Руды железа. Железные руды

Кроме широко известных нефти и газа существуют и другие не менее важные полезные ископаемые. К ним относятся руды, которые добываются для получения черных и путем переработки. Наличие рудных месторождений - это богатство любой страны.

Что такое руды?

Каждая из естественных наук по-своему отвечает на этот вопрос. Минералогия определяет руду как совокупность минералов, изучение которых необходимо для совершенствования процессов извлечения наиболее ценных из них, а химия изучает элементный состав руды, чтобы выявить качественное и количественное содержание в ней ценных металлов.

Геология рассматривает вопрос: «что такое руды?» с точки зрения целесообразности их промышленного использования, поскольку эта наука занимается изучением строения и процессов, происходящих в недрах планеты, условиями образования горных пород и минералов, разведкой новых месторождений полезных ископаемых. Они представляют собой участки на поверхности Земли, на которых вследствие геологических процессов накопилось достаточное для промышленного использования количество минеральных образований.

Образование руд

Таким образом, на вопрос: «что такое руды?» наиболее полно можно ответить так. Руда - это горная порода с промышленным содержанием в ней металлов. Только в этом случае она имеет ценность. Руды металлов образуются при остывании магмы, которая содержит их соединения. При этом они кристаллизуются, распределяясь по величине своего атомного веса. Наиболее тяжелые оседают на дно магмы и выделяются в отдельный слой. Другие минералы образуют горные породы, а оставшаяся от магмы гидротермальная жидкость растекается по пустотам. Содержащиеся в ней элементы, застывая, образуют жилы. Горные породы, разрушаясь под воздействием природных сил, откладываются на дне водоемов, образуя осадочные отложения. В зависимости от состава горных пород формируются различные руды металлов.

Железные руды

Виды этих полезных ископаемых значительно разнятся. Что такое руды, в частности, железные? Если руда содержит достаточное для промышленной переработки количество металла, она называется железной. Они различаются происхождением, химическим составом, а также содержанием металлов и примесей, которые могут быть полезными. Как правило, это сопутствующие цветные металлы, например, хром или никель, но бывают и вредные - сера или фосфор.

Химический состав представлен различными его оксидами, гидроксидами или углекислыми солями окиси железа. К разрабатываемым рудам относятся красный, бурый и магнитный железняк, а также железный блеск - они считаются самыми богатыми и содержат металла более 50 %. К бедным относят такие, в которых полезный состав меньше - 25 %.

Состав железной руды

Магнитный железняк представляет собой окись железа. Он содержит более 70 % чистого металла, однако в залежах встречается вместе с а иногда с цинковой обманкой и другими образованиями. считается самой лучшей из использующихся руд. Железный блеск тоже содержит до 70 % железа. Красный железняк - оксид железа - один из источников добычи чистого металла. А бурые аналоги имеют до 60 % содержания металла и встречаются с примесями, иногда вредными. Они представляют собой водный оксид железа и сопутствуют почти всем железным рудам. Они также удобны легкостью добычи, переработки, однако металл, получаемый из этого вида руды, невысокого качества.

По происхождению месторождения железных руд их делят на три большие группы.

1. Эндогенные, или магматогенные. Их образование обусловлено геохимическими процессами, происходившими в глубинах земной коры, магматическими явлениями.
2. Экзогенные, или поверхностные, месторождения создавались вследствие процессов, происходящих в приповерхностной зоне земной коры, то есть на дне озер, рек, океанов.
3. Метаморфогенные месторождения формировались на достаточной глубине от поверхности земли под действием высокого давления и таких же температур.

Запасы железных руд в стране

Россия богата различными месторождениями. Самое большое в мире - это содержащая почти 50 % всех мировых запасов. В этом регионе отмечалась уже в XVIII веке, однако разработка залежей началась лишь в 30-х годах прошлого столетия. Запасы руд в этом бассейне с высоким содержанием чистого металла, они измеряются миллиардами тонн, а добыча ведется открытым или подземным методом.

Бакчарское месторождение железных руд, являющееся одним из наибольших в стране и мире, открыто в 60-х годах прошлого века. Запасы руды в нем с концентрацией чистого железа до 60 % составляют около 30 миллиардов тонн.

В Красноярском крае находится Абагасское месторождение - с магнетитовыми рудами. Открыто было оно еще в 30-х годах прошлого столетия, однако разработку его начали вести только через полвека. В Северной и Южной зонах бассейна добыча ведется открытым способом, а точное количество запасов равно 73 миллионам тонн.

Открытое еще в 1856 году, до сих пор является действующим Абаканское месторождение железных руд. Сначала разработка велась открытым способом, а с 60-х годов XX века - подземным способом на глубине до 400 метров. Содержание чистого металла в руде доходит до 48 %.

Руды никеля

Что такое руды никеля? Минеральные образования, которые используются для промышленного получения этого металла, называются никелевыми рудами. Встречаются сульфидные медно-никелевые с содержанием в них чистого металла до четырех процентов и силикатные никелевые руды, аналогичный показатель которых составляет до 2,9 %. Первый вид месторождений обычно бывает магматического типа, а силикатные руды находятся в местах коры выветривания.

Развитие никелевой промышленности в России связано с разработкой их местонахождения на Среднем Урале в середине XIX столетия. Почти 85 % сульфидных месторождений сконцентрировано в Норильском регионе. Залежи на Таймыре по богатству запасов и разнообразию минералов - самые крупные и уникальные в мире, в них находится 56 элементов таблицы Менделеева. По качеству никелевых руд Россия не уступает другим странам, преимуществом является и то, что они содержат дополнительно редкие элементы.

На Кольском полуострове сосредоточено около десяти процентов ресурсов никеля в сульфидных месторождениях, а на Среднем и Южном Урале разрабатываются силикатные залежи.

Руды России характеризуются количеством и разнообразием, необходимыми для промышленного применения. Однако в то же время они отличаются сложными природными условиями добычи, неравномерностью размещения на территории страны, несовпадением региона размещения ресурсов с плотностью населения.

В таких соединениях и в таком количестве, что извлечение его из руд м. б. экономически выгодным. Содержание железа колеблется в рудах от 25 до 70%. Выгодность использования руды определяется, кроме свойств самой руды, экономии, факторами: а) стоимостью добычи руды; б) ценами горючего в данной местности (дешевое топливо допускает обработку более бедных руд), в) близостью рынков сбыта и г) высотой фрахтов морской и железнодорожной доставки.

Качество руды , кроме %-ного содержания в ней железа, зависит от: а) чистоты ее, т. е. качества и количества в ней вредных примесей, б) качества и состава примешанной к руде пустой породы и в) степени легковосстановимости ее.

Чистота руд зависит от количества вредных примесей. К последним относятся: 1) сера, которая чаще всего встречается в виде серного колчедана (FeS 2), медного колчедана (Cu 2 S·Fe 2 S 3), магнитного колчедана (FeS), изредка в виде свинцового блеска (PbS), а также в виде сернокислых солей кальция, бария и железа; 2) мышьяк, встречающийся наиболее часто в виде мышьякового колчедана (FeS 2 ·FeAs 2) и лёллингита (FeAs 2); 3) фосфор, встречающийся в виде фосфорно-кислых солей Са [апатит 3 Ca 3 (PО 4) 2 ·CaF 2 или 3 Са 3 (РО 4) 2 ·СаСl 2 ], фосфорнокислого железа [так называемый вивианит Fe 3 (PО 4) 2 ·8H 2 О] и алюминия (вавелит ЗАl 2 O 3 ·2Р 2 O 3 ·12Н 2 O); 4) медь, встречающаяся в виде медного колчедана (Cu 2 S·Fe 2 S 3).

