Как добывают железо из руды

Оригинал взят у crustgroup в Атака лёгкой бригады (CIV25)Производство железа на территории Руси было известно с незапамятных времен. В результате археологических раскопок в районах, прилегающих к Новгороду, Владимиру, Ярославлю, Пскову, Смоленску, Рязани, Мурому, Туле, Киеву, Вышгороду, Переяславлю, Вжищу, а также в районе Ладожского озера и в других местах обнаружены сотни мест с остатками плавильных горшков, сыродутных горнов, так называемых «волчьих ям» и соответствующие орудия производства древней металлургии. В одной из волчьих ям, выкопанной применявшей для выплавки железа, близ села Подмоклого в южной части Подмосковного угольного бассейна, была найдена монета, датированная 189 годом Мусульманской эры, что соответствует началу IX века современного летоисчисления. Это значит, что железо на Руси умели выплавлять еще в те далёкие, глубоко дохристианские времена.

Фамилии русского народа буквально кричат нам о распространённости металлургии повсеместно по территории древней Руси: Кузнецов, Ковалёв, Коваль, Коваленко, Ковальчук. По распространённости русские «металлургические» фамилии, пожалуй, соперничают даже с архетипическим английским Джоном Смитом (который, по факту blacksmith, то есть тот же кузнец).

Однако путь любого меча или ствола пушки всегда начинался гораздо раньше металлургического горна и, тем более, кузницы. Любой металл — это в первую очередь топливо (уголь или кокс для его выплавки), а во вторую очередь — сырьё для его производства.Здесь я сразу должен расставить акценты. Почему топливо — это первоочередное условие, а сама железная руда так смело отодвинута мной на второй план? Всё дело в логистике процессов перевозки руды и топлива, необходимых для производства железа в средние века.

• Ведь основным, причём наиболее качественным топливом для выплавки средневекового, кричного железа, служил древесный уголь.
• Наиболее качественный древесный уголь получается только из очень ограниченного количества пород дерева — из всех достаточно редких и медленно растущих твёрдолиственных пород (дуб, граб, бук) и из архетипической русской берёзы.
• В случае же, если достаточного количества лесов на территории, где водились месторождения железа, не было, или же леса в данной местности были уничтожены предыдущими поколениями металлургов, приходилось выдумывать различные эрзац-заменители.

Даже сейчас, в современный просвещённый век, задача получения качественного древесного угля является отнюдь не такой простой, как это кажется на первый взгляд.Уже из хвойных — сосны или ели древесный уголь получается гораздо более хрупким и с большим выходом мелочи и угольной пыли, а пытаться получить хороший древесный уголь из мягколиственных осины или ольхи практически нереально — выход годного падает по сравнению с дубом почти в два раза.Например, в Средней Азии, несмотря на качественные рудные месторождения железа, с лесом было туго, в силу чего вместо древесного угля приходилось использовать вот такое инновационное топливо:

Если кто не понял — это коровий кизяк. Можно конский, бараний, козлиный или ослиный — особой роли не играет. Кизяк месили руками в плоские лепёшки (как-то вот так), а потом раскладывали сушиться на солнце.

Понятное дело, в такой ситуации говорить о «постоянстве состава» топлива не приходилось, да и температура пламени от сгорания такого «композитного топлива» была гораздо ниже, чем у качественного древесного угля.

Другая, гораздо более технологичная замена древесного угля возникла в мире гораздо позже. Речь, конечно же, идёт о коксе, на котором сейчас зиждется вся современная чёрная металлургия.

История «изобретения» кокса насчитывает всего лишь две сотни лет. Ведь именно коксовая батарея в которой «уголь выжигал сам себя» была первым, мощнейшим залпом индустриальной революции. Именно она, коксовая батарея, а не нефтяная вышка создала тот «мир угля и пара», который мы любим теперь вспоминать в книгах, фильмах и аниме о стимпанке.

