Что такое полезные примеси железных руд

Железная руда стала добываться человеком много веков назад. Уже тогда стали очевидными преимущества использования железа.

Найти минеральные образования, содержащие железо, довольно легко, так как этот элемент составляет около пяти процентов земной коры. В целом, железо является четвертым по распространенности элементом в природе.

В чистом виде найти его невозможно, железо содержится в определенном количестве во многих типах горных пород. Наибольшее содержание железа имеет железная руда, добыча металла из которой является наиболее экономично выгодным. От ее происхождения зависит количество содержащегося в ней железа, нормальная доля которого в составе около 15%.

Химический состав

Свойства железной руды, ее ценность и характеристики напрямую зависят от ее химического состава. Железная руда может содержать различное количество железа и других примесей. В зависимости от этого выделяют ее несколько типов:

• очень богатые, когда содержание железа в рудах превышает 65%;
• богатые, процент железа в которой варьируется в диапазоне от 60% до 65%;
• средние, от 45% и выше;
• бедные, в которых процент полезных элементов не превышает 45%.

Чем больше побочных примесей в составе железной руды, тем больше необходимо энергии на ее переработку, и тем менее эффективным является производство готовой продукции.

Состав породы может представлять собой совокупность различных минералов, пустой породы и других побочных примесей, соотношение которых зависит от ее месторождения.

Пустая порода также может содержать железо, но ее переработка экономически не целесообразна. Наиболее часто встречающиеся минералы представляют собой оксиды, карбонаты и силикаты железа.

Следует отметить, что в составе железистых пород может содержаться огромное количество вредных веществ, среди которых можно выделить серу, мышьяк, фосфор и другие.

Типы железных руд

На сегодняшний день выделяется множество видов железных руд, характеристики и названия которых зависят от состава.

Наиболее часто в природе встречается такой вид, как красный железняк, в основе которого лежит оксид под названием гематит. Этот оксид содержит в составе количество железа, превышающее 70%, и минимальное количество побочных примесей.

Физическое состояние данного оксида может варьироваться от порошкообразного до плотного.

Бурый железняк представляет собой оксид железа с содержанием воды. Его очень часто называют лимонитом. В его составе значительно меньше железа, количество которого обычно не превышает четверти. В природе такой железняк содержится в виде рыхлой, пористой породы, со значительным содержанием марганца и фосфора. Обычно обильно насыщен влагой, имеет в качестве пустой породы глину. Из него очень часто делают чугун, несмотря на незначительную часть железа, так как он очень легко перерабатывается.

Магнитные руды отличаются тем, что в их основе заложен оксид, имеющий магнитные свойства, но при сильном нагреве они теряются. Количество этого типа породы в природе ограничено, но содержание железа в нем может не уступать красному железняку.  Внешне он выглядит как твердые кристаллы черно-синего цвета.

Шпатовый железняк представляет собой рудную породу, в основе которой лежит сидерит. Очень часто имеет в составе значительное количество глины. Этот тип породы относительно тяжело найти в природе, что на фоне малого количества содержимого железа делает его редко используемым. Поэтому отнести их к промышленным типам руд невозможно.

Кроме оксидов в природе содержаться другие руды на основе силикатов и карбонатов. Количество содержимого железа в породе очень важно для ее промышленного использования, но также важно наличие полезных побочных элементов, таких как никель, магний, и молибден.

Отрасли применения

Сфера применения железной руды практически полностью ограничена металлургией. Ее используют, в основном, для выплавки чугуна, который добывают с помощью мартеновских или конверторных печей. На сегодняшний день чугун используется в различных сферах жизнедеятельности человека, в том числе в большинстве видов промышленного производства.

Не в меньшей степени используются различные сплавы на основе железа – наиболее широкое применение обрела сталь благодаря своим прочностным и антикоррозийным свойствам.

Чугун, сталь и различные другие сплавы железа используются в:

1. Машиностроении, для производства различных станков и аппаратов.
2. Автомобилестроении, для изготовления двигателей, корпусов, рам, а также других узлов и деталей.
3. Военной и ракетной промышленности, при производстве спецтехники, оружия и ракет.
4. Строительстве, в качестве армирующего элемента или возведения несущих конструкций.
5. Легкой и пищевой промышлености, в качестве тары, производственных линий, различных агрегатов и аппаратов.
6. Добывающей промышленности, в качестве спецтехники и оборудования.

