Железная руда — от карьера до металла: добыча, переработка, использование

Железные руды – это залегающие в земле полезные ископаемые, имеющие в своем составе железо в количестве, достаточном для его добычи и промышленного освоения. Основными минералами железосодержащих руд являются магнетит Fe3O4, гематит Fe2O3 и пирит FeS2. Основная сфера использования железных руд – металлургия, производство чугуна и стали. Именно здесь используется около 98% добываемого железа. Остальное идет на изготовление удобрений, специальных сплавов, ферромагнитных материалов.

Классификация железных руд

Руды классифицируются по нескольким признакам. В экономическом отношении наиболее важным из них является процентное содержание железа. Так, выделяют три основные группы:

• Богатые – содержание полезного минерала превышает 50%;
• Обычные руды имеют в своем составе 25-50% железа;
• Небогатое железом сырье отличается незначительным количеством минерала – не более 25%. Такие руды 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-магнетитовые, содержащиеся в карбонатитах;
• Гетит-гидрогетитовые, размещающиеся в зоне коры выветривания;
• Магнетитовые и магмо-магнетитовые в среде скарнов;
• Магнетит-гематитовые, находящиеся среди железных кварцитов;
• Мартитовые и мартит-гидрогематитовые – особо богатые минералом руды в железных кварцитах;
• Титано-магнетитовые, а также ильменит-титаномагнетитовые, размещающееся в базитах и ультра-базитах.

Залежи этого вида полезных ископаемых образуются в результате различных природных процессов, что также влияет на их состав и характеристики. Это могут быть:

• Высокотемпературное воздействие, в результате которого формируются магматогенные месторождения;
• Выветривание пород гор и осадочных отложений;
• Осадочная деятельность с дополнительным воздействием давления и температуры.

Факторы, определяющие ценность руд

Рентабельность разработки каждого конкретного месторождения объясняется целым набором условий. Наиболее важное из них – количественный и качественный состав основного минерала, а именно, концентрация железа в руде. 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 расчетам экономистов, составляет порядка 600 млн тонн. Меньшие размеры не покрывают затрат на создание необходимой инфраструктуры – производственных мощностей, инженерных сетей, дорог, жилья, общественных сооружений.

Большое значение имеет химический состав руды. Пустая порода способна, в зависимости от своих качеств, увеличивать или уменьшать выход шлака. 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.

Также необходимо учитывать физико-металлургические свойства руды. К ним относятся обогатимость, прочность, размягчаемость, размеры кусков, влажность. Эти факторы могут определять потенциальную ценность месторождений железных руд. Кроме того, имеет значение и способность исходного материала восстанавливаться - отдавать кислород, что существенно ускоряет процесс выплавки.

Дополнительным условием, определяющим экономическую целесообразность разработки, является глубина залегания рудного тела и его удаленность от развитых экономических районов.

Мировые запасы

По оценке геологической службы США (USGS) на 1 января 2021 года общемировые запасы железной руды составляли 175,5 млрд тонн. При этом, 75 % всего объема сконцентрировано на территории четырех государств:

• Австралия (28,7%);
• Бразилия (18%);
• Россия (16,8%);
• Китай (8,3%).

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;
• Дальневосточный регион располагает месторождениями в Амурской области, республике Саха (Якутия) и на территории Хабаровского края.

Из крупнейших зарубежных месторождений можно выделить:

• Кирунавара – Швеция;
• Лотарингский железорудный бассейн – Франция, Люксенбург, Бельгия;
• Прибрежный район озера Верхнее в США;
• Территория штата Минас-Жерайс («железорудный четырехугольник») в Бразилии;
• Город Конакри (Гвинея) является местом крупнейших залежей железной руды в Африке;
• «Железный пояс» Индии – штаты Бихар и Орисса;
• Парабурду, Маунт-Уэйлбек, Маунт-Том-Прайс в Австралии.

Страны, добывающие железные руды

Производство товарных железных руд осуществляется более чем в 40 государствах мира. Ведущими странами-производителями железорудного сырья являются Австралия, Бразилия, Китай, Индия и Россия – их доля превышает 75% всей производимой в мире железной руды.

Способы добычи железных руд

Железная руда добывается несколькими способами, выбор которых зависит от глубины залегания месторождения, геологических условий и экономической целесообразности.

Открытый способ (карьер)

Это наиболее распространенный метод, применяемый при неглубоком расположении месторождений. Основные этапы включают в себя разработку карьеров с использованием взрывчатых веществ для разрушения породы, выемку и транспортировку руды на обогатительные фабрики с применением тяжелой техники (экскаваторы, самосвалы).

Данный способ экономически выгоден при больших объемах запасов и относительно небольшой глубине залежей. Его преимущества – низкая себестоимость, высокая производительность. Недостатки – негативное воздействие на окружающую среду (разрушение ландшафта), большие объемы отходов.

Подземный способ (шахты)

Применяется в случае расположения железорудного месторождения глубоко под землей. Выполняется несколькими методами:

• Камерно-столбовая система – формирование камер с оставлением целиков между ними;
• Система с закладкой пустот;
• Метод сплошной выемки.

Среди преимуществ способа выделяют меньшее влияние на экологию и возможность эксплуатации глубоких горизонтов. Недостатки – затраты на строительство шахты, наличие высоких рисков возникновения чрезвычайных ситуаций, ограничения по производительности.

Комбинированный способ

При разработке крупных месторождений с глубокими горизонтами может применяться комбинация открытого и подземного способов. Например, при необходимости разработки сначала верхнего слоя открытым способом, а далее - подземных горизонтов шахтным методом.

Технологии обработки и обогащения

Перед отправкой железной руды потребителям ее подвергают обогащению и переработке:

• Обогащение флотационным методом для повышения содержания железа;
• Измельчение и магнитная сепарация;
• Производство окатышей или агломерата.

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;
• Гравитационная сепарация с использованием суспензий средней плотности между железом и пустой породой; 
• Флотационный метод основан на использовании специального реагента, позволяющего формировать воздушно-жидкостную металлическую пену, которая затем снимается и направляется на дальнейшую переработку.

Самым простым способом обогащения является промывка. Сама по себе она малоэффективна, поэтому применяется совместно с другими методами. Часто используется в случае загрязненности исходной породы глиной или песком.

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 применяют 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 нее черных металлов, получаемых в процессе выплавки.

Сталь

Сталь – это соединение железа (до 45%), углерода (до 2,14%) и ряда других химических элементов (марганца, кремния, азота, серы, кислорода, фосфора). При необходимости в ее состав добавляют хром для повышения жаростойкости или никель для вязкости и улучшения антикоррозийных свойств.

В зависимости от содержания углерода и легирующих добавок стали подразделяются на несколько категорий:

• На низко-, средне- и высокоуглеродистые;
• На низко-, средне- и высоколегированные.

По своему назначению стальные сплавы классифицируются на жаропрочные, инструментальные, конструкционные, криогенные и нержавеющие.

Чугун

Чугун представляет собой высокоуглеродистый (выше 2,14%) сплав железа. Именно благодаря этому он отличается повышенной хрупкостью. Производят его путем плавки переработанной руды в доменных печах при температуре порядка 1200°C.

В зависимости от своего состава и технологии получения, различают светлый (белый), серый, ковкий, высокопрочный и передельный чугун. Последний используется лишь как промежуточный материал для производства стали.

Ферросплав

Одно из направлений современной металлургии – получение ферросплавов. Это соединения железа с хромом, никелем, марганцем, титаном и некоторыми другими материалами, содержащие 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.

В процессе производства применяется дополнительное оборудование – плавильные горны или электропечи.