Железные руды – основа современного производства. Основные минералы железной руды Как выглядит руда железа

Железная руда представляет собой минеральное образование природного характера, которое имеет в своем составе соединения железа, накопленные в таком объеме, которого достаточно для экономически выгодного его извлечения. Конечно, железо есть в составе всех горных пород. Но железными рудами называют именно те железистые соединения, которые настолько богаты этим веществом, что позволяют промышленную добычу металлического железа.

Типы железных руд и их основные характеристики

Все железные руды сильно отличаются по своему минеральному составу, наличию вредных и полезных примесей. Условиям их образования и, наконец, содержанию железа.

Основные материалы, которые относят к рудным, можно разделить на несколько групп:

• Оксиды железа, к которым относятся гематит, мартит, магнетит.
• Гидроксиды железа - гидрогетит и гетит;
• Силикаты - тюрингит и шамозит;
• Карбонаты - сидероплезит и сидерит.

В промышленных железных рудах железо содержится в различных концентрациях - от 16 до 72%. К полезным примесям, содержащимся в железных рудах, относят: Mn, Ni, Co, Mo, и пр. Есть и вредные примеси, к которым можно отнести: Zn, S, Pb, Cu и др.

Месторождения железных руд и технология добычи

По генезису существующие месторождения железных руд разделяются на:

• Эндогенные. Они могут быть магматическими, представляющими собой вкрапления титаномагнетитовых руд. Также могут быть карбонатитовые вкрапления. Кроме того, существуют линзообразные, пластообразные скарново-магнетитовые залежи, вулкано-осадочные пластовые залежи, гидротермальные жильные, а также неправильной формы рудные тела.
• Экзогенные. К ним в основном относят бурожелезняковые и сидеритовые осадочные пластовые месторождения, а также месторождения тюрингитовых, шамозитовых и гидрогетитовых руд.
• Метаморфогенные - это месторождения железистых кварцитов.

Максимальные объемы добычи руд спровоцированы значительными запасами и приходятся на докембрийсские железистые кварциты. Меньшее распространение имеют осадочные бурожелезняковые руды.

При добыче различают богатые, и требующие обогащения руды. Отрасль, осуществляющая добычу железной руды, проводит также ее предварительную переработку: сортировку, дробление и вышеупомянутое обогащение, а также агломерация. Промышленность добычи руды именуется железорудной отраслью и является сырьевой базой для черной металлургии.

Отрасли применения

Железная руда является основным сырьем для получения чугуна. Он поступает на мартеновское или конвертерное производство, а также на восстановление железа. Из железа, как известно, производят самую различную продукцию, как впрочем, и из чугуна. В этих материалах нуждаются такие отрасли:

• Машиностроение и металлообработка;
• Автомобильная промышленность;
• Ракетная промышленность;
• Военная промышленность;
• Пищевая и легкая промышленность;
• Строительная отрасль;
• Добыча нефти и газа и их транспортировка.

Основой основ черной металлургии, её основным сырьем и источником железа является полезное ископаемое – железная руда ; в чистом виде железо, как и большинство металлов, в природе не встречается.

Железная руда состоит из минералов, которые делятся на две группы: минералы, содержащие железо (рудные минералы), и минералы, не содержащие железа, образующие пустую породу.

В рудных минералах железо находится в виде оксидов Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , карбонатов FeCO 3 , сульфидов FeS 2 . В настоящее время известно более 300 минералов, содержащих железо.

магнетит и гематит

Характеристики четырех из них, наиболее часто используемых в черной металлургии, представлены в таблице.

Основные рудные минералы

По содержанию железа железные руды делятся на бедные и богатые . Чем выше содержание железа в руде, тем выгоднее ее переработка. К сожалению, в настоящее время запасы богатых руд практически исчерпаны, поэтому в оборот вовлекаются руды бедные, с низким содержанием железа. Непосредственное извлечение железа из таких руд является экономически неэффективным, а технологически весьма затруднительным. Поэтому современная черная металлургия в качестве обязательного этапа включает в себя подготовку железных руд к металлургическому переделу .

Такая подготовка включает в себя несколько стадий. Железную руду, добытую из недр земли, сначала дробят до размера кусков 6-8 мм, затем отделяют рудный минерал от пустой породы (этот процесс называется обогащением ). В результате получают концентрат с более высоким содержанием железа, чем в исходной руде. Концентрат спекают в куски размером 30-40 мм (процесс называется агломерацией, а продукт – агломератом ), либо формируют из концентрата шарики диаметром 10-15 мм (процесс называется окомкованием, а продукт – окатышами ). Таким образом, получают железосодержащий материал, наиболее подходящий для дальнейшей его обработки с целью извлечения из него железа.