От количества пустой породы и содержания вредных примесей зависит, подвергать ли руду сортировке, промывке, обогащению. В зависимости от качества пустой породы руды м. б. или кислотными или основными. Кислотные руды, т. н. кварцеватые руды , содержат избыток кремнезема и в плавке требуют флюсовки основаниями. Основные руды (заключающие в пустой породе избыток оснований) подразделяются на глинистые , содержащие избыток глинозема в смеси, известковые , в которых преобладает известь, и тальковатые , содержащие в пустой породе много магнезии. Иногда встречаются такие руды, которые без флюсовки дают легкоплавкий шлак; их называют самоплавкими .

Степень легковосстановимости руд зависит: 1) от соединения, в котором находится в руде железо: силикаты и титанаты труднее восстанавливаются, чем свободный окисел железа; 2) от плотности сложения руды и степени пористости ее. Восстановление руды идет тем энергичнее, чем более она пориста и, следовательно, доступна прониканию газа, а также, если она содержит летучие вещества - воду, углекислоту, органические примеси, которые выделяются при высокой температуре. По химическому составу железные руды можно разделить на 4 класса - руды, содержащие: 1) безводные окислы железа, 2) водные окислы железа, 3) углекислую соль железа и 4) кремнекислую соль железа.

I. Руды, содержащие безводные окислы железа . 1) Магнитный железняк , или магнетит, обладает следующими свойствами: имеет металлический блеск, черный цвет, дает черную черту; довольно хрупок; твердость 5,5-6,5; удельный вес 5-5,2; магнитен; кристаллизуется в правильной системе, чаще в виде октаэдров и кубов. В виду того что отношение между закисью и окисью железа бывает различно, правильнее формулу его изобразить так: m FeО·n Fe 2 О 3 .

Руда горы Высокой (Нижне-Тагильский округ) считается одной из лучших. Содержание железа в ней очень высоко, в среднем 60%; Мn 1,0-1,5%; серы 0,02-0,03%; по содержанию фосфора (0,04%) это - бессемеровская руда. В составе пустой породы характерно низкое отношение SiO 2: Аl 2 O 3 , вследствие чего доменные шлаки Тагильских заводов резко отличаются от шлаков американских й шведских доменных печей. В этом месторождении наблюдаются выходы мартита (минерал, происшедший от окисления Fe 3 О 4 в Fe 2 О 3). Действительный запас руд горы Высокой определяют в 16400000 т (по данным Геологического комитета). Недалеко от главной залежи находится Лебяжинский рудник, где руда сильно фосфориста. Суммарный запас руд, по данным Геологического комитета, 5316000 т. Руда горы Благодать, близ Кушвы (разрез - фиг. 1), отличается от высокогорской и по богатству, и по чистоте, и по удобовосстановимости. Запас наиболее богатых руд сильно выработан. По содержанию железа коренная руда разделяется на три сорта: 1-й сорт 50-60% Fe, 2-й сорт 40-50% и 3-й сорт 20-40%. Содержание серы в первых двух сортах выше, чем в высокогорской (до 0,1 %); руда требует тщательного окислительного обжига. По содержанию фосфора эта руда может считаться бессемеровской; марганца в ней в среднем около 0,5%. Пустая полевошпатовая порода дает различное отношение SiО 2: Аl 2 O 3 ; вследствие этого одни руды требуют основного флюса (плавка на древесном угле), другие - кислого флюса; некоторые руды можно считать самоплавкими. Гороблагодатская руда труднее восстановима, чем высокогорская, т. к. представляет собою плотный неокисленный магнитный железняк. Она дает мало мелочи при дроблении. Возможный запас Гороблагодатского района определяется (вместе с разведанным и действительным) в 36092000 т (данные Геологического комитета).

Гора Магнитная (Оренбургский округ) - месторождение очень богатое (подобно Высокогорскому) чистыми рудами, но мало использованное. Среднее содержание Fe не менее 60% при ничтожном количестве углерода (бессемеровская руда); в верхних горизонтах залежи серы очень малы, но по мере углубления в недра количество ее возрастает значительно. В месторождении наблюдается и мартит, а также железный блеск и красный железняк; иногда - лимонит. Возможные запасы руды, по последним подсчетам А.Н. Заварицкого, около 188580000 т.

Из второстепенных месторождений в районе Богословского завода имеются залежи магнитного железняка, переходящего в мартит и в красный железняк. Кроме уральских, есть еще месторождения в Карельской АССР, в Закавказья и Сибири. В Пудожгорском месторождении, на восточном берегу Онежского озера, руда содержит от 15 до 25% железа; предполагаемый запас исчисляется в 1 млн. т (по В. Н. Липину). При магнитном обогащении она дает чистые и богатые концентраты (шлихи), которые затем необходимо брикетировать или аггломерировать. Эти руды могут дать прекрасный чугун, равный лучшим шведским чугунам. Дашкесанское месторождение в Закавказьи является очень крупным, не имеющим себе равного в данном районе по количеству и качеству руды. Благодаря своей чистоте эта руда может служить предметом экспорта. Возможный запас руды определяется К. Н. Паффенгольцом в 43750000 т. В Сибири имеются: а) Тельбесское и Сухаринское месторождения на Алтае; руда содержит 35-63% (в среднем не более 55%) железа; чиста от фосфора; запас исчисляется в 29110000 т (данные Геологического комитета); б) Абаканское месторождение в Минусинском округе, на берегу р. Рудной Кени; руда содержит 53-63% железа; запас точно не известен, предполагаемый-25 млн. т; в) Ирбинское - в долине реки Ирбы; запас руды свыше 25 млн. т; железа содержит 52-60%; местами переходит в мартит; часть руды богата фосфором (по К. Богдановичу). Мощные залежи магнитного железняка находятся в районе Курской магнитной аномалии.

Наиболее значительные заграничные месторождения следующие. В северной Скандинавии (шведской Лапландии) имеются колоссальные месторождения: Кирунавара, Люосавара, Геливара, Сваппавара и др. Добывается этих руд для экспорта около 6 млн. т. Большая часть руд богата фосфором. Общий запас руд месторождений Кирунавара и Люосавара до поверхности вод вблизи лежащего озера Фогт исчисляется в 282 млн. т, а до глубины на 300 м ниже поверхности озера - в 600-800 млн. т. Наибольшее по размерам месторождение Геливара, самое южное из лапландских, представляет ряд чечевицеобразных рудных толщ, покрытых ледниковыми отложениями. Рудное поле длиной до 6 км исследовано бурением на глубину более 240 м. Руда содержит немного меньше фосфора, чем руда Кирунавара; местами сопровождается гематитом (железным блеском). В Швеции известен целый ряд месторождений: Греньесберг, Стриберг, Персберг, Норберг и Даннемура. Руда последнего отличается чистотой в отношении фосфора, содержит 50-53% Fe. В остальной Европе менее значительные месторождения магнитного железняка - в Венгрии, Саксонии, Силезии и др. В Северной Америке можно указать на крупное месторождение, находящееся у озера Чемплен; затем - в штатах Нью Йорк, Нью Джерсей, в Пенсильвании и в округе Корнуель. Анализы магнитного железняка разных месторождений приведены в табл. 1.

2) Гематит , Fe 2 О 3 . Разновидности его - железный блеск, красный железняк и др. Промышленное значение имеет лишь собственно красный железняк (анализы приведены в табл. 2).

