Как выглядит железная руда в природе

Железная руда: химическая формула, применения, сплавы на основе железа

Более трех тысячелетий лет назад человек начал искать железную руду и использовать ее в хозяйственных целях. На 5 % кора нашей планеты состоит именно из железа, поэтому ее не сложно добывать. По распространенности этот химический элемент располагается на четвертом месте среди всех элементов.

Что представляет собой железная руда?

В природных условиях техническое железо не существует, поэтому его всегда синтезируют из руды. От местонахождения руды зависит процентное соотношение железа. Как правило, в горной породе содержится от 15 % железа.

До нахождения железа в природе человек использовал бронзу и медь, которые по надежности и прочности уступают железу. Поэтому люди стали активно искать и использовать железную руду. Много столетий назад мастера умели отличать качество руды без анализа элементов.

Химическая формула железной руды

Железная руда состоит из окисей, гидратов окисей и углекислых солей закисей железа. Железо синтезируют из разных рудных металлов:

магнетита, или магнитного железняка (FeO);
гематита, или красного железняка (Fe₂O₃);
лимонита, или бурого железняка (Fe₂O₃*H₂O).

Виды железной руды

В каждом виде горной породы процент железа неодинаков. Сырье по количеству металла в руде классифицируют на типы:

богатые (более 65 % металла);
умеренно богатые (60-65 %);
умеренные (45-60 %);
бедные (менее 45 %).

От типа сырья зависит технология и количество затрачиваемой энергии при получении железа. От этого зависит эффективность производства железной продукции.

Как называются сплавы на основе железа?

Сплав – это смесь, которая включает не только основной металл, но и дополнительные примеси. Соединения на основе железа называются черными металлами. К ним относится ряд сплавов на основе железа.

Сталь – соединение углерода с другими химическими элементами. Содержание углерода может составлять до 2,14 %.
Чугун – смесь углерода и марганца, фосфора или серы. Содержание углерода может составлять до 3,5 %.
Перлит – соединение железа и углерода (до 0,8 %).
Феррит – чистый материал, содержание углерода в котором составляет до 0,04 %.
Аустенит — соединение с содержанием углерода до 2,14 %.

Производства, где используется железная среда, – основа цивилизации.

Способы получения железной руды

Железная руда залегает на разной глубине, поэтому для добычи применяются различные методы.

Карьерный способ. Карьерный способ актуален для добычи руды, залегающей на глубине 200–300 м. С помощью экскаваторов руду извлекают из почвы, а затем дробленое сырье грузят и поставляют в специальные комбинаты.
Шахтный метод. Шахтный метод актуален для железной руды, которая располагается на глубине до 900 м. Сначала пробивают створ шахты, от которого вдоль пластов разрабатывают штреки. Из шахт измельченное сырье передается с помощью транспортеров. Затем сырье помещают на машины и отправляют на специальные предприятия.
Скважинная гидродобыча. Этот способ заключается в бурении скважины до пласта руды. Затем в створ проводят трубы, которые сильным напором воды измельчают руду. У этого способа небольшая эффективность, поэтому он применяется редко. Около 3 % руды добывается скважинной гидродобычей.

Местонахождение железной руды

Мировые запасы железной руды не безграничны. Сырье для синтеза железа не встречается на каждом углу. Территории, в которых располагаются большие запасы руд, называют месторождениями. Они классифицируются на типы.

Эндогенные месторождения – место с особенным положением в коре Земли. Часто они являются титаномагнетитовыми рудами. Внешне они напоминают линзы и пласты.
Экзогенные месторождения – расположение лимонита и др.
Метаморфогенные месторождения – расположение кварцитов и др.

В странах бывшего Советского Союза находятся огромные запасы железной руды. Большой процент горных пород находится в Украине, Российской Федерации и Казахстане. Также железная руда есть и в Бразилии, Канаде, Австралии, США и других государствах. Но некоторые страны испытывают дефицит железа в промышленностях, поэтому часто приходится импортировать сплавы.

Где применяется железная руда?

