве железной руды важным фактором при оценке того или иного месторождения является его географо-экономическое расположение: удаленность от потребителя, наличие транспортных коммуникаций, трудовых ресурсов и т. п.

Промышленные типы месторождений

Главные промышленные типы железорудных месторождений

• Месторождения железистых кварцитов и богатых руд, образовавшихся по ним

Имеют метаморфогенное происхождение. Руда представлена железистыми кварцитами, или джеспилитами , магнетитовыми , гематит -магнетитовыми и гематит-мартитовыми (в зоне окисления). Бассейны Курской магнитной аномалии (КМА , Россия) и Криворожский (Украина), район озера Верхнего (англ.) русск. (США и Канада), железорудная провинция Хамерсли (Австралия), район Минас-Жерайс (Бразилия).

• Пластовые осадочные месторождения. Имеют хемогенное происхождение, образовались за счет выпадения железа из коллоидных растворов. Это оолитовые , или бобовые, железные руды, представленные преимущественно гетитом и гидрогетитом. Лотарингский бассейн (Франция), Керченский бассейн , Лисаковское и др. (бывший СССР).
• Скарновые железорудные месторождения. Сарбайское, Соколовское, Качарское, гора Благодать, Магнитогорское, Таштагольское.
• Комплексные титаномагнетитовые месторождения. Происхождение магматическое, месторождения приурочены к крупным докембрийским интрузивам. Рудные минералы - магнетит , титаномагнетит . Качканарское , Кусинское месторождения, месторождения Канады, Норвегии.

Второстепенные промышленные типы железорудных месторождений

• Комплексные карбонатитовые апатит-магнетитовые месторождения. Ковдорское .
• Железорудные магно-магнетитовые месторождения. Коршуновское, Рудногорское, Нерюндинское.
• Железорудные сидеритовые месторождения. Бакальское, Россия; Зигерлянд, Германия и др.
• Железорудные и железомарганцевые оксидные пластовые месторождения в вулканогенно-осадочных толщах. Каражальское.
• Железорудные пластообразные латеритные месторождения. Южный Урал; Куба и др.

Запасы

Мировые разведанные запасы железной руды составляют порядка 160 млрд тонн, в которых содержится около 80 млрд тонн чистого железа. По данным Геологической службы США, на долю месторождений железной руды Бразилии и России приходится по 18 % мировых запасов железа. Запасы в пересчёте на содержание железа.

В железных кварцитах

Существует три вида железорудной продукции, использующиеся в чёрной металлургии : сепарированная железная руда (обогащённая методом сепарации рассыпчатая руда), аглоруда (спечённая, окускованная путём термической обработки) и окатыши (сырая железосодержащая масса с добавлением флюсов (обычно, известняка); формуется в шарики диаметром около 1-2 см).

Химический состав

По химическому составу железные руды представляют собой окиси , гидраты окисей и углекислые соли закиси железа, встречаются в природе в виде разнообразных рудных минералов , из которых главнейшие: магнетит , или магнитный железняк; гётит , или железный блеск (красный железняк); лимонит , или бурый железняк, к которому относятся болотные и озерные руды; наконец, сидерит , или шпатоватый железняк (железный шпат), и его разновидность сферосидерит. Обыкновенно каждое скопление названных рудных минералов представляет смесь их, иногда весьма тесную, с другими минералами, не содержащими железа, как, например, с глиной , известняком или даже с составными частями кристаллических изверженных пород. Иногда в одном и том же месторождении встречаются некоторые из этих минералов совместно, хотя в большинстве случаев преобладает какой-нибудь один, а другие связаны с ним генетически.

Богатая железная руда в методике

Богатая железная руда имеет содержание железа свыше 57 %, а кремнезёма менее 8-10 %, серы и фосфора менее 0,15 %. Представляет собой продукт природного обогащения железистых кварцитов, созданных за счёт выщелачивания кварца и разложения силикатов при процессах длительного выветривания или метаморфоза. Бедные железные руды могут содержать минимум 26 % железа.

