Каким свойством обладает руда
Железная руда – важный ископаемый продукт, который человечество стало добывать много столетий назад. С давних времён железо нашло широкое применение в бытовых и прочих условиях жизни человеческого общества. Одно из ключевых преимуществ и свойств железной руды – возможность изготовления стали, получаемой в процессе её плавки.
Руда железа может иметь различные свойства, минеральный состав, а также процентное соотношение примесей и металлов в зависимости от типа и места её разработки. Найти места добычи железорудных минералов с соответствующим техническим оснащением не представляется сложной задачей, поскольку железо составляет более 5% твёрдых залежей земной коры по всей поверхности планеты. Согласно Википедии и другим достоверным источникам, железная руда занимает четвёртое место по распространённости среди полезных ископаемых, добываемых в окружающем мире.
Тем не менее, найти этот металл в природе в чистом виде не представляется возможным – отыскать его можно в определённых количествах в большинстве известных типов и вида камня (горных пород). Минералы (железорудные) одни из наиболее выгодных в плане добычи. От характера происхождения железной руды зависит количественное содержание в ней железа.
Как выглядит руда железа и что собой представляет?
В качестве ключевого химического элемента железо входит в состав множества горных пород. Тем не менее, далеко не каждая такая порода может быть потенциальным сырьевым продуктом для добычи и разработки. Целесообразность разработки железных руд, как таковых, во многом зависит от процентного состава.
Его добычей плотно занялись более 3 тысяч лет назад, что обусловлено возможностью изготавливать на основе железа более качественных и прочных изделий в сравнении с бронзой и медью, которые стали добываться ещё раньше. Уже в те времена, мастера, работавшие с плавильнями, могли точно различать виды железной руды.
В настоящее время принято выделять несколько типов сырья, пригодного для последующей выплавки полезного металла:
- магнетиновый;
- магнетино-апатитный;
- магнетино-титановый;
- гидрогетит-гетитовый;
- гематито-магнетиновый.
Богатым считается месторождение железной руды с процентным составным содержанием железа 57%. Но, как уже было сказано выше, целесообразными могут быть разработки залежей, в которых руда содержит 26% этого полезного металла. В составе горных пород железо преобладает в виде оксидов. Остальные составляющие представляют собой фосфор, серу и кремнезёмы.
Существуют таблицы железной руды, в которых отражен её сырьевой, химический состав и процентное содержание железа. Если руководствоваться численными показателями большинства таких таблиц, то условно можно разделить ценные руды по степени их богатства и свойствам на 4 категории
- очень богатые – содержание основного металла более 65%;
- умеренно богатые – средний процент железа 60-65%;
- умеренные – от 45% и более;
- бедные – менее 45% добываемых полезных элементов в целом.
В зависимости от количества побочных примесей, входящих в состав разрабатываемого месторождения железа, требуется большее или меньшее количество энергии на переработку. От этого во многом зависит эффективность производства готовой продукции на основе железа.
Характер происхождения
Большая часть известных рудниковых типов была сформирована под влиянием трёх основных факторов. От них, собственно, зависят особенности и характеристики руды железа.
Магматическое формирование. Магматические составы формировались под воздействием высоких температур магмы либо при условии высокой активности древних вулканов. По сути, имели место естественные процессы перемешивания и переплавки горных пород.
Эта разновидность полезных ископаемых представляет собой кристаллические минеральные ископаемые соединения, отличающиеся высоким процентом содержания железа. Залежи магматических ископаемых, как правило, можно обнаружить в зонах старинного образования гористых местностей. Именно в этих местах расплавленные вещества подходили максимально близко к поверхностным слоям почвы.
Метаморфическое формирование. В процессе такого формирования образуются минералы осадочного типа. Суть этого процесса сводится к передвижению отдельных участков коры Земли при котором определённые пласты, богатые определёнными элементами, попадают под породы, залёгшие выше.