Железная руда – важнейшая смесь металлов, на которой строится экономика государств. Железная руда нашла применение преимущественно в металлургии. Из нее получают различные сплавы.

Чистое железо – мягкое вещество, поэтому в производстве используют только смеси металлов. Сплавы на основе железа используют благодаря высокой прочности и способности противостоять коррозии. В них часто встречается углерод, играющий роль цемента в материале.

Чугун и сталь применяют в:

машиностроении;
военном деле;
производстве ракет;
строительстве;
легкой промышленности;
пищевой промышленности и других отраслях.

Самый распространенный сплав из железа – сталь. Изначально из нее изготавливали оружие. Это связано с особенными характеристиками материала – гибкостью, ковкостью и др. Сегодня этот высококачественный металл включает добавки, которые придают твердость, износоустойчивость и т. д.

Второй по распространенности сплав – чугун. Изначально этот материал считался бесполезным. Считалось, что он образуется при нарушении технологии получения стали. Чугун хрупок и непластичен, поэтому его часто выкидывали. Несколько десятков лет чугун совсем не использовался.

Особенные свойства железной руды до появления артиллерии и оружейного производства нашли применение в хозяйстве. В Индии из чугуна изготавливали гробы, а в Китае – чеканили монеты. Появление пушек связано с производством ядер, для этого нужна железная руда.

Таким образом, железная руда – важнейшее сырье, на котором строится все производство. Железная руда много столетий назад позволила человечеству шагнуть далеко вперед в промышленном развитии общества. То, что делают из железной руды, до сих пор используется в современной цивилизации.

Железная руда: типы, способы добычи, сфера применения

Железная руда – важный ископаемый продукт, который человечество стало добывать много столетий назад. С давних времён железо нашло широкое применение в бытовых и прочих условиях жизни человеческого общества. Одно из ключевых преимуществ и свойств железной руды – возможность изготовления стали, получаемой в процессе её плавки.

Руда железа может иметь различные свойства, минеральный состав, а также процентное соотношение примесей и металлов в зависимости от типа и места её разработки. Найти места добычи железорудных минералов с соответствующим техническим оснащением не представляется сложной задачей, поскольку железо составляет более 5% твёрдых залежей земной коры по всей поверхности планеты. Согласно Википедии и другим достоверным источникам, железная руда занимает четвёртое место по распространённости среди полезных ископаемых, добываемых в окружающем мире.

Тем не менее, найти этот металл в природе в чистом виде не представляется возможным – отыскать его можно в определённых количествах в большинстве известных типов и вида камня (горных пород). Минералы (железорудные) одни из наиболее выгодных в плане добычи. От характера происхождения железной руды зависит количественное содержание в ней железа.

Как выглядит руда железа и что собой представляет?

В качестве ключевого химического элемента железо входит в состав множества горных пород. Тем не менее, далеко не каждая такая порода может быть потенциальным сырьевым продуктом для добычи и разработки. Целесообразность разработки железных руд, как таковых, во многом зависит от процентного состава.

Его добычей плотно занялись более 3 тысяч лет назад, что обусловлено возможностью изготавливать на основе железа более качественных и прочных изделий в сравнении с бронзой и медью, которые стали добываться ещё раньше. Уже в те времена, мастера, работавшие с плавильнями, могли точно различать виды железной руды.

В настоящее время принято выделять несколько типов сырья, пригодного для последующей выплавки полезного металла:

магнетиновый;
магнетино-апатитный;
магнетино-титановый;
гидрогетит-гетитовый;
гематито-магнетиновый.

Богатым считается месторождение железной руды с процентным составным содержанием железа 57%. Но, как уже было сказано выше, целесообразными могут быть разработки залежей, в которых руда содержит 26% этого полезного металла. В составе горных пород железо преобладает в виде оксидов. Остальные составляющие представляют собой фосфор, серу и кремнезёмы.

