stringtranslate.com

Железная руда

Гематит , основная железная руда, добываемая в бразильских рудниках.
Запасы железорудных окатышей, подобные этому, используются в производстве стали.
Иллюстрация разгрузки железной руды в доках в Толедо, штат Огайо.

Железные руды [1] — горные породы и минералы , из которых можно экономически выгодно извлечь металлическое железо . Руды обычно богаты оксидами железа и имеют цвет от темно-серого, ярко-желтого или темно-фиолетового до ржаво-красного . Железо обычно встречается в виде магнетита ( Fe
3О
4, 72,4% Fe), гематит ( Fe
2О
3, 69,9 % Fe), гетит ( FeO(OH) , 62,9 % Fe), лимонит ( FeO(OH)·n(H 2 O) , 55 % Fe) или сидерит ( FeCO 3 , 48,2 % Fe).

Руды, содержащие очень большие количества гематита или магнетита, обычно более 60% железа, известны как природная руда или руда для прямой транспортировки, и их можно подавать непосредственно в доменные печи для производства железа . Железная руда является сырьем для производства чугуна , который является одним из основных сырьевых материалов для производства стали : 98% добытой железной руды используется для производства стали. [2] В 2011 году газета Financial Times процитировала Кристофера ЛаФемину, аналитика горнодобывающей отрасли Barclays Capital, который заявил, что железная руда «более важна для мировой экономики , чем любой другой товар, за исключением, возможно, нефти ». [3]

Источники

Металлическое железо практически неизвестно на поверхности Земли, за исключением железо-никелевых сплавов из метеоритов и очень редких форм ксенолитов глубокой мантии . Считается, что некоторые железные метеориты произошли от сросшихся тел диаметром 1000 км (620 миль) или больше [4]. В конечном итоге происхождение железа можно объяснить образованием в результате ядерного синтеза в звездах, и считается, что большая часть железа Возникло из умирающих звезд, которые достаточно велики, чтобы коллапсировать или взорваться как сверхновые . [5] Хотя железо является четвертым по распространенности элементом в земной коре и составляет около 5%, подавляющее его большинство связано с силикатными или, реже, карбонатными минералами. Термодинамические барьеры на пути отделения чистого железа от этих минералов огромны и энергоемки; поэтому во всех источниках железа, используемых в человеческой промышленности, используются сравнительно более редкие железооксидные минералы , прежде всего гематит .

До промышленной революции большая часть железа была получена из широко доступного гетита или болотной руды , например, во время Американской революции и Наполеоновских войн . Доисторические общества использовали латерит в качестве источника железной руды. Исторически сложилось так, что большая часть железной руды, используемой промышленно развитыми обществами, добывалась преимущественно из месторождений гематита с содержанием железа около 70%. Эти месторождения обычно называют «рудами прямой доставки» или «природными рудами». Увеличение спроса на железную руду в сочетании с истощением богатых гематитовых руд в Соединенных Штатах привело после Второй мировой войны к развитию источников низкосортной железной руды, в основном к использованию магнетита и таконита .

Методы добычи железной руды различаются в зависимости от типа добываемой руды. В настоящее время разрабатываются четыре основных типа месторождений железной руды в зависимости от минералогии и геологии рудных месторождений. Это магнетитовые, титаномагнетитовые , массивные гематитовые и пизолитовые железняковые месторождения.

Полосчатые железные образования

Камень, возраст которого оценивается в 2,1 миллиарда лет, используется для изготовления бандажного железа.
Обработанные гранулы таконита с красноватым поверхностным окислением, используемые при производстве стали , с четвертью США (диаметр: 24 мм [0,94 дюйма]), показанной в масштабе.

Полосчатые железные образования (BIF) представляют собой осадочные породы , содержащие более 15% железа, состоящие преимущественно из тонкослоистых железных минералов и кремнезема (в виде кварца ). Образования полосчатого железа встречаются исключительно в докембрийских породах и обычно метаморфизованы от слабо до интенсивно . Образования полосчатого железа могут содержать железо в карбонатах ( сидерит или анкерит ) или силикатах ( миннесотаит , гриналит или грюнерит ), но в тех, которые добываются в виде железных руд, основным минералом железа являются оксиды ( магнетит или гематит ). [6] Полосчатые железные образования известны как таконит в Северной Америке.

Добыча полезных ископаемых предполагает перемещение огромного количества руды и отходов. Отходы бывают двух видов: нерудные коренные породы в шахте ( вскрышные породы или промежуточные породы, известные в местном масштабе как маллок) и нежелательные минералы, которые являются неотъемлемой частью самой рудной породы ( пустая порода ). Маллок добывается и складируется на отвалах , а пустая порода отделяется в процессе обогащения и удаляется в виде хвостов . Таконитовые хвосты представляют собой в основном минеральный кварц , который химически инертен. Этот материал хранится в больших регулируемых прудах-отстойниках.

Магнетитовые руды

Ключевыми параметрами экономической эффективности магнетитовой руды являются кристалличность магнетита, содержание железа в вмещающей породе полосчатого железа и примесные элементы, которые существуют в магнетитовом концентрате. Размер и коэффициент обнажения большинства ресурсов магнетита не имеют значения, поскольку пласт полосчатого железа может иметь толщину сотен метров, простираться на сотни километров по простиранию и легко может достигать более трех миллиардов или более тонн содержащейся руды.

Типичная марка железа, при которой формирование полосчатого железа, содержащего магнетит, становится экономически выгодным, составляет примерно 25% железа, что обычно может обеспечить извлечение магнетита от 33% до 40% по массе для получения концентрата с содержанием железа, превышающим 64% на масса. Типичный магнетитовый железорудный концентрат содержит менее 0,1% фосфора , 3–7% кремнезема и менее 3% алюминия .

В настоящее время магнетитовая железная руда добывается в Миннесоте и Мичигане , в США , Восточной Канаде и Северной Швеции . [7] Магнетитсодержащая полосчатая железная формация в настоящее время широко добывается в Бразилии , которая экспортирует значительные объемы в Азию , а в Австралии существует зарождающаяся и крупная промышленность по добыче магнетитовой железной руды .