Кристаллы его - вида ромбоэдрического, таблицеобразного и пирамидального; чаще залегает сплошными массами, скорлуповатого, слоистого и чешуйчатого сложения и оолитового строения. Месторождения пластового характера сопровождаются в большинстве случаев кварцевой пустой породой (руда бывает тугоплавкой), известняком, полевым шпатом. Фосфора содержит обычно мало; иногда имеет примесь серного колчедана; встречаются примеси TiО 2 и Сг 2 О 3 . Плотная разновидность называется красной стеклянной головой, землистая - красной железной охрой.

Одним из наиболее мощных месторождений красных железняков в СССР является Криворожское на Украине (разрез - фиг. 2), в котором красные железняки сопровождаются железным блеском с железистым кварцитом. Содержание железа в руде 50-70%. Руды беднее 55% в плавку почти не идут, т. к. содержат много пустой сильно кремнистой породы и очень мало оснований (CaO, MgO) и поэтому требуют громадного количества флюсов. Содержание фосфора колеблется от 0,01 до 0,10%; марганца мало, иногда лишь следы; серы очень мало (0,03- 0,04%).

Руда, весьма разнообразная по физическим свойствам, встречается в виде измельченного железного блеска (порошковатая) или плотная кусковая (б. Галковский рудник). Запас руды с содержанием железа более 60% определен в 210940000 т (данные Геологического комитета). Руды Криворожья экспортировались за границу в количествах, указанных в табл. 3.

Другое месторождение, под названием Корсак-Могила, находится на юге, в Мариупольском округе. Запас руды невелик, около 330000 т. Прекрасные железные блески, содержащие мало фосфора и серы, имеются в Чердынском районе Уральской области; главная залежь уже выработана. В Карельской АССР известно Туломозерское месторождение; руда сильно кремнеземистая и должна подвергаться обогащению. Богатые штуфы содержат 57-60% Fe и чисты от фосфора и серы. В Сибири мощных месторождений не обнаружено.

Из заграничных - самым богатым и мощным является месторождение Верхнего озера в США (между озерами Мичиган и Верхним) и в Канаде. Запас богатых руд около 2 млрд. т. Возможный запас более бедных руд, требующих обогащения, определяют до 65 млрд. т. Содержание железа в этих рудах в среднем около 50%; они светлее криворожских; содержание марганца не велико (от 0,3 до 0,6%), но иногда встречаются сильно марганцевые руды (4% Мn), тогда они всегда содержат много фосфора. По содержанию фосфора некоторые руды можно отнести к бессемеровским (от 0,015 до 0,045%) и небессемеровским (содержание Р до 0,4% и более). Серы содержат мало. В Северной Америке известны еще залежи руд, лежащие в системе Аппалачских гор, под названием «гематиты Клинтона». Главная добыча идет в штате Алабама (до 4 млн. т руды в год). Среднее содержание железа колеблется около 38%. Запас руды исчислен в 500 млн. т, вероятный запас в 1,4 млрд. т. На острове Belle Island в заливе Conception Вау, недалеко от Нью Фаундленда, известно мощное месторождение гематита с запасом руды в 3,5 млрд. т. Руда представляет собой красный железняк с примесью шамуазита (см. ниже); среднее содержание железа около 52%, фосфора - около 0,9%. В Бразилии около Итабира встречаются разного вида красные железняки (железослюдковые, обломочные, конгломераты и т. п.). В Испании сильно выработаны месторождения Бильбао, в провинции Бискайя. Руда содержит железа от 50 до 58%. В Германии находятся месторождения красного железняка в Гессен-Нассау, на Гарце, в Саксонии. Очень мощное месторождение железного блеска и красного железняка имеется на острове Эльбе; руда содержит 60-66% Fe и 0,05% Р 2 О 5 . В Алжире известно довольно значительное месторождение железного блеска Filfilah; содержание Fe 52-55%; марганца немного; серы и фосфора очень мало.

II. Руды, содержащие водные окислы железа . К этим рудам относится бурый железняк, или лимонит, 2Fe 2 О 3 ·ЗН 2 О во всех своих разновидностях. В природе бурый железняк бывает обычно смешан с глиной, кварцем, известняком и прочими минералами, вносящими в пустую породу вредные примеси, являются: серный колчедан, свинцовый блеск, цинковая обманка, вивианит, апатит и др. Собственно говоря, названием лимонит обычно покрываются различные смеси гидроокисей железа, различающиеся содержанием воды, как, например, гетит Fe 2 О 3 ·H 2 О, ксантосидерит Fe 2 О 3 ·2Н 2 О, турьит 2Fe 2 О 3 ·H 2 О и другие. Цвет бурый, иногда желтый, черта буро-желтая. Известны следующие разновидности бурого железняка: 1) плотный, или обыкновенный - скрытокристаллического плотного сложения; очень распространен, встречается наряду с красными железняками; 2) бурая стеклянная голова - лучистого и скорлуповатого сложения; 3) бобовая руда, или оолитовый бурый железняк, встречающийся в виде крупных зерен и стяжений; 4) болотные, луговые и дерновые руды; встречаются на дне болот под дерном в виде рыхлых зернистых отложений, смешанных с глиной, иногда в виде ноздреватых губчатых масс; 5) озерные руды, встречающиеся на дне озер в виде скоплений зерен, лепешек, пластин в смеси с песком; 6) игольчатый и волокнистый бурый железняк, называемый гетитом.

Главное месторождение бурых железняков в СССР находится на Урале - Бакальское месторождение в Златоустовском округе (разрез - фиг. 3). Руда признается лучшей из всех до сих пор известных. Содержание железа до 60%. Вместе с бурым железняком попадается местами шпатовый железняк. Кроме того, встречается разновидность, называемая «карандашовой рудой», с содержанием марганца 2-3%. Минералогически эта руда содержит много турьита, часто заключает кристаллы гетита. Общий запас руд - около 73630000 т (данные Геологического комитета). Южнее Бакальских месторождений есть еще обширная территория (Комаровская, Зигазинская, Инзерская дачи), где многочисленные месторождения бурых железняков очень мало исследованы и только частью использованы (Белорецкими заводами). Месторождения эти в большинстве случаев гнездового характера, железа содержат от 42 до 56 %; руды вполне годны для плавки и представляют прекрасную примесь к магнитным железнякам горы Магнитной, так как имеют иногда чрезвычайно низкое содержание глинозема. Приблизительный запас 15 млн. т (по К. Богдановичу). Из бурых железняков Среднего Урала можно указать мощные залежи Алапаевского района. Эти железняки, гораздо беднее южно-уральских (42-48% Fe в сухом состоянии); пустая порода глинисто-кремнистая; руды эти мало фосфористы, марганца содержат немного, но заключают нежелательный элемент - хром (от следов до 0,2%). Возможный запас этого месторождения определяется в 265000000 т (по Михееву). В центральной части России возникли многие заводы в районах нахождения руд - Мальцевские, Липецкий, Кулебакский, Выскунский и другие. Недавно найдены крупные залежи по реке Хопру. В Донецком бассейне месторождения потеряли свое значение, так как здесь руды беднее и хуже криворожских.

Из заграничных месторождений бурых железняков можно упомянуть Бильбао, Мурсию и Альмерию (Испания). Здесь руда заключает много марганца, железа содержит до 55%; подобные же месторождения имеются в Пиренеях. В Англии - в Кумберленде и Ланкашире имеются месторождения смешанного характера - красные железняки переходят местами в бурые. В Алжире встречаются значительные залежи бурых железняков вместе с железными блесками. В Америке наиболее известны руды Алабамы, запасы которых сильно истощены. Мощные залежи имеются на о-ве Кубе (вост. часть), которые дают известный под названием «руды Mayari» очень мелкий землистый и сильно глиноземистый бурый железняк, содержащий хром и никель. Анализы бурых железняков см. в табл. 4.

