Железная руда — это основное сырье для мировой металлургической промышленности. От рынка этого ископаемого в существенной мере зависит экономика разных стран, поэтому разработке рудников уделяется повышенное внимание во всем мире.
Руда: определение и особенности
Рудами называют горные породы, которые применяются для переработки и извлечения содержащихся в них металлов. Виды этих полезных ископаемых различаются по происхождению, химическому содержанию, концентрации металлов и примесей. В химическом составе руды присутствуют различные его оксиды, гидроксиды и углекислые соли железа.
Интересно! Руда востребована в хозяйстве с древних времен. Археологам удалось выяснить, что изготовление первых предметов из железа датируется II вв. до нашей эры. Впервые этот материал использовали жители Месопотамии.
Железо — распространенный в природе химический элемент. Его содержание в коре земли составляет около 4,2%. Но в чистом виде он почти не встречается, чаще всего в виде соединений — в окислах, карбонатах железа, солях и т.д. Железная руда — это соединение минералов со значительным количеством железа. В народном хозяйстве экономически обоснованным считается применение руд, содержащих более 55% этого элемента.
Что делают из руды
Железорудная промышленность — металлургическая отрасль, которая специализируется на добыче и обработке железной руды. Основное предназначение этого материала на сегодняшний день — производство чугуна и стали.
Всю продукцию, которую делают из железа, можно разделить на группы:
- Передельный чугун с повышенной концентрацией углерода (выше 2%).
- Литейный чугун.
- Сталь в слитках для изготовления проката, железобетона и стальных труб.
- Ферросплавы для выплавки стали.
Для чего нужна руда
Материал используется для выплавки чугуна и стали. Сегодня нет практически ни одной промышленной сферы, которая обходится без этих материалов.
Чугун — это сплав углерода и железа с марганцем, серой, кремнием и фосфором. Чугун производится в доменных печах, где при высоких температурах руду выделяют из оксидов железа. Практически 90% полученного чугуна является предельным и используется при выплавке стали.
Применяются различные технологии:
- электронно-лучевая выплавка для получения чистого высококачественного материала;
- вакуумная обработка;
- электро-шлаковый переплав;
- рафинирование стали (устранение вредных примесей).
Отличие стали от чугуна — минимальная концентрация примесей. Для очистки применяется окислительная выплавка в мартеновских печах.
Сталь самого высокого качества выплавляется в индукционных электрических печах с экстремально высокой температурой.
Руда отличается по концентрации содержащегося в ней элемента. Она бывает обогащенной (с концентрацией от 55%) и бедной (от 26%). Бедные руды целесообразно применять в производстве только после обогащения.
По происхождению выделяют следующие виды руд:
- Магматогенная (эндогенная) — образовавшаяся под воздействием высокой температуры;
- Поверхностная — осевшие остатки элемента на дне морских бассейнов;
- Метаморфогенная — полученная под воздействием экстремально высокого давления.
Основные соединения минералов с содержанием железа:
- Гематит (красный железняк). Самый ценный источник железа с содержанием элемента от 70% и с минимальной концентрацией вредных примесей.
- Магнетит. Химический элемент с содержанием металла от 72% отличается высокими магнитными свойствами и добывается на магнитных железняках.
- Сидерит (карбонат железа). Отмечается большое содержание пустой породы, самого железа в нем около 45-48%.
- Бурые железняки. Группа водных окислов с низким процентом железа, с примесями марганца и фосфора. Элемент с такими свойствами отличается хорошей восстанавливаемостью и пористой структурой.
Вид материала зависит от его состава и содержания дополнительных примесей. Самый распространенный красный железняк с высоким процентом железа может встречаться в разном состоянии — от очень плотного до пылевого.
Бурые железняки имеют рыхлую, слегка пористую структуру бурого или желтоватого цвета. Такой элемент часто нуждается в обогащении, при этом легко перерабатывается в руду (из него получается высококачественный чугун).
Магнитные железняки плотные и зернистые по своей структуре, выглядят как кристаллы, вкрапленные в породу. Оттенок руды — характерный черно-синий.