Выделяют два главных морфологических типа залежей богатой железной руды: плоскоподобные и линейные.

Плоскоподобные залегают на вершинах крутопадающих пластов железистых кварцитов в виде значительных по площади с карманоподобной подошвой и относятся к типовым корам выветривания. Линейные залежи представляют падающие в глубину клиноподобные рудные тела богатых руд в зонах разломов, трещиноватостей, дробления, изгибов в процессе метаморфоза. Руды характеризуются высоким содержанием железа (54-69 %) и низким содержанием серы и фосфора. Наиболее характерным примером метаморфозных месторождений богатых руд могут быть Первомайское и Жёлтоводское месторождения в северной части Кривбасса.

Богатые железные руды идут на выплавку чугуна в доменных печах , который затем переделывают в сталь в мартеновском , конвертерном или электросталеплавильном производстве. Существует также прямое восстановление железа (горячебрикетированное железо).

Бедные и средние по содержанию железа руды в целях промышленного использования должны предварительно пройти через процесс обогащения .

Промышленные типы месторождений

Главные промышленные типы железорудных месторождений

• Месторождения железистых кварцитов и богатых руд, образовавшихся по ним

Имеют метаморфогенное происхождение. Руда представлена железистыми кварцитами, или джеспилитами , магнетитовыми , гематит -магнетитовыми и гематит-мартитовыми (в зоне окисления). Бассейны Курской магнитной аномалии (КМА , Россия) и Криворожский (Украина), район озера Верхнего (англ.) русск. (США и Канада), железорудная провинция Хамерсли (Австралия), район Минас-Жерайс (Бразилия).

• Пластовые осадочные месторождения. Имеют хемогенное происхождение, образовались за счет выпадения железа из коллоидных растворов. Это оолитовые , или бобовые, железные руды, представленные преимущественно гетитом и гидрогетитом . Лотарингский бассейн (Франция), Керченский бассейн , Лисаковское и др. (бывший СССР).
• Скарновые железорудные месторождения. Сарбайское, Соколовское, Качарское, гора Благодать, Магнитогорское, Таштагольское.
• Комплексные титаномагнетитовые месторождения. Происхождение магматическое, месторождения приурочены к крупным докембрийским интрузивам. Рудные минералы - магнетит , титаномагнетит . Качканарское , Кусинское месторождения, месторождения Канады, Норвегии.

Второстепенные промышленные типы железорудных месторождений

• Комплексные карбонатитовые апатит-магнетитовые месторождения. Ковдорское .
• Железорудные магно-магнетитовые месторождения. Коршуновское, Рудногорское, Нерюндинское.
• Железорудные сидеритовые месторождения. Бакальское, Россия; Зигерлянд, Германия и др.
• Железорудные и железомарганцевые оксидные пластовые месторождения в вулканогенно-осадочных толщах. Каражальское.
• Железорудные пластообразные латеритные месторождения. Южный Урал; Куба и др.

Запасы

Мировые разведанные запасы железной руды составляют порядка 160 млрд тонн, в которых содержится около 80 млрд тонн чистого железа. По данным Геологической службы США, на долю месторождений железной руды Бразилии и России приходится по 18 % мировых запасов железа. Запасы в пересчёте на содержание железа:

• Прочие - 22 %

Распределение запасов железной руды по странам:

• Прочие - 20 %

Экспорт и импорт

Крупнейшие экспортёры железорудного сырья в 2009 году (всего 959,5 млн т), млн т:

Крупнейшие импортёры железорудного сырья в 2009 году, млн т:

Пик цены на железную руду был достигнут в 2011 году с около $ 180 за тонну . С того времени, снижаясь на протяжении трёх лет, к 2015 году котировки достигли до менее $ 40 за тонну впервые с 2009 года .