Железо является распространенным в природе элементом. Его содержание в земной коре составляет 4,2%. Больше содержится в ней только кислорода 49,7%, кремния 26% и алюминия 7,45%.

Рудными ископаемыми или рудами называются такие минеральные массы из которых экономически целесообразно извлечение металлов или необходимого элемента. В соответствии с этим железными рудами называются горные породы из которых экономически целесообразно выплавлять железо. Постоянное изменение экономических условий вследствие развития методов обогащения руд, снижение стоимости их перевозки изменяет представление о железной руде, так как нижний предел содержания в ней железа все время снижается.

Промышленном месторождением руд считается такое скопление руд, которое экономически целесообразно разрабатывать. Экономичность этой разработки возрастает с увеличением мощности месторождения, поскольку вкладывать средства в строительство например шахт или карьеров, жилья, комуникаций, целесообразно только при достаточно длительной эксплуатации месторождения. Опыт показывает, что эксплуатация железорудного месторождения целесообразна и имеет устойчивую перспективу при запасах около 250-500 млн. тонн.

Руда состоит из рудного и рудообразующего минерала, пустой породы и примесей. Извлекаемый элемент находится в рудном минерале.

Рудные минералы железных руд представляют собой оксиды, карбонаты железа и некоторые другие соединения. Главные из них описаны ниже.

Имеет хический состав Fe 2 O 3 - безводный оксид железа. Гематит содержит 70% железа. Образованная гематитом руда называется красным железняком и является самым распространенным типом руды. Он обычно характеризуется высоким содержание железа и малым содержанием вредных примесей. Типичным месторождением гематитовых руд является Криворожское.

Рисунок 1 - Общий вид минерала гематита

Имеет химический состав Fe 3 O 4 - магнитный оксид железа, содержащий 72,4% железа. Отличается от других минералов промышленных железных руд магнитными свойствами, которые теряются при нагреве свыше 570 о С. Магнетит представляет собой смешанный оксид железа FeO*Fe 2 O 3 . Руды образованные магнетитом называются магнитными железняками или магнетитами. Они менее распространены, чем гематиты, характеризуются высоким содержанием железа, пониженной восстановимостью, часто сопровождающиеся серой.

Рисунок 2 - Вид минерала магнетита

Водные оксиды железа - Fe 2 O 3 *nH 2 O - в зависимости от значения n образуют различные виды оксидов, но все образуемые ими руды называют бурыми железняками . Различают такие водные оксиды железа:

• n=0,1 - гидрогематит
• n=1 - гетит
• n=1,5 - лемонит и др.

Наиболее часто встречаются бурые железняки на основе лимонита - 2Fe 2 O 3 *3H 2 O которые называют лимонитовыми.

Бурые железняки характеризуются пониженным содержанием железа, рыхлые, часто сопровождаются марганцем, фосфором, обладают высокими пористостью и восстановимостью.

Рисунок 3 - Бурый железняк на основе лимонита

Сидерит - имеет химический состав FeCO 3 - карбонат железа. Содержит 48,2% железа. Образованная сидеритом руда называется шпатовым железняком, или сидеритом. При значительных количествах примесей глины может называться глинистым железняком. Сидериты распространены гораздо меньше чем другие руды. Характеризуются высокой восстановимостью, низким содержанием железа из-за незначительного его содержания в рудном минерале и большого количества пустой породы. Под воздействием влаги и кислорода атмосферы сидериты могут переходить в бурые железняки, так как оксид железа (II) в молекуле FeO*CO 2 окисляется и поглощает влагу. Поэтому встречаются месторождения, в которых верхние слои руды являются бурыми железняками, а нижние коренные сидеритами.

Рисунок 4

Имеет химический состав FeTiO 3 - железная соль титановой кислоты. Ильменит содержит 36,8% железа и 31,8% титана. Встречается всегда в сростках с обычным магнетитом, т.е. в виде FeTiO 3 *Fe 3 O 4 . Образуемые ильменитом руды называются титаномагнетитами.

Рисунок 5 - Общий вид минерала ильменита

Титаномагнетит является плотной трудновосстановимой рудой, которая дает густые и тугоплавкие титансодержащие шлаки. Обладает магнитными свойствами и хорошо обогащается магнитной сепарацией. Часто сопровождается ваннадием.

