Железная руда - Iron ore

Гематит: основная железная руда на рудниках Бразилии.
Запасы железорудных окатышей, подобные этому, используются в стали производство.
Разгрузка железной руды в доках Толедо, штат Огайо

Железные руды[1] находятся горные породы и минералы откуда металлический утюг можно экономично добыть. В руды обычно богаты оксиды железа и различаются по цвету от темно-серого, ярко-желтого или темно-фиолетового до ржаво-красного. Утюг обычно находится в виде магнетит (Fe
3О
4, 72,4% Fe), гематит (Fe
2О
3, 69,9% Fe), гетит (FeO (ОН), 62,9% Fe), лимонит (FeO (OH) · n (H2O), 55% Fe) или сидерит (FeCO3, 48,2% Fe).

Руды, содержащие очень большое количество гематита или магнетита (более 60% железа), известны как «природная руда» или «руда для прямой доставки», что означает, что они могут использоваться непосредственно для производства железа. доменные печи. Железная руда - это сырье раньше делал чугун, которое является одним из основных видов сырья для производства стали —98% добытой железной руды идет на производство стали.[2] В 2011 г. Financial Times предположил, что железная руда «более важна для глобальная экономика чем любой другой товар, кроме, возможно, масло ".[3]

Источники

Металлическое железо практически неизвестно на поверхности земной шар кроме железо-никелевых сплавы из метеориты и очень редкие формы глубокой мантии ксенолиты. Считается, что некоторые железные метеориты образовались из сросшихся тел диаметром 1000 км и более.[4] Происхождение железа в конечном итоге можно проследить до образования в результате ядерного синтеза в звездах, и считается, что большая часть железа образовалась в умирающих звездах, которые достаточно велики, чтобы коллапсировать или взорваться как сверхновые.[5] Хотя железо является четвертым по распространенности элементом в земной коры, составляя около 5%, подавляющее большинство связано с силикат или реже карбонат минералы (подробнее см. железный цикл ). В термодинамический Препятствия на пути отделения чистого железа от этих минералов являются огромными и энергоемкими, поэтому все источники железа, используемые в промышленности, используют сравнительно более редкое железо. окись минералы, в первую очередь гематит.

До промышленной революции большую часть железа получали из широко доступных гетит или же болотная руда, например во время Американская революция и Наполеоновские войны. Использовались доисторические общества латерит как источник железной руды. Исторически сложилось так, что большая часть железной руды, используемой промышленно развитый общества добывали преимущественно из месторождений гематита с содержанием железа около 70%. Эти месторождения обычно называют «рудами для прямой транспортировки» или «природными рудами». Растущий спрос на железную руду в сочетании с истощением богатых гематитовых руд в Соединенных Штатах после Вторая Мировая Война привело к развитию источников железной руды с более низким содержанием, в основном к использованию магнетит и таконит.

Способы добычи железной руды различаются в зависимости от типа добываемой руды. В настоящее время разрабатываются четыре основных типа месторождений железной руды, в зависимости от минералогии и геологии рудных месторождений. Это магнетит, титаномагнетит, массивный гематит и писолитический месторождения железного камня.

Пластинчатые железные образования

Основная статья: Образование полосчатого железа
Камень возрастом 2,1 миллиарда лет показывает полосчатое железо.
Обработанные окатыши таконита с красноватым окислением поверхности, используемые в сталелитейной промышленности, с Квартал США (диаметр: 24 мм [0,94 дюйма]) показан для шкалы

Пластинчатые железные образования (BIF) являются осадочные породы с содержанием более 15% железа, состоящего преимущественно из тонкослоистых минералов железа и кремнезем (в качестве кварц ). Пластинчатые железные образования встречаются исключительно в Докембрийский скалы, и обычно от слабой до интенсивной превращенный. Пластинчатые железные образования могут содержать железо в карбонаты (сидерит или же анкерит ) или же силикаты (миннесотит, гриналит, или же грюнерит ), но в тех, что добыты как железная руда, оксиды (магнетит или же гематит ) являются основным минералом железа.[6] Пластинчатые железные образования известны как таконит в пределах Северной Америки.

Добыча связана с перемещением огромных объемов руды и отходов. Отходы бывают двух видов: нерудные коренные породы в шахте (перегружать или междурядье, известное как меллок), и нежелательные минералы, которые являются неотъемлемой частью самой рудной породы (порода ). Муллок добывается и складывается в свалки, и порода отделяется во время обогащение процесс и удаляется как хвосты. Хвосты таконита - это в основном минеральный кварц, который химически инертен. Этот материал хранится в больших регулируемых прудах-отстойниках.

Магнетитовые руды

Ключевыми экономическими параметрами магнетитовой руды, которые являются экономически выгодными, являются кристалличность магнетита, содержание железа в вмещающей породе полосчатого железного пласта и загрязняющие элементы, которые существуют в магнетитовом концентрате. Размер и коэффициент вскрытия большинства ресурсов магнетита не имеют значения, поскольку полосчатая формация железа может иметь толщину в сотни метров и простираться на сотни километров вдоль забастовка, и легко может составить более трех миллиардов или более тонн содержащейся руды.

Типичная марка железа, при которой образование полосчатого железа, содержащего магнетит, становится рентабельным, составляет примерно 25% железа, что, как правило, может обеспечить извлечение магнетита от 33% до 40% по весу, чтобы получить концентрат с содержанием железа более 64% по весу. масса. Типичный магнетитовый железорудный концентрат содержит менее 0,1% фосфор, 3–7% кремнезем и менее 3% алюминий.

В настоящее время добыча магнетитовой железной руды осуществляется в Миннесота и Мичиган в НАС., Восточная Канада и северный Швеция. Магнетитсодержащая полосчатая формация железа в настоящее время широко разрабатывается в Бразилия, которая экспортирует значительные объемы в Азия, и есть зарождающаяся и крупная промышленность по производству магнетитовой железной руды в Австралия.

Прямые поставки (гематитовые) руды

Месторождения железной руды с прямой отгрузкой (DSO) (обычно состоящие из гематит ) в настоящее время эксплуатируются на всех континентах, кроме Антарктида, с наибольшей интенсивностью в Южная Америка, Австралия и Азия. Большинство крупных залежей железной руды гематита происходят из измененных полосчатых железных образований и редко изверженных скоплений.