Задолго до промышленной революции в Англии уже разрабатывались богатые залежи каменного угля, который, однако, использовался почти исключительно для отопления домов. Плавка же руды в Англии производилась, как и во многих местах мира, только на древесном угле.

Связано было это с неприятным фактом, характерным для большинства каменных углей

— они содержат в своём составе немалые количества фосфора и серы, которые очень вредны для получаемого в горне железа.

Однако, Великобритания

— это остров. И, в конечном счёте, растущие потребности английской металлургии, основанной на древесном угле, превзошли все возможности английских лесов. Английским Робин Гудам оказалось просто негде прятаться — увеличение выплавки железа свело на нет почти все леса туманного Альбиона. В конечном счёте это стало тормозом для производства железа, так как плавка требовала огромного количества дров: на переработку одной тонны руды — почти 40 кубометров дровяного сырья.В связи с возраставшим производством железа возникла угроза полного уничтожения лесов. Страна вынуждена была ввозить металл из-за границы, главным образом из России и Швеции. Попытки применить для выплавки железа ископаемый каменный уголь долгое время были безуспешны, по причине, указанной выше.Только в 1735 году заводчик Абрагам Дерби после многолетних опытов нашёл способ выплавлять чугун, используя коксующийся каменный уголь. Это была победа. Но до этой победы в начале IX века нашей эры оставалось ещё больше 900 лет.

Итак, возить дрова (или даже готовый древесный уголь) к железу не получается просто из-за логистики процесса

— топлива надо по массе в 4-5 раз больше массы руды, а по объёму и того больше — раз в десять минимум. Легче привести железо к топливу.Топливо в Древней Руси есть, и с избытком. А что на Русской платформе с железом?А вот с железом есть вопросы.

Качественной железной руды на Русской равнине нет.

Сразу ловлю крики: «Как, а Курская магнитная аномалия? Самые качественные магнитные железняки в мире!».Да, одни из самых качественных в мире. Открыты в 1931 году. Глубина залегания — от 200 до 600 метров.

Задача явно не для технологий, бывших в распоряжении древних славян в IX веке нашей эры. Это сейчас всё выглядит красиво, а для того времени картинка современного железнорудного карьера — это как для современного человечества путешествия к Альфе Центавра.

В теории можно, а вот на практике — нет:В итоге, в IX веке на Руси надо делать выбор из чего-то, входящего в этот список всех используемых сейчас человечеством железных руд:

— магнитный железняк — более 70% Fe в виде магнетита Fe3О4 (пример: как раз описанная нами Курская магнитная аномалия)

— красный железняк— 55-60% Fe в виде гематита Fe2О3 (пример: опять таки Курская магнитная аномалия или Криворожский бассейн)- бурый железняк (лимонит) — 35-55% Fe в виде смеси гидроксидов трехвалентного железа Fe2O3—3H2O и Fe2O3—H2O (пример: загубленое Украиной Керченское месторождение).- шпатовый железняк — до 40% Fe в виде карбоната FeCO3 (пример: Бакальское месторождение)Магнетит и гематит на Русской платформе лежат глубоко, шпатового железняка на ней вообще нет.Остаётся бурый железняк (лимонит).

Сырьё, мягко говоря, хреновое — достаточно посмотреть на концентрации железа в нём, но прикол в том, что оно есть на территории тогдашней Руси почти что везде. Кроме того, это «почти что везде» чудесным образом оказывется в непосредственной близости от тогдашнего источника качественного угольного топлива — могучих лесов Русской равнины.

Речь, конечно же, о торфяных болотах и о лимоните, который ещё часто называют болотным железом.

Кроме болотного железа похожий генезис имеют луговое и озёрное железо. Однако, как вы увидите дальше, копать такое железо выгоднее всего было на болоте.

Для понимания широты распространённости фактической добычи этого местного ресурса на Руси достаточно, как и в случае с «металлургическими фамилиями» просто открыть любую географическую карту и посмотреть на названия русских, украинских, белорусских или литовских деревень.