Производство

По данным Геологической службы США, мировая добыча железной руды составила в 2007 году 1,93 млрд тонн, увеличившись по сравнению с предыдущим годом на 7 %. Китай, Бразилия и Австралия обеспечивают две трети добычи, а вместе с Индией и Россией - 80 %.

По данным U.S. Geological Survey, мировая добыча железной руды в 2009 году составила 2,3 млрд тонн (рост на 3,6 % по сравнению с 2008 годом).

Крупнейшие производители железорудного сырья в 2010 году

См. также

Напишите отзыв о статье "Железная руда"

Примечания

Ссылки

• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.

Отрывок, характеризующий Железная руда

Марья Дмитриевна, застав заплаканную Соню в коридоре, заставила ее во всем признаться. Перехватив записку Наташи и прочтя ее, Марья Дмитриевна с запиской в руке взошла к Наташе.
– Мерзавка, бесстыдница, – сказала она ей. – Слышать ничего не хочу! – Оттолкнув удивленными, но сухими глазами глядящую на нее Наташу, она заперла ее на ключ и приказав дворнику пропустить в ворота тех людей, которые придут нынче вечером, но не выпускать их, а лакею приказав привести этих людей к себе, села в гостиной, ожидая похитителей.
Когда Гаврило пришел доложить Марье Дмитриевне, что приходившие люди убежали, она нахмурившись встала и заложив назад руки, долго ходила по комнатам, обдумывая то, что ей делать. В 12 часу ночи она, ощупав ключ в кармане, пошла к комнате Наташи. Соня, рыдая, сидела в коридоре.
– Марья Дмитриевна, пустите меня к ней ради Бога! – сказала она. Марья Дмитриевна, не отвечая ей, отперла дверь и вошла. «Гадко, скверно… В моем доме… Мерзавка, девчонка… Только отца жалко!» думала Марья Дмитриевна, стараясь утолить свой гнев. «Как ни трудно, уж велю всем молчать и скрою от графа». Марья Дмитриевна решительными шагами вошла в комнату. Наташа лежала на диване, закрыв голову руками, и не шевелилась. Она лежала в том самом положении, в котором оставила ее Марья Дмитриевна.
– Хороша, очень хороша! – сказала Марья Дмитриевна. – В моем доме любовникам свидания назначать! Притворяться то нечего. Ты слушай, когда я с тобой говорю. – Марья Дмитриевна тронула ее за руку. – Ты слушай, когда я говорю. Ты себя осрамила, как девка самая последняя. Я бы с тобой то сделала, да мне отца твоего жалко. Я скрою. – Наташа не переменила положения, но только всё тело ее стало вскидываться от беззвучных, судорожных рыданий, которые душили ее. Марья Дмитриевна оглянулась на Соню и присела на диване подле Наташи.
– Счастье его, что он от меня ушел; да я найду его, – сказала она своим грубым голосом; – слышишь ты что ли, что я говорю? – Она поддела своей большой рукой под лицо Наташи и повернула ее к себе. И Марья Дмитриевна, и Соня удивились, увидав лицо Наташи. Глаза ее были блестящи и сухи, губы поджаты, щеки опустились.
– Оставь… те… что мне… я… умру… – проговорила она, злым усилием вырвалась от Марьи Дмитриевны и легла в свое прежнее положение.
– Наталья!… – сказала Марья Дмитриевна. – Я тебе добра желаю. Ты лежи, ну лежи так, я тебя не трону, и слушай… Я не стану говорить, как ты виновата. Ты сама знаешь. Ну да теперь отец твой завтра приедет, что я скажу ему? А?
Опять тело Наташи заколебалось от рыданий.
– Ну узнает он, ну брат твой, жених!
– У меня нет жениха, я отказала, – прокричала Наташа.
– Всё равно, – продолжала Марья Дмитриевна. – Ну они узнают, что ж они так оставят? Ведь он, отец твой, я его знаю, ведь он, если его на дуэль вызовет, хорошо это будет? А?
