Для производства чёрных и цветных металлов применяют различные сырые материалы (полезные ископаемые) или специально приготовленные материалы, а также отходы металлургического производства. Понятие "полезные ископаемые" применительно к железосодержащим ископаемым.
К сырым материалам металлургического производства, прежде всего, относят руды, топливо и флюсы. Руда представляет собой полезное ископаемое, добываемое из недр земли. Это горная порода или минеральное вещество, из которого извлекают металлы или их соединения.
Руды обычно называют по одному или нескольким металлам, содержащимся в них, например железные, медные, алюминиевые и марганцевые или медно-никелевые, медно-кобальтоникелевые и другие.
Руды приходится специально подготавливать: дробить; обогащать; окусковывать и усреднять.
Железными рудами следует называть горные породы, из которых извлекают железо. Железо является распространённым элементом в природе. По распространению в земной коре оно занимает четвёртое место (4,2%) после кислорода (49,7%), кремния (26%) и алюминия (7,45%). Железо, как составная часть, входит почти во все горные породы, однако многие нельзя считать рудами.
Железо, как известно, обладает сравнительно большим сродством к кислороду и потому в земной коре не обнаруживается в самородном виде, а находится главным образом в соединениях с кислородом и двуокисью углерода.
На практике приходится иметь дело с магнитной окисью железа (72,4% Fe), безводной окисью железа (70% Fe) и водной окисью железа с различным количеством адсорбированной воды (52,3 - 62,9% Fe). Соединение железа с двуокисью углерода - это карбонат железа (48,3% Fe).
Магнитная окись железа в рудах представлена минералом магнетитом. Руду, содержащую в основном магнетит, называют магнитным железняком или магнетитовой рудой. Магнетит можно рассматривать как закись-окись железа, содержащую 31,4% закиси железа и 68,96% окиси железа, то есть в нём содержится 24,3% двухвалентного железа.
|
|
Магнетит под действием влаги и кислорода атмосферы окисляется. Закись железа в молекуле реагирует с кислородом воздуха, переходит в безводную окись железа. Образовавшийся минерал по своему химическому составу является гематитом, однако из-за отличия в кристаллической решётке называется мартитом. Таким образом, в природных условиях магнетит в той или иной степени окислён. Для характеристики окисленности магнетита принято пользоваться отношением Feобщ/FeFeO. В чистом магнетите это отношение равно 72,4: 24,3, ≈ 3,0, а в мартите оно бесконечно велико. Обычно к магнитным железнякам относят руды, в которых это отношение меньше 3,5. при отношении, равном 3,5 - 7,0, руды относят к полумартитам, а при отношении, большем 7, - к мартитам.
Магнетит характеризуется высокой магнитной восприимчивостью, и поэтому магнитные железняки пригодны для электромагнитного обогащения, являющегося одним из наиболее эффективных и распространённых способом обогащения железных руд.
Магнитный железняк обычно представлен крепкими, плотными кусковыми рудами с мелкокристаллическим строением. Он содержит обычно 55 - 60% Fe, 0,02 - 2,5% S, 0,02 - 0,7% P и чаще всего кислую пустую породу.
Безводная окись железа представлена в рудах минералом гематитом. Руды, содержащие в основном гематит, относят обычно к красным железнякам или гематитовым рудам. Красный железняк - это продукт выветривания магнитных железняков, то есть в значительной мере окисленный магнетит. В нём обычно содержится от 1 до 8% магнетита.
|
|
Красный железняк, применяемый в металлургии, содержит обычно 55 - 60% Fe, а некоторые разновидности - до 69,5% Fe. В ряде случаев в рудах содержится мало серы и фосфора. Руды различают по физическим свойствам. Они бывают кусковые, а иногда пылевидные. Цвет красных железняков колеблется от красного да светло-серого и даже чёрного, но на фарфоровой пластинке красный железняк всегда даёт красную черту. Пустая порода таких руд обычно состоит из SiO2 и Al2O3.
Наиболее крупные месторождения красного железняка в нашей стране - Криворожское, Курская магнитная аномалия, Атасуйское и Ангаро-Питское.
Водная окись железа представлена в рудах главным образом минералами лимонитом 2Fe2O3 ∙ 3H2O и гетитом Fe2O3 ∙ H2O. Руды, содержащие в основном эти минералы, называют бурыми железняками. Бурый железняк образуется при выветривании и окислении железных руд других типов. Обычно бурый железняк смешан с глиной или кварцем.
В добываемых рудах содержится 37 - 55%, а чаще 37 - 40% Fe. Они характеризуются повышенным содержанием фосфора (0,5 - 1,5%), иногда в них присутствует в небольшом количестве ванадий (0,03 - 0,06%).
Бурый железняк наиболее распространён в земной коре. Обычно он беден и влажен, к тому же трудно поддаётся обогащению, поэтому его используют сравнительно в небольшом количестве.
Карбонат железа представлен в руде минералом сидеритом. Руды, содержащие в основном сидерит, называют шпатовыми железняками. Они обычно встречаются в виде плотных и крепких горных пород или глинистых железняков. В шпатовых железняках содержится 30 - 40% железа. Сидерит рекомендуется обжигать или спекать. После обжига сидерит становится пористым и малопрочным. Месторождения шпатовых железняков довольно широко распространены и встречаются в разных странах.
|
|
Кроме различных соединений железа, в рудах присутствуют разные примеси (тоже в виде соединений), которые в зависимости от вида плавки могут быть полезными и вредными.
К вредным примесям относят серу, цинк и мышьяк. Сера вызывает красноломкость стали, а процесс её удаления в доменном и сталеплавильном производствах связан с ухудшением технико-экономических показателей. Правда, серу можно легко удалить из руд окислительным обжигом и агломерацией.
Цинк, хотя и не переходит в чугун, но возгоняется и, проникая в швы кладки, приводит к её росту и разрыву металлического кожуха доменной печи.
Небольшое количество мышьяка можно удалить из руды при агломерации или лучше при специальном обжиге руды, а при доменной и сталеплавильной плавках он переходит в металл. Мышьяк придаёт стали хладноломкость и ухудшает её свариваемость.
Такие примеси, как фосфор, никель, хром и медь, являются полезными при выплавке чугуна некоторых марок, в остальных же случаях их, особенно фосфор и медь, относят к вредным примесям. Фосфор вызывает хладноломкость стали, его необходимо удалять при переработке чугуна в сталеплавильных печах.
Ванадий и титан - полезные примеси.
Пустая порода руд в основном состоит из SiO2, Al2O3, CaO и MgO, которые обычно находятся в виде различных соединений. Для доменной плавки желательно, чтобы отношение (СаО + MgO)/ (SiO2 + Al2O3) ≈ 1. В этом случае не требуются флюсы. Такую руду называют самоплавкой, однако встречается она очень редко. Чаще всего указанное отношение значительно меньше 1, то есть пустая порода руд является кислой.
Литература
В. Г. Воскобойников, В. А. Кудрин, А. М. Якушев - "Общая металлургия", 1979