Существуют таблицы железной руды, в которых отражен её сырьевой, химический состав и процентное содержание железа. Если руководствоваться численными показателями большинства таких таблиц, то условно можно разделить ценные руды по степени их богатства и свойствам на 4 категории

очень богатые – содержание основного металла более 65%;
умеренно богатые – средний процент железа 60-65%;
умеренные – от 45% и более;
бедные – менее 45% добываемых полезных элементов в целом.

В зависимости от количества побочных примесей, входящих в состав разрабатываемого месторождения железа, требуется большее или меньшее количество энергии на переработку. От этого во многом зависит эффективность производства готовой продукции на основе железа.

Характер происхождения

Большая часть известных рудниковых типов была сформирована под влиянием трёх основных факторов. От них, собственно, зависят особенности и характеристики руды железа.

Магматическое формирование. Магматические составы формировались под воздействием высоких температур магмы либо при условии высокой активности древних вулканов. По сути, имели место естественные процессы перемешивания и переплавки горных пород.

Эта разновидность полезных ископаемых представляет собой кристаллические минеральные ископаемые соединения, отличающиеся высоким процентом содержания железа. Залежи магматических ископаемых, как правило, можно обнаружить в зонах старинного образования гористых местностей. Именно в этих местах расплавленные вещества подходили максимально близко к поверхностным слоям почвы.

Метаморфическое формирование. В процессе такого формирования образуются минералы осадочного типа. Суть этого процесса сводится к передвижению отдельных участков коры Земли при котором определённые пласты, богатые определёнными элементами, попадают под породы, залёгшие выше.

Полезные ископаемые, которые образовались при очередном перемещении, мигрируют ближе к земляной поверхности. Железная руда, которая образуется в процессе метаморфического формирования, как правило, имеет высокое процентное содержание полезных металлических соединений и располагается не слишком глубоко от поверхности. Один из наиболее распространённых примеров – железняк магнитный, содержащий в своём составе до 75% железа.

Осадочное формирование. В данном случае основные факторы этого типа формирования рудников – естественные силы природы, в частности ветры и вода. Пласты породы подвергаются разрушению и перемещению в низины – именно здесь они скапливаются, формируя отдельные слои. В качестве реагента выступает вода, которая выщелачивает исходные материалы. В ходе таких процессов формируются залежи бурого железняка, представляющего собой рассыпчатую, разрыхлённую массу с высоким содержанием минеральных примесей и процентным содержанием железа до 35-40%.

За счёт различной специфики образования метаморфических пород сырьё часто перемешивается внутри пластов с магматической породой, известняком и глиной. В одном и том же месторождении, обозначенном соответствующим знаком на карте, обнаруживаются различные по происхождению залежки, которые перемешаны между собой. Места, предположительно богатые осадочными железными рудами в этом случае определяются в ходе геологических разведочных мероприятий.

Основные свойства и типы. Из какой руды получают железо?

К наиболее распространённому типу принято относить красный железняк, основой которого служит гематитовый оксид. В его составе содержится минимум побочных примесей и свыше 70% железа.

Следующий по распространённости – бурый железняк (лимонит), представляющий собой оксид железа, содержащий в своём составе H₂O. Как правило, в состав лимонита входит порядка четверти процентного содержания железа. В природе бурый железняк можно встретить в форме пористых, рыхлых пород, содержащих фосфор и марганец. В качестве пустой породы в руде содержится глина.

Магнитная руда железа содержит в своём составе магнитный оксид, свойства которого теряются в условиях сильного нагрева. В природе встречается намного реже вышеперечисленных пород и по процентному соотношению железа в некоторых случаях не уступает красному железняку.

Железняк шпатовый – рудная порода, содержащая сидерит с высоким содержанием глины в составе. Это весьма редкая порода, а за счёт малого содержания железа добывают его намного реже, особенно если речь идёт о промышленном применении.

Помимо оксидов существуют другие железорудные типы, в основу которых входят карбонаты и силикаты.

Географическое расположение ключевых месторождений

Все основные месторождения принято делить на:

Метаморфогенные – кварцитовые залежи;
Экзогенные – бурый железняк и прочие осадочные породы;
Эндогенные – преимущественно титаномагнетитовые составы.

