stringtranslate.com

Железная руда

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

Железные руды [1] — это горные породы и минералы , из которых металлическое железо может быть экономически извлечено. Руды обычно богаты оксидами железа и варьируются по цвету от темно-серого, ярко-желтого или темно-фиолетового до ржаво-красного. Железо обычно встречается в форме 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 большое количество гематита или магнетита, обычно более 60% железа, известны как природная руда или руда прямой доставки , и могут подаваться непосредственно в доменные печи для производства железа . Железная руда является сырьем, используемым для производства чугуна , который является одним из основных видов сырья для производства стали — 98% добываемой железной руды используется для производства стали. [2] В 2011 году Financial Times процитировала Кристофера ЛаФемину, аналитика по горнодобывающей промышленности в Barclays Capital, который сказал, что железная руда «более неотъемлема для мировой экономики , чем любой другой товар, за исключением, возможно, нефти ». [3]

Источники

Металлическое железо практически неизвестно на поверхности Земли , за исключением железоникелевых сплавов из метеоритов и очень редких форм глубоких мантийных ксенолитов . Хотя железо является четвертым по распространенности элементом в земной коре , составляя около 5%, подавляющее большинство связано в силикатных или, реже, карбонатных минералах, и выплавка чистого железа из этих минералов потребовала бы непомерно большого количества энергии. Поэтому все источники железа, используемые человеческой промышленностью, эксплуатируют сравнительно более редкие минералы оксида железа, в первую очередь гематит .

Доисторические общества использовали латерит в качестве источника железной руды. До промышленной революции большую часть железа получали из широкодоступной гетитовой или болотной руды , например, во время Американской революции и Наполеоновских войн . Исторически большая часть железной руды, используемой индустриальными обществами, добывалась преимущественно из месторождений гематита с содержанием около 70% Fe. Эти месторождения обычно называют «рудами прямой доставки» или «природными рудами». Растущий спрос на железную руду в сочетании с истощением богатых гематитовых руд в Соединенных Штатах привел после Второй мировой войны к разработке источников железной руды более низкого качества, в основном с использованием 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 залежей. Это месторождения магнетита, титаномагнетита , массивного гематита и пизолитового железняка.

Происхождение железа в конечном итоге можно проследить до его образования посредством ядерного синтеза в звездах, и большая часть железа, как полагают, возникла в умирающих звездах, которые достаточно велики, чтобы взорваться как сверхновые . [4] Считается, что ядро ​​Земли состоит в основном из железа, но это недоступно с поверхности. Считается, что некоторые железные метеориты произошли от астероидов диаметром 1000 км (620 миль) или больше. [5]

Железистые полосчатые образования

Полосчатая железная порода, возраст которой оценивается в 2,1 миллиарда лет.
Обработанные гранулы таконита с красноватым поверхностным окислением, используемые в сталелитейном производстве, с американской четвертаковой монетой (диаметр: 24 мм [0,94 дюйма]), показанной для масштаба

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

Добыча полезных ископаемых включает перемещение огромного количества руды и отходов. Отходы поступают в двух формах: нерудная коренная порода в шахте ( вскрыша или межвскрыша, местные жители называют ее муллоком) и нежелательные минералы, которые являются неотъемлемой частью самой рудной породы ( пустая порода ). Муллок добывается и складывается в отвалы , а пустая порода отделяется в процессе обогащения и удаляется в виде хвостов . Таконитовые хвосты в основном представляют собой минеральный кварц , который химически инертен. Этот материал хранится в больших регулируемых прудах-отстойниках.

Магнетитовые руды

Ключевые параметры для экономической эффективности магнетитовой руды — это кристалличность магнетита, сорт железа в породе-хозяине полосчатой ​​железистой формации и загрязняющие элементы, которые присутствуют в магнетитовом концентрате. Размер и коэффициент полосы большинства ресурсов магнетита не имеют значения, поскольку полосчатая железистая формация может иметь толщину в сотни метров, простираться на сотни километров по простиранию и может легко достигать более трех миллиардов или более тонн содержащейся руды.

Типичное содержание железа, при котором магнетитсодержащая полосчатая железная формация становится экономичной, составляет примерно 25% железа, что обычно может дать от 33% до 40% извлечения магнетита по весу, чтобы получить концентрат с содержанием железа более 64% по весу. Типичный концентрат магнетитовой железной руды содержит менее 0,1% фосфора , 3–7% кремния и менее 3% алюминия .

По состоянию на 2019 год добыча магнетитовой железной руды ведется в Миннесоте и Мичигане в США , на востоке Канады и на севере Швеции . [7] По состоянию на 2019 год магнетитсодержащая полосчатая железная формация широко добывается в Бразилии , которая экспортирует значительные объемы в Азию , а в Австралии зарождается крупная отрасль по добыче магнетитовой железной руды .

Прямая поставка (гематитовых) руд

Месторождения железной руды прямого отгрузки (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 гематитовой железной руды добываются из измененных полосчатых железистых формаций и (редко) 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 переработка значительно дешевле, поскольку они требуют меньшего обогащения из -за более высокого содержания железа. Однако руды DSO могут содержать значительно более высокие концентрации штрафных элементов, как правило, с более высоким содержанием фосфора, воды (особенно пизолитовые осадочные накопления) и алюминия ( глины в пизолитах). Экспортные руды DSO обычно содержат 62–64% Fe. [8]

Месторождения магматических магнетитовых руд

Гранит и ультракалиевые магматические породы иногда использовались для разделения кристаллов магнетита и формирования масс магнетита, пригодных для экономической концентрации. [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 ручьях, вытекающих из этих вулканических образований.

