Железная руда

Виды железных руд и их характеристики

С экономической точки зрения их классифицируют прежде всего по содержанию железа:

1. Высокое – более 55%. Это не природные образования, а уже промышленный полуфабрикат.
2. Среднее. Пример — аглоруда. Получают из богатого железом природного сырья через механическое воздействие.
3. Низкое – менее 20%. Это полученные в результате магнитного сепарирования.

Экономически немаловажно и место добычи руд:

1. Линейные — залегают в местах углублений земной поверхности, самые богатые железом, с малым содержанием серы и фосфора.
2. Плоскоподобные — в природе формируются на поверхности железосодержащих кварцитов.

По геологическим параметрам, помимо гематитов, широко распространены и активно используются:

1. Бурый железняк (nFe₂O₃ + nH₂O) – окись металла с участием воды на основе, обычно, лимонитов. Характерного грязно-желтоватого цвета, рыхлый, пористый. Ценного металла содержится от четверти до полсотни процентов. Немного — но вещество хорошо восстанавливается. Обогащается для дальнейшего изготовления хорошего чугуна.
2. Магнитный железняк, магнетит — природный оксид железа (Fe₃O₄). Распространены меньше гематитовых, но зато железа в них бывает более 70%. Бывают плотными и зернистыми, в виде вкрапленных в породу кристаллов, черно-синего цвета. Изначально соединение обладает магнитными свойствами, воздействие высоких температур их нивелирует.
3. Шпатовый железняк, содержащий сидерит FeCO_3.
4. В руде бывает большая доля глины, тогда это глинистый железняк. Редкий вид с относительно низким железо-содержанием и пустотами.

Разработка месторождений

Существует несколько методов добычи руды. Применяют тот, который находят наиболее экономически целесообразным.

• Открытый способ разработки – или карьерный. Рассчитан на неглубокое залегание минеральной породы. Для добычи выкапывают карьер глубиной до 500 м и шириной, зависящей от мощности месторождения. Железную руду извлекают из карьера и транспортируют машинами, рассчитанными на перевозку тяжелых грузов. Как правило, так добывают именно богатую руду, так что необходимости в ее обогащении не возникает.
• Шахтный – при залегании породы на глубине 600–900 м, бурят шахты. Такая разработка куда более опасна, поскольку связана со взрывными подземными работами: обнаруженные пласты взрывают, а затем собранную руду транспортируют наверх. При всей своей опасности этот метод считается более эффективным.
• Гидродобыча – в этом случае бурят скважины на определенную глубину. В шахту спускают трубы и подают воду под очень большим давлением. Водная струя дробит породу, а затем железную руду поднимают на поверхность. Скважинная гидродобыча мало распространена, так как требует больших затрат.

Далее рассмотрены технология, процессы изготовления железа.

ПРИМЕНЕНИЕ

Кольцо из железа

Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.
Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов.
Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых.
Магнитная окись железа (магнетит) — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.
Ультрадисперсный порошок магнетита используется во многих чёрно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. Здесь одновременно используется чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному валику переноса.
Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.
Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.
Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.
Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.
Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий.

Железо (англ. Iron) — Fe

Доклад №2

Добывать руду люди стали очень давно. Переход к железному веку от бронзового произошел между II и I тысячелетий до нашей эры.

Железо – это распространенный элемент. В недрах планы его содержание доходит до 5 процентов. Железо в чистом виде не встречается, оно входит в состав железной руды.

Железная руда – это минеральный ресурс, содержащий железо, которое можно извлечь для промышленного применения. Содержание железа в руде неодинаково и имеет достаточно большой диапазон. Если в руде железо составляет меньше половины остальных элементов, то ее называют бедной. А если железа больше 50%, то называют богатой. Содержание железа в руде может доходить до 70%.

