Из чего состоят рудные полезные ископаемые
Нельзя представить жизнь человека без металлических предметов – техника, посуда, здания, все это изготовлено благодаря постоянному производству. Но где этот процесс берет свое начало? Изначально, для получения сырья, используются минеральные руды, которые добываются в карьерах и шахтах.
Руда – это минеральные ресурсы, которые имеют в составе большое количество металлов. Из нее выплавляют сплавы, которые в дальнейшем используются в производстве. Внешним видом они напоминают камни, на которых есть блестящие вкрапления. Некоторые люди даже не догадываются, как выглядит стальная ложка, прежде чем она попадает в плавильные печи для переработки руды. Полезные ископаемые залегают глубоко под землей, поэтому их добывают шахтным и карьерным способом.
Какие существуют виды рудных ископаемых
В мире насчитывается более 200 категорий металлической руды, по типу превалирующего компонента, но ученые выделили обширную классификацию. Она меньше, поэтому пользоваться ей намного удобнее.
Стандартная классификация видов металлических руд, которая общепринята всеми странами выглядит так:
- Черные
- Цветные
- Драгоценные
- Редкие
Еще есть классификация по насыщенности – богатые и бедные. Она считается по количеству металлической части в руде. В железной – богатые от 50%, бедные от 20%. Цветные металлы добывать намного сложнее, а богатыми породы считаются от 6%. Бедные полезные ископаемые относятся к нерудным, ведь порода может оказаться источником силикатов, кремния или серы.
Цветная металлургия – одна из самых опасных для экологии Земли. Во время производства в воздух выбрасывается огромное количество вредных химических веществ, поэтому такие предприятия располагаются в дали от городов.
Железная руда – основа основ
Железная руда – это горная или вулканическая порода, которая имеет в своем составе большое количество метала, а ее переработка на производстве выгодна. Другими словами, если в камне меньше 20% железа, он не может считаться металлической рудой. Ее используют для выплавки металлов – стали, чугуна, сплавов.
Образуется железная руда тремя путями:
- Магматический;
- Метаморфизм;
- Осадочный.
Первый объясняется тем, что во время извержения вулканов, металлы расплавляются и смешиваются с горными породами, а вследствие текучести магмы, они вырываются на поверхность и застывают. Большинство примесей, которые имеют низкую огнеупорность, выгорают при высоких температурах, поэтому процент содержания железа в таких рудах очень высокий. Магматические полезные ископаемые – самые распространенные в мире, их месторождения находят в окрестностях вулканов, что потухли еще несколько тысячелетий назад.
Метаморфический процесс – это тоже следствие высоких температур. Вещества, которые находятся на большой глубине, подвергаются воздействию давления и нагревания, в результате чего, их кристаллическая структура меняется. Пласты, где залегают рудные полезные ископаемые, выходят на поверхность во время движения тектонических плит. Также, горные образования, под которыми залегают полезные ископаемые, со временем разрушаются, что облегчает добычу ценных материалов.
Главную роль в осадочном процессе образования железной руды играют ветер и вода, вод воздействием которых хрупкая горная порода вымывается, остаются только металлические костяки – железняк. Процентное содержание металла в этой руде самое большое, но, встречается он намного реже.
Подобный механизм осаждения имеет и золото, которое вымывалось из горной породы проточными водами. Этот процесс стал причиной золотой лихорадки в США. Сейчас небольшие страны занимаются подобным способом добычи драгоценного метала.
Добывать руду в промышленных масштабах начали еще до нашей эры. Этот процесс археологи отслеживали очень долго. Изначально, человек научился обрабатывать изначально бронзовую руду, затем железную и драгоценные металлы.
Добыча рудных полезных ископаемых позволила человеку развивать технологии, оружие, строительство и другие сферы.
Современное производство металла из руды
Руда представляет собой камень, в котором большое количество силикатов. Чтобы отсортировать богатые камни и пустую породу, используют электромагнитный сепаратор. Для отделения метала от руды, она дробится на мелкие части и обрабатывается химикатами. Этот процесс называется обогащением.
Очистка руд черных металлов
Есть несколько способов очистить руду – магнитными устройствами, кислотами, вибрационным методом, но сейчас, чаще всего используют флотацию. Для этого используют тяжелые жидкости и суспензии. Сосуд, куда помещается измельченная руда, наполняется раствором, и через него подается большой напор воздуха под давлением, в результате чего, металл с пеной поднимается вверх, а пустая порода осаждается на дно. Для выплавки металла из руды необходимы высокие температуры, в которых сгорают мелкие частички породы.