Месторождения DSO обычно более редки, чем содержащие магнетит BIF или другие породы, которые образуют его основной источник или протолитовые породы, но их добыча и переработка значительно дешевле, поскольку они требуют меньшего обогащения из-за более высокого содержания железа. Однако руды DSO могут содержать значительно более высокие концентрации штрафных элементов, как правило, с более высоким содержанием фосфора, воды (особенно писолит осадочные скопления) и алюминия (глины внутри писолитов). Руды DSO экспортного качества обычно имеют содержание Fe 62–64%.[нужна цитата ]

Магматические месторождения магнетитовых руд

Изредка гранит и ультракапичный Магматические породы разделять магнетит кристаллы и образуют массы магнетита, пригодные для хозяйственного обогащения.[7] Несколько месторождений железной руды, особенно в Чили, формируются из вулканический потоки, содержащие значительные скопления магнетита вкрапленники.[8] Чилийские месторождения магнетитовых железных руд в пределах Пустыня Атакама также сформировали аллювиальный скопления магнетита в ручьях, исходящих из этих вулканических образований.

Немного магнетита скарн и гидротермальный месторождения разрабатывались в прошлом как месторождения богатой железной руды, требующие мало обогащение. Есть несколько месторождений такого рода, связанных с гранитом. Малайзия и Индонезия.

Другие источники магнетитовой железной руды включают метаморфические скопления массивной магнетитовой руды, такие как Savage River, Тасмания, образованный срезанием офиолит Ultramafics.

Другим, второстепенным источником железных руд являются магматические скопления в многоуровневые вторжения которые обычно содержат титан -содержащий магнетит часто с ванадий. Эти руды образуют нишевый рынок, на специализированных плавильных заводах, используемых для извлечения железа, титана и ванадия. Эти руды обогащаются практически так же, как и руды полосчатых железных пластов, но обычно их легче улучшить с помощью сокрушение и скрининг. Типичный титаномагнетитовый концентрат содержит 57% Fe, 12% Ti и 0,5%. V
2О
5.[нужна цитата ]

Хвостохранилища

На каждую тонну железорудного концентрата производится примерно 2,5–3,0 тонны железной руды. хвосты будет выписан. Статистика показывает, что ежегодно выгружается 130 миллионов тонн железной руды. Если, например, хвосты рудника содержат в среднем около 11% железа, ежегодно теряется около 1,41 миллиона тонн железа.[9] Эти хвосты также богаты другими полезными металлами, такими как медь, никель, и кобальт,[10] и их можно использовать для дорожно-строительных материалов, таких как тротуар и наполнитель, и строительных материалов, таких как цемент, низкосортное стекло и стеновые материалы.[9][11][12] Хотя хвосты представляют собой руду с относительно низким содержанием, их также недорого собирать, поскольку их не нужно добывать. Из-за этого компании, такие как Magnetation, Inc., начали проекты по рекультивации, где они используют хвосты железной руды в качестве источника металлического железа.[9]

Два основных метода утилизации железа из хвостов железной руды - это намагничивающий обжиг и прямое восстановление. При обжиге намагничиванием используются температуры от 700 до 900 ° C в течение менее 1 часа для производства концентрата железа (Fe3О4) для выплавки чугуна. Для обжига под действием намагничивания важно иметь восстановительную атмосферу, чтобы предотвратить окисление и образование Fe2О3 потому что его труднее отделить, так как он менее магнитный.[9][13] Для прямого восстановления используются более высокие температуры, превышающие 1000 ° C, и более длительное время, составляющее 2–5 часов. Прямое восстановление используется для производства губчатое железо (Fe) для производства стали. Прямое восстановление требует больше энергии, так как температура выше, время больше, и для него требуется больше восстановителя, чем при обжиге под действием намагничивания.[9][14][15]

Добыча

Смотрите также: Минеральная переработка
Смотрите также: Воздействие добычи железной руды на окружающую среду

Источники железной руды с более низким содержанием обычно требуют обогащение, используя такие техники, как дробление, фрезерование, разделение под действием силы тяжести или тяжелых сред, просеивание и кремнезем пенная флотация для повышения концентрации руды и удаления примесей. В результате получается высококачественная мелкозернистая руда, известная как мелочь.

Магнетит

Магнетит является магнитный, а значит, легко отделяется от порода минералов и способна производить высококачественный концентрат с очень низким уровнем примесей.

Размер зерна магнетита и степень его смешивания с кремнеземом. основная масса определить размер помола, до которого необходимо измельчить породу, чтобы обеспечить эффективную магнитную сепарацию и получить концентрат магнетита высокой чистоты. Это определяет затраты энергии, необходимые для выполнения операции измельчения.

Добыча полосчатых железных пластов включает грубое дробление и грохочение с последующим грубым дроблением и тонким измельчением до измельчать руды до точки, в которой кристаллизованный магнетит и кварц становятся достаточно мелкими, чтобы кварц оставался, когда полученный порошок пропускали под магнитным сепаратором.

Как правило, большинство отложений железных пластов с полосами магнетита необходимо измельчить до толщины от 32 до 45 микрометров, чтобы получить концентрат магнетита с низким содержанием кремнезема. Марки магнетитового концентрата, как правило, содержат более 70% железа по весу и обычно содержат мало фосфора, мало алюминия, мало титана и мало кремнезема и требуют более высокой цены.

Гематит

Из-за высокого плотность из гематит относительно связанных силикат Обогащение гематита обычно включает комбинацию методов обогащения.