Оолитовый железняк . У нас в Союзе имеется огромнейшее месторождение оолитового бурого железняка на Керченском полуострове. Руда залегает тремя пластами; верхний и нижний пласты руды (темной) содержат меньше Fe и больше Мn; средний пласт дает лучшую руду (светлую), содержит больше железа (40-43%), а Мn - от 0,5 до 1,3%. Пустая порода руды - кремнисто-глиноземистая; это вызывает при плавке применение известкового флюса. В виду большой гигроскопичности, для прессования в брикеты эта руда требует предварительной просушки. Руда отличается пылеватостью, слабо сцементирована, кусков в ней 20%, что затрудняет плавку. Значительное содержание Р требует добавки криворожской (малофосфористой) руды, необходимой также для понижения содержания мышьяка. Запас определен в 900 млн. т, а вместе с рудами Таманского полуострова до 3000 млн. т (по К. Богдановичу).

Из заграничных оолитовых железняков известно колоссальное месторождение, почти целиком лежащее на французской территории (после войны 1914-18 гг.) и захватывающее большую пограничную полосу Германии, Люксембург и отчасти Бельгию. Из руды Minette этого месторождения выплавляется т. н. томасовский чугун. Содержание железа в ней 25-36%. Во Франции около Мазней (департамент Сены и Луары) разрабатываются оолитовые железняки, содержащие ванадий. В Англии очень бедные (25-35%) бурые железняки залегают в Кливленде, Йоркшире и других местах.

Болотные, луговые и дерновые руды . В СССР болотными и луговыми рудами богаты Ленинградская область, Карельская АССР, Тверская, Смоленская и Костромская губернии, Волынский и Тамбовский округа; встречаются они и на Урале. За границей они имеются в южной Швеции, северной Германии, Бельгии, Голландии, Канаде. Руды эти мелки, рыхлы, очень легко восстановимы. Содержание в них железа колеблется от 25 до 35%, редко больше; фосфора чаще всего содержат в пределах от 0,2 до 2%. Залегание - гнездовое; гнезда рассеяны на больших расстояниях друг от друга.

Озерные руды . Эти руды залегают на дне озер в виде сплошной корки или отдельных слоев. Содержание железа в них меняется от 30 до 40%; иногда они богаты марганцем (8-10%). Особенно много этих руд в Карелии. При дешевом древесном угле руды эти будут иметь промышленное значение для края.

В табл. 5 приведены анализы оолитовых, озерных, болотных и луговых руд.

III. Руды, содержащие углекислое железо. Сидерит , или шпатовый железняк , FeCO 3 кристаллизуется в гексагональной системе (ромбоэдр). Твердость 3,5-4,5; удельный вес 3,7-3,9. Встречается в виде жил и пластов в сопровождении серных, медных и мышьяковых колчеданов, тяжелого шпата, цинковой обманки, свинцового блеска. Кроме того, встречается в виде зернистых и оолитовых масс или почковатых, шаровидных стяжений и ядер скорлуповатого сложения (сферосидериты). Сидерит - серого цвета с синеватым оттенком, иногда - бурого цвета. Содержание железа 25-40%.

Углистый железняк (блекбенд) представляет собой шпатовый железняк, проникнутый углистым веществом. Содержание железа 25-30%. Цвет черно-бурый или черный. Удельный вес 2,2-2,8.

В СССР хорошие шпатовые железняки в значительном количестве встречаются в Бакальском месторождении, где они залегают с бурыми железняками.

Из заграничных наиболее известно месторождение в Штирии (гора Эрцберг). Мощность залежи достигает 125 м. Руды чистые. Содержание железа 40-45%. В Германии известно Зигенское месторождение, захватывающее часть Вестфалии, Рейнской Пруссии и Нассау. Во Франции - в Аллеваре и Визели (департамент Изер) - мощность жил шпатовых железняков достигает 10 м; в Савойе имеется такое же месторождение. Залежи шпатового железняка встречаются еще в Венгрии и в Испании. В Соединенных Штатах Америки месторождения шпатовых железняков залегают от Западной Пенсильвании до Алабамы.

В СССР гнезда и пропластки сферосидеритов (глинистых сидеритов) весьма распространены в Подмосковном каменноугольном бассейне; к ним относятся залежи близ Липецка (разрез - фиг. 4), Данкова, Тулы и в других местах. Руды эти более или менее фосфористы и небогаты железом (38- 45%). В Вятской губернии известны месторождения района Холуницких и Омутнинских заводов (старейшие чугунолитейные заводы округа - Климковский, 1762 г., Залазнинский, 1771 г.). Рудоносные пласты и гнезда залегают в пермских отложениях, в т. н. рудной земле. Руда представляет собою глинистый шпатовый железняк в смеси с лимонитом в верхних частях залежи. В центральной части РСФСР имеются в огромном количестве гнездообразные залежи малой мощности, разбросанные на большой площади, что и обесценивает промышленное значение этих руд, запасы которых подсчитаны К. Богдановичем в колоссальной цифре 789 млн. т.

В Польше известны Ченстоховские месторождения сферосидеритов. В Кливленде имеются мощные залежи глинистых железняков оолитового сложения с содержанием железа 30-35%; ежегодно добывается их около 6 млн. т. В Германии находятся сферосидериты в бассейне р. Рур, в районе Эссена и Бохума.

В табл. 6 приведены анализы руд, содержащих углекислое железо.

IV. Руды, содержащие кремнекислую соль железа . К ним относятся: 1) шамуазит 3(2FeО·SiО 2)·(6FeО·Аl 2 O 3)·12Н 2 О; цвет его зеленовато-серый, сложение мелкозернистое, твердость около 3, удельный вес 3-3,4; содержание железа до 45%; месторождение во Франции, в долине р. Шамуази; кроме того, он встречается в Богемии; шамуазит как примесь входит в количестве 23% в состав красного железняка одного из величайших месторождений острова Belle Island; 2) кнебелит - теоретический состав: (Mn, Fe) 2 SiО 4 ; цвет красноватый или же буровато-серый; удельный вес его около 3,7; встречается в Швеции; промышленного значения как руда не имеет.

V. Суррогаты железной руды . Под этим названием подразумеваются соединения заводского или фабричного происхождения, богатые железной рудой, из которых можно с выгодой извлекать железо. К этой группе относятся шлаки переделочных производств, пудлинговые и кричные шлаки. Общее содержание в них железа обычно колеблется от 50 до 60%. Томасовские шлаки применяются иногда в доменной плавке для обогащения чугуна фосфором. Часто в плавку поступают «огарки», или «сгарки», серных колчеданов, идущих для получения серной кислоты. В Америке переплавляют остатки франклинита после извлечения из него цинка. Анализы суррогатов железных руд приведены в табл. 7.

Содержание железа в промышленных рудах от 16 до 72%. Среди полезных примесей Ni, Co, Mn, W, Mo, Cr, V и др., среди вредных — S, R, Zn, Pb, As, Cu. железных руд по генезису подразделяются на , и (см. карту).