Прямые поставки (гематитовых) руд

Месторождения железной руды с прямой транспортировкой (DSO) (обычно состоящие из гематита ) в настоящее время эксплуатируются на всех континентах, кроме Антарктиды , с наибольшей интенсивностью в Южной Америке , Австралии и Азии. Большинство крупных месторождений гематитовых железных руд образуются из измененных полосчатых железных образований и редко из магматических скоплений.

Месторождения DSO обычно встречаются реже, чем содержащие магнетит BIF или другие породы, которые образуют его основной источник или протолитовую породу, но их добыча и обработка значительно дешевле, поскольку они требуют меньшего обогащения из-за более высокого содержания железа. Однако руды DSO могут содержать значительно более высокие концентрации штрафных элементов, обычно с более высоким содержанием фосфора, воды (особенно осадочные скопления пизолитов ) и алюминия ( глины в пизолитах). Руды DSO экспортного качества обычно имеют содержание железа в диапазоне 62–64%. [8]

Месторождения магматических магнетитовых руд

Гранит и ультракалиевые магматические породы иногда использовались для разделения кристаллов магнетита и образования масс магнетита, пригодных для хозяйственного обогащения. [9] Несколько месторождений железной руды, особенно в Чили , образованы из вулканических потоков, содержащих значительные скопления вкрапленников магнетита . [10] Чилийские месторождения магнетитовой железной руды в пустыне Атакама также образовали аллювиальные скопления магнетита в потоках, ведущих из этих вулканических образований.

Некоторые магнетитовые скарновые и гидротермальные месторождения в прошлом разрабатывались как месторождения богатой железной руды, требующие незначительного обогащения . В Малайзии и Индонезии имеется несколько гранит-ассоциированных месторождений такого типа .

Другие источники магнетитовой железной руды включают метаморфические скопления массивной магнетитовой руды, например, в Сэвидж-Ривер , Тасмания , образовавшиеся в результате сдвига офиолитовых ультраосновных пород .

Другим, второстепенным источником железных руд являются магматические скопления в расслоенных интрузиях , содержащих типично титансодержащий магнетит, часто с ванадием . Эти руды образуют нишевый рынок, на котором для извлечения железа, титана и ванадия используются специальные плавильные заводы. Эти руды обогащаются по существу аналогично полосчатым железным рудам, но обычно их легче обогащать путем дробления и сортировки . Типичный титаномагнетитовый концентрат содержит 57% Fe, 12% Ti и 0,5% V.
2О
5. [ нужна цитата ]

Хвосты шахт

На каждую тонну произведенного железорудного концентрата будет сбрасываться примерно 2,5–3,0 тонны железорудных хвостов . Статистика показывает, что ежегодно сбрасывается 130 миллионов тонн железной руды. Если, например, хвосты шахты содержат в среднем около 11% железа, ежегодно будет выбрасываться примерно 1,41 миллиона тонн железа. [11] Эти хвосты также богаты другими полезными металлами, такими как медь , никель и кобальт , [12] и их можно использовать для изготовления дорожно-строительных материалов, таких как тротуары и наполнители, а также строительных материалов, таких как цемент, низкосортное стекло, и стеновые материалы. [11] [13] [14] Хотя хвосты представляют собой относительно низкосортную руду, их сбор недорог, поскольку их не нужно добывать. Из-за этого такие компании, как Magnetation , начали проекты по рекультивации, в которых они используют хвосты железной руды в качестве источника металлического железа. [11]

Двумя основными методами переработки железа из железорудных хвостов являются намагниченный обжиг и прямое восстановление. При намагничивающем обжиге используются температуры от 700 до 900 °C (от 1292 до 1652 °F) в течение менее 1 часа для получения железного концентрата (Fe 3 O 4 ), который будет использоваться для выплавки железа. Для намагничивания обжига важно иметь восстановительную атмосферу, чтобы предотвратить окисление и образование Fe 2 O 3 , поскольку его труднее отделить, поскольку он менее магнитен. [11] [15] Для прямого восстановления используются более высокие температуры, превышающие 1000 ° C (1830 ° F), и более длительное время - 2–5 часов. Прямое восстановление используется для производства губчатого железа (Fe), которое будет использоваться при производстве стали. Прямое восстановление требует больше энергии, поскольку температура выше, время больше и требуется больше восстановителя, чем обжиг с намагничиванием. [11] [16] [17]

Добыча

Источники железной руды более низкого качества обычно требуют обогащения с использованием таких методов, как дробление, помол , гравитационное или тяжелое разделение сред , просеивание и флотация кремнеземной пеной для улучшения концентрации руды и удаления примесей. В результате получаются высококачественные мелкозернистые рудные порошки, известные как мелочь.

Магнетит

Магнетит является магнитным и, следовательно, легко отделяется от жильных минералов и способен давать высококачественный концентрат с очень низким уровнем примесей.

Размер зерна магнетита и степень его смешивания с основной массой кремнезема определяют размер помола, до которого должна быть измельчена порода, чтобы обеспечить эффективную магнитную сепарацию и получение магнетитового концентрата высокой чистоты. Это определяет затраты энергии, необходимые для выполнения операции фрезерования.

Добыча пластов полосчатого железа включает грубое дробление и сортировку с последующим грубым дроблением и тонким измельчением для измельчения руды до такой степени, что кристаллизованный магнетит и кварц становятся достаточно мелкими, чтобы кварц оставался после прохождения полученного порошка через магнитный сепаратор. .

Как правило, большинство отложений железа с магнетитовыми полосками необходимо измельчать до толщины от 32 до 45 мкм (от 0,0013 до 0,0018 дюйма), чтобы получить магнетитовый концентрат с низким содержанием кремния. Марки магнетитовых концентратов обычно содержат более 70% железа по массе и обычно имеют низкое содержание фосфора, алюминия, титана и кремнезема и требуют более высокой цены.

Гематит

Из-за высокой плотности гематита по сравнению с сопутствующей силикатной жилой, обогащение гематита обычно включает комбинацию методов обогащения .