И сразу же вам в глаза бросится громадное количество топонимов со словами Гута, Буда, Руда. Вот их значения:Гута: стеклоплавильный завод

Руда: добыча болотного железа

Буда: добыча поташа из растительной золы.Вы найдёте такие деревни повсюду — широким поясом в Полесских болотах — от Бреста до Сум. Источников «болотной руды» на Руси было полно.

«Болотное железо» образуется вообще практически везде, где происходит переход от кислородосодержащих почв к бескислородному слою (в аккурат на стыке этих двух слоёв).

В болотах просто эта граница расположена, в отличии от других типов местности, очень близко к поверхности, поэтому там конкреции железа можно копать буквально лопатой, лишь снимая тонкий слой болотной растительности.

Вот так непритязательно выглядит болотное железо (bog iron).Но именно оно спасло Русь.

1. Сами по себе залежи болотного железа представляют из себя классические россыпи.
2. Кстати, «деревянное олово» (о котором я писал в цикле о Катастрофе Бронзового века) — это тоже россыпь.
3. В общем — древнерусским рудокопам приходилось нелегко. Сейчас, конечно же, реконструкторы по всему миру делают выезды на природу и даже раскапывают ямки в местах посуше и подоступнее, где можно легко добыть немного болотной руды:

Россыпи обычно гораздо менее масштабные месторождения, нежели рудные тела, их общий объём редко превышает десятки тысяч тонн (в то время, как рудные месторождения могут содержать миллионы и миллиарды тонн руды), но отработка россыпей обычно гораздо проще выработки рудного тела.Россыпь обычно можно разработать чуть ли не голыми руками и при минимальном дроблении породы, поскольку россыпи залегают обычно в уже разрушенных, осадочных породах.Это вообще повсеместная практика: сначала отрабатываются россыпи — потом уже руды.Причём — по всем металлам, минералам или соединениям.Однако, нельзя сказать, что отработка россыпей болотного железа была простым занятием.Болотное железо добывалось тремя основными способами.Первый — летом с плотов вычерпывался придонный ил на болотных озерах и на реках, вытекающих из болот. Плот удерживался на одном месте шестом (один человек) и еще один человек черпаком доставал ил со дна. Достоинства данного способа – простота, и малые физические нагрузки на работников.Недостатки – большое количество бесполезного труда, так как мало того что с болотным железом черпалась пустая порода, но кроме того, приходилось ещё и поднимать наверх большие количества воды вместе с илом. Кроме того, черпаком сложно выбирать грунт на большую глубину.Второй способ. Зимой в местах где протоки промерзали до дна сначала вырубался лед, а затем так же вырубалось донное отложение, содержащее болотное железо. Достоинства данного способа: возможность выбрать большой слой,содержащий болотное железо. Недостатки: физически трудно долбить лед и мерзлую землю. Добыча возможна только на глубину промерзания.Третий способ был наиболее распространён. На берегу у проток или болотных озер собирался сруб, как для колодца, только больших размеров, например, 4 на 4 метра. Затем внутри сруба начинали выкапывать сначала накрывающий слой пустой породы, постепенно заглубляя сруб. Затем так же выбиралась порода, содержащая болотное железо. Накаты бревен добавлялись по мере заглубления сруба.Постоянно поступающая вода периодически вычерпывалась. Можно, безусловно, было и просто копать без укрепления стен бревнами, но в случае очень вероятного осыпания подмываемого грунта, и засыпания работников в яме – спасти вряд ли кого бы получалось – люди быстро захлебывались и тонули. Достоинства данного способа: возможность выбрать весь слой, содержащий болотное железо, и меньшие трудозатраты, по сравнению со вторым способом. Кроме того, возможно было ещё до начала добычи приблизительно определить качество добываемого сырья («тамошнии жители судят также о доброте руды по роду дерев, на оной растущих; таким образом отыскиваемую под березником и осинником почитают лучшею, потому, что из оной железо бывает мягче, а в таких местах, где растет ельник, жестче и крепче»).Недостатки: приходится всё время работать в воде.Дети реконструкторов счастливы. В IX веке всё было, я думаю, иначе.