Некоторые магнетитовые скарновые и гидротермальные месторождения разрабатывались в прошлом как месторождения высококачественной железной руды, требующие незначительного обогащения . В Малайзии и Индонезии имеется несколько месторождений такого рода, связанных с гранитом .

Другие источники магнетитовой железной руды включают метаморфические скопления массивной магнетитовой руды, такие как в Сэвидж-Ривер , Тасмания , образованные путем сдвигания офиолитовых ультраосновных пород .

Другим, второстепенным, источником железных руд являются магматические скопления в слоистых интрузиях , которые содержат типичный титансодержащий магнетит, часто с ванадием . Эти руды образуют нишевый рынок, с использованием специальных плавильных печей для извлечения железа, титана и ванадия. Эти руды обогащаются по существу аналогично рудам полосчатых железных образований, но обычно их легче обогащать путем дробления и просеивания . Типичный концентрат титаномагнетита содержит 57% Fe, 12% Ti и 0,5% V
2О
5. [ необходима ссылка ]

Отходы добычи

На каждую тонну произведенного железорудного концентрата будет сбрасываться примерно 2,5–3,0 тонны железорудных хвостов . Статистика показывает, что ежегодно сбрасывается 130 миллионов тонн железорудных хвостов. Если, например, хвосты шахты содержат в среднем около 11% железа, то ежегодно будет сбрасываться 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 дорожно-строительных материалов, таких как тротуар и наполнитель, а также для строительных материалов, таких как цемент, низкосортное стекло и стеновые материалы. [11] [13] [14] Хотя хвосты представляют собой относительно низкосортную руду, их сбор также недорог, поскольку их не нужно добывать. Из-за этого такие компании, как Magnetation, начали проекты по рекультивации, в которых они используют железорудные хвосты в качестве источника металлического железа. [11]

Два основных метода переработки железа из хвостов железной руды — это обжиг с намагничиванием и прямое восстановление. Обжиг с намагничиванием использует 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 обжига с намагничиванием важно иметь восстановительную атмосферу для предотвращения окисления и образования Fe 2 O 3 , поскольку его сложнее отделить, поскольку он менее магнитен. [11] [15] Прямое восстановление использует более высокие температуры более 1000 °C (1830 °F) и более длительное время 2–5 часов. Прямое восстановление используется для получения губчатого железа (Fe), которое будет использоваться для производства стали. Прямое восстановление требует больше энергии, так как температуры выше, а время больше, и для него требуется больше восстановителя, чем обжиг с намагничиванием. [11] [16] [17]

Извлечение

Источники железной руды более низкого качества обычно требуют обогащения с использованием таких методов, как дробление, измельчение , гравитационное или тяжелосредное разделение , просеивание и флотация кремниевой пены для улучшения концентрации руды и удаления примесей. Результаты, высококачественные порошки тонкой руды, известны как мелочь.

Магнетит

Магнетит обладает магнитными свойствами , поэтому его легко отделить от пустой породы и получить высококачественный концентрат с очень низким содержанием примесей.

Размер зерна магнетита и степень его смешивания с кремнеземистой основной массой определяют размер помола, до которого должна быть измельчена порода, чтобы обеспечить эффективное магнитное разделение для получения концентрата магнетита высокой чистоты. Это определяет энергозатраты, необходимые для выполнения операции измельчения.

Добыча железистых рудных руд включает грубое дробление и просеивание, за которыми следует грубое дробление и тонкое измельчение для измельчения руды до такой степени, что кристаллизованный магнетит и кварц становятся достаточно мелкими, чтобы кварц оставался после пропускания полученного порошка под магнитным сепаратором.

Как правило, большинство месторождений магнетитовых полосчатых железных образований должны быть измельчены до 32–45 мкм (0,0013–0,0018 дюйма) для получения концентрата магнетита с низким содержанием кремния. Содержание железа в концентратах магнетита обычно превышает 70% по весу, а также они обычно содержат мало фосфора, алюминия, титана и кремния и требуют более высокой цены.

Гематит

Из -за высокой плотности гематита относительно сопутствующей силикатной жилы обогащение гематита обычно включает комбинацию методов обогащения. Один из методов основан на пропускании тонкоизмельченной руды через пульпу, содержащую магнетит или другой агент, такой как ферросилиций , который увеличивает ее плотность. Когда плотность пульпы правильно откалибрована, гематит утонет, а фрагменты силикатных минералов всплывут и могут быть удалены. [18]

Производство и потребление

Эволюция качества добываемой железной руды в Канаде , Китае , Австралии , Бразилии , США , Швеции , Советском Союзе и России , а также в мире. Недавнее падение качества руды в мире обусловлено значительным потреблением низкосортных китайских руд. Американская руда, с другой стороны, обычно обогащается до 61% и 64% перед продажей. [19]

Железо является наиболее часто используемым металлом в мире — сталь, основным ингредиентом которой является железная руда, составляет почти 95% всего металла, используемого в год. [3] Он используется в основном в конструкциях, кораблях, автомобилях и машинах.

