Основные минералы и характеристика железных руд

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 Fe₃O₄ – гематитом. Красный железняк является самым распространенным видом руды, обычно характеризуется высоким содержанием железа (до 55-58%) и низким содержанием вредных примесей. Месторождения красных железняков обычно экзогенного либо метаморфогенного происхождения.

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. При воздействии влаги и кислорода атмосферы на верхние слои месторождения сидериты могут преобразовываться в бурые железняки, так как оксид железа (II) в молекуле FeO·CO₂ окисляется и поглощает влагу.

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.

Пустой породой железных руд называются балластные соединения, не содержащие железо. Указанные выше рудные минералы в чистом виде практически не встречаются, они всегда сопровождаются большим или меньшим количеством пустой породы, которая может органически входить в структуру руды или примешиваться в процессе добычи. Количественное соотношение рудного минерала и пустой породы, прежде всего, определяет богатство руды.

Пустая порода железных руд состоит из различных сложных минералов, компонентами которых являются: кремнезем SiO₂, глинозем А1₂О₃, известь СаО и оксид магния MgO. Это минералы кварц, сложные алюмосиликаты, гранаты, пироксены, кальцит и т.д. Однако металлургов интересует, главным образом, состав породы, а не ее минералогические составляющие. 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.

Часто пользуются упрощенным показателем основности

.

Значение этого показателя должно находиться в пределах 0, 9-1, 3.

Если состав пустой породы не соответствует этому отношению, то его необходимо создать, добавляя либо основные, либо кислотные оксиды. Но так как в подавляющем большинстве случаев в пустой породе руд преобладают 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. Эти примеси могут быть и полезными, и вредными.

Полезными примесями являются Мn, Сг, Ni, V, W, Mo и другие элементы. Полезность их определяется, главным образом, влиянием на качество получаемой стали. Наиболее распространенная примесь – марганец, в химическом отношении – аналог железа. В обычных условиях плавки марганец вводится в чугун с марганцевой рудой, подаваемой в аглошихту. Наличие марганца в железной руде позволяет избежать расходов на марганцевую руду и снизить себестоимость чугуна.

Хром и никель являются ценными легирующими элементами, переходящими в чугун, а затем и в сталь и улучшающими ее качество. Они позволяют снизить расход дорогостоящих феррохрома и ферроникеля. Содержание хрома и никеля в рудах обычно небольшое и составляет от десятых долей процента до нескольких процентов.

Ванадий в значительных количествах обычно содержится только в титаномагнетитах. При доменной плавке часть ванадия переходит в шлак, из которого затем извлекается по специальной технологии.

Вольфрам и молибден являются полезными примесями, однако в рудах встречаются крайне редко.

Вредными примесями железных руд являются S, P, As, Zn и Pb.

Сера вызывает снижение прочности стали при повышенных, температурах (свойство «красноломкости») и поэтому во всех случаях является вредной примесью. По действующим стандартам, содержание ее в передельном чугуне не должно превышать 0, 015–0, 030 %. Хотя основное количество серы в доменную печь вносится с коксом, иногда ее много содержится и в руде. Наиболее часто сера встречается в магнетитах, где содержание ее не должно превышать 0, 2%. Если же руда подвергается агломерации, то этот предел может быть повышен до 2%. Это объясняется тем, что при агломерации с газами удаляется до 95% всей серы. Поэтому использование серосодержащих руд без агломерации практически невозможно.

Поступающая в доменную печь сера распределяется между газом, чугуном и шлаком, однако основное количество ее переходит в шлак. В рудах сера находится в виде сульфидов FeS₂, сульфатов CaSO₄, BaSO₄ и др. Сульфатная сера переходит в металл интенсивнее, чем сульфидная.

Фосфор вредно влияет на качество стали, снижает ее прочность при низких температурах (придает свойство «хладноломкости») и поэтому в большинстве случаев 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. Поэтому содержание его в рудах должно быть низким и составлять сотые доли процента.

В некоторых случаях повышенное содержание фосфора в чугуне не только допустимо, но и необходимо. Так, кислородные конвертеры могут перерабатывать чугуны с повышенным содержанием фосфора. Вторым исключением является выплавка литейных чугунов, фосфористые сорта которых могут содержать 0, 3–0, 7% и даже до 1, 2% фосфора. Фосфористые чугуны обладают высокой текучестью и хорошо заполняют форму.

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 рудам. Основными требованиями к качеству железных руд являются: высокое содержание железа; минимальное содержание вредных примесей; высокое содержание основных оксидов в пустой породе (самоплавкая пустая порода); постоянство химического состава; высокая восстановимость.

Контрольные вопросы