Это самый простой и быстрый способ обогащения, он не требует большого количества операций, и относительно дешевый. Получившиеся металлические частицы расплавляют в доменных или сталеплавильных печах, делая заготовки для дальнейшего использования в производстве.
Существует и нехимическая очистка – в вибрационных бункерах, где с помощью больших частот колебания, разрушается горная порода, превращаясь в песок она просыпается сквозь сито, а на поверхности остаются частички металла. Но это не всегда помогает полностью отделить породу от железняка, поэтому его комбинируют с химическим методом.
В доменных печах выплавляются чугунные заготовки для производства, чтобы из него получилась сталь, к нему добавляют примеси других сплавов, металлолом.
Обычно, заводы располагают в местах, где залегают полезные ископаемые, чтобы не терять время на перевозку.
Очистка руд цветных металлов
Цветные металлы намного реже встречаются в природе, по сравнению с черными. Их можно разделить на тяжелые (медь, бронза, свинец, никель, цинк, кобальт) и легкие (титан, алюминий, магний).
Один из самых распространенных примеров полезных ископаемых – алюминий. Бокситы и нефелиновые руды, они обрабатываются, в результате чего образуется глинозем – белый порошок, похожий на крахмал. Его химический состав – Al2O3. Чистый алюминий получают методом электролиза, когда под воздействием направленного тока, молекула преобразуется в катионы – Al+ и O-. Они оседают на противоположно заряженных электродах, в результате чего и получается чистый алюминий.
Извлеченный из глинозема металл, заливают в миксер, где происходит его смешивание с другими материалами, для придания ему нужных пластических свойств. Из полученного состава отливают алюминиевые чушки, которые отправляются на различные производства для дальнейшего использования.
Медь выделяется из медносульфидного концентрата, добываемый на рудниках. В его состав входит огромное количество металлов. Для отделения чистого материала, на металлургических предприятиях, используют пиротехнологии, которые предусматривают применение высоких температур. Механизм получения меди не отличается от переработки черной руды – используется метод осаждения – фторирование. В дальнейшем, концентрат отправляется на завод, где и происходит его дальнейшее очищение от примесей. Его переплавляют под воздействием высоких температур, для получения черновой меди.
Более чистый продукт получают путем электролиза.
После этой процедуры остается шлам, который содержит в себе небольшие частицы драгоценных металлов (платина и золото). Этот продукт также перерабатывают, для получения чистого сырья, но их концентрация в отходах незначительная.
Более редкие металлы получают чаще всего химическим и электролитным путем. Они относятся к рудным полезным ископаемым, но их извлечение – сложный процесс. Например, титан. В природе он встречается только в виде химических соединений, черной руде и других горных породах. Материал, в котором содержится титан называется ильменит, в его состав входит и оксид железа, отделить от которого сырье достаточно сложно. Изначально, он отправляется в плавильные печи вместе с углем, где и происходит разделение смеси на чугун и диоксид титана.
Для его разделения проводят хлорирование, в результате чего, получают тетрахлорид титана, это соединение уже не такое прочное, как с кислородом, поэтому из него легко получить чистый метал. Делают это с помощью магния – реакция называется восстановление. В процессе производства получается титановая губка, которая переплавляется на производствах для изготовления деталей самолетов, ракет и других деталей.
Мировые запасы руды
Руда, которая содержит металлы, очень важна для производства и технического прогресса человечества. По подсчетам ученых, на сегодняшний день в Земле содержится около 800 миллиардов тон железной руды. 80% всех залежей содержат бедные руды, в которых небольшое количество металла, а процесс их переработки достаточно трудоемкий.
Насчитывается несколько стран, на территории которых расположены богатые рудники. Например, в Китае – 8% от всего мирового запаса.
Одни из самых богатых стран – Россия (18%), Бразилия (17%), Австралия (14%), Украина (11%). Несмотря на эти цифры, Китай является бесспорным лидером производства черных металлов. Количество цветных металлов гораздо меньше, а их распространение подсчитывают по поясам – это большие бассейны, которые вытянуты на сотни километров.