Сульфид железа FeS 2 в природе находится ввиде минерала пирита или серного колчедана. Он содержит 46,6% железа. Пирит железные руды не образуют. Он используется в химической промышленности, где его сжигают для отделения серы. Железо при этом окисляется и в виде пиритных огарков применяется в производстве агломерата.

ГЛАВА 7. ГРУППЫ РУДНЫХ МИНЕРАЛОВ ПО ФИЗИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ. ДИАГНОСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭТАЛОННЫХ МИНЕРАЛОВ. ТАБЛИЦЫ-ОПРЕДЕЛИТЕЛИ.

СТАНДАРТНЫЕ СХЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

РУДНОГО МИНЕРАЛА И АНШЛИФА

Из большого числа рудных минералов можно выделить характерные соединения трех типов: самородные элементы (металлы), сульфиды и подобные им соединения и окислы – соединения металлов с кислородом. Они значительно отличаются по физическим свойствам, что облегчает диагностику.

1. Самородные элементы, такие как, Au, Ag, Fe, Cu, Pt обладают физическими свойствами идеальных металлов, т.е. ковкостью, тягучестью, металлическим блеском (непрозрачностью для света), проводимостью тепла и электричества, высокой плотностью. Свойства их обусловлены, прежде всего, металлическим типом электронной связи между атомами. Тип связи определяет строение кристаллических решеток и оптические свойства. Для рудных минералов важными свойствами являются отражательная способность и твердость. Самородные металлы являются, как правило, наиболее высокоотражающими объектами и имеют низкую твердость. К числу типичных рудных минералов относится также гексагональная модификация самородного углерода – графит, отличающийся низким отражением.

2. Сульфиды, такие как: галенит – PbS, сфалерит – ZnS, миллерит –NiS, киноварь – HgS, пирротин – FeS, ковеллин – CuS – не обладают свойствами металлов. Они в основном хрупкие, слабо проводят электрический ток, обладают средней отражательной способностью, некоторые частично пропускают свет. Электронные связи между химическими элементами, входящими в кристаллические решетки сульфидов, имеют ионный или смешанный типы, что и обусловливает резкое различие их оптических свойств. Многие сульфиды обладают широкой анизотропией физических свойств, в том числе твердости и отражательной способности. В эту группу рудных минералов относятся также многочисленные селенистые, теллуристые, мышьяковистые и сурьмянистые соединения, среди которых много важных в промышленном отношении минералов.

3. Окислы, например магнетит – Fe 2+ Fe 3+ 2 O 4 , гематит – Fe 2 O 3 , рутил – TiO 2 , куприт – Cu 2 O, ильменит – FeTiO 3 , хромит – FeCr 2 O 4 , еще больше отличаются от металлов отсутствием пластичности, электропроводности. Окислы, как правило, отличаются низкой отражательной способностью и высокой твердостью. Многие окислы пропускают свет. Типы химических связей в окислах различны, что обусловливает их широкие различия в физических свойствах.

Роль самородных металлов, сульфидов и окислов в образовании месторождений различна. Самородные металлы исключительно редко образуют месторождения, а сульфиды и окислы являются главными компонентами многочисленных месторождений.

Наиболее важные рудные минералы, образующие месторождения:

К эталонным минералам относятся: пирит, галенит, блеклые руды, сфалерит. Диагностические свойства их приведены в табл. 1.

Таблица 1

Диагностические свойства эталонных минералов

Важно усвоить свойства этих минералов, для того чтобы на практике легко их узнавать и использовать для диагностики других минералов. Главное достоинство предлагаемой группы эталонов заключается в широкой распространенности в различных месторождениях, устойчивости их свойств, стандартных цветах, силе отражения и др. Например, уменьшение коэффициента отражения в ряду: пирит-галенит-блеклая руда-сфалерит происходит в интервале 10–15 %, что соответствует интервалу восприимчивости глаза. Это позволяет легко по «методу контакта» ориентироваться в справочных таблицах. Также закономерно возрастает микротвердость в ряду: галенит-сфалерит-блеклая руда-пирит, (от 2.5 до 6.5), что позволяет использовать примитивную схему определения групп твердости по «методу царапания». На примере эталонов усваиваются такие диагностические свойства как эталонные цвета: белый (галенит) и серый (сфалерит), «внутреннее строение» (треугольники выкрошивания у галенита) и «внутренние рефлексы» (сфалерит и блеклая руда) и др.