Как добывают руду
Добыча железной руды — это сложный технический процесс, при котором происходит погружение в земные недра с целью поиска минералов. На сегодняшний день существует два способа добычи руды: открытая и закрытая.
Открытый (карьерный способ) — распространенный и наиболее безопасный вариант по сравнению с закрытой техникой. Метод актуален для тех случаев, когда в рабочей зоне отсутствуют твердые породы, а рядом нет населенных пунктов или инженерных систем.
Сначала вырывается карьер до 350 метров глубиной, после чего со дна большими машинами собирается и вывозится железо. После добычи материал на тепловозах отправляется на заводы по изготовлению стали и чугуна.
Карьеры роются экскаваторами, но такой процесс занимает много времени. Как только машина доберется до первого пласта рудника, материал сдается на экспертизу, чтобы определить процент содержания железа и целесообразность дальнейших работ (если процент выше 55%, работы в этой местности продолжаются).
Интересно! По сравнению с закрытым способом добыча полезных ископаемых в карьерах стоит вдвое дешевле. Такая технология не требует обустройства шахт или создания тоннелей. При этом эффективность работы в открытых карьерах выше в несколько раза, а потери материала в пять раз меньше.
Закрытый способ добычи
Шахтная (закрытая) добыча руды применяется только в том случае, если планируется сохранить целостность ландшафта в той области, где ведется разработка рудных залежей. Также этот способ актуален для работ в горной местности. В этом случае создается сеть тоннелей под землей, что приводит к дополнительным расходам — строительство самой шахты и сложная транспортировка металла на поверхность. Самый главный недостаток — высокий риск для жизни рабочих, шахта может обрушиться и перекрыть доступ на поверхность.
Где добывают руду
Добыча железной руды — одна из ведущих сфер хозяйственного комплекса РФ. Но несмотря на это, доля России в мировой добыче руды составляет всего 5,6%. Мировые запасы составляют около 160 млрд. тонн. Объем чистого железа достигает 80 млрд. тонн.
Страны, богатые рудами
Распределение ископаемых по странам выглядит следующим образом:
- Россия — 18%;
- Бразилия — 18%;
- Австралия — 13%;
- Украина — 11%;
- Китай — 9%;
- Канада — 8%;
- США — 7%;
- остальные страны — 15%.
Существенные залежи железной руды отмечены в Швеции (города Фалуня и Гелливар). В Америке обнаружено большое количество руды в штате Пенсильвания. В Норвегии металл добывается в Персберге и Арендали.
Руды России
Курская магнитная аномалия — крупное месторождение железной руды в РФ и в мире, в которой объем неочищенного металла достигает 30000 млн. тонн.
Интересно! Аналитики отмечают, что масштабы добычи ископаемых на рудниках КМА сохранятся вплоть до 2020 года, в дальнейшем будет наблюдаться спад.
Площадь рудников Кольского полуострова составляет 115000 кв.км. Здесь добывается железная, никелевая, медная руды, кобальт и апатиты.
Горы Урала также входят в число самых крупных месторождений руды в РФ. Основной район разработок — Качканар. Объем рудных ископаемых составляет 7000 млн. тонн.
В меньшем объеме металл добывается в Западно-Сибирском бассейне, в Хакасии, Керченском бассейне, в Забайкальске и Иркутской области.
Человечество, по оценкам археологов, научилось обрабатывать железную руду и изготавливать из нее различные изделия еще за 3000 лет до н.э.
В разных странах железная руда обрабатывалась с применением сложных техник, и на протяжении веков люди только совершенствовались в ее обработке и ковке. С течением времени добыча железной руды увеличивалась, и производство качественных изделий выросло до такого уровня, что они стали доступны всем.
На каждом временном этапе человечество использовало железные руды, которые можно было перерабатывать с экономической выгодой на оборудовании того времени: в первом тысячелетии в обработку шли только руды с содержанием железа не менее 80-90%. Но чем более совершенной становилась техника и способы добычи железной руды, тем более бедные железные руды находили использование.
В современном мире отрасли, где железная руда находит постоянное применение - это сталелитейное производство, выплавка чугуна, производство ферросплавов и труб.
