Полезные ископаемые из нее выплавляют сталь
Железные руды – это залегающие в земле полезные ископаемые, имеющие в своём составе железо в количестве достаточном для их добычи и промышленного освоения. Производимый из этих руд металл, является металлургической основой современной цивилизации. Используется он повсеместно в любом направлении человеческой деятельности: от освоения космоса, до изготовления обычных предметов повседневного пользования.
Классификация
Железные руды классифицируются по целому ряду признаков.
Прежде всего, наиболее важным фактором в экономическом отношении является процентное содержание железа. Поэтому руды подразделяются на ряд типов:
- Богатые – содержание полезного минерала превышает 50%.
- Обычные руды имеют в своём составе 25 – 50% железа.
- Небогатое железом сырьё не располагает значительным количеством железа. Его в них не более 25%. Именно поэтому такие руды и носят название бедных.
Что касается химического состава, то в основном это – разнообразные соединения железа с кислородом, водой и углеродом, встречающиеся в природе в виде:
- бурых железняков – лимонитов,
- магнитных железняков – магнетитов,
- красных железняков – гематитов,
- шпатовых железняков – сидеритов.
Железосодержащие месторождения обычно располагают следующими видами руд:
- Апатит-магнетитовыми, содержащиеся в карбонатитах.
- Гётит-гидрогётитовыми, размещающиеся в корах выветривания.
- Магнетитовыми и магмо-магнетитовыми в среде скарнов.
- Магнетит-гематитовыми, находящиеся среди железных кварцитов.
- Мартитовыми и мартит-гидрогематитовыми – особо богатые минералом руды в железных кварцитах.
- Титано-магнетитовыми, а также ильменит-титаномагнетитовыми, размещающееся в базитах и ультра-базитах.
Для полноты картины необходимо также отметить, что залежи этого вида полезных ископаемых образуются в результате:
- высокотемпературного воздействия – магматогенные месторождения;
- выветривания пород гор и осадочных отложений – экзогенные;
- осадочной деятельности, подвергшейся в дальнейшем значительному воздействию давления и температуры.
Факторы, определяющие ценность руд
Рентабельность разработки каждого конкретного месторождения объясняется целым набором условий:
- Количественный и качественный состав основного минерала, то есть опять же концентрация железа в руде. Понятно, что чем она выше, тем лучше. Этот фактор оказывает решающее влияние на выход конечного продукта и сам процесс плавки. Именно он повышает производительность оборудования и не требует дополнительных затрат на обогащение.
Что касается запасов месторождения, то необходимый минимум для окупаемости вложенных средств, по расчётам экономистов, составляет 600 млн. тонн. Меньшие размеры не покрывают затрат на создание необходимой инфраструктуры: производственных мощностей, инженерных сетей, дорог, жилья, общественных сооружения.
- Также, большое значение имеет остальной состав руды – то есть пустая порода, способная в зависимости от своих качеств увеличивать или уменьшать выход шлака.
- Очень важную роль играет наличие примесей. Если полезные из них улучшают качество выплавленного металла, то от вредных компонентов нужно избавляться сложными технологическими методами или нейтрализовать их неблагоприятное воздействие.
- Физико-металлургические свойства руды, тоже необходимо учитывать. Обогатимость, прочность, размягчаемость, размеры кусков, влажность – всё это факторы, определяющие потенциальную ценность месторождений железных руд.
- Кроме того, имеет значение и способность исходного материала восстанавливаться – отдавать кислород, что существенно ускоряет процесс выплавки.
- Одним из условий, определяющих экономическую целесообразность разработки, является глубина залегания рудного тела и место его расположения в зависимости от удалённости от развитых экономических районов. Преодоление этих проблем требует прокладки дорог, обеспечения месторождения людскими и энергетическими ресурсами.
Способы добычи
Способ добычи определяется в зависимости от индивидуального характера залегания рудного дела. Решающим обстоятельством конечно же выступает глубина.