Основные железные руды

Промышленные типы железных руд классифицируются по преобладающему рудному минералу . Магнетитовые руды сложены магнетитом (иногда магнезиальным — магномагнетитом, нередко мартитизированы — превращены в гематит в процессе окисления). Они наиболее характерны для карбонатитовых, скарновых и гидротермальных месторождений . Из карбонатитовых месторождений попутно извлекают апатит и бадделеит , из скарновых — кобальтсодержащий пирит и сульфиды цветных металлов. Особую разновидность магнетитовых руд представляют комплексные (Fe-Ti-V) титаномагнетитовые руды магматических месторождений . Гематитовые руды, сложенные главным образом гематитом, в меньшей степени магнетитом, распространены в коре выветривания железистых кварцитов (мартитовые руды), в скарновых, гидротермальных и вулканогенно-осадочных рудах. Богатые гематитовые руды содержат 55-65% Fe и до 15-18% Mn. Сидеритовые руды подразделяются на кристаллические сидеритовые руды и глинистые шпатовые железняки; они часто магнезиальны (магносидериты). Встречаются в гидротермальных, осадочных и вулканогенно-осадочных месторождениях. Среднее содержание в них Fe 30-35%. После обжига сидеритовых руд, в результате удаления CO 2 , получают тонкопористые железооксидные концентраты , содержащие 1-2%, иногда до 10% Mn. В зоне окисления сидеритовые руды превращаются в бурые железняки. Силикатные железные руды сложены железистыми хлоритами ( , лептохлорит и др.), сопровождающимися гидрооксидами железа, иногда . Образуют осадочные залежи. Среднее содержание в них Fe 25-40%. Примесь серы незначительна, фосфора до 1%. Часто имеют оолитовую текстуру. В коре выветривания превращаются в бурые, иногда в красные (гидрогематитовые) железняки. Бурые железняки сложены гидрооксидами железа, чаще всего гидрогётитом. Образуют осадочные залежи (морские и континентальные) и месторождения коры выветривания. Осадочные руды часто имеют оолитовую текстуру. Среднее содержание Fe в рудах 30-35%. В бурых железняках некоторых месторождений (Бакальское в CCCP, Бильбао в Испании и др.) содержится до 1-2% Mn и более. В природно-легированных бурых железняках, образовавшихся в корах выветривания ультраосновных пород, содержится 32-48% Fe, до 1% Ni, до 2% Cr, сотые доли процента Co, V. Из таких руд без добавок выплавляются хромоникелевые чугуны и низколегированная сталь. ( , железистые ) — бедные и средние по содержанию железа (12-36%) метаморфизованные железные руды, сложенные тонкими чередующимися кварцевыми, магнетитовыми, гематитовыми, магнетит- гематитовыми и сидеритовыми прослоями, местами с примесью силикатов и карбонатов. Отличаются низким содержанием вредных примесей (S и R — сотые доли процента). Месторождения этого типа обычно обладают уникальными (свыше 10 млрд. т) или крупными (свыше 1 млрд. т) запасами руды. В коре выветривания кремнезём выносится, и возникают крупные залежи богатых гематито-мартитовых руд.

Наибольшие запасы и объёмы добычи приходятся на докембрийские железистые кварциты и образованные по ним богатые железные руды, менее распространены осадочные бурожелезняковые руды, а также скарновые, гидротермальные и карбонатитовые магнетитовые руды.

Обогащение железной руды

Различают богатые (свыше 50% Fe) и бедные (меньше 25% Fe) руды, требующие . Для качественной характеристики богатых руд важное значение имеет содержание и соотношение нерудных примесей (шлакообразующих компонентов), выражающимся коэффициентом основности и кремневым модулем. По величине коэффициент основности (отношение суммы содержаний оксидов кальция и магния к сумме оксидов кремния и ) железных руд и их концентраты подразделяются на кислые (менее 0,7), самофлюсующиеся (0,7-1,1) и основные (более 1,1). Лучшими являются самофлюсующиеся руды: кислые руды по сравнению с основными требуют введения в доменную шихту повышенного количества известняка (флюса). По кремневому модулю (отношение содержаний оксида кремния к оксиду алюминия) использование железных руд ограничивается типами руд с модулем ниже 2. К бедным рудам, требующим обогащения, относятся титаномагнетитовые, магнетитовые, а также магнетитовые кварциты с содержанием Fe магнетитового свыше 10-20%; мартитовые, гематитовые и гематитовые кварциты с содержанием Fe более 30%; сидеритовые, гидрогётитовые и гидрогётит-лептохлоритовые руды с содержанием Fe более 25%. Нижний предел содержаний Fe общего и магнетитового для каждого месторождения с учётом его масштабов , горнотехнических и экономических условий устанавливается кондициями.

Руды, требующие обогащения, подразделяются на легкообогатимые и труднообогатимые, что зависит от их минерального состава и текстурно-структурных особенностей. К легкообогатимым рудам относятся магнетитовые руды и магнетитовые кварцы , к труднообогатимым - железные руды, в которых железо связано со скрытокристаллическими и коллоидальными образованиями, в них при измельчении не удаётся раскрыть рудные минералы из-за их крайне мелких размеров и тонкого прорастания с нерудными минералами. Выбор способов обогащения определяется минеральным составом руд, их текстурно-структурными особенностями, а также характером нерудных минералов и физико-механическими свойствами руд. Магнетитовые руды обогащаются магнитным способом. Применение сухой и мокрой магнитной сепарации обеспечивает получение кондиционных концентратов даже при сравнительно низком содержании железа в исходной руде. При наличии в рудах промышленных содержаний гематита наряду с магнетитом применяется магнитно-флотационный (для тонковкрапленных руд) или магнитно-гравитационный (для крупновкрапленных руд) способы обогащения. Если в магнетитовых рудах содержится в промышленных количествах апатит или сульфиды , меди и цинка , минералы бора и другие, то для их извлечения из отходов магнитной сепарации применяется флотация . Схемы обогащения титаномагнетитовых и ильменит-титаномагнетитовых руд включают в себя многостадиальную мокрую магнитную сепарацию. С целью выделения ильменита в титановый концентрат проводится обогащение отходов мокрой магнитной сепарации флотацией или гравитационным способом с последующей магнитной сепарацией в поле высокой интенсивности.

Схемы обогащения магнетитовых кварцитов включают дробление , измельчение и магнитное обогащение в слабом поле. Обогащение окисленных железистых кварцитов может производится магнитным (в сильном поле), обжигмагнитным и флотационным способами. Для обогащения гидрогётит-лептохлоритовых оолитовых бурых железняков используется гравитационный или гравитационно-магнитный (в сильном поле) способ, ведутся также исследования по обогащению этих руд обжигмагнитным способом. Глинистые гидрогётитовые и (валунчатые) руды обогащаются промывкой . Обогащение сидеритовых руд обычно достигается обжигом. При переработке железистых кварцитов и скарново-магнетитовых руд обычно получают концентраты с содержанием Fe 62-66%; в кондиционных концентратах мокрой магнитной сепарации из апатит-магнетитовых и магномагнетитовых руд железа не менее 62-64%; для электрометаллургического передела выпускаются концентраты с содержанием Fe не ниже 69,5%, SiO 2 не более 2,5%. Концентраты гравитационного и гравитационно-магнитного обогащения оолитовых бурых железняков считаются кондиционными при содержании Fe 48-49%; по мере совершенствования методов обогащения требования к концентратам из руд повышаются.

Большая часть железных руд используется для выплавки чугуна. Небольшое количество служит природными красками (охры) и утяжелителями буровых глинистых растворов .

Запасы железной руды

По запасам железных руд (балансовым — свыше 100 млрд. т) CCCP занимает 1-е место в мире. Наиболее крупные запасы железных руд в CCCP сосредоточены на Украине, в центральных районах РСФСР, в Северном Казахстане, на Урале, в западной и восточной Сибири . Из общего количества разведанных запасов железных руд 15% — богатых, не требующих обогащения, 67% — обогащаемых по простым магнитным схемам, 18% — требующих сложных методов обогащения.