Алюминиевых рудных ресурсов больше всего в Южной Америке и Австралии. Медные находятся в окрестности Кольдирьеров и Анд, поэтому мировое первенство по добычи этого метала принадлежит Чили. Второй по размерам пояс находится в Африке, на территории Замбии. В основном рудные полезные ископаемые залегают в местах высокой тектонической активности, изучая которые, аналитики проводят поиски новых месторождений. Россия в этом списке стоит на третьем месте.
Карта рудных полезных ископаемых составляется на основе аналитических исследований. Ученые изучают географические и исторические данные местности, оценивают близость к тектоническим разломам. Чаще всего, большие пласты скоплений руды находят в местах вулканической активности, где магма выходила на поверхность, вынося с собой огромное количество расплавленных металлов. При застывании они остались сверху, что облегчает добычу полезных ископаемых.
Добыча металлов иногда вредит экологической системе земли. Например, при закрытии медного карьера в США, его затопило водой, которая смешалась с химикатами, и является опасной для жизни. В окрестностях нет животных, там живут только устойчивые водоросли, которые адаптировались к агрессивной среде.
Рудные и нерудные полезные ископаемые постепенно истощаются, поэтому ученые разрабатывают новые способы получения сырья для производства. Некоторые редкие металлы синтезируют посредством воздействия химических элементов, но их количество уступает карьерному и шахтному способу добычи.
Виды природных богатств
Всё, что создала природа внутри земной коры — минералы, горные породы и т. д. — имеет свою классификацию. Если рассматривать деление по физическому состоянию, то это могут быть:
- твёрдые вещества;
- жидкости;
- газы.
Есть другой метод, предусматривающий анализ их использования. Согласно ему ископаемые бывают:
- горючие;
- рудные;
- нерудные;
- соли;
- драгоценные и полудрагоценные камни.
Ещё одной характеристикой является происхождение ископаемых. Они подразделяются на такие категории:
- Магматические. Для них свойственно залегание в складчатых рельефах, так как подобные руды могут образоваться при выделении из быстро остывающей лавы. Во время тектонических сдвигов происходит смещение масс к нижнему краю платформы, образуя пласт породы. Преимущественно это рудные полезные ископаемые. Примером территории с запасом железных соединений может служить месторождение в Курской области, называемое магнитной аномалией, или украинский Криворожский бассейн.
- К осадочным породам относятся нерудные элементы. Они появляются на берегах мелководных морей, а также в озёрных или болотистых местностях. Произошли из древних органических остатков, водорослей и сухопутных растений.
- Метаморфические возникают при смещении земных платформ и физико-химических изменений внутри Земли. Основными представителями этой категории являются всевозможные сланцы.
Имеется несколько методик добычи естественных богатств. От уровня залегания это могут быть:
- Карьеры для извлечения горных залежей открытым способом — наиболее экономически целесообразный метод, но приводящий к изменению рельефа, что не всегда на пользу экосистеме.
- Больших затрат потребует шахтный вариант.
- Для нефти традиционным является фонтан, когда жидкость выходит наружу под давлением газов.
- Особым способом — геотехнологическим — извлекают руду. Для этого в пласты породы закачивается горячая вода или спецраствор. Через скважины содержимое выходит на поверхность и ценная порода отделяется.
Во всех странах отмечается повышение потребности в полезных ископаемых. Для того чтобы наиболее эффективно и полно использовать подобные исчерпаемые богатства, существует несколько правил:
- Уменьшить потери при добыче.
- Максимально извлекать сырьё на каждом месторождении.
- Разработка новых экономичных способов извлечения.
- Использование современной техники.
- Привлечение учёных для поиска и прогнозирования будущих залежей.
Категории рудных полезных ископаемых
Примеры подобного вида природных достояний многочисленны и разнообразны. В списках самых богатых мировых залежей — Россия, на чьей карте каждый значок означает месторождение в различных географических поясах, занимает одну из ведущих позиций. Можно сказать, что в отечественных недрах спрятана практически вся таблица Менделеева. В экспорте ресурсов наша страна также является одним из лидеров.
Железные залежи
Эти руды представляют собой минеральные образования природного происхождения. Они богаты веществом настолько, что позволяют извлекать его в промышленных масштабах с экономической выгодой.
По минеральному составу их можно разделить на виды:
- Гидроксиды, к которым относятся гетит и гидрогетит.
- Группа из гематита, мартита и магнетита принадлежит к оксидам.
- Силикаты состоят из тюрингитов и шамозитов.