Подобные рудные залежи встречаются практически на каждом континенте. Большая часть железорудных залежей находится на территории стран СНГ, в частности это территория Казахстана, России и Украины. Достаточно большими запасами железорудных скоплений могут похвастать такие государства, как ЮАР, Индия, США, Австралия, Канада и Бразилия. Существуют карты месторождений железной руды, как в мировых масштабах, так и с более подробным указанием залежей на территории конкретного государства.

Значение железной руды и сферы, в которых она используется

По преимуществу все отрасли, в которых задействованы эти полезные ископаемые, связаны с металлургической сферой. По большей части руду железа используют при выплавке чугуна с использованием конверторной или мартеновской печи. В свою очередь чугун широко применим во многих промышленных отраслях.

Сегодня крайне популярен и активно изготавливается и другой сверхпрочный, антикоррозийный сплав – сталь, для чего также используются железорудные ископаемые. Это наиболее популярный промышленный сплав, который славится устойчивостью к коррозии и высокой прочностью.

Стальные и чугунные материалы применяют в следующих отраслях:

ракетостроительная и военная промышленность, производство специальной техники;
машиностроение, включая изготовление станков и прочих заводских механизмов;
автомобильное производство (изготавливаются автомобильные рамы, элементы двигателей, корпуса и прочие механические узлы);
добывающая промышленность (производство тяжёлого добывающего оборудования и прочей спецтехники);
строительство – армирующие материалы, создание несущего каркаса.

Способы добычи

Методы и способы извлечения рудных ископаемых ресурсов из недр зависят от глубины, на которой залегает искомый материал. В этом контексте принято выделять три основных способа:

Скважинный метод (гидродобыча) – для работы таким способом специалисты бурят скважины, достигающие пластов пород. В образовавшиеся створы помещаются трубчатые конструкции, через которые мощной водной струёй производится дробление материала и её извлечение. Это наименее эффективный, косный и устаревший метод, который в наши дни используется достаточно редко.

Шахтенный метод – используется при условии, что пласты залегают более глубоко (до 900 метров). Прежде всего прорубаются шахтенные створы – от них по пласту разрабатываются штреки. Порода дробится и поступает на поверхность по специальным транспортёрам.

Карьерный метод – в отличие от скважинного, считается наиболее распространённым. Его используют для работы на средней глубине (до 300 метров). Для разработки применяются мощные экскаваторы и механизмы, дробящие породу. После дробления материал отгружают и транспортируют прямиком на обогатительный комбинат.

Как обогащаются железорудные материалы?

В силу существования различных типов руд по степени того, сколько железа содержится в руде, менее обогащённые материалы отправляются на специальные комбинаты, где они подвергаются сортировке, дроблению, сепарации и агломерации.

В целом можно выделить 4 основных метода рудного обогащения:

Флотация. Специально подготовленная пылеобразная масса погружается в H₂O с добавлением воздуха и веществ, которые называются флотационными реагентами. Отсюда и название самого процесса – флотация. Они соединяют частицы железа с пузырьками воздуха и поднимает их на поверхность в пенистом виде. Пустые породы оседают на дне.

Магнитная сепарация. Самый распространённый способ, основанный на разнице воздействия магнетизма на различные составляющие рудной массы. Сепарация может проводиться в случае с мокрыми и сухими породами. В ходе переработки используются барабанные механизмы, оснащённые мощными электромагнитными элементами.

Гравитационная очистка. Для её проведения используются специальные суспензии с плотностью ниже плотности железа и выше плотности пустых пород. Естественные силы гравитации выталкивают побочные составляющие кверху, а суспензия вбирает в себя частицы железа и оставляет их снизу.

Промывка. Используется для устранения из добываемых материалов песков и глины – для их отделения достаточно использовать водную струю под большим напором. Процесс происходит под высоким давлением и обеспечивает до 5% обогащения. Это сравнительно малый показатель, потому этот метод всегда используется в паре с другими способами.