KHP , КНДР и CPB обладают значительным запасами железных руд, достаточными для развития собственной чёрной металлургии. См. также

Железные руды представляют собой горные породы, содержащие железо, причем в таком количестве, что руду выгодно перерабатывать. В природе имеется около 20 минералов с высоким содержанием железа (23-72%). Железо в руде находится в виде окислов или солей, соединенных с горной породой. В зависимости от состояния, в котором находится железо, различают четыре вида железных руд.

Бурый железняк содержит Железо в виде водного окисла 2Fe2O3-3H2O. Цвет руды желто-бурый. Эта руда бедна железом (от 35 до 60%), а серы и фосфора, наоборот, содержит больше, чем другие руды. Руда легко восстановима. Крупнейшие ее месторождения находятся на Урале (Бакальские руды с высоким содержанием железа, почти без примесей серы и фосфора). Большие запасы бурого железняка в порошкообразном виде имеются на Керченском полуострове. Известны также Тульское и Липецкое месторождения, руды Кольского полуострова, Тогайского железорудного бассейна.

Красный железняк содержит Железо в виде окисла Fe2O3. Руда красного цвета, содержание железа 55-60%. Это одна из лучших железных руд; она легко восстанавливается, содержит мало серы и фосфора. Богатейшие месторождения красного железняка находятся в Кривом Роге. Крупные запасы красного железняка имеются также в районе Курской магнитной аномалии.

Магнитный железняк содержит Железо в виде окисла Fe304. Руда черного цвета, содержание железа 45-70%. Это наиболее богатая железом руда. Она обладает магнитными свойствами, плотна, восстанавливается с трудом. Залегает главным образом на Урале - в горах Магнитная, Высокая, Благодать. Недавно разведаны месторождения магнитного железняка в Тогайской степи в Казахстане.

Шпатовый железняк содержит Железо в виде соли FeCO3. Эту руду называют сидеритом, или болотной рудой. Она бедна железом (от 30 до 45%). Залежи шпатового железняка встречаются на Урале в районе Бакальского месторождения

Комплексные железные руды содержат, кроме железа, другие металлы (хром, никель, титан, ванадий), восставав-ливаемые в доменной плавке:

хромоникелевые бурые железняки Орско-Халиловского месторождения содержат 35-45% железа; 1,3-1,5% хрома и 0,3-0,5% никеля;

титаномагнетиты, содержащие 42-48% железа; 0,3-0,4/о ванадия и 4,5-13,0% двуокиси титана, добываются на Урале в Качканарском, Кусинском и Первоуральском месторождениях.

Марганцевые руды применяют, чтобы увеличить содержание марганца в выплавляемых чугунах. Эти руды мягки, рыхлы и гигроскопичны. Содержание окиси марганца в них 28- 40%. Наиболее важным месторождением богатых руд (содержание окиси марганца 48-52%) являются Чиатурское на Кавказе, Никопольское на Украине, у г. Ачинска в Сибири, Уралоазовское и Полуночное на Урале и в Казахстане.

В процессе доменной плавки, кроме железных и марганцевых руд, используют различные отходы: чугунный лом и стружку, загрязненный стальной лом.

Флюсы применяют в доменной плавке для сплавления пустой породы и золы топлива в шлак. При работе доменных печей на коксе используют главным образом известняк (СаСO3). Если в пустой породе находятся основные окислы, применяют кислые флюсы - кварциты.

В качестве топлива для доменной плавки используют кокс. Металлургическое топливо должно иметь следующие качества: высокую теплотворную способность, прочность, пористость, невысокую зольность и минимальное содержание серы. Кокс отвечает почти всем этим требованиям. Теплота сгорания кокса 5600 ккал/кг , поэтому на нем выплавляют 98% мирового чугуна. Кокс получают из каменного угля при нагревании его до 950-1000° без доступа воздуха в специальных печах. При этом из угля удаляются летучие вещества, а остающаяся часть спекается в твердый и пористый кокс.

Современная коксовая печь (батарея) состоит из 50-70 узких длинных камер емкостью 18-20 мв каждой из них выжигается 12-16 т кокса. Длительность процесса коксования около 12-15 часов. Из одной тонны угля можно получить 750-800 кг кокса и 300-350 м3 высококалорийного газа.

Лучшим коксом считается кузнецкий, содержащий 0,5-0,6% серы и 12-13,5% золы.

Одним из наиболее эффективных частичных заменителей кокса в доменной плавке является природный газ. Стоимость его не превышает 2 руб. за 1000 л3, т. е. в десятки раз ниже стоимости кокса.

Применение природного газа способствует снижению себестоимости чугуна, так как экономится от 10 до 15% кокса.

5. Устройство доменной печи и её работа

Доменная печь - домна) является шахтной печью непрерывного действия. Она имеет форму двух усеченных конусов, сложенных широкими основаниями, между которыми находится цилиндрическая часть, называемая распаром.

Чугун выплавляется из железных руд в специальных печах, называемых доменными. Отсюда процесс получения чугуна из железных руд называется доменным процессом.

Доменная печь имеет большое количество специальных устройств и механизмов, обеспечивающих беспрерывность процесса. Большинство механизмов работает автоматически.

1-скип; 2-засыпной аппарат; 3-доменная печь; 4-фурменные отверстия; 5- чугунная летка; шлаковая летка; 7-воздухонагреватели; 8-газоочистительные устройства; 9-дымовая труба

Смесь из руды, кокса и флюса подготовляется в определенной пропорции для загрузки в доменную печь. Такая смесь называется шихтой. Специальный подъемник - скип 1 перемещающийся по наклонным путям, доставляет шихту к верхней части доменной печи, откуда она через засыпной аппарат 2 поступает в печь 3.

Для поддержания интенсивного горения загружаемого кокса необходимо большое количество воздуха. Воздух подается в печь через специальные отверстия 4 в нижней части печи, которые называются фурменными отверстиями. Чтобы воздух пробил высокий столб шихты и проник во все части печи, а также чтобы имелось достаточное количество кислорода для сгорания всего топлива, воздух вдувают в печь под давлением в 1-2 ати. Воздух подогревается до температуры 600-800°, так как вдувание большого количества холодного воздуха снижает температуру внутри печи, в результате чего процесс плавки руды замедляется.

Подогрев воздуха осуществляется в воздухонагревателях 7, которые строятся рядом с доменной печью. Воздухонагреватели отапливаются доменным (колошниковым) газом, получающимся при выплавке чугуна. Доменный газ предварительно очищается от пыли в специальных газоочистительных устройствах 8. Продукты сгорания из воздухонагревателей удаляются через дымовую трубу 9.

Полученный в печи жидкий чугун опускается в нижнюю ее часть, откуда периодически выпускается через отверстие 5, называемое чугунной леткой. В специальных ковшах большой емкости чугун от доменной печи отвозится в сталеплавильные цехи для переработки в сталь или к разливочной машине для получения чугунных чушек.

Пустая порода, флюсы и зола топлива образуют в печи жидкий шлак, который имеет меньший удельный вес, чем чугун, и поэтому располагается над жидким чугуном. Шлак выпускается из печи через шлаковую летку 6 и направляется для переработки и дальнейшего использования в качестве строительного материала или в шлаковый отвал.

Доменная печь работает беспрерывно по принципу противотока: исходные материалы загружаются сверху, постепенно опускаются вниз, превращаясь в чугун и шлак, а газы, нагревшиеся в нижней зоне печи, поднимаются кверху навстречу исходным материалам.