Полезные ископаемые, которые образовались при очередном перемещении, мигрируют ближе к земляной поверхности. Железная руда, которая образуется в процессе метаморфического формирования, как правило, имеет высокое процентное содержание полезных металлических соединений и располагается не слишком глубоко от поверхности. Один из наиболее распространённых примеров – железняк магнитный, содержащий в своём составе до 75% железа.
Осадочное формирование. В данном случае основные факторы этого типа формирования рудников – естественные силы природы, в частности ветры и вода. Пласты породы подвергаются разрушению и перемещению в низины – именно здесь они скапливаются, формируя отдельные слои. В качестве реагента выступает вода, которая выщелачивает исходные материалы. В ходе таких процессов формируются залежи бурого железняка, представляющего собой рассыпчатую, разрыхлённую массу с высоким содержанием минеральных примесей и процентным содержанием железа до 35-40%.
За счёт различной специфики образования метаморфических пород сырьё часто перемешивается внутри пластов с магматической породой, известняком и глиной. В одном и том же месторождении, обозначенном соответствующим знаком на карте, обнаруживаются различные по происхождению залежки, которые перемешаны между собой. Места, предположительно богатые осадочными железными рудами в этом случае определяются в ходе геологических разведочных мероприятий.
Основные свойства и типы. Из какой руды получают железо?
К наиболее распространённому типу принято относить красный железняк, основой которого служит гематитовый оксид. В его составе содержится минимум побочных примесей и свыше 70% железа.
Следующий по распространённости – бурый железняк (лимонит), представляющий собой оксид железа, содержащий в своём составе H2O. Как правило, в состав лимонита входит порядка четверти процентного содержания железа. В природе бурый железняк можно встретить в форме пористых, рыхлых пород, содержащих фосфор и марганец. В качестве пустой породы в руде содержится глина.
Магнитная руда железа содержит в своём составе магнитный оксид, свойства которого теряются в условиях сильного нагрева. В природе встречается намного реже вышеперечисленных пород и по процентному соотношению железа в некоторых случаях не уступает красному железняку.
Железняк шпатовый – рудная порода, содержащая сидерит с высоким содержанием глины в составе. Это весьма редкая порода, а за счёт малого содержания железа добывают его намного реже, особенно если речь идёт о промышленном применении.
Помимо оксидов существуют другие железорудные типы, в основу которых входят карбонаты и силикаты.
Географическое расположение ключевых месторождений
Все основные месторождения принято делить на:
- Метаморфогенные – кварцитовые залежи;
- Экзогенные – бурый железняк и прочие осадочные породы;
- Эндогенные – преимущественно титаномагнетитовые составы.
Подобные рудные залежи встречаются практически на каждом континенте. Большая часть железорудных залежей находится на территории стран СНГ, в частности это территория Казахстана, России и Украины. Достаточно большими запасами железорудных скоплений могут похвастать такие государства, как ЮАР, Индия, США, Австралия, Канада и Бразилия. Существуют карты месторождений железной руды, как в мировых масштабах, так и с более подробным указанием залежей на территории конкретного государства.
Значение железной руды и сферы, в которых она используется
По преимуществу все отрасли, в которых задействованы эти полезные ископаемые, связаны с металлургической сферой. По большей части руду железа используют при выплавке чугуна с использованием конверторной или мартеновской печи. В свою очередь чугун широко применим во многих промышленных отраслях.
Сегодня крайне популярен и активно изготавливается и другой сверхпрочный, антикоррозийный сплав – сталь, для чего также используются железорудные ископаемые. Это наиболее популярный промышленный сплав, который славится устойчивостью к коррозии и высокой прочностью.
Стальные и чугунные материалы применяют в следующих отраслях:
- ракетостроительная и военная промышленность, производство специальной техники;
- машиностроение, включая изготовление станков и прочих заводских механизмов;
- автомобильное производство (изготавливаются автомобильные рамы, элементы двигателей, корпуса и прочие механические узлы);
- добывающая промышленность (производство тяжёлого добывающего оборудования и прочей спецтехники);
- строительство – армирующие материалы, создание несущего каркаса.