Видов железных руд довольно много. Чаще всего встречается красный железняк, содержащий минерал гематит. В нем содержится много железа. Эта руда имеет красный цвет. Она считается лучшей из всех железных руд, так как содержит мало опасных веществ и легко восстанавливается. Богатое месторождение такой руды находится в Кривом Роге. Часто встречается в виде кристаллов. Красные железные руды распространены в природе. Гематитовые руды используются для выплавки чугуна. Гематит может быть получен искусственным путем.

Бурый железняк содержит в составе воду. В его составе меньше железа, чем в красном. Чистый бурый железняк содержат разнообразные опасные примеси, такие как фосфор и сера, мышьяк. Бурый железняк удобен в добыче и легкоплавок, однако железо из него обычно получается невысокого качества. Встречается в форме порошка или плотных кусков.

Магнитная руда имеют в основе оксид, обладающий магнитными свойствами. В ней так же много железа, как и в красном железняке, но по своему количеству в природе она уступает ему. Магнитная руда имеет равномерную структуру. Месторождения таких руд имеют магматическое происхождение. Сначала железистая магма была жидкой, а затем со временем закристаллизовалась. Этот процесс очень сложен.

Сидериты – это бедные по содержанию железа руды. Разновидности этих руд можно встретить на Урале. Запасы сидерита невелики.

Железные руды неоднородно распределены на планете. Обычно  железные руды залегают среди древних геологических образований палеозойской и архейской группы. По форме залегания железные руды разнообразны. Встречаются залегания в виде жил, гнезд, пластов, залежей, поверхностных масс. Богатые месторождения есть в США, Канаде, Южной Африке, Индии, Австралии. На территории России тоже есть месторождения железной руды. На долю России приходится 18 процентов мировых запасов железа.

Способ добычи железной руды зависит от глубины ее залегания.

Самый распространенный способ добычи – карьерный. Он используется для добычи залежей с глубины до 300 метров. На карьерах используются экскаваторы и установки для дробления породы.

Шахтный метод применяется при залегании пластов руды на глубине до 900 метров. Из шахты порода подается с помощью транспортера.

Еще есть скважинная гидродобыча железной руды, которая в настоящее время почти не используется.

Железная руда применяется в металлургии. Из железной руды производят такие сплавы как чугун и сталь. Сплавы железа используются в автомобилестроении, военной промышленности, строительстве зданий, пищевой промышленности.

Для 3, 4 класса, по окружающему миру. Краткое содержание

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.

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.

Бурый железняк

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.

Шпатовый железняк

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

Добыча железных руд в промышленных масштабах

Добывать руду человечество начало очень давно, но чаще всего это было сырье низкого качества со значительными примесями серы (осадочные породы, так называемое «болотное» железо). Масштабы разработки и выплавки постоянно увеличивались. Сегодня выстроена целая классификация различных месторождение железистых руд.

Основные типы промышленных месторождений

Все залежи руды делят на типы зависимо от происхождения породы, что в свою очередь позволяет выделить главные и второстепенные железнорудные районы.

Главные типы промышленных залежей железной руды

К ним относят следующие месторождения:

Залежи различных типов железной руды (железистые кварциты, магнитный железняк), образованной метаморфическим способом, что позволяет добывать на них очень богатые по составу руды. Обычно месторождения связаны с древнейшими процессами образования горных пород земной коры и залегают на образованиях называемых щитами.

Кристаллический щит — это формирования в виде большой изогнутой линзы. Состоит из пород, образованных еще на этапе формирования земной коры 4,5 млрд. лет назад.

Наиболее известные месторождения такого типа: Курская магнитная аномалия, Криворожский бассейн, озеро Верхнее (США/Канада), провинция Хамерсли в Австралии, и железнорудный район Минас-Жерайс в Бразилии.

Залежи пластовых осадочных пород. Эти месторождения образовались вследствие оседания богатых железом соединений, которые имеются в составе разрушенных ветром и водой минералов. Яркий образец железной руды в таких залежах – бурый железняк.

Наиболее известные и большие месторождения — это Лотарингский бассейн во Франции и Керченский на одноименном полуострове (Россия).