- Сидероплезиты и сидериты причислены к карбонатам.
Как правило, из всех вышеперечисленных руд производят чугун и прочие чёрные металлы. Сфера их применения обширна. Это предприятия следующих отраслей:
- Машиностроительной и металлообрабатывающей.
- Автомобильной.
- Военно-промышленного комплекса.
- Ракетостроения.
- Пищевой и лёгкой промышленности.
- Строительной сферы.
- Топливно-энергетические предприятия.
Добыча меди
В природе месторождения, где этот пластичный золотисто-розовый металл встречается в чистом состоянии, можно увидеть довольно часто. Однако добыча ведётся в основном из таких соединений:
- Халькозин, имеющий в своём составе около 79% меди.
- Борнит с 65%.
- Медный колчедан (халькопирит), содержащий до 35% главного вещества.
Чистый металл в промышленности применяется редко. В основном спросом пользуются сплавы:
- С цинком — латунь.
- Оловянный — бронза.
- Свинцовый — баббит.
- Медно — никелевый — мельхиор.
- Дюраль — с алюминием.
- Специальный ювелирный — с золотом.
Самым крупным месторождением является чилийский карьер Эсконида, где добывают медные самородки. А также большие залежи обнаружены в США на полуострове Кивино, Боливии, Италии. Российские рудники, которые находятся в долине Лёвихи, реки на Среднем Урале, тоже можно расположить в этом списке.
Применяют металл в виде провода в электротехнике. Для автомобилей изготавливают медные радиаторы, обмотки стартеров, обоймы подшипников. Обшивка судов тоже вырабатывается с применением подобного сырья. Стоит заметить, что на производство Статуи Свободы в США понадобилось 80 т меди.
Разработка алюминия
Из всех цветных металлов этот — наиболее распространённый. Производят его из глинозёмов, содержащихся в бокситовых и нефелиновых рудах. Наиболее большими резервами обладают Гвинея, Бразилия и Австралия. Нашей стране принадлежит 9-е место рейтинга. Отечественное сырьё, добываемое в республике Коми, Свердловской и Белгородской областях, а также на Кольском полуострове не отличается высоким качеством.
Промышленность использует такие свойства алюминия как пластичность, коррозионная стойкость, электропроводность, низкая масса и плотность. Он легко штампуется, куётся и сваривается. Методом волочения из такого металла изготавливают проволоку.
Марганец и его получение
В рудах, пригодных для промышленной переработки, должно быть большое содержание главного компонента. Обычно это оксиды, карбонаты и силикаты. Наиболее пригодными для дальнейшего использования являются:
- Пиролюзиты.
- Марганиты.
- Брауниты.
- Криптомеланы.
- Тодорокиты.
- Родохрозиты.
В качестве сопутствующей породы с марганцевыми рудами часто и в больших количествах встречается железо. Поэтому на практике происходит их разделение на железомарганцевые и марганцовистые. Тип сырья зависит от процентного содержания примеси.
Величайшими месторождениями подобных ископаемых в нашей стране являются Никопольская, Чиатурская, Варненская, Марсятская, Тыньинская, Березовская разработка. Добыча осуществляется преимущественно роторными механизмами, экскаваторами и ковшевыми драгами в открытых карьерах. Реже применяются шахтные комплексы с комбайнами и проходческими щитами. Обогащение совершается на специализированных комбинатах при помощи гравитационного, гравитационно-магнитного и комбинированного метода, а также флотации.
Используют марганец различные отрасли:
- Химическая.
- Металлургия.
- Производство керамики.
- Фармация.
Наиболее известными продуктами являются стекло, минеральные красители и распространённая марганцовка.
Месторождения олова
Этот металл встречается в более чем девяноста соединениях. Из них очень распространены и содержат наибольшее количество подобного компонента такие руды:
- Состоящие целиком из самородного элемента.
- Станнопаладиниты, имеющие примеси других металлов.
- Касситерит с содержанием Sn до 78,8%, тороллит, относящиеся к группе оксидов.
- Варламовит (гидроксид).
- Разновидность силиката — стокезит.
- Наиболее широко применяемый в промышленности, содержащий до 28 процентов олова, станин.
- Из категории сульфосолей — франкеит.
- Гидростаннаты. К ним можно причислить викманит и натанит.