Богатые железом породы распространены во всем мире, но коммерческие горнодобывающие операции с рудой доминируют в странах, перечисленных в таблице, кроме этой. Основным ограничением экономики для месторождений железной руды не обязательно является сорт или размер месторождений, поскольку не так уж сложно геологически доказать наличие достаточного тоннажа пород. Основным ограничением является положение железной руды относительно рынка, стоимость железнодорожной инфраструктуры для ее доставки на рынок и стоимость энергии, требуемой для этого.

Добыча железной руды — это крупномасштабный, низкорентабельный бизнес, поскольку стоимость железа значительно ниже стоимости основных металлов. [22] Он очень капиталоемкий и требует значительных инвестиций в инфраструктуру, такую ​​как железная дорога, для транспортировки руды от рудника до грузового судна. [22] По этим причинам добыча железной руды сосредоточена в руках нескольких крупных игроков.

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

Морская торговля железной рудой, то есть железной рудой, отправляемой в другие страны, в 2004 году составила 849 000 000 тонн (836 000 000 длинных тонн; 936 000 000 коротких тонн). [22] Австралия и Бразилия доминируют в морской торговле, занимая 72% рынка. [22] BHP, Rio и Vale вместе контролируют 66% этого рынка. [22]

В Австралии железная руда добывается из трех основных источников: пизолитовая « железная жила » — руда, полученная путем механической эрозии первичных железистых полосчатых формаций и накопленная в аллювиальных каналах, например, в Паннавонике, Западная Австралия ; и доминирующие метасоматически измененные железистые полосчатые формации, связанные с рудами, например, в Ньюмане , Чичестер-Рейндж , Хамерсли-Рейндж и Кулианоббинг , Западная Австралия . Другие типы руды выходят на первый план в последнее время, [ когда? ], такие как окисленные железистые твердые покрышки, например, месторождения латеритной железной руды около озера Аргайл в Западной Австралии.

Общие извлекаемые запасы железной руды в Индии составляют около 9 602 000 000 т (9,450 × 10 9 длинных тонн; 1,0584 × 10 10 коротких тонн) гематита и 3 408 000 000 т (3,354 × 10 9 длинных тонн; 3,757 × 10 9 коротких тонн) магнетита . [23] Чхаттисгарх , Мадхья-Прадеш , Карнатака , Джаркханд , Одиша , Гоа , Махараштра , Андхра-Прадеш , Керала , Раджастхан и Тамилнад являются основными индийскими производителями железной руды. Мировое потребление железной руды растет в среднем на 10% в год [ необходима ссылка ], при этом основными потребителями являются Китай, Япония, Корея, США и Европейский Союз.

В настоящее время Китай является крупнейшим потребителем железной руды, что означает, что он является крупнейшей страной-производителем стали в мире. Он также является крупнейшим импортером, купив 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 588 000 000 т (579 000 000 длинных тонн; 648 000 000 коротких тонн) железной руды, с годовым ростом 38%.

Рынок железной руды

Цены на железную руду (ежемесячно)
  Спотовая цена на импорт/вход железной руды в Китае [24]
  Мировая цена на железную руду [25]
Цены на железную руду (ежедневные)
25 октября 2010 г. - 4 августа 2022 г.

За последние 40 лет цены на железную руду определялись в ходе закрытых переговоров между небольшой группой горнодобывающих компаний и сталелитейщиков , которые доминируют как на спотовом, так и на контрактном рынках. До 2006 года цены определялись в ходе ежегодных переговоров по эталонным ценам между основными производителями железной руды ( BHP Billiton , Rio Tinto и Vale SA ) и японскими импортерами. [26] : 31  В 2006 году китайская компания Baosteel начала вести переговоры со стороны импортера. [26] : 31  В 2009 году китайское правительство заменило Baosteel на China Iron and Steel Association в качестве ведущего переговорщика. [26] : 109  Традиционно первая сделка, достигнутая между этими основными производителями и основными импортерами, устанавливает эталон, которому должна следовать остальная часть отрасли. [3]

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 и поставщика данных по стали Shanghai Steelhome, обширной контактной базы производителей стали и торговцев железной рудой по всему Китаю. [27] Фьючерсный контракт показал ежемесячный объем более 1 500 000 тонн (1 500 000 длинных тонн; 1 700 000 коротких тонн) после восьми месяцев торговли. [28]

Этот шаг последовал за переходом на индексное квартальное ценообразование трех крупнейших мировых производителей железной руды — Vale , Rio Tinto и BHP — в начале 2010 года, что нарушило 40-летнюю традицию ежегодного ценообразования на основе эталона. [29]

Распространенность по странам

Доступные мировые ресурсы железной руды

Железо является самым распространенным элементом на Земле, но не в земной коре. [30] Объем доступных запасов железной руды неизвестен, хотя Лестер Браун из Института Worldwatch в 2006 году предположил, что железная руда может закончиться в течение 64 лет (то есть к 2070 году), исходя из 2% роста спроса в год. [31]

Австралия

По подсчетам Geoscience Australia , « экономически доказанные 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). [ необходима цитата ] По другой оценке, запасы железной руды в Австралии составляют 52 000 000 000 т (5,1 × 10 10 длинных тонн; 5,7 × 10 10 коротких тонн), или 30 % от предполагаемых мировых запасов в 170 000 000 000 т (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 уровень добычи в регионе Пилбара в Западной Австралии составляет приблизительно 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 Джонатан Лоу ( CSIRO ) ожидают, что он исчезнет в течение 30–50 и 56 лет соответственно. [34] Эти оценки 2010 года требуют постоянного пересмотра, чтобы учесть меняющийся спрос на низкосортную железную руду и совершенствование методов добычи и извлечения (позволяющих проводить более глубокую добычу ниже уровня грунтовых вод).