• Скарновые месторождения. Обычно руда имеет магматическое и метаморфическое происхождение, пласты которой после образования были смещены в момент образования гор. То есть железная руда, располагающаяся слоями на глубине, была смята в складки и перемещена на поверхность во время движения литосферных плит. Такие залежи размещаются чаще в складчатых областях в виде пластов или столбов неправильной формы. Образовались магматическим способом. Представители таких месторождений: Магнитогорское (Урал, Россия), Сарбайское (Казахстан), Айрон-Спрингс (США) и прочие.
• Титаномагнетитовые залежи руд. Их происхождение магматическое, чаще всего встречаются на выходах древних коренных пород – щитов. К ним относят бассейны и месторождения в Норвегии, Канаде, России (Качканарское, Кусинское).
• В России за 2016 год открыто около сотни месторождений полезных ископаемых

К второстепенным месторождениям относят: апатит-магнетитовые, магно-магнетитовые, сидеритовые, железомарганцевые залежи, разрабатываемые на территории России, стран Европы, Кубы и прочих.

Сфера применения

Производство и потребление редких металлов и элементов растёт с каждым годом. Особую потребность в них испытывают самые перспективные отрасли науки и техники.

Радиоэлектроника

Саму основу полупроводниковых приборов составляют такие химические элементы, как галлий, германий, индий, селен, теллур. В современных мобильных устройствах насчитывается порядка двух десятков редкоземельных металлов. Стоящие на каждом рабочем столе дисплеи мониторов содержат в своём составе европий, иттрий, тербий. На базе ниобия созданы сверхпроводящие материалы. Создание современной электронной лампы невозможно без бериллия, вольфрама, молибдена, циркония и тория.

Приборостроение

Очень широкое применение редкие металлы находят в приборостроении. Это, прежде всего рубидий и цезий – наиболее востребованные материалы при производстве фотоэлементов. Кроме того из редких металлов изготавливают сверхмощные магниты, электровакуумную технику, люминесцентные лампы, солнечные батареи. Множество современных технических средств содержит в своём составе драгоценные материалы: платину, золото, серебро, иридий, палладий, родий. Радиоактивные металлы широко используются в изготовлении приборов для научных исследований и медицины.

Атомная техника

Использование явления радиоактивности в своё время послужило основой создания ядерной энергетики. Реакторы современных атомных электростанций, ледоколов, атомных подводных лодок работают на уране. Кроме того в атомной технике достаточно широко используются: бериллий, цирконий, гафний, ниобий, тантал, ванадий и литий. И это – далеко не предел. Современные исследования термоядерных реакций, а в перспективе и создание новых атомных установок в самых различных отраслях потребуют всё большего привлечения редких минералов и элементов.

Машиностроение

Современное машиностроение имеет в своём арсенале более 60 металлов и тысячи сплавов. Значительную часть из них составляют редкие металлы. Очень часто они выступают в качестве важных добавок в составе сплавов. Именно благодаря таким добавкам, создаются высокопрочные соединения, устойчивые к высоким температурам, химическому и механическому воздействию, коррозии.

Сфера применения редких металлов в машиностроении всеобъемлюща. Они встречаются всюду: начиная от нано технологий – до изготовления космических аппаратов и гигантских судов.

Химическая промышленность

Химическая отрасль немыслима без использования редких металлов и их соединений. Они повсюду: в технологическом оборудовании, среди контрольно-измерительных приборов и непосредственно в самих химических процессах. С помощью катализаторов из редких металлов сегодня мы получаем сахар, спирт, щавелевую кислоту, производим разнообразные виды топлив и технологическое сырьё.

Металлургия

Именно металлургия служит основным проводником редких металлов во все отрасли мирового хозяйства. Ведь лишь благодаря самим металлургическим процессам и получаются готовые изделия этих химических элементов. Но это далеко не всё. Важную роль играют эти минералы и в производстве чёрной и цветной металлургии, позволяя получать металлы и сплавы с заранее заданными свойствами.

