Железо

Свойства

В земной коре железо встречается в основном в виде минералов оксида железа, таких как гематит, магнетит, гетит и лимонит. Минералы, которые в основном используются в качестве руды для производства железа, - это гематит (Fe₂O₃) и магнетит (Fe₃O₄). Железо довольно мягкое и легко поддается обработке, но у него очень высокая температура плавления - 1538°C. Железо и некоторые сплавы железа также обладают магнитными свойствами.

Железо примерно в восемь раз тяжелее воды (его относительная плотность равна 7,87). Когда железо подвергается воздействию воздуха, оно снова начинает превращаться в оксид железа, и на поверхности железа образуется красный порошок, который мы называем ржавчиной. Возможно, вы видели ржавчину на старых автомобилях или в старых железных сараях. Чтобы сделать железо более прочным и менее подверженным коррозии, его можно смешивать с углеродом и другими элементами для получения стали. Сталь - один из самых перерабатываемых продуктов в мире, и около 60% стали, доступной для вторичной переработки, используется для производства новой стали.

Использует

Около 98% мировой добычи железной руды используется для производства чугуна в виде стали. Чугун в литом виде имеет множество специфических применений (например, трубы, фитинги, блоки двигателей), но чистое железо довольно мягкое. Добавление небольшого количества углерода (обычно менее 1%) превращает железо в сталь, которая значительно тверже и чрезвычайно универсальна. Существует много различных видов стали, получаемых путем добавления углерода наряду с другими элементами, такими как хром, марганец, никель, молибден, для получения различных сплавов с различными свойствами (например, нержавеющая сталь). Изменяя пропорции этих дополнительных элементов, можно получать сталь, пригодную для широкого спектра применений. В таблице ниже приведены особые свойства и области применения некоторых соединений железа.

Желательные свойства стали и ее относительно низкая стоимость делают ее основным конструкционным металлом в инженерных и строительных проектах, на долю которого приходится около 90% всего используемого металла в год. Около 60% продукции из чугуна и стали используется на транспорте и в строительстве, 20% - в машиностроении, а остальная часть используется в консервных банках и контейнерах (в нефтяной и газовой промышленности) и в различных приборах и другом оборудовании, см. таблицу ниже для дальнейшего использования чугуна и стали.

История

Железо - один из древнейших металлов, известных человеку. Человек эпохи палеолита использовал гематит мелкого помола в качестве краски для тела. Около 4000 г. до н.э. египтяне и шумеры впервые использовали железо из метеоритов для изготовления бус, украшений, оружия и инструментов. Хронология железного века варьировалась в географическом отношении; например, хетты ковали железо (они нагревали его, затем ковали молотком, а затем быстро охлаждали, чтобы получить железо, которое было тверже бронзы, которой люди пользовались раньше) примерно в период 1300-1100 гг. до н.э., и аналогично, согласно Тевари (2003). Археологические данные свидетельствуют о том, что обработка железа в Индии происходила примерно с 1800 по 1000 год до нашей эры. Во времена Римской империи железо использовалось для изготовления кроватей, ворот, колесниц, гвоздей, пил, топоров, копий, рыболовных крючков и инструментов для заточки. В средние века, с появлением железных пушек и пушечных ядер, потребление железа возросло, и оно обогнало медь и бронзу как наиболее широко используемый металл. В конце 19-го века началась эпоха стали, когда деревянные корабли уступили место стальным, на заводах появились машины, а железная дорога была изобретена. Железо является неотъемлемой частью современной цивилизации, и люди научились использовать его более 3000 лет. Однако его использование получило широкое распространение только в 14 веке, когда плавильные печи (предшественницы доменных печей) начали заменять кузницы.

Образование

Железные руды - это горные породы, из которых можно экономически выгодно извлекать металлическое железо. Большинство месторождений железной руды в мире находятся в горных породах, известных как полосчатые железистые образования (BIF). Это осадочные породы, которые состоят из чередующихся слоев богатых железом минералов и мелкозернистой кремнеземистой породы, называемой кремнеземом.

Многие из добываемых сегодня железистых пластов образовались миллионы лет назад. Около 3000 миллионов лет назад в океанах не было кислорода или его было очень мало. Однако в океанах было много растворенного кремнезема, который образовался в результате выветривания горных пород. Время от времени этот кремнезем выпадал в осадок из морской воды в виде слоев кремнеземного желе, которое медленно затвердевало, превращаясь в породу, которую мы называем кремнеземом. Растворимый оксид железа также образовывался в результате выветривания горных пород и также смывался реками в море.

Около 2500 миллионов лет назад океаны были населены бактериями, которые развили способность к фотосинтезу и производству кислорода. Во время сезонного "цветения" в морскую воду поступало огромное количество кислорода, который вступал в реакцию с растворимым оксидом железа, образуя нерастворимый оксид железа. Это вещество выпало в осадок из раствора в виде минералов магнетита и гематита, образующих слои железа среди других слоев отложений на морском дне.

На протяжении многих миллионов лет эти процессы осаждения кремнезема и оксида железа повторялись снова и снова, в результате чего образовались чередующиеся слои кремнезема, гематита и магнетита. Название "полосчатое образование железа" происходит от характерной окраски этих огромных залежей. Этот процесс продолжался почти миллиард лет и в конечном итоге привел к накоплению кислорода в атмосфере.

Ресурсы

Большая часть важных мировых запасов железной руды залегает в железистых пластах, возраст которых почти исключительно составляет докембрийский период (т.е. превышает 541 миллион лет). БИФЫ встречаются на всех континентах.