Бразилия

Бразилия является вторым по величине производителем железной руды после Австралии, на ее долю приходится 16% мирового производства железной руды. После несколько вялого объема производства в 2010-2020 годах, отчасти из-за катастрофы на плотине Мариана в 2015 году и катастрофы на плотине Брумадинью в 2019 году, которая остановила производство на двух задействованных рудниках, производство неуклонно росло с 2021 года, когда Бразилия произвела 431 000 000 тонн (424 000 000 длинных тонн; 475 000 000 коротких тонн). В 2022 году он увеличится до 435 000 000 т (428 000 000 длинных тонн; 480 000 000 коротких тонн), а в 2023 году — до 440 000 000 т (430 000 000 длинных тонн; 490 000 000 коротких тонн). [35]

Ожидается, что среднегодовой темп роста производства в Бразилии составит 2% в период с 2023 по 2027 год [36] , а отраслевой аналитик Fitch Solutions прогнозировал в 2021 году, что к 2030 году годовой объем производства в Бразилии достигнет 592 000 000 тонн (583 000 000 длинных тонн; 653 000 000 коротких тонн). [37]

Канада

В 2017 году канадские железорудные рудники произвели 49 000 000 т (48 000 000 длинных тонн; 54 000 000 коротких тонн) железной руды в виде концентрата окатышей и 13,6 млн тонн нерафинированной 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 экспортировано, а 43 100 000 т (42 400 000 длинных тонн; 47 500 000 коротких тонн) железной руды было экспортировано на сумму 4,6 млрд долларов США. Из экспортируемой железной руды 38,5% объема составили железорудные окатыши стоимостью 2,3 млрд долларов США, а 61,5% — железорудные концентраты стоимостью 2,3 млрд долларов США. [38] 46% железной руды Канады поступает с рудника Iron Ore Company of Canada в Лабрадор-Сити , Ньюфаундленд , а также со вторичных источников, включая рудник Mary River в Нунавуте . [38] [39]

Индия

Согласно отчету Геологической службы США о железной руде за 2021 год [40] , в 2020 году Индия, по оценкам, произведет 59 000 000 тонн (58 000 000 длинных тонн; 65 000 000 коротких тонн) железной руды, что ставит ее на седьмое место в мире по производству железной руды после Австралии, Бразилии, Китая, России, Южной Африки и Украины.

Добыча железной руды в Индии в 2023 году составила 285 000 000 метрических тонн, что сделало страну четвертым по величине производителем в мире. [41]

Украина

Согласно отчету Геологической службы США за 2021 год о железной руде, [40] Украина, по оценкам, произвела 62 000 000 т (61 000 000 длинных тонн; 68 000 000 коротких тонн) железной руды в 2020 году, что ставит ее на седьмое место в мире по производству железной руды после Австралии, Бразилии, Китая, Индии, России и Южной Африки. Производителями железной руды в Украине являются Ferrexpo , Metinvest и ArcelorMittal Kryvyi Rih .

Соединенные Штаты

В 2014 году шахты в Соединенных Штатах произвели 57 500 000 тонн (56 600 000 длинных тонн; 63 400 000 коротких тонн) железной руды с оценочной стоимостью 5,1 миллиарда долларов. [42] Добыча железа в Соединенных Штатах , по оценкам, составила 2% от мирового производства железной руды. В Соединенных Штатах насчитывается двенадцать железорудных шахт, девять из которых являются открытыми карьерами , а три — рекультивационными операциями. Также в 2014 году работали десять заводов по производству окатышей, девять обогатительных фабрик, два завода по производству железа прямого восстановления (DRI) и один завод по производству железных гранул. [42] В Соединенных Штатах большая часть добычи железной руды находится в железных хребтах вокруг озера Верхнее . Эти железные рудники находятся в Миннесоте и Мичигане, на которые в совокупности пришлось 93% пригодной к использованию железной руды, произведенной в Соединенных Штатах в 2014 году. Семь из девяти действующих открытых карьеров в Соединенных Штатах расположены в Миннесоте, а также две из трех операций по рекультивации хвостов. Два других действующих открытых карьера были расположены в Мичигане . В 2016 году одна из двух шахт закрылась. [42] Железорудные рудники также были в Юте и Алабаме ; однако последняя железорудная шахта в Юте закрылась в 2014 году [42] , а последняя железорудная шахта в Алабаме закрылась в 1975 году. [43]

Выплавка

Железные руды состоят из атомов кислорода и железа, связанных вместе в молекулы. Чтобы превратить его в металлическое железо, его необходимо расплавить или подвергнуть процессу прямого восстановления для удаления кислорода. Связи кислород-железо прочны, и для удаления железа из кислорода необходимо представить более сильную 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 для сжигания в процессе плавки.

Угарный газ является основным ингредиентом 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 иметь глубокие последствия для поведенческих характеристик партии железа или работы плавильного завода. Эти эффекты могут быть как хорошими, так и плохими, некоторые катастрофически плохими. Некоторые химикаты 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, как ведет себя шлак и эксплуатационные характеристики производимого железа. В идеале железная руда содержит только железо и кислород. В действительности это бывает редко. Обычно железная руда содержит множество элементов, которые часто нежелательны в современной стали.