Открытый
Как обычно, если полезные ископаемые расположены не далеко от поверхности земли (порядка 300 метров) и есть возможности для проведения большого объёма работ по вскрытию и перемещению грунта, то прибегают к созданию карьера. Мощными экскаваторами перемещают породы в отвалы, а дойдя до нижних слоев залежей, проводят окончательный анализ месторождения на процент содержания железа.
Окончательное решение принимает экспертная комиссия. В случае положительного результата, массы изъятой породы направляются на металлургические предприятия для дальнейшей переработки.
Закрытый
Хотя значительная масса железной руды добывается карьерным способом, но иногда приходится прибегать к строительству глубоких шахт. Происходит это в том случае, если искомые слои полезного ископаемого находятся на глубине порядка одного километра. Сам процесс заключается в прокладке вертикального ствола, от которого в дальнейшем ответвляются горизонтальные штреки.
При всех своих недостатках (дороговизна строительства и опасность эксплуатации), данный способ наиболее эффективен.
Также кроме этих двух способов в последнее время находит применение метод скважинной гидродобычи. Суть его заключается в том, что внутрь пробуренной скважины подаётся под значительным давлением вода. В результате чего, размытая струёй порода перемещается наверх.
Технология обогащения
Подготовительный процесс
Предварительным этапом обогащения железных руд является дробление и измельчение. Цель этих операций – получить массу нужной величины кусков и частиц, а также отделить пустую породу. Обычно для этого применяется грохочение (просеивание) и классификация (разделение водным потоком частиц по крупности) исходного материала.
Основной процесс
Непосредственно процесс обогащения может включать в себя один из следующих методов:
- Сухая, мокрая или комбинированная магнитная сепарация. В основу процесса заложена различная магнитная проницаемость химических веществ. В случае мокрой сепарации специальные электромагнитные барабаны забирают минералы, насыщенные ферромагнитами из пульпы. Сухой метод заключается в снятии магнитной фракции из подаваемой шихты, вращающейся лентой.
- Использование суспензий средней плотности между железом и пустой породой, даёт возможность применять гравитационную сепарацию.
- Флотационный метод основан на использовании специального реагента, позволяющего формировать воздушно-жидкостную металлическую пену, которая затем снимается и направляется на дальнейшую переработку.
- Самым простым способам обогащения является промывка. Сама по себе она малоэффективна, поэтому применяется совместно с другими методами. Но в случае загрязнённости исходной породы глиной или песком, без неё не обойтись.
После процесса обогащения концентрат подвергают агломерации и отправляют на доменную, а затем при необходимости, и кислородно-конверторную плавку. Отходы производства могут быть использованы для извлечения редких или цветных металлов, иногда их употребляют при изготовлении песка и щебня.
Вспомогательный процесс
В ходе технологии обогащения часто приходится прибегать к вспомогательным процессам, обеспечивающим удаление ненужных фракций: пыли, шлама, влаги. Сгущение, спекание, фильтрование, сушка дают возможность получить концентрат необходимой готовности для последующего использования.
Продукты переработки
Основная цель добычи железной руды заключается в производстве из неё чёрных металлов, получаемых в процессе выплавки.
Сталь
Всем известная сталь – это соединение железа (до 45%), углерода (до 2,14%) и целого ряда других химических элементов. Марганца, кремния, азота, серы, кислорода, фосфора. При необходимости в её состав добавляют хром для повышения жаростойкости, или никель – для вязкости и улучшения антикоррозийных свойств.
В зависимости от содержания углерода C и легирующих добавок, стали подразделяются:
- на низко-, средне- и высокоуглеродистые;
- на низко-, средне- и высоколегированные.
По своему назначению стали бывают: жаропрочные, инструментальные, конструкционные, криогенные и нержавеющие.
Возникает вполне резонный вопрос, каким же образом получают столь широкий ассортимент продукции?
Прежде всего, из агломерата под воздействием воздуха в доменных печах выплавляется чугун (более подробно речь об этом пойдёт в следующем разделе статьи).