Однако, для осознания ситуации на Руси в IX-XII веках надо понимать масштабы того промысла, который был организован нашими предками на столь завалящем ресурсе, как болотные россыпи.

Ведь, если сам по себе процесс выкапывания ила на болотах не оставлял за собой никаких следов, прослеживаемых сквозь столетия, то вот последующая обработка болотного железа оставила следы в культурном слое, да ещё и какие!

Ведь для сыродутного процесса, который в то время использовался в древнерусской металлургии и давал сильножелезистый шлак , была нужна очень богатая железом руда. А лимонит, как мы помним — руда бедная.

Для получения хорошего концентрата лимонита необходимо было предварительное обогащение добываемых руд — как болотных, так и луговых. Поэтому древнерусские металлурги обязательно обогащали болотные железные руды, идущие в плавку.Операция обогащения была очень важным технологическим условием для производства железа в сыродутных печах.

Позднейшие исследования, путём анализа исторических памятников, выявили следующие приемы обогащения руд:1) просушка (выветривание, в течении месяца);2) обжиг;3) размельчение;4) промывка;5) просеивание.

Получение высококонцентрироваиной руды не могло ограничиться только одной или двумя операциями, а требовало планомерной обработки всеми указанными приемами. Археологически известной операцией является обжиг руды.Как понимаете, обжиг тоже требовал качественного топлива (древесного угля) причём тоже в немалых количествах.

При археологических разведках у деревни Ласуны на побережье Финского залива в одном из шурфов была обнаружена куча обожженной руды. Для всех операций обогащения руды требуется очень простой инвентарь: для размельчения руды — деревянная колода и ступа, а для просеивания и промывания — деревянное решето (сетка из прутков).

Недостатком обжига болотной руды в кострах и ямах, являлось неполное удаление из нее воды при обжиге больших кусков и большие потери при обжиге маленьких кусков.В современном производстве, конечно же, обогащение происходит гораздо проще — мелко дробленая руда смешивается с таким же молотым коксом и подается в аппарат похожий на большую мясорубку.

Шнек подает смесь руды и кокса на решетку с отверстиями не более 8 мм. Выдавливаясь через отверстия такая однородная смесь попадает в факел пламени, при этом кокс сгорает, оплавляя руду, а кроме того из руды выжигается сера, таким образом одновременно происходит и сероочистка сырья.

Ведь в болотном железе, как и в каменном угле, содержаться вредные примеси — сера и фосфор. Можно, конечно, было найти сырье содержащее мало фосфора (ну, относительно мало — в рудном железе его всё же всегда меньше, чем в болотном). Но найти болотное железо содержащее мало и фосфора и серы было практически невозможно.

Поэтому, вдобавок к целой индустрии добычи болотного железа возникла и не менее масштабная индустрия его обогащения.

Для понимания размаха это действа приведу один пример: при раскопках в Старой Рязани в 16 из 19 жилищ горожан обнаружены следы «домашней» варки железа в горшках в обыкновенной печи.

Западноевропейский путешественник Яков Рейтенфельс, побывав в Московии в 1670 году писал, что «страна московитов — это живой источник хлеба и металла».Вот так, на голом месте, не имея под собой ничего, кроме бедных лесных почв с чахлыми берёзками и торфяных болот, внезапно наши предки обнаружили буквально у себя под ногами «золотую жилу». И пусть это была не жила, а россыпь и не золотая, а железная — ситуация от этого не поменялась.Только ещё формирующаяся страна получила своё место в мире и цивилизационный путь, который приведёт её к пушкам Балаклавы, к танку Т-З4 и к МБР «Тополь-М».Ресурсы. Работа. Производство. Оружие.Потому что имея ресурсы — ты неизбежно приходишь к оружию. Или — кто-то чужой приходит за твоими ресурсами.На Руси наступил Железный век.Век — а точнее — тысячелетие русского оружия.Тысячелетие, в котором меч будет подниматься — и опускаться снова, после того, как очередной враг будет разбит и выброшен прочь из берёзовых лесов и торфяных болот.И враги не заставили себя ждать.Ведь в Х веке уже набирала силу гонка вооружений Железного Века.