Кремний

Кремний ( SiO
2) почти всегда присутствует в железной руде. Большая его часть ошлаковывается в процессе плавки. При температуре выше 1300 °C (2370 °F) часть его восстанавливается и образует сплав с железом. Чем горячее печь, тем больше кремния будет присутствовать в железе. Нередко можно найти до 1,5% Si в европейском чугуне XVI-XVIII веков.

Основной эффект кремния заключается в содействии образованию серого чугуна. Серый чугун менее хрупок и легче поддается отделке, чем белый чугун. По этой причине он предпочтителен для литья. Британский металлург Томас Тернер сообщил, что кремний также уменьшает усадку и образование газовых раковин, снижая количество плохих отливок. Однако слишком большое количество кремния в чугуне приводит к повышенной хрупкости и умеренной твердости. [44]

Фосфор

Фосфор (P) имеет четыре основных эффекта на железо: повышенная твердость и прочность, пониженный солидус , повышенная текучесть и хладноломкость. В зависимости от предполагаемого использования железа эти эффекты могут быть либо хорошими, либо плохими. Болотная руда часто имеет высокое содержание фосфора. [45]

Прочность и твердость железа увеличиваются с концентрацией фосфора. 0,05% фосфора в кованом железе делает его таким же твердым, как среднеуглеродистая сталь. Высокофосфористое железо также можно закалить холодной ковкой. Эффект закалки справедлив для любой концентрации фосфора. Чем больше фосфора, тем тверже становится железо и тем больше его можно закалить ковкой. Современные производители стали могут увеличить твердость на целых 30%, не жертвуя ударопрочностью, поддерживая уровень фосфора между 0,07 и 0,12%. Он также увеличивает глубину закалки из-за закалки, но в то же время также снижает растворимость углерода в железе при высоких температурах. Это снизит его полезность при производстве черновой стали (цементации), где скорость и количество поглощения углерода являются определяющими факторами.

Добавление фосфора имеет и обратную сторону. При концентрации выше 0,2% железо становится все более хладноломким или хрупким при низких температурах. Хладноломкость особенно важна для пруткового железа. Хотя прутковое железо обычно обрабатывается в горячем состоянии, его применение [ нужен пример ] часто требует, чтобы оно было прочным, гибким и устойчивым к ударам при комнатной температуре. Гвоздь, который раскалывается при ударе молотком, или колесо кареты, которое ломается при ударе о камень, не будут хорошо продаваться. [ нужна цитата ] Достаточно высокие концентрации фосфора делают любое железо непригодным для использования. [46] Эффекты хладноломкости усиливаются температурой. Таким образом, кусок железа, который идеально подходит для использования летом, может стать чрезвычайно хрупким зимой. Есть некоторые свидетельства того, что в Средние века очень богатые люди могли иметь меч с высоким содержанием фосфора летом и меч с низким содержанием фосфора зимой. [46]

Тщательный контроль фосфора может принести большую пользу в литейных операциях. Фосфор понижает ликвидус, позволяя железу оставаться расплавленным дольше и увеличивая текучесть. Добавление 1% может удвоить расстояние, которое будет течь расплавленному железу. [46] Максимальный эффект, около 500 °C (932 °F), достигается при концентрации 10,2%. [47] Для литейных работ Тернер [48] считал, что идеальное железо имеет 0,2–0,55% фосфора. Полученное железо заполняло формы с меньшим количеством пустот и также давало меньшую усадку. В 19 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 быть несущими, так как не обладали прочностью. [49]

Есть два средства [ по мнению кого? ] для железа с высоким содержанием фосфора. Самое старое, самое простое и самое дешевое — избегать. Если железо, которое производила руда, было холодным, нужно было искать новый источник железной руды. Второй метод включает окисление фосфора в процессе очистки путем добавления оксида железа. Этот метод обычно ассоциируется с пудлингованием в 19 веке и, возможно, не был понят ранее. Например, Айзек Зейн, владелец Marlboro Iron Works, по-видимому, не знал о нем в 1772 году. Учитывая репутацию Зейна [ по мнению кого? ] как человека, идущего в ногу с последними разработками, этот метод, вероятно, был неизвестен производителям железа Вирджинии и Пенсильвании .

Фосфор обычно считается вредным загрязнителем, поскольку он делает сталь хрупкой, даже при концентрации всего 0,6%. Когда процесс Гилкриста-Томаса позволил удалить большие количества элемента из чугуна в 1870-х годах, это было крупным достижением, поскольку большинство железных руд, добываемых в континентальной Европе в то время, были фосфористыми. Однако удаление всех загрязнителей путем флюсования или плавки является сложным, и поэтому желаемые железные руды должны, как правило, изначально иметь низкое содержание фосфора.

Алюминий

Небольшие количества алюминия (Al) присутствуют во многих рудах, включая железную руду, песок и некоторые известняки. Первый можно удалить путем промывки руды перед плавкой. До появления кирпичных печей количество алюминиевого загрязнения было достаточно малым, чтобы не оказывать влияния ни на железо, ни на шлак. Однако, когда кирпич начали использовать для горнов и внутренней части доменных печей, количество алюминиевого загрязнения резко возросло. Это было связано с эрозией футеровки печи жидким шлаком.

Алюминий трудно восстановить. В результате загрязнение железа алюминием не является проблемой. Однако это увеличивает вязкость шлака. [50] [51] Это будет иметь ряд неблагоприятных последствий для работы печи. Более толстый шлак замедлит опускание шихты, удлиняя процесс. Высокое содержание алюминия также затруднит слив жидкого шлака. В крайнем случае это может привести к замораживанию печи.