Один метод основан на пропускании мелко измельченной руды через суспензию, содержащую магнетит или другой агент, такой как ферросилиций , который увеличивает ее плотность. Когда плотность раствора правильно откалибрована, гематит утонет, а фрагменты силикатных минералов всплывут и их можно будет удалить. [18]

Производство и потребление

Эволюция добываемых сортов железной руды в Канаде , Китае , Австралии , Бразилии , США , Швеции , Советском Союзе и России , а также во всем мире. Недавнее падение мирового содержания руды связано со значительным потреблением низкосортной китайской руды. С другой стороны, американская руда перед продажей обычно обогащается на 61–64%. [19]

Железо — наиболее часто используемый металл в мире — сталь, ключевым компонентом которой является железная руда, на долю которой приходится почти 95% всего металла, используемого в год. [3] Он используется в основном в конструкциях, кораблях, автомобилях и машинах.

Породы, богатые железом, распространены во всем мире, но коммерческая добыча руд ведется в странах, перечисленных в таблице отдельно. Основным ограничением экономики месторождений железной руды не обязательно является качество или размер месторождений, поскольку геологически не так уж сложно доказать существование достаточного тоннажа горных пород. Основным ограничением является положение железной руды на рынке, стоимость железнодорожной инфраструктуры для ее доставки на рынок и стоимость энергии, необходимой для этого.

Добыча железной руды — это крупнообъёмный и низкорентабельный бизнес, поскольку стоимость железа значительно ниже стоимости цветных металлов. [22] Это очень капиталоемко и требует значительных инвестиций в инфраструктуру, такую ​​как железная дорога, для транспортировки руды из рудника на грузовое судно. [22] По этим причинам добыча железной руды сконцентрирована в руках нескольких крупных игроков.

Мировое производство составляет в среднем 2 000 000 000 т (2,0 × 10 9 длинных тонн; 2,2 × 10 9 коротких тонн) сырой руды в год. Крупнейшим в мире производителем железной руды является бразильская горнодобывающая корпорация Vale , за ней следуют австралийские компании Rio Tinto Group и BHP . Еще один австралийский поставщик, Fortescue Metals Group Ltd, помог вывести австралийское производство на первое место в мире.

Морская торговля железной рудой, то есть железной рудой, предназначенной для отправки в другие страны, в 2004 году составила 849 т (836 длинных тонн; 936 коротких тонн). [22] В морской торговле доминируют Австралия и Бразилия, на долю которых приходится 72% всей морской торговли. рынок. [22] BHP, Rio и Vale вместе контролируют 66% этого рынка. [22]

В Австралии железная руда добывается из трех основных источников: пизолитовая руда « рудного месторождения железа », полученная в результате механической эрозии первичных образований полосчатого железа и накопленная в аллювиальных каналах, таких как Паннавоника, Западная Австралия ; и доминирующие метасоматически измененные руды, связанные с образованием полосчатого железа , такие как в Ньюмане , хребте Чичестер , хребте Хамерсли и Куляноббинге , Западная Австралия . В последнее время на первый план выходят другие виды руды, [ когда? ] такие как окисленные железистые твердые покрытия, например, залежи латеритной железной руды возле озера Аргайл в Западной Австралии.

Общие извлекаемые запасы железной руды Индии составляют около 9602 т (9450 длинных тонн; 10584 коротких тонн) гематита и 3408 т (3354 длинных тонны; 3757 коротких тонн) магнетита . [23] Чхаттисгарх , Мадхья-Прадеш , Карнатака , Джаркханд , Одиша , Гоа , Махараштра , Андхра-Прадеш , Керала , Раджастхан и Тамил Наду являются основными производителями железной руды в Индии. Мировое потребление железной руды растет в среднем на 10% в год . Основными потребителями являются Китай, Япония, Корея, США и Европейский Союз.

Китай в настоящее время является крупнейшим потребителем железной руды, что означает крупнейшую в мире страну-производителя стали. Это также крупнейший импортер, покупающий 52% морской торговли железной рудой в 2004 году. [22] За Китаем следуют Япония и Корея, которые потребляют значительное количество сырой железной руды и металлургического угля . В 2006 году Китай произвел 588 т (579 длинных тонн; 648 коротких тонн) железной руды с годовым ростом на 38%.

Рынок железной руды

Цены на железную руду (ежемесячно)
  Спотовая цена импорта/ввоза железной руды в Китай [24]
  Мировая цена на железную руду [25]
Цены на железную руду (ежедневно)
25 октября 2010 г. - 4 августа 2022 г.

За последние 40 лет цены на железную руду определялись в ходе закрытых переговоров между небольшой горсткой горнодобывающих и сталелитейных компаний , которые доминируют как на спотовом, так и на контрактном рынках. Традиционно первая сделка, достигнутая между этими двумя группами, устанавливает ориентир, которому должна следовать остальная часть отрасли. [3]

Однако в последние годы эта эталонная система начала разрушаться, и участники цепочек как спроса, так и поставок призывают к переходу к краткосрочному ценообразованию. Учитывая, что большинство других сырьевых товаров уже имеют зрелую рыночную систему ценообразования, вполне естественно, что железная руда последует этому примеру. Чтобы ответить на растущий спрос рынка на более прозрачное ценообразование, ряд финансовых бирж и/или клиринговых палат по всему миру предложили клиринг свопов на железную руду. Группа CME, SGX (Сингапурская биржа), Лондонская клиринговая палата (LCH.Clearnet), NOS Group и ICEX (Индийская товарная биржа) предлагают клиринговые свопы на основе данных о сделках с железной рудой Steel Index (TSI). CME также предлагает своп на базе Platts в дополнение к своп-клирингу TSI. ICE (Межконтинентальная биржа) также предлагает услуги клиринга свопов на базе Platts. Рынок свопов быстро рос, при этом ликвидность концентрировалась вокруг цен TSI. [26] К апрелю 2011 года свопы на железную руду на сумму более 5,5 миллиардов долларов США были очищены на основе цен TSI. По данным TSI, к августу 2012 года регулярно проходило более одного миллиона тонн торгов свопами в день.

Относительно новым явлением стало также введение опционов на железную руду в дополнение к свопам. Группа CME была площадкой, наиболее часто используемой для клиринга опционов, выпущенных против TSI: в августе 2012 года открытый интерес составил более 12 000 лотов.