Производство железа: особенности выплавки и добычи сырья

Первое железо известное человечеству носило космическое происхождение, а, точнее говоря, метеоритное. Как инструментальный материал оно стало использоваться примерно 4 тыс. лет до нашей эры. Технология выплавки металла несколько раз появилась на свет и терялась в результате войн и смут, но, как считают историки, первыми освоили выплавку хетты.

Стоит отметить, что речь идет о сплавах железа с небольшим количеством примесей. Химически чистый металл стало возможным получить лишь с появлением современных технологий.

Данная статья расскажет вам в подробностях об особенностях производства металла методом прямого восстановления, кричном, губчатого, сыродутного, горячебрикетированного железа, коснемся изготовления хлорного и чистого вещества.

Для начала стоит рассмотреть способ производство железа из железной руды. Железо – элемент весьма распространенный. По содержанию в земной коре металл занимает 4 место среди всех элементов и 2 среди металлов. В литосфере железо представлено обычно в виде силикатов. Наибольшее его содержание отмечено в основных и ультраосновных породах.

Практически все горные руды содержат какую-то толику железа. Однако разрабатываются лишь те породы, в которых доля элемента имеет промышленное значение. Но и в этом случае количество пригодных для разработки минералов более чем велико.

• Прежде всего, это железняк – красный (гематит), магнитный (магнитит) и бурый (лимонит). Это сложные оксиды железа с содержанием элемента в 70–74%. Бурый железняк чаще встречается в корах выветривания, где формирует так называемые «железные шляпы» толщиной до нескольких сот метров. Остальные имеют в основном осадочное происхождение.
• Очень распространен сульфид железа – пирит или серный колчедан, однако железной рудой он не считается и идет на производство серной кислоты.
• Сидерит – карбонат железа, включает до 35%, это руда средняя по содержанию элемента.
• Марказит – включает до 46,6%.
• Миспикель – соединение с мышьяком и серой, содержит до 34,3% железа.
• Леллингит – включает всего 27,2% элемента и считается рудой бедной.

Минеральные породы классифицируют по доле железа таким образом:

• богатые – с содержанием металла более, чем 57%, с долей кремнезема менее 8–10%, и примесью серы и фосфора менее 0,15%. Такие руды не обогащаются, сразу отправляются на производство;
• руда со средним содержанием включает не менее 35% вещества и нуждается в обогащении;
• бедные железные руды должны содержать не менее 26%, и тоже обогащаются перед отправкой в цех.

Общий технологический цикл производства железа в виде чугуна, стали и проката рассмотрен в этом видео:

Существует несколько методов добычи руды. Применяют тот, который находят наиболее экономически целесообразным.

• Открытый способ разработки – или карьерный. Рассчитан на неглубокое залегание минеральной породы. Для добычи выкапывают карьер глубиной до 500 м и шириной, зависящей от мощности месторождения. Железную руду извлекают из карьера и транспортируют машинами, рассчитанными на перевозку тяжелых грузов. Как правило, так добывают именно богатую руду, так что необходимости в ее обогащении не возникает.
• Шахтный – при залегании породы на глубине 600–900 м, бурят шахты. Такая разработка куда более опасна, поскольку связана со взрывными подземными работами: обнаруженные пласты взрывают, а затем собранную руду транспортируют наверх. При всей своей опасности этот метод считается более эффективным.
• Гидродобыча – в этом случае бурят скважины на определенную глубину. В шахту спускают трубы и подают воду под очень большим давлением. Водная струя дробит породу, а затем железную руду поднимают на поверхность. Скважинная гидродобыча мало распространена, так как требует больших затрат.