Один метод основан на пропускании мелко измельченного руда над суспензией, содержащей магнетит или другой агент, такой как ферросилиций что увеличивает его плотность. Если плотность суспензии правильно откалибрована, гематит утонет, и силикатный минерал осколки всплывут, и их можно будет удалить.[16]

Производство и потребление

Эволюция содержания добываемой железной руды в разных странах (Канада, Китай, Австралия, Бразилия, США, Швеция, СССР-Россия, мир). Недавнее падение мировых содержаний руды связано с большим потреблением бедных китайских руд. Американская руда перед продажей улучшается от 61% до 64%.[17]
Для более полного списка см. список стран по добыче железной руды.
Полезная добыча железной руды в млн метрических тонн за 2015 год[18]Оценка добычи на рудниках в Китае основана на статистике сырой руды Национального бюро статистики Китая, а не на полезной руде, как сообщается для других стран.[19]
СтранаПроизводство
Австралия817
Бразилия397
Китай375*
Индия156
Россия101
Южная Африка73
Украина67
Соединенные Штаты46
Канада46
Иран27
Швеция25
Казахстан21
Другие страны132
Общий мир2,280

Железо - наиболее широко используемый металл в мире - сталь, ключевым ингредиентом которой является железная руда, составляющая почти 95% всего металла, используемого в год.[3] Он используется в основном в конструкциях, кораблях, автомобилях и машинах.

Горные породы, богатые железом, широко распространены во всем мире, но коммерческие руды добыча полезных ископаемых по операциям преобладают страны, перечисленные в таблице. Основным ограничением для экономики месторождений железной руды необязательно является их содержание или размер, потому что геологически нетрудно доказать наличие достаточного тоннажа горных пород. Основным ограничением является положение железной руды по отношению к рынку, стоимость железнодорожной инфраструктуры для доставки ее на рынок и затраты энергии, необходимые для этого.

Добыча железной руды - это крупномасштабный бизнес с низкой маржой, поскольку стоимость железа значительно ниже, чем цветных металлов.[20] Это очень капиталоемкий процесс и требует значительных инвестиций в инфраструктуру, такую ​​как железная дорога, для транспортировки руды от рудника на грузовое судно.[20] По этим причинам производство железной руды сосредоточено в руках нескольких крупных игроков.

Мировая добыча в среднем составляет два миллиарда тонн сырой руды в год. Крупнейшим производителем железной руды в мире является бразильская горнодобывающая корпорация. Вале, за которыми следуют англо-австралийские компании Группа Рио Тинто а потом Л.с.. Еще один австралийский поставщик, Группа Fortescue Metals Ltd помогла Австралии вывести производство на первое место в мире.

Морская торговля железной рудой, то есть железной рудой, предназначенной для отправки в другие страны, составила 849 миллионов тонн в 2004 году.[20] Австралия и Бразилия доминируют в морской торговле, занимая 72% рынка.[20] BHP, Rio и Vale контролируют 66% этого рынка между собой.[20]

В Австралия железная руда добывается из трех основных источников: писолит »месторождение руслового железа «руда, полученная путем механической эрозии первичных пластов с полосчатым железом и накопленная в аллювиальных каналах, таких как Паннавоника, Западная Австралия; и доминирующая метасоматически измененная полосчатая формация железа родственные руды, такие как Новичок, то Чичестер Диапазон, то Хэмерсли Диапазон и Koolyanobbing, Западная Австралия. В последнее время на передний план выходят и другие виды руды, такие как окисленные железистые твердые колпачки, например латерит месторождения железной руды рядом Озеро Аргайл в Западной Австралии.

Суммарные извлекаемые запасы железной руды в Индия около 9,602 млн тонн гематит и 3,408 млн тонн магнетит.[21] Чхаттисгарх, Мадхья-Прадеш, Карнатака, Джаркханд, Одиша, Гоа, Махараштра, Андхра-Прадеш, Керала, Раджастхан и Тамил Наду являются основными индийскими производителями железной руды. Мировое потребление железной руды растет на 10% в год[нужна цитата ] в среднем, при этом основными потребителями являются Китай, Япония, Корея, США и Европейский Союз.

В настоящее время Китай является крупнейшим потребителем железной руды, что означает, что он является крупнейшей страной-производителем стали в мире. Он также является крупнейшим импортером, покупая 52% морской торговли железной рудой в 2004 году.[20] За Китаем следуют Япония и Корея, которые потребляют значительное количество сырой железной руды и металлургического угля. В 2006 году Китай произвел 588 миллионов тонн железной руды с ежегодным ростом на 38%.

Рынок железной руды

За последние 40 лет цены на железную руду решались в ходе закрытых переговоров между небольшой горсткой горняков и сталевары которые доминируют как на спотовых, так и на контрактных рынках. Традиционно первая сделка, достигнутая между этими двумя группами, устанавливает ориентир за ними последует остальная отрасль.[3]

Однако в последние годы эта система эталонных показателей начала разрушаться, и участники цепочек спроса и поставок призывали к переходу на краткосрочное ценообразование. Учитывая, что большинство других товары уже имеют зрелую рыночную систему ценообразования, и железная руда естественно последовать этому примеру. Чтобы ответить на растущие рыночные потребности в более прозрачных ценах, ряд финансовых бирж и / или клиринговых палат по всему миру предложили клиринг свопов на железную руду. Группа CME, SGX (Сингапурская биржа), Лондонская клиринговая палата (LCH.Clearnet), NOS Group и ICEX (Индийская товарная биржа) предлагают клиринговые свопы на основе данных о сделках с железной рудой The Steel Index (TSI). CME также предлагает своп на базе Platts в дополнение к клирингу свопа TSI. ICE (Межконтинентальная биржа) также предлагает услуги клиринга свопов на базе Platts. Рынок свопов быстро вырос, а ликвидность сосредоточилась вокруг цен TSI.[22] К апрелю 2011 года свопы на железную руду на сумму более 5,5 миллиардов долларов США были погашены на основе цен TSI. К августу 2012 года, по данным TSI, торговля свопами превышала один миллион тонн в день.

Относительно новым явлением также стало введение опционов на железную руду в дополнение к свопам. Группа CME была местом, наиболее используемым для клиринга опционов, написанных против TSI, с открытым интересом более 12000 лотов в августе 2012 года.