Сингапурская товарная биржа (SMX) запустила первый в мире глобальный фьючерсный контракт на железную руду, основанный на индексе железной руды Metal Bulletin (MBIOI), который использует ежедневные данные о ценах от широкого спектра участников отрасли и независимой китайской консалтинговой компании по стали и поставщика данных Shanghai Steelhome's. обширная база контактов производителей стали и торговцев железной рудой по всему Китаю. [27] После восьми месяцев торгов ежемесячные объемы фьючерсного контракта превышали 1 500 000 тонн (1 500 000 длинных тонн; 1 700 000 коротких тонн). [28]

Этот шаг последовал за переходом трех крупнейших в мире производителей железной руды — Vale , Rio Tinto и BHP — на индексные квартальные цены в начале 2010 года, что нарушило 40-летнюю традицию базовых годовых цен. [29]

Численность по странам

Доступные мировые ресурсы железной руды

Железо — самый распространенный элемент на Земле, но не в земной коре. [30] Масштабы доступных запасов железной руды неизвестны, хотя Лестер Браун из Worldwatch Institute предположил в 2006 году, что железная руда может исчерпаться в течение 64 лет (то есть к 2070 году), исходя из роста спроса на 2%. год. [31]

Австралия

По подсчетам организации Geoscience Australia , « экономические подтвержденные ресурсы » железа в стране в настоящее время составляют 24 гигатонны , или 24 000 000 000 тонн (2,4 × 10 10 длинных тонн; 2,6 × 10 10 коротких тонн). [ нужна цитата ] По другой оценке, запасы железной руды в Австралии составляют 52 000 000 000 тонн (5,1 × 10 10 длинных тонн; 5,7 × 10 10 коротких тонн), или 30 процентов от мировых оценочных 170 000 000 000 тонн (1,7 × 10 11 длинных тонн; 1,9). × 10 11 коротких тонн), из которых на Западную Австралию приходится 28 000 000 000 т (2,8 × 10 10 длинных тонн; 3,1 × 10 10 коротких тонн). [32] Текущий объем производства в регионе Пилбара в Западной Австралии составляет примерно 844 000 000 тонн (831 000 000 длинных тонн; 930 000 000 коротких тонн) в год и продолжает расти. [33] Гэвин Мадд ( Университет RMIT ) и Джонатон Лоу ( CSIRO ) ожидают, что оно исчезнет в течение 30–50 и 56 лет соответственно. [34] Эти оценки 2010 года требуют постоянного пересмотра, чтобы принять во внимание меняющийся спрос на железную руду более низкого качества и совершенствование методов добычи и добычи (позволяющих более глубокую добычу ниже уровня грунтовых вод).

Соединенные Штаты

В 2014 году на рудниках США было добыто 57 500 000 т (56 600 000 длинных тонн; 63 400 000 коротких тонн) железной руды оценочной стоимостью 5,1 миллиарда долларов. [35] Добыча железа в Соединенных Штатах , по оценкам, составляет 2% мирового производства железной руды. В Соединенных Штатах есть двенадцать железорудных рудников, девять из которых открыты , а три - мелиоративны. В 2014 году также действовало десять заводов по производству окатышей, девять обогатительных заводов, два завода по производству железа прямого восстановления (DRI) и один завод по производству железных самородков. [35] В Соединенных Штатах большая часть добычи железной руды находится в диапазоне примерно Озеро Верхнее . Эти месторождения железа расположены в Миннесоте и Мичигане, на которые в совокупности приходилось 93% полезной железной руды, добытой в Соединенных Штатах в 2014 году. Семь из девяти действующих открытых карьеров в Соединенных Штатах расположены в Миннесоте, а также два из трех рекультивационные работы по хвостохранилищам. Два других действующих открытых карьера находились в Мичигане , в 2016 году один из двух рудников закрылся. [35] Также были железорудные рудники в Юте и Алабаме ; однако последний железорудный рудник в Юте закрылся в 2014 году [35] , а последний железорудный рудник в Алабаме закрылся в 1975 году. [36]

Канада

В 2017 году канадские железорудные рудники произвели 49 000 000 тонн (48 000 000 длинных тонн; 54 000 000 коротких тонн) железной руды в концентратных окатышах и 13,6 миллиона тонн сырой стали. Из 13 600 000 т (13 400 000 длинных тонн; 15 000 000 коротких тонн) стали 7 000 000 т (6 900 000 длинных тонн; 7 700 000 коротких тонн) было отправлено на экспорт, а 43 100 000 т (42 400 000 длинных тонн; 47 500 000 коротких тонн) тонн) железной руды было экспортировано на сумму 4,6 миллиарда долларов. Из экспортированной железной руды 38,5% объема составили железорудные окатыши стоимостью 2,3 млрд долларов США и 61,5% - железорудные концентраты стоимостью 2,3 млрд долларов США. [37] Сорок шесть процентов канадской железной руды добывается на руднике Iron Ore Company of Canada в Лабрадор-Сити , Ньюфаундленд , а также на вторичных источниках, включая шахту Мэри Ривер в Нунавуте . [37] [38]

Бразилия

Бразилия является вторым по величине производителем железной руды, крупнейшим производителем является Австралия . В 2015 году Бразилия экспортировала 397 000 000 тонн (391 000 000 длинных тонн; 438 000 000 коротких тонн) тонн полезной железной руды. [35] В декабре 2017 года Бразилия экспортировала 346 497 тонн (341 025 длинных тонн; 381 948 коротких тонн) железной руды, а с декабря 2007 года по май 2018 года они экспортировали в среднем 139 299 тонн (137 099 длинных тонн; 153 551 коротких тонн). [39]

Украина

Согласно отчету Геологической службы США о железной руде за 2021 год, [40] Украина, по оценкам, добыла 62 000 000 т (61 000 000 длинных тонн; 68 000 000 коротких тонн) железной руды в 2020 году (2019: 63 000 000 т (62 000 000 длинных тонн; 69 000 000 коротких тонн) тонны ))), став седьмым по величине мировым центром добычи железной руды после Австралии, Бразилии, Китая, Индии, России и Южной Африки. Производителями железной руды в Украине являются: Ferrexpo , Метинвест и ArcelorMittal Кривой Рог .