Свойства других минералов, включенных в курс «Рудная минераграфия» приведены в форме стандартных таблиц-определителей.

Пример работы с таблицей-определителем

В качестве примера рассмотрим таблицу С.А. Юшко и В.В. Иванова (Приложение 4), приведенную в работе С.А. Юшко «Методы лабораторного исследования руд» (1984). Таблица составлена с использованием основных физических свойств рудных минералов, которые студент определяет в лабораторных условиях. Представленные в таблице минералы разбиты на 36 групп в зависимости от свойств.

Рекомендуется, прежде всего, определить характер анизотропии минерала. По этому признаку минералы делятся на две большие группы. Точное определение анизотропности позволит резко ограничить круг поиска минерала.

Далее следует определить степень отражения. В каждой группе как изотропных, так и анизотропных минералов, первая вертикальная графа слева имеет обозначение: «Отражение». Она разделена на три подраздела (снизу вверх): «равная сфалериту и меньше», «равная галениту и меньше» и «больше галенита». Примерное определение коэффициента отражения по эталонам позволяет ограничить поиск минерала до 3-7 групп.

Определение цвета минерала в отраженном свете не представляет большой трудности, но решает еще одну задачу - отделяет «ясно окрашенные» минералы, которых, к примеру, среди анизотропных минералов, не так много. Это свойство обозначено во второй вертикальной графе таблицы: «Окраска минерала».

Следующая вертикальная графа – «Внутренние рефлексы в порошке», позволяет выделить минералы с ясно выраженными внутренними рефлексами, что особено важно в группах бесцветных минералов.

Последняя графа перед определение номера диагностической группы – «Твердость». Определение твердости студентами выполняется в

кабинетных условиях быстро двумя способами. По методу царапания медной и стальной иглами определяется класс твердости: «высокая», «средняя» и «низкая». На микротвердометре МПТ-3 уточняется значение микротвердости.

Определение диагностической группы сужает поиск минерала, но еще не решает окончательно задачу определения. Некоторые группы являются весьма сложными по набору минералов, например №№ 7, 10, 15, 22 и др. Далее следует использовать все дополнительные свойства по справочникам: морфология зерен, внутреннее строение, парагенетические ассоциации, цветовые оттенки, и др. Большую помощь могут оказать микрохимические реации, при наличии набора стандартных реактивов. Определение некоторых минералов может быть уверенным только путем анализа химического состава и рентгенограммы.

Стандартные схемы исследования рудного минерала и аншлифа

Схема исследования минерала :

1. Оценивается коэффициент отражения (относительно эталонов) или измеряется на спектрофотометре.

2. Определяются: цвет, анизотропия, двуотражение, цветные эффекты, наличие внутренних рефлексов, микротвердость методом царапания.

3. Проверяется наличие магнитности.

4. Изучается форма и внутреннее строение зерен.

5. По таблице свойств определяется минерал и группа аналогов.

6. По справочникам уточняются признаки и делается выбор.

7. Если определение затруднено, то уточняется микротвердость на приборе ПМТ-3 и по таблице твердости минералов еще раз определяется минерал.

8. В случае если минерал не удалось определить по табличным данным:

– готовят образец для микрозондового анализа для уточнения химического состава;

– готовят препарат для рентгеновского изучения.

Схема описания аншлифа:

1. Определяется макроскопически текстура образца.

2. Определяется полный минеральный состав под микроскопом.

3. Количество минеральных фаз и их объем:

– главные минералы (> 1 %);

– второстепенные минералы(< 1 %);

– редкие минералы (единичные зерна).

4. Измеряются размеры зерен всех минералов.

5. Выделяются закономерные срастания парагенезисы и ассоциации.

6. Анализируются возрастные взаимоотношения между минералами и ассоциациями.

7.Определяется последовательность образования, составляется ее схема.

8.Определяется структура, тип оруденения.

9.Делается заключение о генезисе.

10. Намечаются места для иллюстрации доказательств.

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.

Рекомендуем почитать

Дерматология

Ягодный мусс на манке Как приготовить мусс из замороженных ягод

Финансы

Причины, симптомы и лечение патологии

Hi-Tech

Что такое сложение сил. Измерение силы. Сила. Сложение сил

Хобби

Cмертные грехи в православии: сколько их?

Десерты

Рецепты витаминных салатов из крапивы

Фармакология

Ароматная и сочная курица в фольге в духовке – быстро, просто и вкусно