Сингапурская товарная биржа (SMX) запустила первый в мире глобальный фьючерсный контракт на железную руду, основанный на Металлический бюллетень Индекс железной руды (MBIOI), который использует ежедневные данные о ценах от широкого круга участников отрасли и независимой китайской сталелитейной консалтинговой компании и поставщика данных, обширную базу контактов производителей стали и трейдеров железной руды в Китае в Shanghai Steelhome.[23] Ежемесячный объем фьючерсного контракта превысил 1,5 миллиона тонн после восьми месяцев торгов.[24]

Этот шаг последовал за переходом трех крупнейших мировых добытчиков железной руды на квартальное ценообразование на основе индексов -Вале, Рио Тинто и Л.с. - в начале 2010 г., нарушив 40-летнюю традицию базового годового ценообразования.[25]

Изобилие по странам

Доступные мировые ресурсы железной руды

Железо - самый распространенный элемент на Земле, но не в коре.[26] Однако объем доступных запасов железной руды неизвестен. Лестер Браун из Институт Worldwatch предположил в 2006 году, что железная руда может закончиться в течение 64 лет (то есть к 2070 году), исходя из роста спроса на 2% в год.[27]

Австралия

Геонауки Австралия подсчитывает, что страна "продемонстрированные экономические ресурсы «железа» в настоящее время составляют 24 гигатонны, или 24 млрд тонн.[нужна цитата ] Текущий уровень добычи из Пилбара регион Западная Австралия составляет примерно 430 миллионов тонн в год и продолжает расти. Гэвин Мадд (Университет RMIT ) и Джонатон Ло (CSIRO ) ожидают, что он исчезнет в течение 30–50 и 56 лет соответственно.[28] Эти оценки 2010 года требуют постоянного пересмотра, чтобы учесть изменение спроса на железную руду с более низким содержанием и улучшение методов добычи и добычи (что позволяет вести более глубокую добычу ниже уровня грунтовых вод).

Напряжение между руководством и профсоюзами остается высоким.[29]

Пилбара месторождение

В 2011 году ведущие производители железной руды из Пилбары - Rio Tinto, BHP и Fortescue Metals Group (FMG) - объявили о значительных капиталовложениях в развитие существующих и новых рудников и сопутствующей инфраструктуры (железной дороги и порта). В совокупности это составит производство 1 000 миллионов тонн в год (Мт / год) к 2020 году. Практически для этого потребуется удвоение производственных мощностей по сравнению с текущим[когда? ] уровень добычи от 470 до 1 000 млн т / год (рост на 530 млн т / год). Эти цифры основаны на текущих[когда? ] Добыча Rio 300 Mt / y, BHP 240 Mt / y, FMG 55 Mt / y и Other 15 Mt / y увеличивается до Rio 360 Mt / y, BHP 356 Mt / y, FMG 155 Mt / y и Other 140 Mt / y г (последние 140 млн т / г основаны на запланированной добыче из последних[когда? ] участников отрасли Hancock, Atlas и Brockman через Порт-Хедленд и API и другие через предлагаемые Порт Анкетель ). В марте 2014 года Fortescue официально открыла свой проект Kings Valley с производительностью 40 миллионов тонн в год, ознаменовав завершение проекта расширения стоимостью 9,2 миллиарда долларов США, в результате которого производственная мощность увеличилась до 155 миллионов тонн в год. Расширение включало строительство новых месторождений Solomon Hub в Hamersley Ranges, одного из крупнейших в мире предприятий по добыче железной руды, включающего Kings Valley и близлежащий рудник Firetail мощностью 20 млн тонн в год; расширение рудника Christmas Creek до 50 млн тонн в год; а также крупные расширения портов и железнодорожных объектов мирового класса Fortescue.

Добыча на уровне 1 000 Мт / год потребует значительного увеличения добычи на существующих рудниках и открытия значительного количества новых рудников. Кроме того, потребуется значительное увеличение пропускной способности железнодорожной и портовой инфраструктуры. Например, Rio потребуется расширить свои портовые операции в Дампире и мысе Ламберт на 140 млн тонн в год (с 220 до 360 млн тонн в год). BHP потребуется расширить операции в порту Порт-Хедленд на 180 млн тонн в год (со 180 до 360 млн тонн в год). FMG потребуется расширить свои портовые операции в Порт-Хедленде на 100 млн тонн в год (с 55 до 155 млн тонн в год). Это увеличение пропускной способности портов на 420 млн т / год тремя крупными компаниями Rio, BHP и FMG и примерно на 110 млн т / год у неосновных производителей. Исходя из эмпирического правила 50 Мт / год на вагон-самосвал, реклаймер и судовой погрузчик, для нового производства потребуется около десяти новых вагон-самосвалов, реклаймеров и судовых погрузчиков.[30]

Также потребуются новые железнодорожные мощности. Исходя из эмпирического правила 100 Мт / год на каждую железнодорожную линию, для увеличения производства примерно на 500 Мт / год потребуется пять новых одинарных железнодорожных линий. Один из сценариев - это дополнительная железнодорожная линия для всех крупных компаний: BHP (от двухпутной до трехколейной), Rio (с двухколейной до трехколейной), FMG (с одинарной на двухпутную) и как минимум две новые линии. Hancock Prospecting недавно[когда? ] начала добычу на руднике Roy Hill Iron Ore Mine, расположенном к северу от Ньюмана. Этот проект включал разработку месторождения Рой-Хилл, строительство железной дороги протяженностью 344 км и портового сооружения с годовой пропускной способностью 55 млн тонн и QR National для обслуживания не крупных производителей по состоянию на декабрь 2015 года из-за падения цен на железную руду. эти планы были приостановлены на неопределенный срок.[31][32]

Разработчики и правительство должны дополнительно рассмотреть вопрос о производительности в 1000 млн т / год. Сферы дальнейшего рассмотрения включают в себя новые портовые площади в Анкетелле для обслуживания рудников West Pilbara, рост в Порт-Хедленде (BHP объявила о строительстве внешней гавани в Порт-Хедленде), рационализацию железнодорожных путей и требования регулирующих органов для открытия и поддержания наземных нарушений. площадь, обеспечивающая производство 1000 млн т / год, включая, среди прочего, исконные титулы, коренное наследие и результаты защиты окружающей среды.