Индия

Согласно отчету Геологической службы США о железной руде за 2021 год, [40] Индия, по оценкам, добудет 59 000 000 тонн (58 000 000 длинных тонн; 65 000 000 коротких тонн) железной руды в 2020 году (2019 год: 52 000 000 тонн (51 000 000 длинных тонн; 57 000 000 коротких тонн) ) ), что делает его седьмым по величине мировым центром производства железной руды после Австралии, Бразилии, Китая, России, Южной Африки и Украины.

Плавка

Железные руды состоят из атомов кислорода и железа, связанных вместе в молекулы. Чтобы превратить его в металлическое железо, его необходимо выплавить или подвергнуть процессу прямого восстановления для удаления кислорода. Связь кислород-железо прочная, и чтобы отделить железо от кислорода, необходимо создать более прочную элементарную связь для присоединения к кислороду. Углерод используется потому, что прочность связи углерод-кислород больше, чем прочность связи железо-кислород при высоких температурах. Таким образом, железную руду необходимо измельчить и смешать с коксом , чтобы сжечь в процессе плавки.

Оксид углерода является основным компонентом химического удаления кислорода из железа. Таким образом, плавка железа и углерода должна поддерживаться в состоянии дефицита кислорода (восстановительном), чтобы способствовать сжиганию углерода с образованием CO , а не CO .
2.

Микроэлементы

Включение даже небольших количеств некоторых элементов может оказать глубокое влияние на поведенческие характеристики партии чугуна или работу плавильного завода. Эти последствия могут быть как хорошими, так и плохими, иногда катастрофически плохими. Некоторые химические вещества добавляются намеренно, например флюс, который делает доменную печь более эффективной. Другие добавляются потому, что они делают железо более текучим, твердым или придают ему какое-то другое желаемое качество. Выбор руды, топлива и флюса определяет поведение шлака и эксплуатационные характеристики получаемого чугуна. В идеале железная руда содержит только железо и кислород. На самом деле это бывает редко. Обычно железная руда содержит множество элементов, которые часто нежелательны в современной стали.

Кремний

Кремнезем ( SiO
2) почти всегда присутствует в железной руде. Большая часть его отшлакивается в процессе плавки. При температуре выше 1300 °C (2370 °F) некоторые из них восстанавливаются и образуют сплав с железом. Чем горячее печь, тем больше кремния будет в утюге. Нередко в европейском чугуне XVI-XVIII веков можно обнаружить до 1,5% Si.

Основной эффект кремния заключается в содействии образованию серого железа. Серый чугун менее хрупкий, и его легче обрабатывать, чем белый чугун. По этой причине он предпочтителен для литья. Тернер (1900, стр. 192–197) сообщил, что кремний также уменьшает усадку и образование пузырьков, уменьшая количество плохих отливок.

Фосфор

Фосфор (P) оказывает на железо четыре основных воздействия: повышение твердости и прочности, снижение температуры солидуса, повышение текучести и хладноломкости. В зависимости от предполагаемого использования утюга эти эффекты могут быть либо хорошими, либо плохими. Болотная руда часто имеет высокое содержание фосфора. [41]

Прочность и твердость железа увеличиваются с увеличением концентрации фосфора. Содержание фосфора в 0,05% в кованом железе делает его таким же твердым, как среднеуглеродистую сталь. Железо с высоким содержанием фосфора также можно закалить методом холодной ковки. Эффект упрочнения справедлив для любой концентрации фосфора. Чем больше фосфора, тем тверже становится железо и тем больше его можно закалить ковкой. Современные производители стали могут повысить твердость на целых 30%, не жертвуя ударопрочностью, поддерживая уровень фосфора в пределах от 0,07 до 0,12%. Он также увеличивает глубину закалки за счет закалки, но в то же время снижает растворимость углерода в железе при высоких температурах. Это снизит его полезность при производстве черновой стали (цементация), где скорость и количество поглощения углерода являются важнейшими факторами.

Добавление фосфора имеет и обратную сторону. При концентрациях выше 0,2% железо становится все более холодным или хрупким при низких температурах. Холодное короткое замыкание особенно важно для пруткового железа. Хотя прутковый железо обычно обрабатывают в горячем виде, его использование ( необходим пример ) часто требует, чтобы оно было прочным, гибким и устойчивым к ударам при комнатной температуре. Гвоздь, который раскололся от удара молотком, или колесо кареты, сломавшееся от удара о камень, не будут хорошо продаваться. [ нужна цитата ] Достаточно высокие концентрации фосфора делают любое железо непригодным для использования. [42] Эффекты холодовой одышки усиливаются при повышении температуры. Таким образом, кусок железа, отлично исправный летом, зимой может стать крайне хрупким. Есть некоторые свидетельства того, что в средние века очень богатые люди могли иметь меч с высоким содержанием фосфора для лета и меч с низким содержанием фосфора для зимы. [42]

Тщательный контроль содержания фосфора может принести большую пользу при литье. Фосфор снижает температуру ликвидуса, позволяя железу дольше оставаться расплавленным и повышает текучесть. Добавление 1% может удвоить расстояние, на которое будет течь расплавленный чугун. [42] Максимальный эффект, около 500 °C (932 °F), достигается при концентрации 10,2%. [43] Что касается литейного производства, Тернер [44] считал, что идеальное железо содержит 0,2–0,55% фосфора. В результате формы, наполненные железом, имели меньше пустот и меньше усаживались. В XIX веке некоторые производители декоративного чугуна использовали железо с содержанием фосфора до 5%. Чрезвычайная текучесть позволяла им делать очень сложные и тонкие отливки. Но они не могли выдерживать вес, так как у них не было силы. [45]

Есть два средства правовой защиты [ по мнению кого? ] для железа с высоким содержанием фосфора. Самый старый, простой и дешевый способ – это избегание. Если бы железа, которое производила руда, не хватало, нужно было бы искать новый источник железной руды. Второй метод предполагает окисление фосфора в процессе облагораживания путем добавления оксида железа. Эта техника обычно ассоциируется с лужением в 19 веке и, возможно, раньше не была понята. Например, Исаак Зейн, владелец металлургического завода Мальборо, похоже, не знал об этом в 1772 году. Учитывая репутацию Зейна [ по мнению кого? ] чтобы быть в курсе последних событий, эта техника, вероятно, была неизвестна мастерам железа Вирджинии и Пенсильвании .