Способы добычи
Методы и способы извлечения рудных ископаемых ресурсов из недр зависят от глубины, на которой залегает искомый материал. В этом контексте принято выделять три основных способа:
Скважинный метод (гидродобыча) – для работы таким способом специалисты бурят скважины, достигающие пластов пород. В образовавшиеся створы помещаются трубчатые конструкции, через которые мощной водной струёй производится дробление материала и её извлечение. Это наименее эффективный, косный и устаревший метод, который в наши дни используется достаточно редко.
Шахтенный метод – используется при условии, что пласты залегают более глубоко (до 900 метров). Прежде всего прорубаются шахтенные створы – от них по пласту разрабатываются штреки. Порода дробится и поступает на поверхность по специальным транспортёрам.
Карьерный метод – в отличие от скважинного, считается наиболее распространённым. Его используют для работы на средней глубине (до 300 метров). Для разработки применяются мощные экскаваторы и механизмы, дробящие породу. После дробления материал отгружают и транспортируют прямиком на обогатительный комбинат.
Как обогащаются железорудные материалы?
В силу существования различных типов руд по степени того, сколько железа содержится в руде, менее обогащённые материалы отправляются на специальные комбинаты, где они подвергаются сортировке, дроблению, сепарации и агломерации.
В целом можно выделить 4 основных метода рудного обогащения:
Флотация. Специально подготовленная пылеобразная масса погружается в H2O с добавлением воздуха и веществ, которые называются флотационными реагентами. Отсюда и название самого процесса – флотация. Они соединяют частицы железа с пузырьками воздуха и поднимает их на поверхность в пенистом виде. Пустые породы оседают на дне.
Магнитная сепарация. Самый распространённый способ, основанный на разнице воздействия магнетизма на различные составляющие рудной массы. Сепарация может проводиться в случае с мокрыми и сухими породами. В ходе переработки используются барабанные механизмы, оснащённые мощными электромагнитными элементами.
Гравитационная очистка. Для её проведения используются специальные суспензии с плотностью ниже плотности железа и выше плотности пустых пород. Естественные силы гравитации выталкивают побочные составляющие кверху, а суспензия вбирает в себя частицы железа и оставляет их снизу.
Промывка. Используется для устранения из добываемых материалов песков и глины – для их отделения достаточно использовать водную струю под большим напором. Процесс происходит под высоким давлением и обеспечивает до 5% обогащения. Это сравнительно малый показатель, потому этот метод всегда используется в паре с другими способами.
Оглянитесь вокруг. Так или иначе, но вы со стопроцентной вероятностью наткнетесь на что-то, чьим компонентом является элемент Ferrum. Он же – железо. Даже телефон, планшет или компьютер, с помощью которого вы читаете данную статью, также содержит в себе железо.
Феррум является четвертым по многочисленности элементом на нашей планете. Являясь настолько популярным, оно максимально упрощает процесс собственной добычи. К сожалению, в чистом виде оно все-таки не встречается, потому – придется добывать его из руды. Благо, извлечь его из минералов и получить чистый «Fe» намного проще, чем, скажем, уран или даже алюминий.
В данной статье мы рассмотрим вопрос, что делают из железной руды, как из нее добывается железо и куда его применяют.
Свойства руд
Отвечать на вопрос: какими свойствами обладает железная руда, не совсем просто. Хотя бы потому, что перечень свойств зависит от процента данного металла в руде и количества посторонних примесей. К примеру, красный железняк, содержащий гематит (Fe2O3), содержит в себе целых 70% железа от общего количества.
В общем и целом, кстати, целесообразной добычей железа считается только та, где в рудах содержится от 40% железа и выше. Данная цифра действительно дает понять, что железо распространено в окружающем мире многократно больше других элементов. К примеру, для того же урана, содержание его в руде в количестве 2% считалось бы небывалой удачей…
Но вернемся к нашему красному железняку. Давая характеристику железной руде, можно сказать, что красный железняк представляет собой диапазон от порошкового вещества до плотного.