Существует ряд решений для шлака с высоким содержанием алюминия. Первое — это избегание; не используйте руду или источник извести с высоким содержанием алюминия. Увеличение соотношения известкового флюса уменьшит вязкость. [51]

Сера

Сера (S) является частым загрязнителем в угле. Она также присутствует в небольших количествах во многих рудах, но может быть удалена путем прокаливания . Сера легко растворяется как в жидком, так и в твердом железе при температурах, присутствующих при выплавке железа. Эффект даже небольших количеств серы немедленный и серьезный. Они были одними из первых, разработанных производителями железа. Сера делает железо красным или горячим. [52]

Горячее короткое железо хрупкое в горячем состоянии. Это было серьезной проблемой, так как большая часть железа, используемого в 17 и 18 веках, была прутковым или кованым железом. Кованое железо формируется многократными ударами молотка в горячем состоянии. Кусок горячего короткого железа треснет, если по нему работать молотком. Когда кусок горячего железа или стали трескается, открытая поверхность немедленно окисляется. Этот слой оксида препятствует исправлению трещины сваркой. Большие трещины приводят к тому, что железо или сталь распадаются. Более мелкие трещины могут привести к поломке предмета во время использования. Степень горячей короткости прямо пропорциональна количеству присутствующей серы. Сегодня избегают железа с содержанием серы более 0,03%.

Горячее короткое железо можно обрабатывать, но его нужно обрабатывать при низких температурах. Работа при низких температурах требует от кузнеца или кузнеца больших физических усилий. Металл нужно бить чаще и сильнее, чтобы достичь того же результата. Слегка загрязненный серой пруток можно обрабатывать, но это требует гораздо больше времени и усилий.

В чугуне сера способствует образованию белого железа. Всего 0,5% могут нейтрализовать эффекты медленного охлаждения и высокого содержания кремния. [53] Белый чугун более хрупкий, но и более твердый. Его обычно избегают, потому что его трудно обрабатывать, за исключением Китая, где высокосернистый чугун, иногда до 0,57%, изготовленный с использованием угля и кокса, использовался для изготовления колоколов и курантов. [54] По словам Тернера (1900, стр. 200), хороший литейный чугун должен содержать менее 0,15% серы. В остальном мире высокосернистый чугун может использоваться для изготовления отливок, но из него получится плохое кованое железо.

Существует ряд средств от серного загрязнения. Первое, и наиболее используемое 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 руда давала горячий короткий металл, мастера по металлу искали другую руду. Когда в европейских доменных печах впервые использовался минеральный уголь 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. Обжиг окисляет серу с образованием диоксида серы (SO2 ) , который либо улетучивается в атмосферу, либо может быть вымыт. В теплом климате можно оставлять пиритовую руду под дождем. Совместное действие дождя, бактерий и тепла окисляет сульфиды до серной кислоты и сульфатов , которые растворимы в воде и выщелачиваются. [55] Однако исторически (по крайней мере) сульфид железа (железный колчедан FeS
2), хотя и является распространенным железным минералом, не использовался в качестве руды для производства металлического железа. Естественное выветривание также использовалось в Швеции. Тот же процесс, с геологической скоростью, приводит к образованию руд госсан лимонит .

Важность, придаваемая низкосернистому железу, подтверждается постоянно более высокими ценами, которые платили за железо в Швеции, России и Испании с XVI по XVIII века. Сегодня сера больше не является проблемой. Современным средством является добавление марганца , но оператор должен знать, сколько серы содержится в железе, поскольку для его нейтрализации необходимо добавить по крайней мере в пять раз больше марганца. Некоторые исторические чугуны содержат марганец, но большинство из них значительно ниже уровня, необходимого для нейтрализации серы. [53]

Включение сульфида в виде сульфида марганца (MnS) также может быть причиной серьезных проблем с точечной коррозией в низкосортной нержавеющей стали , такой как сталь AISI 304. [56] [57] В окислительных условиях и в присутствии влаги, когда сульфид окисляется, он производит анионы тиосульфата в качестве промежуточных видов, и поскольку анион тиосульфата имеет более высокую эквивалентную электромобильность, чем анион хлорида из-за его двойного отрицательного электрического заряда, он способствует росту питтинга. [58] Действительно, положительные электрические заряды, создаваемые катионами Fe2 +, высвобождаемыми в растворе при окислении Fe в анодной зоне внутри питтинга, должны быть быстро компенсированы / нейтрализованы отрицательными зарядами, приносимыми электрокинетической миграцией анионов в капиллярном питтинге. Некоторые из электрохимических процессов, происходящих в капиллярном питтинге, такие же, как и те, которые встречаются при капиллярном электрофорезе . Чем выше скорость электрокинетической миграции анионов, тем выше скорость точечной коррозии. Электрокинетический перенос ионов внутри ямки может быть этапом, ограничивающим скорость роста ямки.