Фосфор обычно считается вредным загрязнителем, поскольку он делает сталь хрупкой даже при концентрации всего 0,6%. Когда в 1870-х годах процесс Гилкриста-Томаса позволил удалить большие количества элемента из чугуна, это стало важным событием, поскольку большая часть железных руд, добывавшихся в континентальной Европе в то время, была фосфористой. Однако удаление всех загрязнений путем флюсования или плавки затруднено, и поэтому желательные железные руды обычно изначально должны иметь низкое содержание фосфора.

Алюминий

Небольшие количества алюминия (Al) присутствуют во многих рудах, включая железную руду, песок и некоторые известняки. Первый можно удалить, промыв руду перед плавкой. До появления печей с кирпичной футеровкой количество примесей алюминия было достаточно небольшим и не влияло ни на железо, ни на шлак. Однако когда для горнов и внутренней части доменных печей стали использовать кирпич, количество загрязнения алюминием резко возросло. Это произошло из-за размыва футеровки печи жидким шлаком.

Алюминий трудно восстановить. В результате загрязнение утюга алюминием не является проблемой. Однако это увеличивает вязкость шлака. [46] [47] Это будет иметь ряд негативных последствий для работы печи. Более толстый шлак замедлит спуск шихты, продлевая процесс. Высокое содержание алюминия также затруднит слив жидкого шлака. В крайнем случае это может привести к замерзанию печи.

Существует ряд решений проблемы высокого содержания алюминия в шлаке. Первое — избегание; не используйте руду или источник извести с высоким содержанием алюминия. Увеличение содержания известкового флюса приведет к снижению вязкости. [47]

сера

Сера (S) является частым загрязнителем угля. Он также присутствует в небольших количествах во многих рудах, но может быть удален путем прокаливания . Сера легко растворяется как в жидком, так и в твердом железе при температурах, присущих выплавке железа. Эффект даже небольшого количества серы немедленен и серьезен. Они были одними из первых, разработанных производителями железа. Сера приводит к тому, что железо становится красным или горячим. [48]

Горячее короткое железо в горячем виде становится хрупким. Это была серьезная проблема, поскольку большая часть железа, использовавшегося в 17 и 18 веках, представляла собой пруток или кованое железо. Кованое железо формируется путем повторных ударов молотком, пока оно горячее. Кусок горячего короткого железа треснет, если по нему поработать молотком. Когда кусок горячего железа или стали трескается, открытая поверхность немедленно окисляется. Этот слой оксида предотвращает заживление трещины сваркой. Большие трещины приводят к разрушению железа или стали. Небольшие трещины могут привести к выходу объекта из строя во время использования. Степень остроты прямо пропорциональна количеству присутствующей серы. Сегодня избегают железа с содержанием серы более 0,03%.

Можно обрабатывать горячим утюгом, но работать придется при низких температурах. Работа при более низких температурах требует от кузнеца или кузнеца больше физических усилий. По металлу нужно ударять чаще и сильнее, чтобы добиться того же результата. Слегка загрязненный серой брусок можно обработать, но это требует гораздо больше времени и усилий.

В чугуне сера способствует образованию белого чугуна. Всего 0,5% может нейтрализовать эффекты медленного охлаждения и высокого содержания кремния. [49] Белый чугун более хрупкий, но и тверже. Его обычно избегают, потому что с ним трудно работать, за исключением Китая, где для изготовления колоколов и курантов использовался чугун с высоким содержанием серы, некоторые из которых достигают 0,57%, изготовленный из угля и кокса. [50] Согласно Тернеру (1900, стр. 200), хороший литейный чугун должен содержать менее 0,15% серы. В остальном мире чугун с высоким содержанием серы можно использовать для изготовления отливок, но из него получится плохое кованое железо.

Существует ряд средств от загрязнения серой. Первый и наиболее часто используемый в исторических и доисторических операциях — это избегание. Уголь не использовался в Европе (в отличие от Китая) в качестве топлива для плавки, поскольку он содержит серу и, следовательно, вызывает горячее короткое железо. Если из-за руды получался горячий короткий металл, мастера по производству железа искали другую руду. Когда минеральный уголь впервые был использован в европейских доменных печах в 1709 году (или, возможно, раньше), его коксовали . Только с введением горячего дутья с 1829 года стали использовать сырой уголь.

Обжиг руды

Серу можно удалить из руд путем обжига и промывки. При обжиге сера окисляется с образованием диоксида серы (SO 2 ), который либо уходит в атмосферу, либо может быть вымыт. В теплом климате пиритовую руду можно оставить под дождем. Совместное действие дождя, бактерий и тепла окисляет сульфиды до серной кислоты и сульфатов , которые растворяются в воде и вымываются. [51] Однако исторически (по крайней мере) сульфид железа (железный пирит FeS
2), хотя и является распространенным минералом железа, не использовался в качестве руды для производства металлического железа. В Швеции также использовалось естественное выветривание. Тот же процесс, с геологической скоростью, приводит к образованию госсан -лимонитовых руд.

Важность, придаваемая железу с низким содержанием серы, подтверждается постоянно более высокими ценами, которые платили за железо в Швеции, России и Испании в период с 16 по 18 века. Сегодня сера больше не является проблемой. Современное средство — добавление марганца . Но оператор должен знать, сколько серы содержится в чугуне, поскольку для ее нейтрализации необходимо добавить как минимум в пять раз больше марганца. Некоторые исторические утюги содержат уровень марганца, но большинство из них значительно ниже уровня, необходимого для нейтрализации серы. [49]

Включения сульфида, такого как сульфид марганца (MnS), также могут быть причиной серьезных проблем питтинговой коррозии в низкосортной нержавеющей стали , такой как сталь AISI 304 . [52] [53] В окислительных условиях и в присутствии влаги, когда сульфид окисляется, он образует тиосульфат- анионы в качестве промежуточных частиц, и поскольку тиосульфат-анион имеет более высокую эквивалентную электромобильность, чем хлорид- анион, из-за его двойного отрицательного электрического заряда, он способствует образованию ямки. рост. [54] Действительно, положительные электрические заряды, создаваемые катионами Fe 2+ , высвобождаемыми в растворе при окислении Fe в анодной зоне внутри ямки, должны быть быстро компенсированы/нейтрализованы отрицательными зарядами, возникающими в результате электрокинетической миграции анионов в капиллярной ямке. Некоторые электрохимические процессы, происходящие в капиллярной ямке, такие же, как и при капиллярном электрофорезе . Чем выше скорость электрокинетической миграции анионов, тем выше скорость питтинговой коррозии. Электрокинетический транспорт ионов внутри ямки может быть лимитирующей стадией роста ямки.