Соединенные Штаты

В 2014 г. шахты в Соединенные Штаты произвела 57,5 ​​миллионов метрических тонн железной руды с оценочной стоимостью 5,1 миллиарда долларов.[33] Добыча железа в США по оценкам, на ее долю приходилось 2% мировой добычи железной руды. В США двенадцать шахт по добыче железной руды, девять из которых карьеры и три - рекультивационные операции. В 2014 году также работали десять заводов по окомкованию, девять обогатительных фабрик, два завода прямого восстановления железа (ПВЖ) и один завод по производству железных гранул.[33] В Соединенных Штатах Америки большая часть добычи железной руды находится в железные плиты вокруг Озеро Верхнее. Эти диапазоны железа встречаются в Миннесота и Мичиган, на долю которых в совокупности приходилось 93% годной к использованию железной руды, добытой в США в 2014 году. Семь из девяти действующих карьеров в США расположены в Миннесоте, а также две из трех операций по рекультивации хвостов. Два других действующих карьера находились в г. Мичиган, в 2016 году остановлена ​​одна из двух шахт.[33] Были также шахты железной руды в Юта и Алабама; однако последний рудник по добыче железной руды в Юте был закрыт в 2014 г.[33] и последний рудник по добыче железной руды в Алабаме был закрыт в 1975 году.[34]

Канада

В 2017 году на канадских железорудных рудниках было произведено 49 млн тонн железной руды в окатышах концентрата и 13,6 млн тонн стали. Из 13,6 миллиона тонн стали 7 миллионов было экспортировано, а 43,1 миллиона тонн железной руды было экспортировано на сумму 4,6 миллиарда долларов. Из экспортированной железной руды 38,5% составили железорудные окатыши стоимостью 2,3 миллиарда долларов, а 61,5% - железорудные концентраты стоимостью 2,3 миллиарда долларов.[35] Большая часть железной руды Канады поступает из Нунавут и из Лабрадор вдоль Квебек и Ньюфаундленд и Лабрадор граница.[35]

Бразилия

Бразилия является вторым по величине производителем железной руды с Австралия будучи самым большим. В 2015 году Бразилия экспортировала 397 миллионов тонн полезной железной руды.[33] В декабре 2017 года Бразилия экспортировала 346 497 метрических тонн железной руды, а с декабря 2007 года по май 2018 года они экспортировали в среднем 139 299 метрических тонн в месяц.[36]

Плавка

Основные статьи: доменная печь и цветущий

Железные руды состоят из кислород и атомы железа, соединенные в молекулы. Чтобы преобразовать его в металлическое железо, необходимо плавил или отправлено через прямое сокращение процесс удаления кислорода. Связи кислород-железо сильны, и чтобы удалить железо из кислорода, должна быть представлена ​​более прочная элементарная связь для присоединения к кислороду. Углерод используется, потому что прочность углеродно-кислородная связь больше, чем связь железо-кислород, при высоких температурах. Таким образом, железная руда должна быть измельчена и смешана с кокс, для сжигания в процессе плавки.

Монооксид углерода является основным ингредиентом химического удаления кислорода из железа. Таким образом, выплавка железа и углерода должна поддерживаться в состоянии дефицита кислорода (восстановлении), чтобы способствовать сжиганию углерода для получения CO нет CO
2.

  • Воздух и древесный уголь (кокс): 2 C + O2 → 2 СО
  • Окись углерода (CO) является основным восстановителем.
    • Первый этап: 3 Fe2О3 + CO → 2 Fe3О4 + CO2
    • Второй этап: Fe3О4 + CO → 3 FeO + CO2
    • Этап третий: FeO + CO → Fe + CO2
  • Обжиг известняка: CaCO3 → CaO + CO2
  • Известь как флюс: CaO + SiO2 → CaSiO3

Микроэлементы

Включение даже небольших количеств некоторых элементов может иметь серьезные последствия для поведенческих характеристик партии чугуна или работы плавильного завода. Эти эффекты могут быть как хорошими, так и плохими, некоторые катастрофически плохими. Некоторые химические вещества добавляются намеренно, например, флюс, который делает доменную печь более эффективной. Другие добавляются, потому что они делают утюг более жидким, твердым или придают ему другое желаемое качество. Выбор руды, топлива и флюса определяет поведение шлака и эксплуатационные характеристики получаемого чугуна. В идеале железная руда содержит только железо и кислород. На самом деле это бывает редко. Обычно железная руда содержит множество элементов, которые часто нежелательны в современной стали.

Кремний

Кремнезем (SiO
2) почти всегда присутствует в железной руде. Большая его часть шлаковывается в процессе плавки. При температурах выше 1300 ° C (2370 ° F) некоторые из них восстанавливаются и образуют сплав с железом. Чем горячее печь, тем больше кремния будет в чугуне. Нередко можно найти до 1,5% Si в европейском чугуне 16-18 веков.

Основное действие кремния - способствовать образованию серого чугуна. Серый чугун менее хрупкий и его легче обрабатывать, чем белый чугун. По этой причине он предпочтителен для литья. Тернер (1900, pp. 192–197) сообщил, что кремний также уменьшает усадку и образование пузырей, уменьшая количество плохих отливок.

Фосфор

Фосфор (P) оказывает на железо четыре основных эффекта: повышенная твердость и прочность, более низкая температура солидуса, повышенная текучесть и хладостойкость. В зависимости от назначения утюга эти эффекты бывают хорошими или плохими. Болотная руда часто имеет высокое содержание фосфора (Гордон 1996, п. 57).

Прочность и твердость железа увеличивается с увеличением концентрации фосфора. 0,05% фосфора в кованом железе делает его твердым, как среднеуглеродистую сталь. Железо с высоким содержанием фосфора можно также закалить холодным молотком. Эффект закалки сохраняется при любой концентрации фосфора. Чем больше фосфора, тем тверже становится железо и тем сильнее его можно закалить молотком. Современные производители стали могут повысить твердость на 30%, не жертвуя ударопрочностью, поддерживая уровень фосфора от 0,07 до 0,12%. Это также увеличивает глубину упрочнения из-за закалки, но в то же время снижает растворимость углерода в железе при высоких температурах. Это уменьшило бы его полезность при изготовлении черновой стали (цементации), где скорость и количество поглощения углерода являются первостепенными соображениями.