Смотрите также

Цитаты

  1. ^ Раманаиду и Уэллс, 2014
  2. ^ "Железная руда – гематит, магнетит и таконит". Mineral Information Institute . Архивировано из оригинала 17 апреля 2006 года . Получено 7 апреля 2006 года .
  3. ^ abc Цены на железную руду появляются из каменного века, Financial Times , 26 октября 2009 г. Архивировано 22 марта 2011 г. на Wayback Machine
  4. ^ Фрей, Перри А.; Рид, Джордж Х. (21 сентября 2012 г.). «Вездесущность железа». ACS Chemical Biology . 7 (9): 1477–1481. doi :10.1021/cb300323q. ISSN  1554-8929. PMID  22845493.
  5. ^ Goldstein, JI; Scott, ERD; Chabot, NL (2009). «Железные метеориты: кристаллизация, термическая история, родительские тела и происхождение». Geochemistry . 69 (4): 293–325. Bibcode : 2009ChEG...69..293G. doi : 10.1016/j.chemer.2009.01.002.
  6. ^ Гарри Клемик, Гарольд Л. Джеймс и Г. Дональд Эберлейн, (1973) «Железо», в книге « Минеральные ресурсы США » , Геологическая служба США, профессиональный доклад 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 . PMID  30979878. 
  8. ^ Muwanguzi, Abraham JB; Karasev, Андрей В.; Byaruhanga, Joseph K.; Jönsson, Pär G. (3 декабря 2012 г.). "Характеристика химического состава и микроструктуры природной железной руды месторождений Муко". ISRN Materials Science . 2012 : e174803. doi : 10.5402/2012/174803 . S2CID  56961299.
  9. ^ Йонссон, Эрик; Тролль, Валентин Р.; Хёгдаль, Карин; Харрис, Крис; Вайс, Франц; Нильссон, Катарина П.; Скелтон, Аласдер (10 апреля 2013 г.). «Магматическое происхождение гигантских апатитово-железных оксидных руд типа Кируна в Центральной Швеции». Scientific Reports . 3 (1): 1644. Bibcode :2013NatSR...3E1644J. doi : 10.1038/srep01644 . ISSN  2045-2322. PMC 3622134 . PMID  23571605. 
  10. ^ Guijón, R.; Henríquez, F.; Naranjo, JA (2011). «Геологические, географические и правовые аспекты сохранения уникальных потоков оксида железа и серы в вулканических комплексах Эль-Лако и Ластаррия, Центральные Анды, Северное Чили». Geoheritage . 3 (4): 99–315. Bibcode : 2011Geohe...3..299G. doi : 10.1007/s12371-011-0045-x. S2CID  129179725.
  11. ^ abcde Ли, Чао; Сан, Хэнху; Бай, Цзин; Ли, Лунту (15 февраля 2010 г.). «Инновационная методология комплексного использования хвостов железной руды: Часть 1. Восстановление железа из хвостов железной руды с использованием магнитной сепарации после обжига с намагничиванием». Журнал опасных материалов . 174 (1–3): 71–77. doi :10.1016/j.jhazmat.2009.09.018. PMID  19782467.
  12. ^ Сиркеджи, А.А.; Гюль, А.; Булут, Г.; Арслан, Ф.; Онал, Г.; Юдже, А.Е. (апрель 2006 г.). «Извлечение Co, Ni и Cu из хвостов обогатительной фабрики железной руды Дивриги». Обзор переработки полезных ископаемых и извлечения металлургии . 27 (2): 131–141. Bibcode : 2006MPEMR..27..131S. doi : 10.1080/08827500600563343. ISSN  0882-7508. S2CID  93632258.
  13. ^ Дас, СК; Кумар, Санджай; Рамачандрарао, П. (декабрь 2000 г.). «Эксплуатация хвостов железной руды для разработки керамической плитки». Waste Management . 20 (8): 725–729. Bibcode : 2000WaMan..20..725D. doi : 10.1016/S0956-053X(00)00034-9.
  14. ^ Gzogyan, TN; Gubin, SL; Gzogyan, SR; Mel'nikova, ND (1 ноября 2005 г.). "Потери железа в хвостах переработки". Journal of Mining Science . 41 (6): 583–587. Bibcode :2005JMinS..41..583G. doi :10.1007/s10913-006-0022-y. ISSN  1573-8736. S2CID  129896853.
  15. ^ Uwadiale, GGOO; Whewell, RJ (1 октября 1988 г.). «Влияние температуры на восстановление намагничивания железной руды agbaja». Metallurgical Transactions B. 19 ( 5): 731–735. Bibcode : 1988MTB....19..731U. doi : 10.1007/BF02650192. ISSN  1543-1916. S2CID  135733613.
  16. ^ Стивенс, FM; Лэнгстон, Бенни; Ричардсон, AC (1 июня 1953 г.). «Процесс восстановления-окисления для обработки таконитов». JOM . 5 (6): 780–785. Bibcode :1953JOM.....5f.780S. doi :10.1007/BF03397539. ISSN  1543-1851.
  17. ^ HT Shen, B. Zhou и др. "Обжиг-магнитное разделение и прямое восстановление огнеупорной оолитово-гематитовой руды" Min. Met. Eng. , 28 (2008), стр. 30-43
  18. ^ Годен, А.М., Принципы обогащения полезных ископаемых, 1937 г.
  19. ↑ Графика из книги «Пределы роста» и «конечные» минеральные ресурсы, стр. 5, Гэвин М. Мадд
  20. ^ Так, Кристофер. "Mineral Commodity Summaries 2017" (PDF) . Геологическая служба США . Получено 21 августа 2017 г. .