Месторождения железной руды

Мировые запасы железной руды ограничены в количестве и своем местоположении. Территории скопления запасов руд называют месторождениями. На сегодняшний день месторождения железных руд делят на:

1. Эндогенные. Они характеризуются особым расположением в земной коре, обычно в виде титаномагнетитовых руд. Формы и расположения таких вкраплений разнообразны, могут быть в форме линз, пластов, расположенных в земной коре в виде залежей, вулканообразовных залежей, в виде различных жил и других неправильных форм.
2. Экзогенные. К этому типу относятся залежи бурых железняков и других осадочных пород.
3. Метаморфогенные. К которым относятся залежи кварцитов.

Месторождения таких руд можно встретить на территории всей нашей планеты. Наибольшее количество залежей сконцентрировано на территории постсоветских республик. В особенности Украины, России и Казахстана.

Большие запасы железа имеют такие страны как Бразилия, Канада, Австралия, США, Индия и ЮАР. При этом практически в каждой стране на земном шаре имеются свои разрабатываемыми месторождения, в случае дефицита которых, порода импортируется из других стран.

Обогащения железных руд

Как было указано, существует несколько типов руд. Богатые можно перерабатывать непосредственно после извлечения из земной коры, другие необходимо обогатить. Кроме процесса обогащения, переработка руды включает в себя несколько этапов, таких как сортировка, дробление, сепарация и агломерация.

На сегодняшний день существует несколько основных способов обогащения:

1. Промывка.

Применяется для очистки руд от побочных примесей в виде глины или песка, вымывание которых проводят с помощью струй воды под высоким давлением. Такая операция позволяет увеличить количество содержимого железа в бедной руде примерно на 5%. Поэтому его используют только в комплексе с другими типами обогащения.

2. Гравитационная очистка.

Выполняется с помощью специальных типов суспензий, плотность которых превышает плотность пустой породы, но уступает плотности железа. Под воздействием гравитационных сил побочные компоненты поднимаются на верх, а железо опускается на низ суспензии.

3. Магнитная сепарация.

Наиболее распространенный способ обогащения, который основывается на различном уровне восприятия компонентами руды воздействия магнитных сил. Такую сепарацию могут проводить с сухой породой, мокрой, или в поочередном сочетании двух ее состояний.

Для переработки сухой и мокрой смеси используют специальные барабаны с электромагнитами.

4. Флотация.

Для этого метода раздробленную руду в виде пыли опускают в воду с добавлением специального вещества (флотационный реагент) и воздуха. Под действием реагента железо присоединяется к воздушным пузырькам и поднимается на поверхность воды, а пустая порода опускается на дно. Компоненты, содержащие железо, собираются с поверхности в виде пены.

  Помимо элементов, имеющих промышленное значение, в рудах нередко встречаются так называемые вредные примеси. Например, в железных рудах это сера и фосфор. Сера вызывает ломкость металла в горячем состоянии, фосфор — ломкость и хрупкость его в холодном состоянии. Повышенное содержание этих элементов в руде снижает ее качество. Раньше железные руды с высоким содержанием этих примесей не разрабатывались. В настоящее время железные руды с содержанием серы выше нормы подвергаются специальной предварительной обработке. Например, магнетитовые сернистые руды горы Магнитной предварительно обогащаются путем магнитной сепарации, в результате чего отделяются сульфиды, вместе с которыми выводится и сера; после этого концентрат из магнетита пригоден для нормальной плавки.

Фосфористые руды раньше также не использовались для плавки. В 1879 г. инженер Томас разработал метод плавки на основном поде, так называемый метод томасирования, позволивший из фосфорсодержащих чугунов выплавлять кондиционную сталь. Получаемый при этом так называемый томасов шлак — фосфористый продукт — идет на удобрение.

К числу нежелательных примесей в железных рудах относится цинк. Содержание цинка порядка 0,2% очень вредно потому, что цинк при плавке образует летучие соединения, которые разрушают кладку доменной печи. Нежелательной примесью такого же рода в железных рудах являются свинец и мышьяк.

Но в железных рудах присутствует и ряд ценных примесей. Полезной примесью является марганец, в тех или иных количествах содержащийся во всех железных рудах. Он улучшает свойства чугуна и стали — увеличивает их твердость и вязкость и парализует вредное влияние серы.

Ванадий — ценная примесь титаномагнетитовых руд и бурых железняков в осадочных месторождениях. Содержание его, изме­ряемое сотыми долями процента, уже является промышленным. Ванадийсодержащая сталь идет на изготовление ответственных частей авиационных и автомобильных моторов.