Железо было первым металлом, который был обнаружен в Австралии исследователем Эдвардом Джоном Эйром в горах Миддлбэк в Южной Австралии. Хотя запасы железной руды имеются во всех австралийских штатах и территориях, почти 90% выявленных запасов приходится на Западную Австралию, в том числе почти 80% - на провинцию Хамерсли, один из крупнейших в мире регионов по добыче железной руды. Австралия является одним из крупнейших производителей железной руды в мире, а железная руда является основой для одной из основных экспортных отраслей Австралии.

В горах Хамерсли в округе Пилбара в Западной Австралии есть три основных типа месторождений железа: обогащение оксидом железа в пределах горных выработок, таких как гора Том Прайс; отложения оксидов железа вдоль древних речных каналов, в основном третичного периода (палеоканалы); и отложения оксида железа, образовавшиеся в результате эрозии существующих рудных тел (обломочная железная руда депозиты).

Месторождения обогащения BIF, включающие гематит и гематит-гетит, являются наиболее важными с точки зрения ресурсов и производства. Содержание железа в этих рудах сильно варьируется, и до недавнего времени для коммерческой рентабельности добычи на большинстве месторождений требовалось содержание железа в среднем более 60%. Однако в настоящее время некоторые месторождения могут содержать от 56% до 59% железа и быть коммерчески выгодными. Месторождения, обогащенные BIF, находятся в Западной Австралии в Пилбаре (например, Ярри), в блоке Йилгарн (например, Коляноббинг) и в Южной Австралии (например, Айрон-Дьюк, Миддлбэк-Рейндж). Залежи палеоканала, состоящие из пизолитового лимонита, являются следующими по значимости и ценятся за низкое содержание примесей, таких как фосфор. Они не так богаты железом, как руды обогащения BIF. Добываемые руды обычно содержат 57-59% железа. Залежи обломочной железной руды находятся ниже по склону от месторождений обогащения BIF, из которых она была извлечена. Обычно они легко извлекаются и содержат от 40 до 55% железа.

Добыча полезных ископаемых

Большинство добываемых сегодня железных руд содержат минералы оксида железа гематит, Fe₂O₃(70% Fe); гетит, Fe₂O₃щ₂O, (63% Fe); лимонит, смесь гидратированных оксидов железа (до 60% Fe); и магнетит, Fe₃O₄(72% железа). Как и на большинстве железорудных рудников по всему миру, все крупные рудники Австралии разрабатываются открытым способом. Железорудносодержащая порода сначала взрывается и извлекается из карьеров открытым способом. Руда с крупных рудников в регионе Пилбара в Западной Австралии доставляется из забоев на дробильно-сортировочные установки с помощью грузовиков грузоподъемностью более 300 тонн. В Пилбаре есть три крупных производителя железной руды: BHP Billiton Ltd (БХП), Rio Tinto Ltd (Рио) и Fortescue Metals Group Ltd (FMG).

Обработка

Переработка гематитовой и магнетитовой руды включает дробление, сортировку и измельчение для получения кусков гематита и мелкой фракции. Дальнейшая переработка магнетитовой руды осуществляется с помощью магнитной сепарации, которая является важным процессом для производства магнетитового железного концентрата.

Обогащение включает в себя все процессы, которые повышают содержание железа в руде за счет удаления примесей. Обогащение, несколько более широкий термин, включает в себя эти процессы, а также те, которые делают руду более пригодной для использования за счет улучшения ее физических свойств (например, гранулирование и спекание). Многие железорудные рудники используют ту или иную форму обогащения для улучшения качества и свойств своей продукции. На многих действующих рудниках, включая Маунт-Том-Прайс, Парабурду, Маунт-Уэйлбэк и Кристмас-Крик, были построены обогатительные фабрики, позволяющие обогащать низкосортные железные руды, в том числе руды, загрязненные сланцем, для последующей добычи и, после модернизации, продажи в виде высококачественной продукции.

Гранулирование - это процесс переработки очень мелкой или порошкообразной руды. Гранулы являются идеальным сырьем для доменных печей, поскольку они твердые, имеют правильный размер и форму. В Австралии концентраты, добываемые на месторождении Сэвидж-Ривер, окомковываются в Порт-Латте для отправки на внутренний и зарубежный рынки, а мелкодисперсная руда среднего класса окомковывается перед плавкой в доменной печи Whyalla.

Спекание - это процесс, используемый для агломерации мелкой фракции железной руды при подготовке к доменной плавке и обычно выполняемый на металлургических предприятиях. Он включает в себя добавление измельченного известняка, кокса и других добавок, которые можно получить при выплавке чугуна и стали. Эти добавки включают отходы, выделяющиеся из выхлопных газов печей, окалину, образующуюся при работе прокатного стана, и мелкую фракцию кокса, образующуюся при просеивании кокса.

Чугун является промежуточным звеном в производстве стали и производится путем выплавки железной руды (обычно в виде кусков, окатышей или агломерата) в доменных печах. Доменные печи в Австралии расположены в Порт-Кембле и Уайалле. Удаление путем окисления примесей из чугуна, таких как кремний, фосфор и сера, и снижение содержания углерода, приводит к получению стали.

Добавление таких металлов, как никель, хром, марганец или титан, придает стали особые свойства, такие как электрическое сопротивление и устойчивость к износу, ржавчине, ударам и растяжению при нагревании.Охлажденная сталь приобретает форму и может быть покрыта оловом, цинком или краской для защиты от коррозии, что позволяет создавать такие продукты, как цинкалюм и Колорбонд.

Рекомендации

Железный век, глава 5.

Тевари, Ракеш (2003)."Истоки обработки железа в Индии: новые свидетельства из Центральной равнины Ганга и Восточных Виндхий"(PDF). Древность. 77: 536—545.

Дополнительная информация

• Дополнительная информация о ресурсах и производстве