Лимонит (он же – бурый железняк), также является рудой железа, однако она представляет собой пористую и рыхлую породу, содержащую весомые доли фосфора и марганца. Пустой породой у него часто выступает глина. В силу чего, кстати, довольно легко поддается извлечению железа. Потому из него часто делают чугун.
Шпатовый железняк с сидеритом во главе является довольно редким минералом, что не делает его производственным ресурсом. Он также содержит в себе довольно много глины.
Черно-синие магнитные руды по своей насыщенности железу могут не уступать красному железняку. Но главной их особенностью является, конечно, свойства магнетизма. Пусть они и теряются с сильным повышением температуры. Пусть железняк магнитный намного реже других, но польза его очевидна.
Способы добычи железа из руды
Железо из руды наиболее часто получают в доменных печах. Принцип работы такого способа заключается в восстановлении железа из его оксидов с помощью угля, в виде кокса. Уголь, окислившись в печи под воздействием кислорода, превращается в угарный газ (СО). Затем, нагретый в печи угарный газ взаимодействует с оксидом железа (Fe2O3), вследствие чего получаются молекулы углекислого газа и молекулы восстановленного железа.
Полученное железо все еще не является идеально чистым. Дабы устранить его от всяческих рудных примесей, далее используется флюс. Флюсом называют карбонаты кальция или магния (в простонародье – известняк и доломит). При нагревании до 1000 градусов по Цельсию, карбонаты распадаются на свои оксиды с выделением углекислого газа.
СаСО3 → СаО+СО2
Далее, оксид кальция или магния вступает в реакцию с примесями железа (например – с кварцем)
CaO+SiO2 → CaSiO3
Получившийся в результате шлак очень легко плавится в печи. Он плавает на поверхности, что позволяет довольно легко отделить его от железа. Такой расплав железа является все равно не самым чистым из-за существенного присутствия атомов карбона (уголь). А сплав железа с углеродом называется чугуном.
Железо довольно активный элемент, потому весьма податлив коррозии. Потом, не стоит оставлять под открытым небом или в местах с повышенной влажностью предметы с высоким содержанием железа.
Добыча железа в России и мире
Россия в плане добычи железной руды может похвастаться лишь 5-6% от общемирового уровня. Но что касается запасов для потенциально дальнейшей добычи – здесь уверенное первое место. 18% от всей мировой железной руды находятся именно в России. На втором и третьем месте – Бразилия с Австралией. Почетное четвертое место досталось «сожителю по СССР» – Украине, 11 процентов.
В Российской Федерации наибольшим месторождением железной руды является Курская магнитная аномалия. Она же, кстати, является крупнейшим месторождением всей планеты. Запасы залегающего там необработанного железа исчисляются 30 миллиардами тонн.
Применение железа
Примечательным можно считать тот факт, что из самого Феррума, в его химически чистой форме, в мире практически ничего не делается и не производится. Данный элемент очень легко окисляется, вступая в реакции в кислородом или другими элементами. Так для чего нужна железная руда? Все просто. Феррум, обогащенный карбоном (сплав чугуна) – весьма и весьма популярный материал. Чугун может или служить самостоятельной единицей для изготовления каких-либо вещей и предметов, или же быть промежуточным звеном между железом, и сталью.
Сталь – это сплав железа, углерода и других элементов. Железа должно быть не менее 45%, карбона – от 0,02 до 2,14 процента. Если выше 2,14% – это уже чугун. И уж сталь-то, в десятках своих вариаций, в наше время используется практически везде. Машиностроение, авиация, приборостроение, космические постройки, ядерная энергетика, медицина (существует даже термин – хирургическая сталь), оружейная отрасль (как холодное, так и огнестрельное), сельхозинвентарь, строительная продукция и т.д. За счет такой популярности стали, смело можно утверждать, что ни один металл периодической таблицы не используется так интенсивно и в таких количествах на Земле, как железо.