В настоящее время все железорудные месторождения делятся по степени содержания Fе на богатые, (57% содержания железа в общей рудной массе) и бедные (не менее 26%). А сама железная руда подразделяется на рядовую (аглоруду), в ней содержание железа находится на среднем уровне, окатыши - это сырая железосодержащая масса, и сепарированная руда с самым низким содержанием железа в общей массе.
К особому типу руды можно отнести магнитный железняк с 70% содержанием окиси и закиси железа. Районом добычи такой железной руды в России является Урал, горы Благодать, Магнитная.
В Норвегии, Швеции тоже имеются такие месторождения. В США магнитный железняк добывают в штате Пенсильвания, но лучшие месторождения по добыче железной руды в этой стране уже фактически выработаны, остались месторождения с рядовым содержанием руды (до 40-50%), такая же ситуация на месторождениях Украины и России.
По этой причине, многим странам, лидирующим по добыче железной руды, приходится постоянно совершенствовать технологии переработки сырья. Богатые месторождения в последние годы найдены только в Австралии, имеются они в Канаде и Мексике. При этом Северная Америка и Западная Европа в суммарном количестве по добыче железной руды уступают Австралии, которая на протяжении нескольких лет является лидером по добыче железной руды.
Такие страны как Германия, Великобритания и Бельгия вынуждены были отказаться от разработок собственных месторождений, поскольку сырье, которое там добывается, относится к третьей группе и его дальнейшая переработка очень затратна. В этих странах добыча железной руды проводилась открытым способом. Прежде всего, при такой разработке бедных месторождений наносится большой ущерб окружающей среде, поскольку на каждую тонну добытого чистого железа, приходится несколько десятков тонн промышленных пустопородных отвалов.
Технология добычи железной руды
На карьере, где на небольшой глубине залегает пласт железорудных пород, проводится выемка верхних слоев грунта на глубину около 500 метров. После того, как верхний слой убран, руду при помощи спецтехники выбирают и вывозят с карьера на перерабатывающие предприятия. Экономическая выгода для производителей в этих странах снижается из-за низкого качества руды, требующей обогащения. Это влечет за собой дополнительные финансовые затраты, а необходимость проводить дорогостоящие восстановительные мероприятия на месте разработки делают добычу таких ископаемых нерентабельной.
В результате такие страны как Франция и Германия на протяжении многих лет входят в десятку стран импортеров железной руды и продуктов ее первичной переработки. Поставки в основном осуществляются из азиатских стран, а также России.
В азиатских странах богатыми месторождениями располагает Индия. В Южной Америке основным местом по добыче железной руды является Бразилия, которая имеет железорудные месторождения с 60% содержанием железных руд и успешно развивает профильные предприятия.
КНР, не смотря на то, что по оценкам специалистов, имеет большие, но бедные месторождения, все равно проводит переработку этой руды. В 2009 году Китай лидировал в сфере экспорта железорудного сырья. В общей мировой добыче железной руды на долю этой страны приходилось 1/3 всего сырья. В сравнении с серединой 20 века основная добыча руды для черной металлургии сместилась из Западной Европы в Азию, Южную Америку и Восточную Европу. На долю азиатских стран в настоящее время приходится около 55% всей добычи.
При этом потребность промышленности в добыче железной руды во всем мире год от года только возрастает. Некоторые страны с развитым автомобильным и промышленным производством, такие как Япония и Южная Корея не имеют своих месторождений. По этой причине становится важным внедрение новых технологий, позволяющих снизить экономические затраты при добыче железорудного сырья. Страны мира, обладающие существенными запасами залежей железной руды, ищут новые технологии обогащения добытого сырья.
На сегодняшний день почти 100 стран имеют такие сырьевые, потенциально готовые к разработке месторождения. На долю Америки (и Северной, и Южной) приходится примерно 267 млрд. тонн, на долю России - 100 млрд. тонн, азиатские страны располагают залежевыми запасами в 110 млрд. тонн, Австралия и Океания (в совокупности) - 82, в Африке около 50 млрд. тонн, в Европе - 56 млрд. тонн.