  21. ^ Так, Кристофер. «Глобальные данные о производстве железной руды; Разъяснение отчетности USGS» (PDF) . Геологическая служба США . Получено 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. APH Publishing. ISBN 9788131304044. Получено 12 ноября 2016 г. – через Google Books.
  24. ^ "Железная руда - Ежемесячная цена - Цены на сырьевые товары - Графики цен, данные и новости". IndexMundi . Получено 5 августа 2022 г. .
  25. ^ "Глобальная цена на железную руду | FRED | Федеральный резервный банк Сент-Луиса". Fred.stlouisfed.org . Получено 5 августа 2022 г. .
  26. ^ abc Massot, Pascale (2024). Парадокс уязвимости Китая: как крупнейший в мире потребитель преобразил мировые товарные рынки . Нью-Йорк, США: Oxford University Press . ISBN 978-0-19-777140-2.
  27. ^ "SMX разместит первые в мире фьючерсы на железную руду на основе индекса". 29 сентября 2010 г. Получено 12 ноября 2016 г.
  28. ^ "ICE Futures Singapore - фьючерсная биржа" . Получено 12 ноября 2016 г.
  29. ^ "mbironoreindex". Архивировано из оригинала 25 февраля 2021 г. Получено 20 октября 2010 г.
  30. ^ Морган, Дж. В.; Андерс, Э. (1980). «Химический состав Земли, Венеры и Меркурия». Труды Национальной академии наук . 77 (12): 6973–77. Bibcode : 1980PNAS...77.6973M. doi : 10.1073/pnas.77.12.6973 . PMC 350422. PMID  16592930 . 
  31. ^ Браун, Лестер (2006). План Б 2.0 . Нью-Йорк: WW Norton. С. 109.
  32. ^ "Железная руда". Правительство Западной Австралии - Департамент горнодобывающей промышленности, регулирования и безопасности промышленности . Получено 6 августа 2021 г.
  33. ^ Western Australian Mineral and Petroleum Statistics Digest 2021–22 (PDF) (Отчет). Департамент горнодобывающей промышленности, регулирования промышленности и безопасности правительства Западной Австралии. 2022.
  34. ^ Пинкок, Стивен (14 июля 2010 г.). «Iron Ore Country». ABC Science . Получено 28 ноября 2012 г.
  35. ^ "Добыча железной руды в Бразилии с 2010 по 2023 год". Statista . 19 апреля 2024 г. Получено 12 июля 2024 г.
  36. ^ "Производство железной руды в Бразилии и крупные проекты". Mining Technology . 5 июля 2024 г. Получено 12 июля 2024 г.
  37. ^ "Глобальный прогноз добычи железной руды" (PDF) . Fitch Solutions . 26 августа 2021 г. . Получено 12 июля 2024 г. .
  38. ^ ab Canada, Natural Resources (23 января 2018 г.). «Факты о железной руде». www.nrcan.gc.ca . Получено 16 февраля 2019 г. .
  39. ^ «Горнодобывающая промышленность будущего 2030: план роста горнодобывающей промышленности Ньюфаундленда и Лабрадора | Маккарти Тетро». 19 ноября 2018 г.
  40. ^ ab «Отчет USGS по железной руде, 2021» (PDF) .
  41. ^ «Список стран по производству железной руды», Википедия , 31 октября 2023 г. , получено 13 февраля 2024 г.
  42. ^ abcd "USGS Minerals Information: Iron Ore". minerals.usgs.gov . Получено 16 февраля 2019 г. .
  43. ^ Льюис С. Дин, Минералы в экономике Алабамы 2007 г. Архивировано 24 сентября 2015 г. в Wayback Machine , Геологическая служба Алабамы, 2008 г.
  44. ↑ Тернер 1900, стр. 287.
  45. ^ Гордон 1996, стр. 57.
  46. ^ abc Rostoker & Bronson 1990, стр. 22.
  47. ^ Ростокер и Бронсон 1990, с. 194.
  48. ↑ Тернер 1900.
  49. ↑ Тернер 1900, стр. 202–204.
  50. ^ Като и Минова 1969, стр. 37.
  51. ^ ab Rosenqvist 1983, стр. 311.
  52. ^ Гордон 1996, стр. 7.
  53. ^ ab Ростокер и Бронсон 1990, с. 21.
  54. ^ Ростокер, Бронсон и Дворжак 1984, с. 760.
  55. ↑ Тернер 1900, стр. 77.
  56. ^ Стюарт, Дж.; Уильямс, Д.Э. (1992). «Возникновение точечной коррозии на аустенитной нержавеющей стали: о роли и значении сульфидных включений». Corrosion Science . 33 (3): 457–474. Bibcode :1992Corro..33..457S. doi :10.1016/0010-938X(92)90074-D. ISSN  0010-938X.
  57. ^ Уильямс, Дэвид Э.; Килберн, Мэтт Р.; Клифф, Джон; Уотерхаус, Джеффри ИН (2010). «Изменения состава вокруг сульфидных включений в нержавеющих сталях и их влияние на возникновение точечной коррозии». Corrosion Science . 52 (11): 3702–3716. Bibcode :2010Corro..52.3702W. doi :10.1016/j.corsci.2010.07.021. ISSN  0010-938X.
  58. ^ Ньюман, RC; Айзекс, HS; Алман, B. (1982). «Влияние соединений серы на питтинговое поведение нержавеющей стали типа 304 в почти нейтральных хлоридных растворах». Коррозия . 38 (5): 261–265. doi :10.5006/1.3577348. ISSN  0010-9312.

Общие и цитируемые ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Железные руды .