Действительно, сфер производства продукции железной руды, а также соединений и сплавов на основе Феррума – просто не счесть. Однако, в будущем, при таких темпах и масштабах добычи, перед человечеством могут встать два вопроса: что делать, когда запасы этого металла в недрах нашей планеты станут иссякать? И как поступать с теми гигантскими котлованами по всей планете, которые остаются после проведения добычи железной руды открытым способом?..
Образование породы
Если рассматривать железо в качестве химического элемента, то оно входит в состав различных горных пород. Однако не все они используются в качестве сырья для добычи. Железной рудой принято называть лишь те минеральные образования, в которых содержится определенное количество минерала и его извлечение оправдано с экономической точки зрения. В природе железо распространено в виде соединений с различными веществами.
Впервые люди начали заниматься добычей железной руды более двух тысячелетий назад. Благодаря этому появилась возможность производить более прочные металлические изделия в сравнении с медными. В зависимости от происхождения, все минералы, содержащие железо, принято классифицировать на 3 группы:
- Метаморфогенные образования. Появились на месте старых осадочных месторождений под воздействием высокой температуры и давления.
- Экзогенные. Сформировались в долинах рек, благодаря воздействию ветра и воды на горные породы.
- Магматогенные. Были созданы в результате высокотемпературного воздействия.
Следует заметить, что эти группы делятся на большое количество подвидов.
Химический состав
Ценности и свойства руды во многом зависят от количества входящих в ее состав примесей. Именно от этого зависит ценность минерала и принимается решение о целесообразности его добычи. В соответствии с процентным содержанием посторонних веществ руду принято делить на несколько групп:
- Максимально богатая — содержание железа составляет более 65%.
- Богатая — 60−65%.
- Средняя — более 45%.
- Бедная — менее 45%.
Вполне очевидно, что при высоком содержании посторонних веществ для переработки руды требуется затратить больше энергии. Это в свою очередь негативно отражается на стоимости готовых изделий. Добываемая руда является совокупностью всевозможных минералов, посторонних примесей и пустой породы. Соотношение всех этих компонентов во многом зависит от месторождения.
В пустой породе также может содержаться железо, но ее переработка экономически невыгодна. Чаще всего в природе встречаются силикаты, оксиды и карбонаты железа. Кроме этого, порода может содержать и различные вредные примеси, например, фосфор, серу и т. д.
Виды и характеристики руды
Кроме химического состава породы, с экономической точки зрения, важное значение имеет и место, где планируется добывать железо. Самыми богатыми месторождениями являются линейные. Кроме этого, они содержат максимально чистую породу. А также в природе есть плоскоподобные месторождения, сформировавшиеся на поверхности железосодержащих кварцитов.
Чаще всего встречается красный железняк, основанный на оксиде гематита. В этом веществе наблюдается высокое содержание железа, а количество вредных примесей сравнительно невелико. Широко используется еще несколько типов породы:
- Бурый железняк. Это вещество представляет собой оксид и имеет грязно-желтый оттенок.
- Магнитный железняк. Формула вещества — Fe3O4. Встречается реже в сравнении с красным, но нередко содержит свыше 70% полезного минерала. Порода может быть плотной либо зернистой с вкраплениями комочков тёмно-синего оттенка. При добыче эта руда обладает магнитными свойствами, которые исчезают после высокотемпературной обработки.
- Глинистый железняк. Встречается сравнительно редко и, как правило, содержит мало полезного ископаемого.
- Шпатовый железняк. Эта порода содержит сидериты и встречается довольно редко. Из-за низкого содержания полезного минерала ее добыча не выглядит экономически выгодной.
В природе также нередко встречаются карбонаты и силикаты.