А уж потом из чугуна путём переработки, заключающейся в уменьшении содержания углерода, и кроме него – серы и фосфора (значительное количество которых ухудшает механические свойства стали, повышая её ломкость и хрупкость), производят конечную продукцию – сталь. Осуществляются эти процессы производства стали конверторным (Бессмеровским или Томасовским), Мартеновским или электротермическим методами. В зависимости от теплофизического состояния исходного материала (расплавленное или твёрдое) и потребности выплавки некоторых сортов стали, способы производства могут варьироваться, иногда дополняя друг друга.
Чугун
Чугун представляет собой высокоуглеродистый (выше 2,14%) сплав железа. Именно благодаря этому он отличается повышенной хрупкостью. Производят его путём плавки переработанной руды в доменных печах при температуре порядка 12000C.
В зависимости от своего состава и технологии получения, различают светлый (белый), серый, ковкий, высокопрочный и передельный чугун. Впрочем, последний используется лишь как промежуточный материал для производства стали.
Ферросплав
Одно из направлений современной металлургии заключается в получении ферросплавов – соединений железа с хромом, никелем, марганцем, титаном и некоторыми другими материалами, содержащими железо в незначительных количествах. Ценность данных материалов заключается в упрощении и дешевизне легирования, проводимого с их помощью, а также употреблении в качестве средств раскисления (удаления кислорода) при выплавке металлов.
Современная металлургия располагает тремя способами получения ферросплавов:
- Алюминотермический.
- Силикотермический.
- Углевосстановительный.
Реализуются они с помощью плавильных горнов или электропечей.
Месторождения в России и мире
Российская Федерация располагает значительными залежами железных руд. Крупнейшими месторождениями на территории нашей страны являются:
- Курская магнитная аномалия. По утверждениям экспертов – это четверть мировых запасов железной руды, оцениваемой в 200 млрд. тонн, из которых 30 млрд. уже имеют высокую степень обогащения.
- Бакчарское месторождение в Томской области – второе по величине в России, обладающее наличием в составе руды ванадия и кобальта.
- Также имеются значительные запасы железных руд в виде красного железняка на территории Мурманской области. Это – Оленигорское и Ковдорское месторождения.
- Керченский полуостров Крыма богат бурыми железняками, которые требуют дальнейшего освоения.
- Значительные залежи железа в Сибири находятся в районе города Кемерово и на Алтае.
- Дальневосточный регион располагает месторождениями в Амурской области, республике Саха (Якутия) и на территории Хабаровского края.
Из крупнейших зарубежных месторождений можно выделить:
- Кирунавара – Швеция.
- Область Лотарингии – Франция.
- Криворожский бассейн на Украине.
- Нижняя Саксония в Германии.
- Ньюфаундленское и Лабрадорское месторождения в Канаде.
- Прибрежный район озера Верхнее в США.
- Порт Маяри – Куба.
- Эль-Пао и Серро-Боливар – Венесуэлла.
- Итабира, Итабирита, Каражас в Бразилии.
- Город Конакри (Гвинея) является местом крупнейших залежей железной руды в Африке.
- Так называемый «железный пояс» Индии. Штаты: Бихар и Орисса.
- Айрон-Монарк, Айрон-Ноб, Маунт-Голдсуэрти, Маунт-Том-Прайс, Маунт-Нырмен, Кокату и Хамерсли в Австралии.
Мировые запасы
Топ мировых лидеров по запасам железных руд возглавляют:
- Россия – 18%.
- Бразилия – 17%.
- Австралия – 14%.
- Украина – 11%.
- Китай – 9%.
Общемировые запасы этого вида природного сырья оцениваются в 800 млрд. тонн, причём четыре пятых в его составе – руда низкого и среднего качества.
Страны, добывающие железные руды
- Сегодняшнее положение дел в мировой экономике определяется сильнейшей деловой активностью Китая, который занимает верхнюю строчку лидеров мировой добычи железной руды. 900 млн. тонн в год извлекает он ежегодно.
- На втором месте располагается Австралия – 420 млн. тонн в год.
- Бразилия вырабатывает каждый год 350 млн. тонн руды.
- На четвёртом месте находится Индия, поставившая на рынок в 2019 году 245 млн. тонн железа.
- Россия, располагающая самыми крупными запасами, производящая 100 млн. тонн в год, держит пятую строчку. Что, как обычно, говорит о наших огромных нереализованных возможностях.