– Ах, оставьте меня, зачем вы всему помешали! Зачем? зачем? кто вас просил? – кричала Наташа, приподнявшись на диване и злобно глядя на Марью Дмитриевну.
– Да чего ж ты хотела? – вскрикнула опять горячась Марья Дмитриевна, – что ж тебя запирали что ль? Ну кто ж ему мешал в дом ездить? Зачем же тебя, как цыганку какую, увозить?… Ну увез бы он тебя, что ж ты думаешь, его бы не нашли? Твой отец, или брат, или жених. А он мерзавец, негодяй, вот что!
– Он лучше всех вас, – вскрикнула Наташа, приподнимаясь. – Если бы вы не мешали… Ах, Боже мой, что это, что это! Соня, за что? Уйдите!… – И она зарыдала с таким отчаянием, с каким оплакивают люди только такое горе, которого они чувствуют сами себя причиной. Марья Дмитриевна начала было опять говорить; но Наташа закричала: – Уйдите, уйдите, вы все меня ненавидите, презираете. – И опять бросилась на диван.
Марья Дмитриевна продолжала еще несколько времени усовещивать Наташу и внушать ей, что всё это надо скрыть от графа, что никто не узнает ничего, ежели только Наташа возьмет на себя всё забыть и не показывать ни перед кем вида, что что нибудь случилось. Наташа не отвечала. Она и не рыдала больше, но с ней сделались озноб и дрожь. Марья Дмитриевна подложила ей подушку, накрыла ее двумя одеялами и сама принесла ей липового цвета, но Наташа не откликнулась ей. – Ну пускай спит, – сказала Марья Дмитриевна, уходя из комнаты, думая, что она спит. Но Наташа не спала и остановившимися раскрытыми глазами из бледного лица прямо смотрела перед собою. Всю эту ночь Наташа не спала, и не плакала, и не говорила с Соней, несколько раз встававшей и подходившей к ней.
На другой день к завтраку, как и обещал граф Илья Андреич, он приехал из Подмосковной. Он был очень весел: дело с покупщиком ладилось и ничто уже не задерживало его теперь в Москве и в разлуке с графиней, по которой он соскучился. Марья Дмитриевна встретила его и объявила ему, что Наташа сделалась очень нездорова вчера, что посылали за доктором, но что теперь ей лучше. Наташа в это утро не выходила из своей комнаты. С поджатыми растрескавшимися губами, сухими остановившимися глазами, она сидела у окна и беспокойно вглядывалась в проезжающих по улице и торопливо оглядывалась на входивших в комнату. Она очевидно ждала известий об нем, ждала, что он сам приедет или напишет ей.
Когда граф взошел к ней, она беспокойно оборотилась на звук его мужских шагов, и лицо ее приняло прежнее холодное и даже злое выражение. Она даже не поднялась на встречу ему.
– Что с тобой, мой ангел, больна? – спросил граф. Наташа помолчала.
– Да, больна, – отвечала она.
На беспокойные расспросы графа о том, почему она такая убитая и не случилось ли чего нибудь с женихом, она уверяла его, что ничего, и просила его не беспокоиться. Марья Дмитриевна подтвердила графу уверения Наташи, что ничего не случилось. Граф, судя по мнимой болезни, по расстройству дочери, по сконфуженным лицам Сони и Марьи Дмитриевны, ясно видел, что в его отсутствие должно было что нибудь случиться: но ему так страшно было думать, что что нибудь постыдное случилось с его любимою дочерью, он так любил свое веселое спокойствие, что он избегал расспросов и всё старался уверить себя, что ничего особенного не было и только тужил о том, что по случаю ее нездоровья откладывался их отъезд в деревню.