Далее рассмотрены технология, процессы изготовления железа.

Технологии производства железа

Все металлы и сплавы разделяют на цветные (вроде никеля, олова, цинка, меди и т.п.) и черные. К последним относятся чугун и сталь. 95% всех металлургических процессов приходится на черную металлургию, железо используется повсеместно.

Несмотря на невероятное разнообразие получаемых сталей технологий изготовления не так уж много. Кроме того, чугун и сталь – это не совсем 2 разных продукта, чугун – обязательная предварительная стадия получения стали.

Классификация продукции

И чугун, и сталь относят к сплавам железа, где легирующим компонентом выступает углерод. Доля его невелика, но он придает металлу очень высокую твердость и некоторую хрупкость. Чугун, поскольку содержит больше углерода, более хрупкий, чем сталь. Менее пластичен, но отличается лучшей теплоемкостью и стойкостью к внутреннему давлению.

Чугун получают при доменной плавке. Различают 3 вида:

• серый или литейный – получают методом медленного остывания. Сплав содержит от 1,7 до 4,2% углерода. Серый чугун хорошо обрабатывается механическими инструментами, прекрасно заполняет формы, поэтому его используют для производства литьевых изделий;
• белый – или передельный, получают при быстром остывании. Доля углерода – до 4,5%. Может включать дополнительные примеси кремния, графита, марганца. Белый чугун отличается твердостью и хрупкостью и в основном применяется для выплавки стали;
• ковкий – включает от 2 до 2,2% углерода. Производится из белого чугуна путем длительного прогревания отливок и медленного длительного охлаждения.

Сталь может включать не более 2% углерода, получают ее 3 основными способами. Но в любом случае суть сталеварения сводится к отжигу нежелательных примесей кремния, марганца, серы и так далее. Кроме того, если получают легированную сталь, то в процессе изготовления вводят дополнительные ингредиенты.

По назначению сталь разделяют на 4 группы:

• строительная – применяют в виде проката без термической обработки. Это материал для сооружения мостов, каркасов, изготовления вагонов и так далее;
• машиностроительная – конструкционная, относится к категории углеродистой стали, включает не более 0,75% углерода и не более 1,1% марганца. Используется для производства разнообразных машинных деталей;
• инструментальная – также углеродистая, но с низким содержанием марганца – не более 0,4%. Из нее производят разнообразный инструмент, в частности, металлорежущий;
• сталь специального назначения – к этой группе относят все сплавы с особыми свойствами: жаропрочная сталь, нержавеющая, кислотоупорная и так далее.

Предварительный этап

Даже богатую руду перед выплавкой чугуна необходимо подготовить – освободить от пустой породы.

• Агломерационный метод – руда дробится, размалывается и засыпается вместе с коксом на ленту агломерационной машины. Лента проходит через горелки, где под действием температуры загорается кокс. При этом руда спекается, а сера и другие примеси выгорают. Полученный агломерат подается в бункерные чаши, где охлаждается водой и продувается потоком воздуха.
• Метод магнитной сепарации – руду дробят и подают на магнитный сепаратор, поскольку железо обладает способностью намагничиваться, минералы при промывании водой остаются в сепараторе, а пустая порода вымывается. Затем из полученного концентрата делает окатыши и горячебрикетированное железо. Последние допускается использовать для приготовления стали, минуя стадию получения чугуна.