Добывают руду на коренных, или эндогенных, месторождениях как открытым, так и подземным методом. Для обогащения используют фьюмингование, гравитацию. Для большего эффекта можно к ним добавить флотацию. К таким залежам относятся выработки Солнечное, Депутатское, Дубровское, Тернистое.
Второй вид копей — экзогенные, или рассыпные. Среди них существует преобладание озёрных и прибрежно-морских карьеров. Добыча производится драгами, экскаваторами или с помощью гидравлики. Примерами могут служить Правоурмийское, Тигриное, Хинганское месторождения.
Из-за химических свойств, которые включают отсутствие токсичности и окисляемости, олово широко применяет консервная промышленность. В химической отрасли с его помощью получают латунь, красители. Широкое употребление такой компонент нашёл у текстильщиков и стекольщиков.
Извлечение вольфрама
Для добычи этого ископаемого имеется более 20 минералов. Наибольшее количество главного компонента содержится в вольфрамите (76%) и шеелите (80%). В качестве дополнений часто подобные соединения включают различную долю молибдена, висмута, сурьмы, золота, олова, серебра, серы и т. д.
Промышленные месторождения предназначены как для выработки эндогенных залежей таких руд:
- Пегматитовых.
- Скарновых, с содержанием молибденита.
- Грейзеновых, состоящих на 90% из кварца, касситерита или шеелита.
- Гидротермальных.
Добывают соединения вольфрама в основном на шахтах. Для этого используется слоевое обрушение с дальнейшим магазинированием в выбранных пространствах. Часто свободные выработки просто заполняются пустой породой. Иногда применяют открытый способ с транспортировочными системами внешнего обваливания. Весь процесс механизирован практически на 95%.
Для промышленных целей подходят главные свойства металла — пластичность и тугоплавкость. Именно из него изготавливают спирали нагревателей, электроды и нити накаливания в лампах. Большое количество вольфрама идёт для приготовления всевозможных сплавов.
Применение никеля
Для того чтобы месторождение было рентабельным достаточно содержания в руде главного элемента на уровне 1−2% в сульфидах и 1−1,5% в силикатах. Среди основных промышленно значимых минералов можно отметить:
- Пентландиты.
- Миллериты.
- Никелины.
- Полидимиты.
- Гарниериты.
- Аннабериты.
- Ревдинскиты.
- Ховахситы и т. д.
Среди месторождений выделяются сульфидные Норильское, Талнахское, Октябрьское, Мончегорское в России, канадские Сёдберийское и Томпсонское, а также Камбалдское в Австралии. Это список медно-никелевых разработок. Кроме них, имеются никелевые силикатные и кобальт-никелевые силикатные южноуральские, кубинские и индонезийские рудники. Огромный потенциал есть в железомарганцевых жилах, расположенных на океанском дне.
До 90 процентов всего добываемого никеля используется для изготовления жаропрочных, инструментальных, конструкционных и нержавеющих сплавов и стали. Остальная часть идёт на производство проволоки, ленты и нужды химической и пищевой промышленности. Есть небольшое потребление в реактивной авиации, ракетостроении, радиолокации и атомных станциях.
Использование урана
Количество этого химического элемента в природных условиях немалое. Он встречается в 100 раз чаще золота и в 50 раз — серебра. Среди основных ураносодержащих пород можно назвать:
- Оксидные — ураниты, урановые смолы.
- Силикатные — коффиниты.
- Титанаты.
- Уранилсиликаты.
- Уранилы-ванадаты.
- Тюямуниты.
- Уранилфосфаты.
Наибольшие залежи урана находятся на территории Австралии, Казахстана и России. Наша страна располагает десятью процентами мировых запасоВ, из которых две трети добывается в Якутии. Крупнейшие месторождения — Стрельцовское, Октябрьское, Антейское, Мало-Тулукуевское, Аргунскоеу, Далматовское, Хиагдинское.
Применяется химический элемент в виде ядерного топлива. Наибольшее употребление характерно для изотопа U235, поддерживающего цепную реакцию. Он используется в реакторах. Для увеличения мощности термоядерного оружия используется U238, а U233 годится в виде топлива к газофазному ядерному ракетному двигателю.
Кроме перечисленных ископаемых к рудной категории относятся благородные металлы. Золото, серебро и платина нашли широкое применения как в ювелирной отрасли, так и в приборостроении, электротехнике и медицине. Добыча этих элементов ведётся с незапамятных времён и часто использовали для чеканки монет.