Смотрите также

Цитаты

  1. ^ Раманаиду и Уэллс, 2014 г.
  2. ^ «Железная руда - гематит, магнетит и таконит». Институт минеральной информации . Архивировано из оригинала 17 апреля 2006 года . Проверено 7 апреля 2006 г.
  3. ^ abc Цены на железную руду возникли из каменного века, Financial Times , 26 октября 2009 г. Архивировано 22 марта 2011 г. на Wayback Machine.
  4. ^ Гольдштейн, Дж.И.; Скотт, ERD; Шабо, Нидерланды (2009). «Железные метеориты: кристаллизация, термическая история, материнские тела и происхождение». Геохимия . 69 (4): 293–325. Бибкод :2009ЧЭГ...69..293Г. doi :10.1016/j.chemer.2009.01.002.
  5. ^ Фрей, Перри А.; Рид, Джордж Х. (21 сентября 2012 г.). «Вездесущность железа». АКС Химическая биология . 7 (9): 1477–1481. дои : 10.1021/cb300323q. ISSN  1554-8929. ПМИД  22845493.
  6. ^ Гарри Клемич, Гарольд Л. Джеймс и Г. Дональд Эберлейн, (1973) «Железо», в журнале « Минеральные ресурсы США » , Геологическая служба США, Professional Paper 820, стр. 298-299.
  7. ^ Тролль, Валентин Р.; Вайс, Франц А.; Йонссон, Эрик; Андерссон, Ульф Б.; Маджиди, Сейед Афшин; Хёгдал, Карин; Харрис, Крис; Милле, Марк-Альбан; Чиннасами, Шакти Сараванан; Койман, Эллен; Нильссон, Катарина П. (12 апреля 2019 г.). «Глобальная изотопная корреляция Fe – O показывает магматическое происхождение апатит-железооксидных руд типа Кируна». Природные коммуникации . 10 (1): 1712. Бибкод : 2019NatCo..10.1712T. дои : 10.1038/s41467-019-09244-4 . ISSN  2041-1723. ПМК 6461606 . ПМИД  30979878. 
  8. ^ Мувангузи, Авраам Дж.Б.; Карасев Андрей Владимирович; Бьяруханга, Джозеф К.; Йонссон, Пер Г. (3 декабря 2012 г.). «Характеристика химического состава и микроструктуры природных железных руд Муко месторождений». ISRN Материаловедение . 2012 : e174803. дои : 10.5402/2012/174803 . S2CID  56961299.
  9. ^ Йонссон, Эрик; Тролль, Валентин Р.; Хёгдал, Карин; Харрис, Крис; Вайс, Франц; Нильссон, Катарина П.; Скелтон, Аласдер (10 апреля 2013 г.). «Магматическое происхождение гигантских апатит-железооксидных руд типа Кируна в Центральной Швеции». Научные отчеты . 3 (1): 1644. Бибкод : 2013NatSR...3E1644J. дои : 10.1038/srep01644 . ISSN  2045-2322. ПМЦ 3622134 . ПМИД  23571605. 
  10. ^ Гихон, Р.; Энрикес, Ф.; Наранхо, JA (2011). «Геологические, географические и юридические аспекты сохранения уникальных потоков оксида железа и серы в вулканических комплексах Эль-Лако и Ластаррия, Центральные Анды, Северное Чили». Геонаследие . 3 (4): 99–315. Бибкод : 2011Geohe...3..299G. doi : 10.1007/s12371-011-0045-x. S2CID  129179725.
  11. ^ abcde Ли, Чао; Сунь, Хэнху; Бай, Цзин; Ли, Лонгту (15 февраля 2010 г.). «Инновационная методика комплексной утилизации железорудных хвостов: Часть 1. Извлечение железа из железорудных хвостов методом магнитной сепарации после намагничивания обжига». Журнал опасных материалов . 174 (1–3): 71–77. дои : 10.1016/j.jhazmat.2009.09.018. ПМИД  19782467.
  12. ^ Сиркечи, А.А.; Гюль, А.; Булут, Г.; Арслан Ф.; Онал, Г.; Юс, А.Е. (апрель 2006 г.). «Извлечение Co, Ni и Cu из хвостов Дивригской обогатительной фабрики». Обзор переработки полезных ископаемых и добывающей металлургии . 27 (2): 131–141. Бибкод :2006МПЕМР..27..131С. дои : 10.1080/08827500600563343. ISSN  0882-7508. S2CID  93632258.
  13. ^ Дас, СК; Кумар, Санджай; Рамачандрарао, П. (декабрь 2000 г.). «Эксплуатация железорудных хвостохранилищ для производства керамической черепицы». Управление отходами . 20 (8): 725–729. Бибкод : 2000WaMan..20..725D. дои : 10.1016/S0956-053X(00)00034-9.
  14. ^ Гзогян, Теннесси; Губин, С.Л.; Гзогян, СР; Мельникова, Н.Д. (1 ноября 2005 г.). «Потери железа при переработке хвостов». Журнал горного дела . 41 (6): 583–587. Бибкод : 2005JMinS..41..583G. дои : 10.1007/s10913-006-0022-y. ISSN  1573-8736. S2CID  129896853.
  15. ^ Увадиале, GGOO; Уэвелл, Р.Дж. (1 октября 1988 г.). «Влияние температуры на намагничивание железной руды агбайи». Металлургические операции Б . 19 (5): 731–735. Бибкод : 1988MTB....19..731U. дои : 10.1007/BF02650192. ISSN  1543-1916. S2CID  135733613.
  16. ^ Стивенс, FM; Лэнгстон, Бенни; Ричардсон, AC (1 июня 1953 г.). «Восстановительно-окислительный процесс обработки таконитов». ДЖОМ . 5 (6): 780–785. Бибкод : 1953JOM.....5f.780S. дои : 10.1007/BF03397539. ISSN  1543-1851.