Добавление фосфора имеет обратную сторону. При концентрациях выше 0,2% железо становится все более холодным, коротким или хрупким при низких температурах. Холодное короткое замыкание особенно важно для пруткового железа. Хотя пруток обычно обрабатывают в горячем состоянии, его применение[пример необходим ] часто требуется, чтобы он был прочным, гибким и устойчивым к ударам при комнатной температуре. Гвоздь, который разбился при ударе молотком, или колесо каретки, сломавшееся при ударе о камень, не продавались хорошо.[нужна цитата ] Достаточно высокие концентрации фосфора делают любое железо непригодным для использования (Ростокер и Бронсон 1990, п. 22). Эффекты холодостойкости усиливаются при повышении температуры. Таким образом, кусок железа, который летом отлично работает, зимой может стать очень хрупким. Есть некоторые свидетельства того, что в средние века очень богатые могли иметь меч с высоким содержанием фосфора на лето и меч с низким содержанием фосфора на зиму (Ростокер и Бронсон 1990, п. 22).

Тщательный контроль содержания фосфора может оказаться очень полезным при литье. Фосфор снижает температуру ликвидуса, позволяя чугуну дольше оставаться в расплавленном состоянии и увеличивая текучесть. Добавление 1% может удвоить расстояние, на которое будет течь расплавленный чугун (Ростокер и Бронсон 1990, п. 22). Максимальный эффект, около 500 ° C, достигается при концентрации 10,2% (Ростокер и Бронсон 1990, п. 194). Для литейных работ Тернер[ВОЗ? ] чувствовал, что идеальное железо содержит 0,2–0,55% фосфора. Полученные формы, заполненные железом, имеют меньше пустот и меньше усаживаются. В 19 веке некоторые производители декоративного чугуна использовали железо с содержанием фосфора до 5%. Чрезвычайная текучесть позволяла изготавливать очень сложные и тонкие отливки. Но они не могли нести вес, так как не имели силы (Тернер 1900 С. 202–204).

Есть два средства[согласно кому? ] для железа с высоким содержанием фосфора. Самый старый и легкий способ - избегать. Если бы железо, производимое из руды, было недостаточно холодным, можно было бы искать новый источник железной руды. Второй метод включает окисление фосфора во время процесса очистки путем добавления оксида железа. Этот метод обычно ассоциируется с лужением луж в 19 веке и, возможно, не был понят ранее. Например, Исаак Зейн, владелец Marlboro Iron Works, похоже, не знал об этом в 1772 году. Учитывая репутацию Зейна[согласно кому? ] чтобы быть в курсе последних разработок, эта техника, вероятно, была неизвестна мастерам металлообработки Вирджиния и Пенсильвания.

Фосфор является вредным загрязнителем, поскольку делает сталь хрупкой даже при концентрации всего 0,6%. Фосфор нелегко удалить флюсованием или плавкой, поэтому железные руды, как правило, изначально должны содержать мало фосфора.

Алюминий

Небольшие количества алюминий (Al) присутствует во многих рудах, включая железную руду, песок и некоторые известняки. Первый может быть удален промыванием руды перед плавкой. До внедрения печей, облицованных кирпичом, количество алюминиевого загрязнения было достаточно небольшим, чтобы оно не влияло ни на чугун, ни на шлак. Однако, когда кирпич стали использовать для очагов и внутренней части доменных печей, количество алюминиевого загрязнения резко возросло. Это произошло из-за эрозии футеровки печи жидким шлаком.

Алюминий трудно восстановить. В результате загрязнение утюга алюминием не является проблемой. Однако это увеличивает вязкость шлака (Като и Минова 1969, п. 37 и Розенквист 1983, п. 311). Это будет иметь ряд неблагоприятных последствий для работы печи. Более толстый шлак замедлит спуск шихты, продлив процесс. Высокое содержание алюминия также затрудняет отвод жидкого шлака. В крайнем случае это могло привести к замерзанию печи.

Существует ряд решений проблемы с высоким содержанием алюминиевого шлака. Первый - избегание; не используйте руду или источник извести с высоким содержанием алюминия. Увеличение доли известкового флюса приведет к снижению вязкости (Розенквист 1983, п. 311).

Сера

Сера (S) - частый загрязнитель угля. Он также присутствует в небольших количествах во многих рудах, но может быть удален кальцинирование. Сера легко растворяется как в жидком, так и в твердом железе при температурах плавления железа. Эффект даже от небольшого количества серы немедленный и серьезный. Они были одними из первых, разработанных производителями чугуна. Сера заставляет железо покраснеть или раскалиться (Гордон 1996, п. 7).

Горячее короткое железо в горячем состоянии хрупкое. Это было серьезной проблемой, поскольку большая часть железа, используемого в 17-18 веках, была из прутка или кованого железа. Кованое железо формуют многократными ударами молотка в горячем состоянии. Кусок горячего железа треснет, если обработать его молотком. Когда кусок горячего железа или стали трескается, открытая поверхность немедленно окисляется. Этот слой оксида предотвращает заделку трещины сваркой. Большие трещины вызывают разрушение чугуна или стали. Трещины меньшего размера могут привести к поломке объекта во время использования. Степень жаростойкости прямо пропорциональна количеству присутствующей серы. Сегодня избегают использования железа с содержанием серы более 0,03%.

Горячий короткий утюг можно обрабатывать, но его нужно обрабатывать при низких температурах. Работа при более низких температурах требует больших физических усилий от кузнеца или кузнеца. Чтобы добиться того же результата, нужно бить по металлу чаще и сильнее. Брусок, слегка загрязненный серой, можно обработать, но это требует гораздо больше времени и усилий.

В чугуне сера способствует образованию белого железа. Всего 0,5% может противодействовать эффектам медленного охлаждения и высокого содержания кремния (Ростокер и Бронсон 1990, п. 21). White cast iron is more brittle, but also harder. It is generally avoided, because it is difficult to work, except in China where high sulfur cast iron, some as high as 0.57%, made with coal and coke, was used to make bells and chimes (Rostoker, Bronson & Dvorak 1984, п. 760). В соответствии с Turner (1900, pp. 200), good foundry iron should have less than 0.15% sulfur. In the rest of the world a high sulfur cast iron can be used for making castings, but will make poor wrought iron.