При этом в пересчете на содержание железа в руде Бразилия и Россия имеют одинаковые в процентном соотношении к общемировым запасы. Каждая из этих стран располагает 18% запасов. Третье место в этом рейтинге принадлежит Австралии с 14 %, четвертое место занимает Украина - 11 %, КНР имеет запасы в 9%, Индия - 5%. Самый маленький запас по содержанию железа в руде из нынешних активных разработчиков месторождений имеют США, всего 3%.
Переработка сырья проводится различными способами: страны Западной Европы, и США благодаря новым научно-техническим методам обогащения бедного сырья добиваются получения конечного продукта лучшего качества. Они проводят агломерацию сырья, но тут следует учесть, что такое сырье не подлежит перевозке и должно перерабатываться на внутреннем рынке.
В вопросе добычи железной руды выигрывают страны производители, поставляющие на экспорт железорудные окатыши, технологии добычи при этом не отличаются от общепринятых, но сырье проходит предварительную обработку. Железорудные окатыши легко транспортировать, а затем на месте, это сырье, благодаря современным технологиям, легко восстанавливается в чистое железо и поступает в дальнейший промышленный процесс.
По наличию прогнозируемых запасов железной руды Россия занимает лишь третье место, уступая Бразилии и Штатам. Общее количество руды в РФ оценивается примерно в 120,9 млрд тонн. Если считать по достоверности «разведданных», то наиболее точно определены запасы (категория Р1) в 92,4 млрд тонн, чуть меньше вероятность добычи в полном объеме у 16,2 млрд тонн (категория Р2) и вероятность добычи разведанной руды – 2,4 млрд тонн (категория Р3). При этом среднее содержание железа составляет 35,7%. Основная часть ресурсов сосредоточена на КМА (Курская магнитная аномалия), расположенной на европейской части России. Меньшее значение имеют месторождения, расположенные в Сибири, на Дальнем Востоке.
Распределение запасов руд по России
Доля высококачественной руды, не требующей обогащения, с количеством железа не менее 60% в России составляет почти 12,4%. В основном руды средние и бедные, с содержанием железа в пределах 16-40%. Тем не менее, большими запасами богатых руд в мире обладает только Австралия. 72% российских запасов относятся к категории рентабельных.
Сегодня в РФ насчитывается 14 крупнейших месторождений. Из них 6 находятся в районе аномалии (т.е., больше половины), что обеспечивает 88% разработки железных руд. Госбаланс РФ на своем учете имеет 198 месторождений, 19 из которых имеет забалансовые запасы. Основные места добычи железной руды, расположенные в убывающем порядке (по объему добываемых полезных ископаемых):
- месторождение Михайловское (в Курской области);
- м. Гусевгорское (в Свердловской обл.);
- м. Лебединское (в белгородской обл.);
- м. Стойленское (в Белгородской обл.);
- м. Костомукшское (Карелия);
- м. Стойло-Лебединское (в Белгородской обл.);
- м. Ковдорское (в Мурманской обл.);
- м. Рудногорское (в Иркутской обл.);
- м. Коробковское (в Белгородской обл.);
- м. Оленегорское (в Мурманской обл.);
- м. Шерегешевское (в Кемеровской обл.);
- м. Таштагольское (в Кемеровской обл.);
- м. Абаканское (Хакасия);
- м. Яковлевское (в Белгородской обл.).
В течение последнего десятилетия в РФ наблюдается рост добычи железной руды. Среднегодовой прирост составляет около 4%. Однако, есть к чему стремиться: доля российской руды в общемировой добыче - менее 5,6%. В основном вся руда в России добывается на КМА (54,6%). В Карелии и Мурманской области объем составляет 18% от общей добычи, в Свердловской области выдают «на гора» 16% руд.
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.
Отрасль черной металлургии - железорудная промышленность - занимается добычей и переработкой железной руды, чтобы затем это полезное ископаемое превратилось в чугун и сталь. Так как железо является довольно распространенным элементом, получают его только из тех горных пород, в которых его больше.