  17. ^ HT Shen, B. Zhou и др. «Обжигово-магнитная сепарация и прямое восстановление упорной оолитово-гематитовой руды» Мин. Встретил. англ. , 28 (2008), стр. 30-43.
  18. ^ Годен, AM, Принципы обогащения минералов, 1937 г.
  19. ^ График из книги «Пределы роста» и «ограниченные» минеральные ресурсы, стр. 5, Гэвин М. Мадд
  20. ^ Так, Кристофер. «Обзор минеральных товаров за 2017 год» (PDF) . Геологическая служба США . Проверено 21 августа 2017 г.
  21. ^ Так, Кристофер. «Данные о мировом производстве железной руды; разъяснения отчетности Геологической службы США» (PDF) . Геологическая служба США . Проверено 21 августа 2017 г.
  22. ^ abcdef Война цен на железную руду, Financial Times , 14 октября 2009 г.
  23. ^ Кази, Шабир Ахмад; Кази, Наваид Шабир (1 января 2008 г.). Сохранение природных ресурсов и управление окружающей средой. Издательство АПХ. ISBN 9788131304044. Проверено 12 ноября 2016 г. - через Google Книги.
  24. ^ «Железная руда - Ежемесячная цена - Цены на сырьевые товары - Графики цен, данные и новости» . ИндексМунди . Проверено 5 августа 2022 г.
  25. ^ «Мировая цена на железную руду | ФРЕД | ФРС Сент-Луиса» . Fred.stlouisfed.org . Проверено 5 августа 2022 г.
  26. ^ «The Steel Index > Новости и события > Пресс-студия > 2 февраля 2011 г.: В январе заключен рекордный объем свопов на железную руду» . Архивировано из оригинала 22 мая 2011 года . Проверено 12 ноября 2016 г.
  27. ^ «SMX впервые в мире разместит фьючерсы на железную руду на основе индексов» . 29 сентября 2010 г. Проверено 12 ноября 2016 г.
  28. ^ «ICE Futures Singapore — Фьючерсная биржа» . Проверено 12 ноября 2016 г.
  29. ^ мбиронореиндекс
  30. ^ Морган, JW; Андерс, Э. (1980). «Химический состав Земли, Венеры и Меркурия». Труды Национальной академии наук . 77 (12): 6973–77. Бибкод : 1980PNAS...77.6973M. дои : 10.1073/pnas.77.12.6973 . ПМК 350422 . ПМИД  16592930. 
  31. ^ Браун, Лестер (2006). План Б 2.0 . Нью-Йорк: WW Нортон. п. 109.
  32. ^ «Железная руда». Правительство Западной Австралии – Департамент горнодобывающей промышленности, регулирования промышленности и безопасности . Проверено 6 августа 2021 г.
  33. ^ https://www.dmp.wa.gov.au/Documents/About-Us-Careers/Stats_Digest_2021-22.pdf .
  34. ↑ Пинкок, Стивен (14 июля 2010 г.). «Железнорудная страна». Азбука науки . Проверено 28 ноября 2012 г.
  35. ^ abcde «Информация о минералах Геологической службы США: железная руда» . Minerals.usgs.gov . Проверено 16 февраля 2019 г.
  36. ^ Льюис С. Дин, Минералы в экономике Алабамы, 2007 г. Архивировано 24 сентября 2015 г. в Wayback Machine , Геологическая служба Алабамы, 2008 г.
  37. ^ ab Канада, Природные ресурсы (23 января 2018 г.). «Факты о железной руде». www.nrcan.gc.ca . Проверено 16 февраля 2019 г.
  38. ^ «Горное дело будущего 2030: План роста горнодобывающей промышленности Ньюфаундленда и Лабрадора | Маккарти Тетро» . 19 ноября 2018 г.
  39. ^ «Экспорт железной руды из Бразилии: по портам» . www.ceicdata.com . Проверено 16 февраля 2019 г.
  40. ^ ab «Отчет Геологической службы США по железной руде, 2021 г.» (PDF) .
  41. ^ Гордон 1996, с. 57.
  42. ^ abc Ростокер и Бронсон 1990, с. 22.
  43. ^ Ростокер и Бронсон 1990, с. 194.
  44. ^ Тернер 1900.
  45. ^ Тернер 1900, стр. 202–204.
  46. ^ Като и Минова 1969, с. 37.
  47. ^ аб Розенквист 1983, с. 311.
  48. ^ Гордон 1996, с. 7.
  49. ^ ab Ростокер и Бронсон 1990, с. 21.
  50. ^ Ростокер, Бронсон и Дворжак 1984, с. 760.
  51. ^ Тернер 1900, стр. 77.
  52. ^ Стюарт, Дж.; Уильямс, Делавэр (1992). «Инициирование питтинговой коррозии аустенитной нержавеющей стали: о роли и значении сульфидных включений». Коррозионная наука . 33 (3): 457–474. дои : 10.1016/0010-938X(92)90074-D. ISSN  0010-938X.
  53. ^ Уильямс, Дэвид Э.; Килберн, Мэтт Р.; Клифф, Джон; Уотерхаус, Джеффри И.Н. (2010). «Изменение состава вокруг сульфидных включений в нержавеющих сталях и последствия для начала питтинговой коррозии». Коррозионная наука . 52 (11): 3702–3716. doi : 10.1016/j.corsci.2010.07.021. ISSN  0010-938X.
  54. ^ Ньюман, RC; Айзекс, HS; Алман, Б. (1982). «Влияние соединений серы на питтинговое поведение нержавеющей стали типа 304 в почти нейтральных растворах хлоридов». Коррозия . 38 (5): 261–265. дои : 10.5006/1.3577348. ISSN  0010-9312.

Общие и цитируемые ссылки

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы, связанные с железными рудами .