Автор:
Юрий Флоринских
Все статьи этого автора
Железную руду получают привычным способом: открытой или подземной добычей и последующей транспортировкой для первоначальной подготовки, где материал измельчается, промывается и перерабатывается.
Руду засыпают в доменную печь и подвергают струйной обработке горячим воздухом и теплом, который превращает ее в расплавленное железо. Далее оно извлекается из нижней части печи в формы, известные как свиньи, где происходит остывание для получения чугуна. Он превращается в кованое железо или перерабатывается в сталь несколькими способами.
Что такое сталь?
Вначале было железо. Оно является одним из наиболее распространенных металлов в земной коре. Его можно встретить почти везде, в сочетании со многими другими элементами, в виде руды. В Европе начало работы с железом датируется 1700 г. до н.э.
В 1786 году французские ученые Бертолле, Мондж и Вандермонде точно определили, что разница между железом, чугуном и сталью обусловлена различным содержанием углерода. Тем не менее сталь, изготовленная из железа, быстро стала самым важным металлом промышленной революции. В начале XX века мировое производство стали составило 28 миллионов тонн – это в шесть раз больше, чем в 1880 году. К началу Первой мировой войны ее производство составляло 85 миллионов тонн. В течение нескольких десятилетий она практически заменила железо.
Содержание углерода влияет на характеристики металла. Существует два основных вида стали: легированная и нелегированная. Сплав стали относится к химическим элементам, отличным от углерода, добавленного к железу. Таким образом, для создания нержавеющей стали используется сплав 17 % хрома и 8 % никеля.
В настоящее время существует более 3000 каталогизированных марок (химических составов), не считая тех, которые созданы для удовлетворения индивидуальных потребностей. Все они способствуют превращению стали в наиболее подходящий материал для решения задач будущего.
Сырье для выплавки стали: первичное и вторичное
Выплавка данного металла с использованием многих компонентов – самый распространенный способ добычи. Шихтовые материалы могут быть как первично используемые, так и вторично. Основной состав шихты, как правило, составляет 55 % чугуна и 45 % оставшегося металлолома. Ферросплавы, переделанный чугун и технически чистые металлы используются как основной элемент сплава, ко вторичным, как правило, относят все виды черного металла.
Железная руда является самым важным и основным сырьем в черной металлургии. Для производства тонны чугуна требуется около 1,5 тонны этого материала. Для производства одной тонны чугуна используется около 450 тонн кокса. Многие металлургические заводы применяют даже древесный уголь.
Вода – важное сырье для черной металлургии. Она в основном используется для закалки кокса, охлаждения доменных печей, производства пара в дверях угольной печи, работы гидравлического оборудования и удаления сточных вод. Для производства тонны стали требуется около 4 тонн воздуха. Флюс используется в доменной печи для извлечения загрязнений из плавильной руды. Известняк и доломит объединяются с экстрагированными примесями с образованием шлака.
Как дутьевые, так и стальные печи, облицованы огнеупорами. Они используются для облицовочных печей, предназначенных для плавки железной руды. Диоксид кремния или песок используется для формования. Для производства стали различных марок применяют цветные металлы: алюминий, хром, кобальт, медь, свинец, марганец, молибден, никель, олово, вольфрам, цинк, ванадий и др. Среди всех этих ферросплавов марганец широко используется в выплавке стали.
Железные отходы, полученные из демонтированных конструкций заводов, механизмов, старых транспортных средств и т. д., перерабатываются и широко используются в этой отрасли.
Чугун для стали
Выплавку стали с использованием чугуна производят гораздо чаще, чем с другими материалами. Чугун – это термин, который обычно относится к серому железу, однако он также идентифицирован с большой группой ферросплавов. Углерод составляет примерно от 2,1 до 4 мас.%, тогда как кремний составляет обычно от 1 до 3 мас.% в сплаве.
Выплавка чугуна и стали проходит при температуре плавления между 1150 и 1200 градусов, что примерно на 300 градусов ниже, чем температура плавления чистого железа. Чугун также демонстрирует хорошую текучесть, отличную обрабатываемость, устойчивость к деформации, окислению и отливке.