Мировая добыча железной руды: характеристика

В мире насчитывается 98 государств, обладающих обширными месторождениями полезного ископаемого, с повышенным содержанием железа. Они отлично подходят для промышленной выработки сырья и экспорта его в зарубежные страны. Самыми крупными запасами железной руды обладает Россия, что не удивительно, учитывая геологическую структуру и размеры территории.

Здесь не только сосредоточено большое количество полезного ископаемого, но и его качественные характеристики сильно отличаются от конкурентов. Крупнейший железорудный район – Курская магнитная аномалия – считается уникальным месторождением, а по запасам сырья она не имеет аналогов в мире. Несмотря на это, главный экспортер металлов на мировой рынок – Китай.

Предполагается, что на планете содержится до 780 миллиардов тонн железорудного сырья, но на данный момент разведано всего 477 миллиардов тонн. Это огромное количество сырья, которое еще долгое время может обеспечивать человечество ценными металлическими ресурсами. Также нужно учитывать и тот факт, что потребности металлургии немного перекрываются с помощью вторичного сырья.

Запасы железной руды по странам.

В Украине первенство по количеству запасов получает Криворожское месторождение. Для него характерны гематиты и магнетиты с высоким содержанием железа (55 -65%), что является сырьем высокого качества.

В США 80 % ресурсов добывается в железорудном бассейне, вблизи озера Верхнее. Большинство залежей магнетитовые, с содержанием Fe до 55%. Огромное количество добытого сырья экспортируется на мировой рынок именно отсюда. В Канаде главные месторождения располагаются на острове Ньюфаундленд и провинции Квебек. Там добываются как магнетиты, так и гематиты, содержание ценного сырья в которых достигает 57%.

Бразилия считается страной, где добывается самое качественное железорудное сырье в мире. Процентное содержание железа в минералах достигает 70%, что в природе встречается редко. Месторождения Итабири, Итабирита заполнены так называемой кусковой рудой, которая высоко ценится в мире.

Австралийская сырьевая база представлена гематитами и лемонитами (болотная руда). Это вид минералов, содержащий большое количество железа, но по качеству он уступает магнетиту. Бальная часть месторождений расположены на западном побережье страны, а самым крупным является Брокен. Месторождения Индии богаты не только гематитами, но и глиноземами, поэтому в этом полезном ископаемом встречается повышенное содержание алюминия, что отрицательно сказывается на качестве.

Методы обогащения

Так как процентное содержание диоксида титана (основного минерала титановых руд) изменчиво в зависимости от месторождения, то извлечённую породу подвергают обогащению, подразделяемому на две стадии: отделение пустой массы и выделение индивидуальных минералов.

Мокрое и сухое разделение по удельному весу

Благодаря различной плотности титаносодержащей породы и массы, не обладающей этим природным минералом, становится возможным их разделение в водной или воздушной среде под воздействием физических сил, созданных внутри специальных технических агрегатов. Это – так называемые гравитационные методы обогащения добытого материала.

Флотация

Способность разнообразных материалов удерживаться или не удерживаться на границе сред, пребывающих обычно в жидком и газообразном состоянии, нашла широкое применение в обогащении титановых руд.

В зависимости от первоначального минерала, используют свои специфические свойства химические вещества – образователи флотационной среды. Так, для ильменита в качестве таких сред выступают собиратели в виде жирных кислот. Рутил хорошо флотируется олеиновой кислотой или сульфированными производными углеводородов. Перовскит перед флотацией жирными кислотами необходимо обработать серной кислотой. Существует множество методов и технологий флотации, кроме того, они варьируются в зависимости от месторождений.

В последнее время широкое распространение в качестве флотационного материала получило талловое масло. Впрочем, переработчики руководствуются соображениями стоимости, доступности, минимума токсичности, при выборе материала для флотации. 