Со дня приезда своей жены в Москву Пьер сбирался уехать куда нибудь, только чтобы не быть с ней. Вскоре после приезда Ростовых в Москву, впечатление, которое производила на него Наташа, заставило его поторопиться исполнить свое намерение. Он поехал в Тверь ко вдове Иосифа Алексеевича, которая обещала давно передать ему бумаги покойного.
Когда Пьер вернулся в Москву, ему подали письмо от Марьи Дмитриевны, которая звала его к себе по весьма важному делу, касающемуся Андрея Болконского и его невесты. Пьер избегал Наташи. Ему казалось, что он имел к ней чувство более сильное, чем то, которое должен был иметь женатый человек к невесте своего друга. И какая то судьба постоянно сводила его с нею.
«Что такое случилось? И какое им до меня дело? думал он, одеваясь, чтобы ехать к Марье Дмитриевне. Поскорее бы приехал князь Андрей и женился бы на ней!» думал Пьер дорогой к Ахросимовой.

Железная руда стала добываться человеком много веков назад. Уже тогда стали очевидными преимущества использования железа.

Найти минеральные образования, содержащие железо, довольно легко, так как этот элемент составляет около пяти процентов земной коры. В целом, железо является четвертым по распространенности элементом в природе.

В чистом виде найти его невозможно, железо содержится в определенном количестве во многих типах горных пород. Наибольшее содержание железа имеет железная руда, добыча металла из которой является наиболее экономично выгодным. От ее происхождения зависит количество содержащегося в ней железа, нормальная доля которого в составе около 15%.

Химический состав

Свойства железной руды, ее ценность и характеристики напрямую зависят от ее химического состава. Железная руда может содержать различное количество железа и других примесей. В зависимости от этого выделяют ее несколько типов:

• очень богатые, когда содержание железа в рудах превышает 65%;
• богатые, процент железа в которой варьируется в диапазоне от 60% до 65%;
• средние, от 45% и выше;
• бедные, в которых процент полезных элементов не превышает 45%.

Чем больше побочных примесей в составе железной руды, тем больше необходимо энергии на ее переработку, и тем менее эффективным является производство готовой продукции.

Состав породы может представлять собой совокупность различных минералов, пустой породы и других побочных примесей, соотношение которых зависит от ее месторождения.

Состав железных руд крупных месторождений

Пустая порода также может содержать железо, но ее переработка экономически не целесообразна. Наиболее часто встречающиеся минералы представляют собой оксиды, карбонаты и силикаты железа.

Следует отметить, что в составе железистых пород может содержаться огромное количество вредных веществ, среди которых можно выделить серу, мышьяк, фосфор и другие.

Типы железных руд

На сегодняшний день выделяется множество видов железных руд, характеристики и названия которых зависят от состава.

Наиболее часто в природе встречается такой вид, как красный железняк, в основе которого лежит оксид под названием гематит. Этот оксид содержит в составе количество железа, превышающее 70%, и минимальное количество побочных примесей.

Физическое состояние данного оксида может варьироваться от порошкообразного до плотного.

Бурый железняк представляет собой оксид железа с содержанием воды. Его очень часто называют лимонитом. В его составе значительно меньше железа, количество которого обычно не превышает четверти. В природе такой железняк содержится в виде рыхлой, пористой породы, со значительным содержанием марганца и фосфора. Обычно обильно насыщен влагой, имеет в качестве пустой породы глину. Из него очень часто делают чугун, несмотря на незначительную часть железа, так как он очень легко перерабатывается.

Магнитные руды отличаются тем, что в их основе заложен оксид, имеющий магнитные свойства, но при сильном нагреве они теряются. Количество этого типа породы в природе ограничено, но содержание железа в нем может не уступать красному железняку. Внешне он выглядит как твердые кристаллы черно-синего цвета.

Шпатовый железняк представляет собой рудную породу, в основе которой лежит сидерит. Очень часто имеет в составе значительное количество глины. Этот тип породы относительно тяжело найти в природе, что на фоне малого количества содержимого железа делает его редко используемым. Поэтому отнести их к промышленным типам руд невозможно.