Печь имеет наружную стальную оболочку, которая называется кожухом, и внутреннюю кладку, или футеровку. Футеровка должна устойчиво сопротивляться износу от трения беспрерывно опускающихся столбом исходных материалов, выдерживать действие высоких температур, не расплавляясь и не давая деформаций. Поэтому для футеровки применяется высококачественный огнеупорный (шамотный) кирпич.

6. Производство стали в конвертерах

КИСЛОРОДНЫЙ КОНВЕРТЕР с верхней продувкой. 1 – стальной кожух; 2 – огнеупорная футеровка; 3 – кислородная фурма; 4 – завалка флюса; 5 – легирующие добавки; 6 – летка; 7 – ковш; 8 – заготовка; 9 – проволока; 10 – бесшовная труба; 11 – блюм; 12 – балка; 13 – толстолистовая сталь; 14 – листовая заготовка (сляб); 15 – листовой прокат.

Кислородный конвертер с верхней продувкой представляет собой грушевидный сосуд (с открытой узкой верхней горловиной) диаметром ок. 6 м и высотой ок. 10 м, облицованный изнутри магнезиальным (основным) кирпичом. Эта футеровка выдерживает примерно 1500 плавок. Конвертер снабжен боковыми цапфами, закрепленными в опорных кольцах, что позволяет наклонять его. В вертикальном положении конвертера его горловина находится под вытяжным колпаком дымоотводящего камина. Боковое выпускное отверстие, имеющееся с одной стороны, позволяет отделить металл от шлака при сливе. В конвертерном цеху рядом с конвертером обычно имеется загрузочный пролет. Сюда транспортируется в большом ковше жидкий чугун из доменной печи, а в стальных бункерах накапливается металлолом для загрузки. Все это сырье переносится к конвертеру мостовым краном. По другую сторону от конвертера расположен разливочный пролет, где имеются приемный ковш для выплавленной стали и железнодорожные тележки для транспортировки его на разливочную площадку.

Перед началом кислородно-конвертерного процесса конвертер наклоняют в сторону загрузочного пролета и через горловину засыпают металлолом. Затем в конвертер заливают жидкий металл из доменной печи, содержащий около 4,5% углерода и 1,5% кремния. Предварительно металл подвергается десульфуризации в ковше. Конвертер возвращают в вертикальное положение, сверху вводят охлаждаемую водой фурму и включают подачу кислорода. Углерод в чугуне окисляется до CO или CO2, а кремний – до диоксида SiO2. По «течке» (загрузочному лотку) добавляется известь для образования шлака с диоксидом кремния. Со шлаком выводится до 90 % кремния, содержащегося в чугуне. Содержание азота в готовой стали сильно понижается благодаря промывающему действию CO. Приблизительно через 25 мин дутье прекращается, конвертер немного наклоняют, отбирают пробу и анализируют ее. При необходимости в корректировке можно снова возвратить конвертер в вертикальное положение и ввести в горловину кислородную фурму. Если же состав и температура расплава соответствуют спецификациям, то конвертер наклоняют в сторону разливочного пролета и через выпускное отверстие сливают сталь.

7. Получение стали в мартеновских печах

Мартеновский процесс был разработан в 1865 г. французскими металлургами отцом Э. Мартеном и сыном П. Мартеном. Мартеновская печь по устройству и принципу работы является пламенной регенеративной печью. В ее плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов. Рабочее плавильное пространство печи ограничено снизу ванной, образованной подиной и откосами; сверху - сводом; с боков - передней и задней стенками; с торцов - головками. В передней стенке расположены окна, через которые в печь загружают исходную шихту и дополнительные материалы (по ходу плавки), а также берут пробы металла и шлака, удаляют шлак при дефосфорации. Окна закрыты заслонками со смотровыми отверстиями. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне подины. Отверстие плотно забивают малоспекающимися огнеупорными материалами.

Для более полного использования тепла отходящих газов в системе газоотводов установлены регенераторы. Регенераторы выполнены в виде камер, заполненных насадкой из огнеупорного кирпича. Принцип регенерации тепла заключается в том, что насадка одной пары регенераторов некоторое время нагревается до 1250 – 1300 оС отходящими из печи газами. Затем при помощи клапанов направление движения регенераторов меняется автоматически. Через один из нагретых регенераторов в рабочее пространство печи подается воздух, через другой – газ. Проходя через насадку, они нагреваются до 1100- 1200 С. В это время другая пара регенераторов нагревается, аккумулируя тепло отходящих газов. После охлаждения насадки регенераторов до установленной температуры снова происходит автоматическое переключение клапанов.

8. Получение стали в электропечах

Плавка в электропечах имеет ряд преимуществ перед плавкой в конверторах и мартеновских печах. Высокая температура позволяет применять сильноосновные шлаки, вводить большое количество флюсов и достигать максимального удаления из стали серы и фосфора. Для плавки в электропечи не требуется воздуха; окисляющая способность печи невысока, поэтому количество FeO в ванне незначительно, сталь получается достаточно раскисленная и плотная. Благодаря высокой температуре в печи можно получить легированные стали с тугоплавкими элементами: вольфрамовые, молибденовые и др.

Исходными материалами для плавки в электропечах являются стальной лом, железная руда, окалина. Передельный мартеновский чугун применяют только для сталей с высоким содержаниемуглерода, но чаще заменяют электродным боем или малосернистым коксом.

В качестве флюсов в основных печах применяют известь, а в кислых печах - кварцевый песок. Для разжижения основных шлаков применяют плавиковый шпат, боксит и шамотный бой, а для кислых шлаков - известь и шамотный бой. Для раскисления стали, кроме обычных ферросплавов, применяют комплексные раскислители (АМС, содержащий по 10% кремния, марганца и алюминия, силикомарганец, силикокальций).

Все материалы, загружаемые в электрические печи, должны быть сухими, чтобы не произошло насыщения стали водородом от разложения влаги.

Электрические печи для плавки металла делятся на три вида: печи сопротивления, дуговые и индукционные.

Для плавки стали применяют в основном дуговые и индукционные печи, а в печах сопротивления плавят сплавы цветных металллов.

Дуговые печи н аиболее распространены в промышленности, так как устройство и эксплуатация их несложны, коэффициент полезного действия высок и, кроме того, в них можно выплавлять самые разнообразные сорта стали и сплавов цветных металлов. В дуговых печах электроэнергия превращается в тепловую энергию дуги, которая передается плавящейся шихте посредством излучения.

Индукционные печи применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов с низким содержанием углерода, а также для производства тонкостенного фасонного литья специальными методами (по выплавляемым моделям, под давлением и т. п.).

Электрошлаковый переплав стали представляет собой совершенно новый метод получения высококачественных легированных сталей, в том числе и быстрорежущих. Он разработан Институтом электросварки им. Е. О. Патона Академии наук УССР.

Сущность его состоит в том, что слитки из стали, полученной в обычных печах, перерабатываются на электроды для последующей переплавки их в электрошлаковой печи. плавление электродов происходит не за счет тепла электрической дуги, а за счет тепла, выделяющегося в слое расплавленного шлака, служащего сопротивлением при прохождении через него электрического тока. Принцип электрошлакового переплава очень прост. Электрод-слиток 1 (рис. 3) диаметром до 150 мм и длиной от 2 до б м вводят в медный водоохлаждаемый кристаллизатор 2, который представляет собой полый цилиндр. К дну кристаллизатора прикреплен поддон 5 с затравкой 4 - это шайба из переплавляемой стали. На затравку насыпают электропроводный флюс из порошка алюминия с магнием. В зазор между слитком-электродом и стенкой кристаллизатора засыпают рабочий флюс 3, состоящий из Аl2O3, CaFe2 и СаО.