• Данное видео расскажет во всех подробностях о производстве железа:
• Чугун выплавляют из руды в доменной печи:

• приготавливают шихту – агломерат, окатыши, кокс, известняк, доломит и прочее. Состав зависит от вида чугуна;
• шихту скиповым подъемником загружают в доменную печь. Температура в печи – 1600 С, снизу подается горячий воздух;
• при такой температуре железо начинает плавиться, а кокс гореть. При этом происходит восстановление железа: сначала при сгорании угля получают угарный газ. Угарный газ реагирует с оксидом железа с получением чистого металла и углекислого газа;
• флюс – известняк, доломит, добавляется в шихту для перевода нежелательных примесей в форму, которую легче устранить. Например, оксиды кремния не плавятся при такой низкой температуре и отделить их от железа невозможно. Но при взаимодействии с оксидом кальция, получаемым разложением известняка, кварц превращается в силикат кальция. Последний плавится при такой температуре. Он легче, чем чугун и остается плавать на поверхности. Отделить его достаточно просто – шлак периодически выпускают через летки;
• жидкий чугун и шлак по разным каналам стекают в ковши.

Полученный чугун в ковшах транспортируют в сталеплавильный цех или к разливочной машине, где получают чугунные слитки.

Выплавка стали

• Мартеновский – самый популярный метод получения, поскольку обеспечивает высокое качество стали. Расплавленный или твердый чугун с добавкой руды или скрапа подают в мартеновскую печь и плавят. Температура – около 2000 С, поддерживается за счет горения газообразного топлива. Суть процесса сводится к выжиганию углерода и других примесей из железа. Необходимые добавки, если речь идет о легированной стали, добавляют в конце выплавки. Готовый продукт разливают в ковши или на слитки в изложницы.

Слитки после извлечения отправляются на обжимные станы. Обжим изменяют структуру и механические свойства сплава. После обжима слиток превращается в заготовку и отправляется в прокатный цех.

• Кислородно-конвертный метод – или бессемеровский. Отличается более высокой производительностью. Технология включает продувку сквозь толщу чугуна сжатого воздуха под давлением в 26 кг/кв. см. При этом углерод сгорает, и чугун становится сталью. Реакция экзотермическая, так что температура при этом повышается до 1600 С. Чтобы повысить качество продукции, сквозь чугун продувают смесь воздуха с кислородом или даже чистый кислород.
• Электроплавильный метод считается самым эффективным. Чаще всего его используют для получения многократно легированных сталей, так как технология выплавки в этом случае исключает попадание ненужных примесей из воздуха или газа. Температура в печидля производства железа достигается максимальная – около 2200 С за счет электродуги.

Прямое получение

С 1970 года стал использоваться и способ прямого восстановления железа. Метод позволяет миновать затратную стадию получения чугуна в присутствии кокса. Первые установки такого рода не отличались производительностью, но на сегодня способ стал довольно известен: оказалось, что в качестве восстановителя можно применять природный газ.

Сырьем для восстановления служат окатыши. Их загружают в шахтную печь, прогревают и продувают продуктом конверсии газа – угарный газ, аммиак, но в основном водород. Реакция происходит при температуре в 1000 С, при этом водород восстанавливает железо из оксида.

О производителях традиционного (не хлорного и т.п.) железа в мире поговорим ниже.

К наиболее крупным производителям железа относят следующие компании:

• Vale S. A. – бразильская горнодобывающая компания, крупнейший производитель железа и никеля;
• BHP Billiton – австралийская компания. Основное ее направление – добыча нефти и газа. Но при этом она же является крупнейшим поставщиком меди и железа;
• Rio Tinto Group – австралийско-британский концерн. Rio Tinto Group добывает и производит золото, медь, железо, алмазы и уран;
• Fortescue Metals Group – еще одна австралийская компания, специализирующаяся по добыче руды и производству железа;
• В России крупнейшим производителем выступает Евразхолдинг – металлургическая и горнодобывающая компания. Также известны на мировом рынке Металлинвест и ММК;
• ООО «Метинивест холдинг» – украинская горно-металлургическая компания.

Распространенность железа велика, способ добычи достаточно прост, да и выплавка в конечном счете – процесс экономически выгодный. Вместе с физическими характеристиками производство и обеспечивает железу роль главного конструкционного материала.

Изготовление хлорного железа показано в этом видеоролике:

Железные руды: классификация, ценность, способы добычи и применение

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.