Общая характеристика железных руд

 

Железо является достаточно распространенным в природе элементом, его содержание в земной коре составляет 4,2%. Больше содержится в ней только кислорода (49,7%), кремния (26%) и алюминия (7,45%).

Рудными ископаемыми, или рудами, называются такие минеральные массы (горные породы), из которых экономически целесообразно извлечение металла или необходимого элемента. В соответствии с этим железными рудами называются горные породы, из которых экономически целесообразно выплавлять железо.

Промышленным месторождением руд считается такое скопление руд, которое экономически целесообразно разрабатывать. Опыт показывает, что эксплуатация железорудного месторождения целесообразна и имеет перспективу при запасах около 250–500 млн. т.

Руда состоит из рудного (рудообразующего) минерала, пустой породы и примесей. Извлекаемый элемент находится в рудном минерале.

Рудные минералы железных руд представляют собой оксиды, карбонаты железа и некоторые другие соединения.

Железные руды представляют собой полиминеральную горную породу, содержащую рудные минералы, представленные в виде оксидов, реже карбонатов или силикатов и пустую породу. Различают следующие минералогические типы железных руд.

1. Красный железняк – руда, образованная безводным оксидом железа Fe₂O₃ – гематитом. Красный железняк является самым распространенным видом руды, обычно характеризуется высоким содержанием железа (до 55-58%) и низким содержанием вредных примесей.

2. Бурый железняк – руда, образованная водными оксидами железа Fe₂O₃·nH₂O.

Выделяют следующие водные оксиды железа: n < 0,5 – гидрогематит, n = 0,5 – турьит, n = 1,0 – гётит, n = 1,3 – гидрогётит, n = 1,5 – лимонит, n = 2,0 – ксантосидерит, n = 3,0 – лимнит.

Бурые железняки содержат до 40% железа, обладают высокой пористостью и восстановимостью, имеют обычно осадочное происхождение.

3. Магнитный железняк – руда, образованная магнитным оксидом железа Fe₃O₄ – магнетитом (содержание железа 30-50% и серы до 4,0%). Они, как правило, магматогенного происхождения. От других железосодержащих минералов отличается магнитными свойствами, что позволяет ее эффективно обогащать магнитной сепарацией.

Магнетит представляет собой изоморфную смесь оксидов железа (FeO·Fe₂O₃). Под действием влаги и кислорода атмосферы он окисляется по реакции FeO + O₂ → 2Fe₂O₃, т.е. переходит в оксид железа (III), но с кристаллической решеткой магнетита – мартит. Степень перехода магнетита в мартит определяют отношением общего содержания железа в руде к железу, находящемуся в виде FeO:

 

.

 

В зависимости от величины коэффициента k образуются минералы со следующими названиями: k < 3,5 – магнетит, k = 3,5–7,5 – полумартит, k > 7,5 – мартит.

4. Сидеритовая руда (шпатовый железняк) - образована карбонатом железа – сидеритом FeСО₃. Имеет осадочное или гидротермальное происхождение, характеризуется низким содержанием железа (28–35%) и высокой восстановимостью.

5. Ильменит FeTiO₃ – титанат железа. Эти руды магматического происхождения называются титаномагнетитовыми.

Практически не встречаются железные руды, в которых все железо находилось бы в виде одного соединения (оксида или карбоната). Даже в самом «чистом» красном железняке есть незначительное количество оксида FeO, поэтому при определении минералогического типа следует исходить из содержания преобладающего оксида.

Для определения минералогического типа руды достаточно знать общее содержание в руде железа, оксида FeO и потерь при прокаливании (п.п.п.). Если в руде содержится мало FeO (до 5%) т.е. основная масса железа находится в виде Fe₂O₃ и потери при прокаливании невелики (до 5%), то это – красный железняк.

В магнитных железняках, а также в окисленных видах магнетита – мартитах и полумартитах потери при прокаливании тоже малы, но значительно содержание FeO (5-20%), так как Fe₃O₄ является изоморфной смесью оксидов (FeO·Fe₂O₃).

Степень окисленности определяется по отношению общего содержания железа в руде к железу, содержащемуся в виде FeО. Значительные потери при прокаливании имеют бурые железняки и сидериты. В первом случае потери при прокаливании – это гидратная влага, во втором – двуокись углерода, выделяющаяся при разложении карбоната железа (FeCO₃ ® FeO + CO₂).

Таким образом, если основная масса железа находится в виде Fe₂О₃ и потери при прокаливании составляют 8-15%, то это – бурый железняк, а если основная масса железа представлена в виде FeО и потери при прокаливании составляют 20-30% – сидерит.

Пустая порода.

Пустой породойжелезных руд называются балластные соединения, не содержащие железо, она состоит из различных сложных минералов, компонентами которых являются: кремнезем SiO₂, глинозем А1₂О₃, известь СаО и оксид магния MgO. Это минералы кварца, сложные алюмосиликаты, гранаты, пироксены, кальцит и т.д. В идеальном случае порода при расплавлении должна образовывать готовый шлак. Нормальный доменный шлак характеризуется соотношением основных (СаО, MgO) и кислых (SiO₂, Al₂O₃) оксидов в шлаке:

 

.

 

Это отношение называется основностью шлака и является оптимальным при значениях 0,8-1,2.

Так как в подавляющем большинстве случаев в пустой породе руд преобладают оксиды SiO₂ и А1₂О₃, то в доменную печь необходимо добавлять СаО и MgO в виде кускового известняка или дробленный известняк, известь непосредственно в агломерационную шихту на аглофабрике.

Наиболее ценной является самоплавкая руда,имеющая основность пустой породы около 1,0.

В железных рудах всегда есть некоторое количество примесей, они могут быть и полезными, и вредными.

Полезными примесямиявляются: Мn, Сг, Ni, V, W, Mo и другие элементы.

Вредными примесямижелезных руд являются S, P, As, Zn и Pb.

Сера вызывает снижение прочности стали при повышенных, температурах (свойство «красноломкости») и поэтому является вредной примесью.

Фосфор вредно влияет на качество стали, снижает ее прочность при низких температурах – увеличивает хладноломкость и поэтому является вредной примесью. В рудах он содержится в виде апатита Ca₅(Fe, Сl)(РО₄)₃ и вивианита Fe₃(PO₄)₂∙8Н₂О. В доменной печи фосфор восстанавливается из соединений, полностью переходит в чугун, а затем частично и в сталь.

Мышьяк в химическом отношении аналогичен фосфору, и действие его на качество стали примерно такое же. Во всех случаях примесь мышьяка в рудах вредна. В доменной печи мышьяк полностью восстанавливается из соединений и переходит в чугун. В рудах находится в виде FeAsS, при агломерации практически не удаляется.

Цинк является вредной примесью, хотя и не переходит в чугун. Он конденсируется в кладке верха печи и вызывает ее расширение. Это приводит к разрыву верхней части кожуха печи, разрушению кладки.

Свинец также является вредной примесью. Скапливаясь в горне печи, он разрушает кладку.

Для получения высоких технико-экономических показателей работы доменных печей железорудные материалы шихты (железные руды, агломераты, окатыши) должны отвечать определенным требованиям к химическому составу, физико-химическим и физическим свойствам.

Требования к железным руда: высокое содержание железа; минимальное содержание вредных примесей; высокое содержание основных оксидов в пустой породе (самоплавкая пустая порода); постоянство химического состава; высокая восстановимость; высокая газопроницаемость насыпной массы, т.е. кусковатость, прочность, отсутствие мелких фракций. Требования высокой восстановимости и газопроницаемости не относятся к рудам, направляемым на обогащение и окускование.