Виды железных руд – общая характеристика железняков

Железную руду человек начал добывать еще в конце II тысячелетия до нашей эры, уже тогда определив для себя преимущества железа по сравнению с камнем. С тех времен люди стали различать виды железных руд, хотя они еще не имели тех названий, что сегодня.

В природе железо – один из самых распространенных элементов, и в земной коре его содержится по разным данным от четырех до пяти процентов. Это четвертое место по содержанию после кислорода, кремния и алюминия.

Железо представлено не в чистом виде, оно в большем или меньшем количестве содержится в разного вида горных породах. И если по расчетам специалистов добывать железо из такой породы целесообразно и выгодно экономически, ее называют железной рудой.

За последние несколько столетий, на протяжении которых очень активно выплавляется сталь и чугун, железные руды истощаются – ведь металла требуется все больше и больше. Например, если в XVIII веке, на заре промышленной эры руды могли содержать и 65% железа, то сейчас нормальным считается содержание в руде 15 процентов элемента.

Из чего состоит железная руда.

В состав руды входит рудный и рудообразующий минералы, различные примеси и пустая порода. Соотношение этих составляющих отличается от месторождения к месторождению.

Рудный материал содержит главную массу железа, а пустая порода – это минеральные отложения, содержащие железо в очень малых количествах или не содержащие вовсе.

Оксиды, силикаты и карбонаты железа – самые часто встречающиеся рудные минералы железных руд.

Виды железной руды по содержанию железа и по местообразованию.

По содержанию железа различают такие виды железных руд по металлургической промышленности:

С низким содержанием железа или сепарированную железную руду, ниже 20%
Со средним содержанием железа или аглоруду
Железосодержащая масса или окатыши – породы с высоким содержанием железа, выше 55%

Железные руды могут быть линейными – то есть залегающие в местах разломов и изгибов земной коры. Именно они наиболее богаты железом и содержат мало фосфора и серы.

Другой вид железных руд – плоскоподобные, которые содержатся на поверхности железосодержащих кварцитов.

Красные, бурые, желтые, черные железняки.

Самым распространенным видом руды является красный железняк, который образуется безводным оксидом железа гематитом, имеющим химическую формулу Fe₂O₃. В гематите содержится очень высокий процент железа (до 70 процентов) и мало посторонних примесей, в частности серы и фосфора.

Красные железняки могут находиться в разном физическом состоянии – от плотного до пылевого.

Бурый железняк – это водная окись железа Fe₂O₃*nH₂O. Число n может изменяться в зависимости от основы, составляющей руду. Чаще всего это лимониты. Бурые железняки, в отличие от красных, содержат меньше железа – 25-50 процентов. Их структура рыхлая, пористая, а в руде много других элементов, среди которых – фосфор и марганец. В бурых железняках содержится много адсорбированной влаги, пустая же порода – глинистая. Свое название этот вид руды получил из-за характерного бурого или желтоватого цвета.

Но несмотря на довольно низкое содержание железа, из-за легкой восстановимости перерабатывать такую руду легко. Из них часто выплавляют высокачественный чугун.

Бурый железняк чаще всего нуждается в обогащении.

Магнитными рудами называют те, которые образованы магнетитом, являющимся магнитным оксидом железа Fe₃O_4. Название подсказывает, что эти руды имеют магнитные свойства, которые утрачиваются при нагревании.

Магнитные железняки реже встречаются, чем красные. Но железа в них может содержаться даже свыше 70 процентов.

По своей структуре он может быть плотным и зернистым, может выглядеть как кристаллы, вкрапленные в породу. Цвет магнетита – черно-синий.

Еще один вид руды, который называется шпатовым железняком. Ее рудосодержащей составляющей является карбонат железа с химическим составом FeCO₃ под названием сидерит. Другое название – глинистый железняк – это если в руде содержится значительное количество глины.

Шпатовые и глинистые железняки встречаются в природе реже других руд и содержат относительно немного железа и много пустой породы. Сидериты могут преобразовываться в бурые железняки под влиянием кислорода, влаги и осадков. Поэтому залежи выглядят так: в верхних слоях это бурый железняк, а в нижних – шпатовый железняк.