Магнитная и электрическая сепарация

Отличие магнитных и электрических свойств титана от других минералов положено в основу соответствующих сепараций – технологий отделения нужного материала от пустой породы под воздействием электрических и магнитных полей в специальных аппаратах. В их список входят: сепараторы, железоотделители, намагничиватели и размагничиватели. А принцип действия этих устройств основан на изменении траектории движения в силовом магнитном или электрическом поле.

Металлургический метод

Завершающей стадией получения титанового шлака является плавка концентрата в виде прессованных брикетов в электродуговых печах при температуре 1500-1700 C. Образующиеся в результате металлургического метода отливки содержат до 80% титана. 

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.

Способы добычи

Как добывают медь на рудных месторождениях? Низкая концентрация металла в породе предусматривает обработку большого количества материала. Для получения единицы массы металла требуется переработать 200 единиц руды.

Медь, добыча которой в основном производится открытым способом, находится на глубине до 1000 м. Глубина открытых разработок достигает 150–300 м, а в отдельных случаях до 600 м. Подземным способом разрабатываются залежи, находящиеся на глубине до 1000 м.

Переработка руды в поисках меди.

Определенные стандарты регламентируют целесообразность углубления разработок с целью извлечения рудного сырья. Это связано с технологией добычи, дополнительными затратами и снижением производительности оборудования, увеличивающими себестоимость сырья.

Поэтому в металлургической отрасли широко используется открытый способ, отличающийся незначительными потерями при разработке. Хотя и здесь есть свои минусы, связанные со складированием пустой породы.

Например, в 2013 году в США на медном карьере Kennecott Utah Copper Bingham Canyon Mine произошел оползень. Глубина карьера Бингем Каньон около 1 км, а диаметр около 4 км. Добыча руды здесь производилась в течение 150 лет.

Доставка сырья к месту переработки осуществлялась автомашинами грузоподъемностью 231 т. Горняки были предупреждены об опасном явлении и были готовы к развитию событий. Стена карьера двигалась со скоростью несколько дюймов в сутки, а предпринятые попытки укрепления не дали желаемого результата.

Условия добычи сырья предполагают использование технологии последовательной разработки с использованием:

• самоходного оборудования;
• ведения работ во время добычи сырья;
• закладки специальными материалами выработанного пространства с целью безопасности дальнейшей разработки.

Каждый технологический процесс предусматривает снижение потерь при разработке месторождений, улучшение показателей по выпуску руды.

При выемке руды слоями обеспечивается полное использование запасов. В условиях глубоких карьеров применяют циклично-поточную технологию, учитывающую особенности залегания руды.

Свойства руды

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.

Крупнейшие месторождения

Бакчарское железорудное месторождение расположено в Томской области между двух рек – Андорма и Икса. Является одним из крупнейших не только в России, но и в мире. Запасы приблизительно оцениваются в 28,7 миллиарда тонн. На данный момент для месторождения активно внедряют новые технологии, такие как проведение скважинной гидродобычи, а не карьерной добычи, как ранее.

Месторождения железной руды России, где происходит добыча

Курская магнитная аномалия в России является самым крупным железорудным бассейном в мире. По самым скромным оценкам запасы данного месторождения составляют 200 миллиардов тонн. Залежи Курской магнитной аномалии составляют около половины всех мировых запасов железных руд. Этот железорудный бассейн расположен на территории сразу трёх областей: Курской, Орловской и Белгородской. Также в состав Курской магнитной аномалии принято относить Чернянское и Приоскольское месторождения.

Абаканское железорудное месторождение находится недалеко от города Абаза в республике Хакасия. Сначала велись открытые разработки, а затем подземные (шахты). Глубина шахт достигает 400 метров.

Абагасское месторождение железной руды расположено в Красноярском крае. Основные руды: магнезитовые, высокоглиноземистые и магнезиальные. Месторождение делится на две основные зоны: Северная (2300 метров) и Южная (более 2600 метров). Разработка ведётся открытым способом.