Запасы в стране и мире
Крупнейшее месторождение железной руды в России расположено на территории Орловской, Курской и Белгородской области. Следует заметить, что Курская магнитная аномалия является самым мощным источником железа не только в стране, но и во всем мире. Это природное творение столь грандиозно, что обнаружить его смогли еще в XVI столетии. Запас руды в месторождении исчисляется миллиардами тонн.
Бакчарское месторождение — еще один крупный железорудный бассейн в мире. Его местонахождение — междуречье рек Икса и Андорма, протекающих на территории Томской области. Оно было открыто в 60-х годах прошлого столетия во время поиска новых мест для добычи нефти. Площадь бассейна составляет около 16 тыс км2. Порода залегает на глубине 190−220 м.
В среднем добываемая руда содержит около 57% железа, а в обогащенной породе — до 97%. Специалисты оценивают запас руды более, чем в 27 миллиардов тонн. Сегодня в бассейне внедряются новые технологии, и вместо добычи карьерным способом планируется использовать скважинную.
В Красноярском крае находится Абагасское месторождение, открытие которого произошло в далеком 1933 году, однако активная разработка началась лишь в 60-х годах. Главным минералом, добываемым в этом бассейне, является магнетит. Кроме этого, встречается пирит, мушкетовит и гематит. Добыча породы ведется открытым способом, а предполагаемые запасы руды составляют более 70 миллионов тонн.
После Курской магнитной аномалии на мировой карте второе место занимает Криворожское месторождение, расположенное на территории Украины. В Западной Европе мощным источником железа является Лотарингский железорудный бассейн. Он расположен на территории Франции, Бельгии и Люксембурга. Разработка бассейна ведется с XIX столетия, и бо́льшая часть добываемой руды приходится на долю Франции. Общий запас руды предположительно составляет около 15 миллиардов тонн.
Добыча породы ведется подземным способом. По данным геологической службы Соединенных Штатов, основные месторождения железа находятся в России, Украине, Китае, Бразилии и Австралии.
Особенности добычи
Разработка месторождений может проводиться открытым или подземным способом. Второй метод наносит меньший ущерб природе, но при этом является более трудоемким. Добытую породу доставляют на комбинат, где сырье необходимо предварительно измельчить. Затем руда обогащается, железо отделяется от других элементов.
Эта процедура может проводиться несколькими способами:
- Гравитационная сепарация. Куски породы обладают различной плотностью и распадаются под механическим воздействием, например, в результате вибрации.
- Флотация. Мелкоизмельченное сырье помещается в специальную камеру, в которую затем подается воздух и рабочая жидкость. Частички железа соединяются с воздушными пузырьками и поднимаются.
- Магнитная сепарация. Полезный минерал оттягивается с помощью магнитов.
- Комбинированный. Для отделения железа от пустой породы используется сразу несколько способов.
Полученный рудной концентрат затем отправляется на металлургический комбинат.
Область использования
Сфера применения руды ограничена металлургическим производством. Она является основным сырьем для производства чугуна и различных сплавов. Таким образом, из руды делают различные металл. Однако еще 2 тысячи лет назад люди поняли, что в чистом виде железо незначительно превосходит бронзу в твердости. В результате был открыт сплав железа и углерода, который называется сталь или чугун. В первом типе материала содержится 0,1−2,14% углерода.
Следует заметить, что длительное время чугун не использовался для производства предметов. Металлурги прошлого считали его браком из-за низкой пластичности. Лишь после изобретения пушек этот материал начали применять для производства ядер. Сегодня ситуация серьезно изменилась, и чугун используется в различных областях. Лидером в черной металлургии является Китай. Эта страна значительно превосходит другие государства в производстве чугуна и сталей. При этом ведущими экспортерами являются Австралия и Бразилия.
Мировой экономике требуется все больше сырья, и во многих странах месторождения железной руды активно разрабатываются. Однако развитые государства зачастую предпочитают сократить объем собственного производства, предпочитая экспортировать относительно недорогой материал. Хотя мировые запасы железа и кажутся огромными, они все же не являются неисчерпаемыми.