There are a number of remedies for sulfur contamination. The first, and the one most used in historic and prehistoric operations, is avoidance. Coal was not used in Europe (unlike China) as a fuel for smelting because it contains sulfur and therefore causes hot short iron. If an ore resulted in hot short metal, ironmasters looked for another ore. When mineral coal was first used in European blast furnaces in 1709 (or perhaps earlier), it was coked. Only with the introduction of горячий взрыв from 1829 was raw coal used.

Sulfur can be removed from ores by roasting and washing. Roasting oxidizes sulfur to form диоксид серы which either escapes into the atmosphere or can be washed out. In warm climates it is possible to leave pyritic ore out in the rain. The combined action of rain, bacteria, and heat окислять the sulfides to серная кислота и сульфаты, which are water-soluble and leached out (Turner 1900, pp. 77). However, historically (at least), iron sulfide (iron пирит FeS
2), though a common iron mineral, has not been used as an ore for the production of iron metal. Natural weathering was also used in Sweden. The same process, at geological speed, results in the госсан limonite ores.

The importance attached to low sulfur iron is demonstrated by the consistently higher prices paid for the iron of Sweden, Russia, and Spain from the 16th to 18th centuries. Today sulfur is no longer a problem. The modern remedy is the addition of марганец. But, the operator must know how much sulfur is in the iron because at least five times as much manganese must be added to neutralize it. Some historic irons display manganese levels, but most are well below the level needed to neutralize sulfur (Rostoker & Bronson 1990, п. 21).

Sulfide inclusion as сульфид марганца (MnS) can also be the cause of severe pitting corrosion problems in low-grade нержавеющая сталь Такие как AISI 304 steel.[37][38]Under oxidizing conditions and in the presence of moisture, when сульфид oxidizes it produces тиосульфат anions as intermediate species and because thiosulfate anion has a higher equivalent electromobility than хлористый anion due to its double negative electrical charge, it promotes the pit growth.[39] Indeed, the positive electrical charges born by Fe2+ cations released in solution by Fe окисление на anodic zone inside the pit must be quickly compensated / neutralised by negative charges brought by the electrokinetic migration of anions in the capillary pit. Несколько из электрохимический processes occurring in a capillary pit are the same than these encountered in капиллярный электрофорез. Higher the anion electrokinetic migration rate, higher the rate of pitting corrosion. Electrokinetic transport of ions inside the pit can be the rate-limiting step in the pit growth rate.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Ramanaidou and Wells, 2014
  2. ^ "IRON ORE - Hematite, Magnetite & Taconite". Институт минеральной информации. Архивировано из оригинал 17 апреля 2006 г.. Получено 7 апреля 2006.
  3. ^ а б c Iron ore pricing emerges from stone age, Financial Times, October 26, 2009 В архиве 2011-03-22 at the Wayback Machine
  4. ^ Goldstein, J.I.; Scott, E.R.D.; Chabot, N.L. (2009). "Iron meteorites: Crystallization, thermal history, parent bodies, and origin". Геохимия. 69 (4): 293–325. Bibcode:2009ChEG...69..293G. Дои:10.1016/j.chemer.2009.01.002.
  5. ^ Frey, Perry A .; Reed, George H. (2012-09-21). "The Ubiquity of Iron". ACS Химическая биология. 7 (9): 1477–1481. Дои:10.1021/cb300323q. ISSN  1554-8929. PMID  22845493.
  6. ^ Harry Klemic, Harold L. James, and G. Donald Eberlein, (1973) "Iron," in Минеральные ресурсы США, US Geological Survey, Professional Paper 820, p.298-299.
  7. ^ Йонссон, Эрик; Troll, Valentin R.; Хегдал, Карин; Харрис, Крис; Вайс, Франц; Nilsson, Katarina P .; Скелтон, Аласдер (10 апреля 2013 г.). «Магматическое происхождение гигантских апатит-железооксидных руд типа Кируна в Центральной Швеции». Научные отчеты. 3 (1): 1644. Дои:10.1038 / srep01644. ISSN  2045-2322.
  8. ^ Guijón, R., Henríquez, F. and Naranjo, J.A. (2011). "Geological, Geographical and Legal Considerations for the Conservation of Unique Iron Oxide and Sulphur Flows at El Laco and Lastarria Volcanic Complexes, Central Andes, Northern Chile". Географическое наследие. 3 (4): 99–315. Дои:10.1007/s12371-011-0045-x. S2CID  129179725.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  9. ^ а б c d е Li, Chao; Sun, Henghu; Бай, Цзин; Li, Longtu (2010-02-15). "Innovative methodology for comprehensive utilization of iron ore tailings: Part 1. The recovery of iron from iron ore tailings using magnetic separation after magnetizing roasting". Журнал опасных материалов. 174 (1–3): 71–77. Дои:10.1016/j.jhazmat.2009.09.018. PMID  19782467.
  10. ^ Sirkeci, A. A.; Gül, A.; Bulut, G.; Arslan, F.; Onal, G.; Yuce, A. E. (April 2006). "Recovery of Co, Ni, and Cu from the tailings of Divrigi Iron Ore Concentrator". Обзор переработки полезных ископаемых и добывающей металлургии. 27 (2): 131–141. Дои:10.1080/08827500600563343. ISSN  0882-7508. S2CID  93632258.
  11. ^ Das, S.K.; Kumar, Sanjay; Ramachandrarao, P. (December 2000). "Exploitation of iron ore tailing for the development of ceramic tiles". Управление отходами. 20 (8): 725–729. Дои:10.1016/S0956-053X(00)00034-9.
  12. ^ Gzogyan, T. N.; Gubin, S. L.; Gzogyan, S. R.; Mel’nikova, N. D. (2005-11-01). "Iron losses in processing tailings". Журнал горной науки. 41 (6): 583–587. Дои:10.1007/s10913-006-0022-y. ISSN  1573-8736. S2CID  129896853.
  13. ^ Uwadiale, G. G. O. O.; Whewell, R. J. (1988-10-01). "Effect of temperature on magnetizing reduction of agbaja iron ore". Metallurgical Transactions B. 19 (5): 731–735. Bibcode:1988MTB....19..731U. Дои:10.1007/BF02650192. ISSN  1543-1916. S2CID  135733613.
  14. ^ Stephens, F. M.; Langston, Benny; Richardson, A. C. (1953-06-01). "The Reduction-Oxidation Process For the Treatment of Taconites". JOM. 5 (6): 780–785. Bibcode:1953JOM.....5f.780S. Дои:10.1007/BF03397539. ISSN  1543-1851.
  15. ^ H.T. Shen, B. Zhou, и другие.Roasting-magnetic separation and direct reduction of a refractory oolitic-hematite ore Мин. Met. Eng., 28 (2008), pp. 30-43
  16. ^ Gaudin, A.M, Principles of Mineral Dressing, 1937
  17. ^ Graphic from The “Limits to Growth” and ‘Finite’ Mineral Resources, p. 5, Gavin M. Mudd
  18. ^ Tuck, Christopher. "Mineral Commodity Summaries 2017" (PDF). Геологическая служба США. Получено 2017-08-21.
  19. ^ Tuck, Christopher. "Global iron ore production data; Clarification of reporting from the USGS" (PDF). Геологическая служба США. Получено 2017-08-21.
  20. ^ а б c d е ж Iron ore pricing war, Financial Times, 14 октября 2009 г.
  21. ^ Qazi, Shabir Ahmad; Qazi, Navaid Shabir (1 January 2008). Natural Resource Conservation and Environment Management. Издательство APH. ISBN  9788131304044. Получено 12 ноября 2016 - через Google Книги.
  22. ^ "The Steel Index > News & Events > Press Studio > 2 February 2011: Record volume of iron ore swaps cleared in January". Архивировано из оригинал 22 мая 2011 г.. Получено 12 ноября 2016.
  23. ^ "SMX to list world's first index based iron ore futures". 29 сентября 2010 г.. Получено 12 ноября 2016.
  24. ^ "ICE Futures Singapore - Futures Exchange". Получено 12 ноября 2016.
  25. ^ mbironoreindex
  26. ^ Morgan, J. W.; Anders, E. (1980). "Chemical composition of Earth, Venus, and Mercury". Труды Национальной академии наук. 77 (12): 6973–77. Bibcode:1980PNAS...77.6973M. Дои:10.1073/pnas.77.12.6973. ЧВК  350422. PMID  16592930.
  27. ^ Brown, Lester (2006). Plan B 2.0. Нью-Йорк: W.W. Нортон. п. 109.
  28. ^ Pincock, Stephen (July 14, 2010). "Iron Ore Country". ABC Science. Получено 2012-11-28.
  29. ^ Bradon Ellem, "A battle between titans? Rio Tinto and union recognition in Australia’s iron ore industry." Экономическая и промышленная демократия 35.1 (2014): 185-200.
  30. ^ "Fortescue opens Kings Valley project and celebrates completion of 155 MTPA expansion" (PDF). FMG. 28 марта 2014 г. Архивировано с оригинал (PDF) 31 декабря 2014 г.. Получено 2014-12-31.
  31. ^ "QR National evaluates independent rail line for Pilbara". QR National. 26 апреля 2012 г. Архивировано с оригинал 30 декабря 2012 г.. Получено 2012-11-28.
  32. ^ Stockwell, Stephen (November 22, 2012). "QR's Pilbara rail plan on track". ABC Rural News. Получено 2012-11-28.
  33. ^ а б c d е "USGS Minerals Information: Iron Ore". minerals.usgs.gov. Получено 2019-02-16.
  34. ^ Lewis S. Dean, Minerals in the economy of Alabama 2007Archived 2015-09-24 at the Wayback Machine, Alabama Geological Survey, 2008
  35. ^ а б Canada, Natural Resources (2018-01-23). "Iron ore facts". www.nrcan.gc.ca. Получено 2019-02-16.
  36. ^ "Brazil Iron Ore Exports: By Port". www.ceicdata.com. Получено 2019-02-16.
  37. ^ Stewart, J.; Williams, D.E. (1992). "The initiation of pitting corrosion on austenitic stainless steel: on the role and importance of sulphide inclusions". Наука о коррозии. 33 (3): 457–474. Дои:10.1016/0010-938X(92)90074-D. ISSN  0010-938X.
  38. ^ Уильямс, Дэвид Э .; Kilburn, Matt R.; Cliff, John; Waterhouse, Geoffrey I.N. (2010). "Composition changes around sulphide inclusions in stainless steels, and implications for the initiation of pitting corrosion". Наука о коррозии. 52 (11): 3702–3716. Дои:10.1016/j.corsci.2010.07.021. ISSN  0010-938X.
  39. ^ Newman, R. C.; Isaacs, H. S.; Alman, B. (1982). "Effects of sulfur compounds on the pitting behavior of type 304 stainless steel in near-neutral chloride solutions". Коррозия. 38 (5): 261–265. Дои:10.5006/1.3577348. ISSN  0010-9312.