Это минеральное образование человечество научилось добывать и обрабатывать позднее всего, видимо потому, что железная руда мало похожа на металл. Сейчас же без железа и стали сложно представить себе современный мир: транспортная, строительная отрасль, сельское хозяйство и многие другие сферы не могут обойтись без металла. О том, как и во что превращается железная руда в процессе несложных химических процессов, пойдет речь далее.
Виды железных руд.
Железная руда различается по количеству содержащего в ней железа. Она бывает богатой, в которой его больше 57%, и бедной - от 26%. Бедные руды используются в промышленности только после их обогащения.
По происхождению руду делят на:
- Магматогенную - руда, получившаяся в результате действия высоких температур.
- Экзогенную - осадок в морских бассейнах.
- Метаморфогенную - образовавшуюся в результате действия высокого давления.
Железные руды также разделяют на:
- красный железняк, который является наиболее распространенной и в то же время наиболее богатой на железо рудой;
- бурый железняк;
- магнитный;
- шпатовый железняк;
- титаномагнетит;
- железистый кварцит.
Этапы металлургического производства.
Ответ на главный вопрос статьи «железная руда: что из нее делают» очень прост:из железных руд добывают сталь, чугун, сталистые чугуны и железо.
При этом металлургическое производство начинается с добычи основных компонентов для производства металлов: каменного угля, железной руды, флюсов. Затем на горно-обогатительных комбинатах добытую железную руду обогащают, избавляясь от пустых пород. На специальных заводах занимаются подготовкой коксующихся углей. В доменных цехах руда превращается в чугун, из которого затем производят сталь. А сталь, в свою очередь, превращается в готовый продукт: трубы, листовую сталь, прокат и прочее.
Производство черных металлов условно делят на две стадии, в первой из них получают чугун, во второй чугун преобразовывают в сталь.
Процесс производства чугуна.
Чугун - это сплав углерода и железа, в который также входят марганец, сера, кремний, фосфор.
Чугун производят в доменных печах, в которых железная руда восстанавливается из оксидов железа при больших температурах, при этом отделяется пустая порода. Флюсы используют для уменьшения температуры плавления пустой породы. В доменную печь загружают руду, флюсы и кокс слоями.
В нижнюю часть печи подается нагретый воздух, поддерживающий горение. Так происходит череда химических процессов, в результате которых получают расплавленный чугун и шлак.
Полученный чугун бывает разных видов:
- передельный, используемый в производстве стали;
- ферросплав, который применяют также в качестве добавок при производстве стали;
- литейный.
Производство стали.
Практически 90% всего добываемого чугуна является передельным, то есть он используется в производстве стали, которую получают в мартеновских или электрических печах, в конвекторах. При этом появляются новые методы получения стали:
- электроннолучевая плавка, которая используется для получения особо чистых металлов;
- вакуумирование стали;
- электрошлаковый переплав;
- рафинирование стали.
В стали, если сравнивать его с чугуном, меньше кремния, фосфора и серы, то есть при получении стали нужно уменьшить их количество с помощью окислительной плавки, производимой в мартеновских печах.
Мартен представляет собой печь, в которой над плавильным пространством сгорает газ, создавая необходимую температуру от 1700 до 1800°C. Раскисление проводят с помощью ферромарганца и ферросилиция, затем на заключительном этапе - при помощи ферросилиция и алюминия в сталеразливочном ковше.
Сталь более высокого качества производят в индукционных и дуговых электропечах, в которых температура выше, поэтому на выходе получают тугоплавкую сталь. На первом этапе производства стали происходит окислительный процесс с помощью воздуха, кислорода и оксида шихты, на втором - восстановительный, заключающийся в раскислении стали и удалении серы.
Продукция черной металлургии.
Подводя итог в теме "железная руда: что из нее делают", нужно перечислить четыре основных продукта черной металлургии:
- передельный чугун, который от стали отличается лишь повышенным содержанием углерода (свыше 2%);
- литейный чугун;
- стальные слитки, которые подвергают обработке давлением для получения проката, используемого, например, в железобетонных конструкциях, прокат становится трубами и другими изделиями;
- ферросплавы, которые применяются в производстве стали.