Кроме оксидов в природе содержаться другие руды на основе силикатов и карбонатов. Количество содержимого железа в породе очень важно для ее промышленного использования, но также важно наличие полезных побочных элементов, таких как никель, магний, и молибден.

Отрасли применения

Сфера применения железной руды практически полностью ограничена металлургией. Ее используют, в основном, для выплавки чугуна, который добывают с помощью мартеновских или конверторных печей. На сегодняшний день чугун используется в различных сферах жизнедеятельности человека, в том числе в большинстве видов промышленного производства.

Не в меньшей степени используются различные сплавы на основе железа – наиболее широкое применение обрела сталь благодаря своим прочностным и антикоррозийным свойствам.

Чугун, сталь и различные другие сплавы железа используются в:

1. Машиностроении, для производства различных станков и аппаратов.
2. Автомобилестроении, для изготовления двигателей, корпусов, рам, а также других узлов и деталей.
3. Военной и ракетной промышленности, при производстве спецтехники, оружия и ракет.
4. Строительстве, в качестве армирующего элемента или возведения несущих конструкций.
5. Легкой и пищевой промышлености, в качестве тары, производственных линий, различных агрегатов и аппаратов.
6. Добывающей промышленности, в качестве спецтехники и оборудования.

Месторождения железной руды

Мировые запасы железной руды ограничены в количестве и своем местоположении. Территории скопления запасов руд называют месторождениями. На сегодняшний день месторождения железных руд делят на:

1. Эндогенные. Они характеризуются особым расположением в земной коре, обычно в виде титаномагнетитовых руд. Формы и расположения таких вкраплений разнообразны, могут быть в форме линз, пластов, расположенных в земной коре в виде залежей, вулканообразовных залежей, в виде различных жил и других неправильных форм.
2. Экзогенные. К этому типу относятся залежи бурых железняков и других осадочных пород.
3. Метаморфогенные. К которым относятся залежи кварцитов.

Месторождения таких руд можно встретить на территории всей нашей планеты. Наибольшее количество залежей сконцентрировано на территории постсоветских республик. В особенности Украины, России и Казахстана.

Большие запасы железа имеют такие страны как Бразилия, Канада, Австралия, США, Индия и ЮАР. При этом практически в каждой стране на земном шаре имеются свои разрабатываемыми месторождения, в случае дефицита которых, порода импортируется из других стран.

Обогащения железных руд

Как было указано, существует несколько типов руд. Богатые можно перерабатывать непосредственно после извлечения из земной коры, другие необходимо обогатить. Кроме процесса обогащения, переработка руды включает в себя несколько этапов, таких как сортировка, дробление, сепарация и агломерация.

На сегодняшний день существует несколько основных способов обогащения:

1. Промывка.

Применяется для очистки руд от побочных примесей в виде глины или песка, вымывание которых проводят с помощью струй воды под высоким давлением. Такая операция позволяет увеличить количество содержимого железа в бедной руде примерно на 5%. Поэтому его используют только в комплексе с другими типами обогащения.

1. Гравитационная очистка.

Выполняется с помощью специальных типов суспензий, плотность которых превышает плотность пустой породы, но уступает плотности железа. Под воздействием гравитационных сил побочные компоненты поднимаются на верх, а железо опускается на низ суспензии.

1. Магнитная сепарация.

Наиболее распространенный способ обогащения, который основывается на различном уровне восприятия компонентами руды воздействия магнитных сил. Такую сепарацию могут проводить с сухой породой, мокрой, или в поочередном сочетании двух ее состояний.

Для переработки сухой и мокрой смеси используют специальные барабаны с электромагнитами.

1. Флотация.

Для этого метода раздробленную руду в виде пыли опускают в воду с добавлением специального вещества (флотационный реагент) и воздуха. Под действием реагента железо присоединяется к воздушным пузырькам и поднимается на поверхность воды, а пустая порода опускается на дно. Компоненты, содержащие железо, собираются с поверхности в виде пены.