Никель содержится в составе силикатных минералов в месторождениях бурых железняков коры выветривания. Он легко восстанавливается и почти целиком переходит при плавке в чугун. Никель улучшает механические свойства металла и делает его более стойким по отношению к окислению. Содержание его в руде, измеряемое десятыми долями процента, является промышленным.

Полезными примесями в железных рудах являются кобальт, медь, титан и хром, однако содержание трех последних элементов не должно быть выше определенной нормы. Иногда в железных рудах (бурых железняках) встречается золото; если содержание последнего значительное, то руда добывается не на железо, а на золото.

Что касается руд цветных металлов, то в них при современной технологии производства почти не существует вредных примесей; все составляющие их компоненты могут быть использованы. Переработка руд с использованием всех составляющих их полезных элементов называется комплексной. Вопросу комплексного использования руд уделяется в настоящее время большое внимание как в СНГ, так и в зарубежных странах. Из руд колчеданных месторождений Урала, полиметаллических месторождений Алтая медно-никелевых месторождений Монче-Тундры и Норильска, золоторудных месторождений Урала, Сибири могут быть извлечены при комплексной переработке попутно с основными компонентами редкие металлы, рассеянные элементы, а также железо и сера в большом количестве.

Лекция 3 Критерии и методы определения температуры образования руд.

         Минералогические методы Знание температур образования минералов, горных пород и руд имеет большое значение для решения ряда геологических проблем и определения условий образования месторождений полезных ископаемых.

Известны многочисленные методы и критерии определения температур образования минералов и руд (Ингерсон, 1958). Рассмотрим некоторые из этих методов.

Точка плавления. Опыты по плавлению некоторых минералов позволяют установить максимальную температуру, при которой эти минералы могут кристаллизоваться. Например, температура плавления самородного висмута 271оС, сурьмяного блеска 546°С, реальгара 314°С. Естественно, что руды, состоящие из самородного висмута, не могут образоваться при температуре выше 271оС, или руда, представленная реальгаром, не может образоваться при температуре выше 314°С.

Температуры превращений. При нагревании некоторых минералов при определенной температуре наблюдается переход от одной кристаллографической модификации к другой. Например, существует две модификации кварца: альфа-кварц и бета-кварц, точка перехода для которых 575°С. Кристаллы альфа-кварца образуются при температуре выше 575°С; они имеют форму гексагональной бипирамиды. Кристаллы бета-кварца образуются при температуре ниже 575°С, они относятся к тригональной сингонии и представляют собой комбинацию удлиненной призмы с двумя ромбоэдрами.

Халькозин имеет также две модификации — гексагональную, образующуюся при температуре более 103°С, и ромбическую, образующуюся при температуре менее 103°С.

Распад твердых растворов. Определению температуры ─  рудообразования помогают наблюдения закономерных срастаний минералов, получающихся в результате распада твердых растворов. К ним относятся, например, решетчатые структуры магнетита и ильменита, для которых температура распада установлена в 700°С. Распад гематита и ильменита происходит при 675°С.

Пластинчатые срастания кубанита с халькопиритом образуются при температуре 450°С; эмульсионная структура сфалерита—халь­копирита — при температуре около 350°С. Температура распада решетчатой структуры борнита—халькопирита (А. А. Филимо­нова, 1952 г.) —270°С. Эти температуры распада твердых раство­ров, установленные экспериментальным путем, не являются строго постоянными, они колеблются в некоторых пределах в зависимости от состава руды.

Изменение физических свойств минералов. Известны минералы, которые при определенных температурах изменяют свои физические свойства. Например, плеохроичные кольца в слюде пропадают при 480°С. При нагревании флюоритов происходит их обесцвечивание при следующих температурах: зеленого 250°С, дымчатого 290°С, светло-голубого 320°С, фиолетового 400°С. Обесцвечивание желтого кальцита происходит при 200°С, голубого кальцита при 315°С, дымчатого кварца при 240°С и т. д.

Приведенные данные указывают предельную температуру, при которой может существовать минерал соответствующей окраски.

Ассоциации минералов в рудах. В зависимости от температуры образования характерных минералов — геологических термометров — можно разделить руды постмагматических месторождений на три группы.

Высокотемпературные минералы (выше 300°С): магнетит, гематит, молибденит, висмутовый блеск, пирротин, пентландит, вольфрамит, кубанит, касситерит, гранат, пироксен, амфибол, топаз.