Сталь также является сплавом железа с переменным содержанием углерода. Содержание углерода в стали составляет от 0,2 до 2,1 мас.%, И это наиболее экономичный легирующий материал для железа. Выплавка стали из чугуна полезна для различных инженерных и конструкционных целей.
Железная руда для стали
Процесс выплавки стали начинается с переработки железной руды. Породу, содержащую железную руду, измельчают. Руду добывают с использованием магнитных роликов. Мелкозернистая железная руда перерабатывается в крупнозернистые комки для использования в доменной печи. Уголь очищается от примесей в коксовой печи, что дает почти чистую форму углерода. Затем смесь железной руды и угля нагревают для получения расплавленного железа или чугуна, из которого производится сталь.
В основной кислородной печи расплавленная железная руда является основным сырьем и смешивается с различными количествами стального лома и сплавов для производства различных марок стали. В электродуговой печи переработанный стальной лом расплавляется непосредственно в новую сталь. Около 12% стали изготовлено из переработанного материала.
Технология выплавки
Плавление – процесс, посредством которого металл получают либо в виде элемента, либо как простое соединение из его руды путем нагревания выше температуры плавления обычно в присутствии окислителей, таких как воздух, или восстановителей, таких как кокс.
В технологии выплавки стали металл, который сочетается с кислородом, например оксидом железа, нагревается до высокой температуры, и оксид образуется в сочетании с углеродом в топливе, выходящим как монооксид углерода или диоксид углерода.
Другие примеси, все вместе называемые жилами, удаляются добавлением потока, с которым они объединяются, образуя шлак.
В современных плавках стали используется отражательная печь. Концентрированная руда и поток (обычно известняк) загружаются в верхнюю часть, а расплавленный штейн (соединение меди, железа, серы и шлака) вытягивается снизу. Вторая термообработка в конвертерной печи необходима для удаления железа из матовой поверхности.
Кислородно-конвекторный способ
Кислородно-конвертерный процесс является ведущим процессом сталеплавильного производства в мире. Мировое производство конвертерной стали в 2003 году составило 964,8 млн тонн или 63,3 % от общего производства. Производство конвертера является источником загрязнения окружающей природной среды. Основными проблемами этого являются снижение выбросов, сбросов и уменьшение отходов. Суть их заключается в использовании вторичных энергетических и материальных ресурсов.
Экзотермическое тепло генерируется реакциями окисления во время продувки.
Основной процесс выплавки стали с использованием собственных запасов:
- Расплавленный чугун (иногда называемый горячим металлом) из доменной печи выливается в большой огнеупорный футерованный контейнер, называемый ковшом.
- Металл в ковше направляется непосредственно для основного производства стали или стадии предварительной обработки.
- Высокочистый кислород под давлением 700-1000 килопаскалей вводится со сверхзвуковой скоростью на поверхность ванны железа через охлаждаемую водой фурму, которая подвешена в сосуде и удерживается в нескольких футах над ванной.
Решение о предварительной обработке зависит от качества горячего металла и требуемого конечного качества стали. Самые первые конвертеры со съемным дном, которые могут быть отсоединены и отремонтированы, все еще используются. Были изменены копья, используемые для дутья. Для предотвращения заклинивания фурмы во время продувки применялись щелевые манжеты с длинным сужающимся медным наконечником. Кончики наконечника после сгорания сжигают CO, образующийся при выдувании в CO2, и обеспечивают дополнительное тепло. Для отвода шлака используются дротики, огнеупорные шарики и шлаковые детекторы.
Кислородно-конвекторный способ: достоинства и недостатки
Не требует затрат на оборудование по очищению от газа, так как пылеобразование, т. е. испарение железа, снижено в 3 раза. За счет снижения выхода железа наблюдается рост выхода жидкой стали в 1,5 – 2,5 %. Преимуществом стало и то, что интенсивность продувки в таком способе увеличивается, что дает возможность повысить производительности конвертера на 18 %. Качество стали выше, потому что температура в зоне продувки снижена, что приводит к уменьшению образования азота.