Рекомендации

  • Gordon, Robert B. (1996), American Iron 1607–1900, The Johns Hopkins University Press
  • Kato, Makoto and Susumu Minowa (1969), "Viscosity Measurement of Molten Slag- Properties of Slag at Elevated Temperature (Part 1)", Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan, Tokyo: Nihon Tekko Kyokai, 9, pp. 31–38, Дои:10.2355/isijinternational1966.9.31
  • Ramanaidou, E. R. and Wells, M. A. (2014). 13.13 - Sedimentary Hosted Iron Ores. In: Holland, H. D. and Turekian, K. K. Eds., Treatise on Geochemistry (Second Edition). Оксфорд: Эльзевир. 313–355. Дои:10.1016/B978-0-08-095975-7.01115-3
  • Rosenqvist, Terkel (1983), Principles of Extractive Metallurgy, McGraw-Hill Book Company
  • Rostoker, William; Bronson, Bennet (1990), Pre-Industrial Iron: Its Technology and Ethnology, Archeomaterials Monograph No. 1
  • Rostoker, William; Bronson, Bennet; Dvorak, James (1984), "The Cast-Iron Bells of China", Технологии и культура, The Society for the History of Technology, 25 (4), pp. 750–767, Дои:10.2307/3104621, JSTOR  3104621
  • Turner, Thomas (1900), The Metallurgy of Iron (2nd ed.), Charles Griffin & Company, Limited

внешняя ссылка