Среднетемпературные минералы (300—200°С): халькопирит; сфалерит, галенит, теннантит, тетраэдрит, кварц, хлорит, серицит, барит, кальцит, доломит.

Низкотемпературные минералы (ниже 200°С): стибнит, реальгар, аурипигмент, киноварь, теллуриды, серебро, селениды, аргентит, прустит, стефанит, пираргирит, марказит, мельниковит, адуляр, халцедон, опал.

Следует заметить, что одного минерала недостаточно для суждения о температуре образования руды, но парагенетическая ассоциация нескольких минералов является уже достаточно убедительной. С помощью минералогических методов можно лишь приблизительно определить температуру образования руд. Для более точной температурной градуировки процессов рудообразования большое значение имеет изучение газово-жидких включений в минералах.

Использование газово-жидких включений в минералах Изучая жидкие и газовые включения в минералах с учетом геологических данных, можно определить температуру и давление, при которых происходило образование минералов, химический состав и некоторые физические свойства минералообразующих растворов, их агрегатное состояние, последовательность циркуляции растворов и вообще получить ценные данные в отношении генезиса месторождений. Однако не следует переоценивать значение метода, так как жидкости, сохранившиеся в минералах в. виде включений, не представляют исходных материнских растворов, а являются лишь остаточными, конечными растворами. Это не истинная среда минералообразования, как отмечает А. Г. Бетехтин.

Определение температуры по газово-жидким включениям производится следующим образом. Выпиливается и отполировывается тонкая пластинка из минерала, содержащего жидкие включения. Пластинка, вложенная в особый прибор (термокамера), помещается на столик микроскопа или бинокулярной лупы и подвергается медленному нагреванию до момента исчезновения газовых пузырьков. Температура, при которой произойдет гомогенизация включения, т. е. исчезновение газовых пузырьков в жидких включениях, и должна отвечать температуре образования данного минерала.

По Н. П. Ермакову (1950), наиболее вероятный процесс образования газовых пузырьков и причины их исчезновения следующие. Объем маточного гидротермального раствора, заполнившего образованные в процессе кристаллизации поры, при охлаждении должен сократиться больше, чем объем самих пор. Вследствие разницы в объемах капельки жидкости и вмещающей поры в твердом минерале при охлаждении создается вакуум, быстро заполняющийся парами жидкости, образующей пузырек. Чем больше была нагрета жидкость, тем сильнее сократится ее объем и тем большие размеры должен иметь пузырек газа (пара) в поре.

Искусственное нагревание кристалла приводит к увеличению его объема и объема находящихся в нем пор. Однако маточная жидкость в порах увеличивается в объеме несравнимо больше, чем сами поры. Это вызывает постепенное уменьшение размеров газовых пузырьков, увеличение в них давления и конденсацию пара. Когда объем капельки жидкости и объем вмещающей ее поры станут равными, пузырек газа исчезнет, и этот момент гомогенизации включения фиксирует температуру маточного раствора, захваченного минералом

Температура гомогенизации газово-жидких включений принимается как минимальная температура кристаллизации минерала. Для месторождений малых и средних глубин, в которых начальное внешнее давление значительно не превышает внутреннее дав­ление раствора, полученные данные близки к истинной темпера­туре кристаллизации минерала. Для месторождений больших глубин, в которых внешнее давление велико, для определения истинной температуры минералообразования приходится вводить поправку на давление и концентрацию раствора.

Температура гомогенизации, полученная экспериментально, всегда несколько ниже истинной вследствие влияния высоких концентраций легкорастворимых солей и значительных давлений, существовавших на глубине. Так, например, для высокотемпературных кварцев Памира, жидкие включения которых в момент гомогенизации содержали 25—45% солей, температура гомогени зации, измеренная А. И. Захарченко (1955), 380—420°С. Затем он ввел поправку по кривым Е. Ингерсона и установил, что темпе ратура формирования высокотемпературных кварцев 400—550СС

                               а     б

Рис. 1. Жидкие включения в минералах. По Н. П. Ермакову

а — содержащие газовые пузырьки, наблюдаемые до нагревания минерала, б —  лишенные газовых пузырьков, которые исчезли при нагревании в момент достижения температур образования минерала

Описанный выше метод позволяет определять температур кристаллизации  гидротермальных минералов, но не верхний тем пературный предел образования руды твердое вещество. Это обычно кристаллики галита, карбонатов, сильвина, гематита, альбита и других минералов.