Недостатки данного способа выплавки стали привели к снижению спроса на потребление, так как повышается уровень потребления кислорода на 7 % из-за большого расхода на сжигание топлива. Наблюдается повышенное содержание водорода в переработанном металле, из-за чего приходится некоторое время после окончания процесса вести продувку при помощи кислорода. Среди всех способов кислородно-конвертерный обладает самым повышенным шлакообразованием, причиной является невозможность следить за процессом окисления внутри оборудования.
Мартеновский способ
Мартеновский способ на протяжении большей части 20-го века составлял основную часть обработки всей стали, изготовленной в мире. Уильям Сименс в 1860-х годах искал средства повышения температуры в металлургической печи, воскресив старое предложение об использовании отработанного тепла, выделяемого печью. Он нагревал кирпич до высокой температуры, затем использовал тот же путь для ввода воздуха в печь. Предварительно нагретый воздух значительно увеличивал температуру пламени.
Природный газ или распыленные тяжелые масла используются в качестве топлива; воздух и топливо нагреваются до сгорания. Печь загружается жидким доменным чугуном и стальным ломом вместе с железной рудой, известняком, доломитом и флюсами.
Сама печь изготовлена из высокоогнеупорных материалов, таких как магнезитовый кирпич для очагов. Вес мартеновских печей достигает 600 тонн, и их обычно устанавливают группами, так что массивное вспомогательное оборудование, необходимое для зарядки печей и обработки жидкой стали, может быть эффективно использовано.
Хотя мартеновский процесс практически полностью заменен в большинстве промышленно развитых стран основным кислородным процессом и электродуговой печью, им изготавливают около 1/6 всей стали, произведенной во всем мире.
Достоинства и недостатки данного способа
К преимуществам относят простоту использования и легкость в получении легированной стали с примесью различных добавок, которые придают материалу различные специализированные свойства. Необходимые добавки и сплавы добавляют непосредственно перед окончанием выплавки.
К недостаткам можно отнести сниженную экономичность, по сравнению с кислородно-конверторным способом. Также качество стали более низкое, по сравнению с остальными методами выплавки металла.
Электросталеплавильный способ
Современный способ выплавки стали с использованием собственных запасов представляет собой печь, которая нагревает заряженный материал с помощью электрической дуги. Промышленные дуговые печи имеют размеры от небольших единиц грузоподъемностью около одной тонны (используются в литейных цехах для производства чугунных изделий) до 400 тонн единиц, применяемых для вторичной металлургии.
Дуговые печи, используемые в исследовательских лабораториях, могут иметь емкость всего несколько десятков граммов. Промышленные температуры электрической дуговой печи могут составлять до 1800 °C (3,272 °F), в то время как лабораторные установки могут превышать 3000 °C (5432 °F).
Дуговые печи отличаются от индукционных тем, что зарядный материал непосредственно подвергается воздействию электрической дуги, а ток в выводах проходит через заряженный материал. Электрическая дуговая печь используется для производства стали, состоит из огнеупорной футеровки, обычно водоохлаждаемой, больших размеров, покрыта раздвижной крышей.
Печь в основном разделена на три секции:
- Оболочка, состоящая из боковых стенок и нижней стальной чаши.
- Очаг состоит из огнеупора, который вытягивает нижнюю чашу.
- Крыша с огнеупорной футеровкой или водяным охлаждением может быть выполнена в виде секции шара или в виде усеченного конуса (коническая секция).
Достоинства и недостатки способа
Данный способ занимает лидирующие позиции в области производства стали. Метод выплавки стали применяется для создания высококачественного металла, который либо совсем лишен, либо содержит незначительное количество нежелательных примесей, таких как сера, фосфор и кислород.
Главным плюсом метода является использование электроэнергии для нагревания, благодаря чему можно легко контролировать температуру плавления и достичь невероятной скорости нагревания металла. Автоматизированная работа станет приятным дополнением к прекрасной возможности качественной переработки различного металлического лома.
К недостаткам можно отнести большое энергопотребление.