9. Прогрессивные способы получения стали

Одним из прогрессивных способов получения сложных и высоколегированных сталей является электрометаллургический: плавка в электрических дуговых и индукционных печах.

Сталь особо высокого качества выплавляют в вакуумных электрических печах, а также путем электрошлакового, плазменного переплава, электронно-лучевой плавки.

10. Общее сведения о металлах. Классификация металлов.

Металлы - материалы кристаллической структуры, обладающие рядом специфических свойств: металлическим блеском; высокой электропроводностью и теплопроводностью; положительным температурным коэффициентом электросопротивления; электронной эмиссией; при нормальных условиях находятся в твердом состоянии (исключением является ртуть).

По внешнему виду металлы подразделяются на черные и цветные. К черным металлам относят железо и сплавы на его основе, остальные металлы принято относить к цветным.

Черные металлы, используемые в производстве хозяйственных товаров, представлены двумя сплавами: сталью (сплав железа с углеродом, с содержанием последнего не более 2,14%) и чугуном (сплав железа с углеродом, с содержанием последнего более 2,14%).

Чугун выплавляют из железной руды в доменных печах.

Сталь получают из чугуна путем выжигания из него избытка углерода кислородом воздуха.

11. Атомно-кристаллическое строение металлов.

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

В кристаллах существует не только ближний, но и дальний порядок размещения атомов, т. е. упорядоченное расположение частиц в кристалле сохраняется на больших участках кристаллов. Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл (твердое кристаллическое тело).

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.

12. Свойства металлов и сплавов

Механические свойства

К основным механическим свойства относят:

Прочность

Пластичность

Твердость

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок.

Пластичность – способность материала изменять свою форму и размеры по действием внешних сил.

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела.

Физические свойства

К физическим свойства относят:

Плотность

Температуру плавления

Теплопроводность

Электропроводность

Магнитные свойства

Цвет – способность металлов отражать излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розовато-красный цвет, алюминий – серебристо-белый.

Плотность металла определяется отношением массы к единице объема. По плотности металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м3) и тяжелые.

Температура плавления – температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие (вольфрам – 3416 оС, тантал – 2950 оС и др.) и легкоплавкие (олово – 232 оС, свинец – 327 оС). В единицах СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К).

Теплопроводность – способность металлов передавать тепло от более нагретых участков тела к менее нагретым. Большой теплопроводностью обладают серебро, медь, алюминий. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/(м·К).

Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя противоположными характеристиками – электрической проводимостью и электрическим сопротивлением.

Электропроводность оценивается в системе СИ в сименсах (См). Электросопротивление выражают в омах (Ом). Хорошая электропроводность необходима, например, для токонесущих проводов (их изготавливают из меди, алюминия). При изготовлении электронагревательных приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (из нихрома, константана, манганина). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением – увеличивается.

Магнитные свойства выражаются в способности металлов намагничиваться. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, которые называют ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.

Химические свойства

Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, растворами щелочей и др.

К химическим свойствам относят:

Коррозионную стойкость

Жаростойкость

Коррозионная стойкость – способность металлов сопротивляться химическому разрушению под действием на их поверхность внешней агрессивной среды (коррозия происходит при вступлении в химическое взаимодействие с другими элементами).

Жаростойкость – способность металлов сопротивляться окислению при высоких температурах

Химические свойства учитывают в первую очередь для изделий или деталей, работающих в химически агрессивных средах:

Емкости для перевозки химических реактивов

Трубопроводы химических веществ

Приборы и инструменты в химической промышленности

13. Понятия: Сплав, компонент, фаза, механические смеси, твёрдые растворы, химические соединения.

Сплав - макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

Компоненты - вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Фаза - однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.

МЕХАНИЧЕСКАЯ СМЕСЬ (в металловедении) - строение сплава из двух компонентов, которые неспособны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединений. Сплав состоит из кристаллов компонентов А и Б

Твёрдые растворы - фазы переменного состава, в которых атомы различных элементов расположены в общей кристаллической решётке.

Хими́ческое соедине́ние - сложное вещество, состоящее из химически связанных атомов двух или более элементов (гетероядерные молекулы). Некоторые простые вещества также могут рассматриваться как химические соединения, если их молекулы состоят из атомов, соединённых ковалентной связью (азот, кислород, иод, бром, хлор, фтор, предположительно астат).

14. Кристаллизация металлов и сплавов

Процессы кристаллизации металлов и сплавов, являющиеся процессами перехода их из жидкого состояния в твердое, связаны с выделением скрытой теплоты кристаллизации. Для того чтобы происходил процесс кристаллизации металла или сплава, его необходимо все время охлаждать (отводить, отнимать от него тепло).

При рассмотрении процессов кристаллизации мы прежде всего должны иметь в виду определенный объем жидкого металла или сплава, который отдает тепло, и форму, которая принимает его. Передача тепла от жидкого металла и сплава форме проходит не мгновенно, так как теплопроводность жидкого металла или сплава и формы имеет определенные конечные значения. Поэтому одновременная кристаллизация всего объема металла или сплава в форме невозможна даже при одинаковых температурах во всех точках его объема.

15. Экспериментальное построение диаграмм состояния двойных сплавов

16. Правила фаз и отрезков

Фазами могут быть жидкие растворы, твердые растворы и химические соединения. Следовательно, однородная жидкость представляет собой однофазную систему, механическая смесь двух видов кристаллов - двухфазную систему и т. д.

Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), которые можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Количественную зависимость между числом степеней свободы системы, находящейся в равновесном состоянии, и числом компонентов и фаз принято называть правилом фаз (закон Гиббса). Правило фаз для металлических систем выражается уравнением

С = К - Ф + m,

где С -число степеней свободы системы; К -число компонентов; Ф - число фаз; т - число внешних факторов (температура, давление).

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении (Р = const), это уравнение примет следующий вид: С = К – Ф + 1, где 1 - внешний переменный фактор (температура).

Пользуясь правилом фаз, рассмотрим, как происходит изменение числа степеней свободы однокомпонентной системы для случая расплавленного чистого металла (К=1; Ф=1) С = 1-1 + 1 = 1, т.е. температуру можно изменять не меняя числа фаз. Такое состояние системы называют моновариантным (одновариантным). В процессе кристаллизации Ф = 2 (две фазы - жидкая и твердая), а К=1, тогда С= 1-2+1=0. Это значит, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре (температура плавления), и она не может быть изменена, пока одна из фаз не пропадет. Такое состояние системы называют нонвариантным (безвариантным).Для диухкомпонентной системы, находящейся в жидком состоянии (К = 2; Ф=1), правило фаз имеет вид С = 2-1 + 1=2, такая система называется бивариантной (двухвариантной). В этом случае возможно изменение двух факторов равновесия (темпера­туры и концентрации), число фаз при этом не меняется. Для этой же системы при существовании двух фаз (жидкой и твердой) К=2, Ф = 2, согласно правилу фаз С = 2-2+1 = 1, т.е. с изменением температуры концентрация должна быть строго определенной.

Применение правила фаз для диаграммы состояния первого типа(см. рис.). Пользуясь этой диаграммой, можно определить фазовое состояние сплавов любого состава при любой температуре. Так, например, в области 1 существует одна фаза - жидкий раствор. Правило фаз запишется в виде С = К – Ф + 1 = 2- 1 + 1 = 2, т. е. система имеет две степени свободы. Для остальных областей 2, 3, 4 и 5 система ха­рактеризуется одной степенью свободы (С = 2 – 2 + 1 = 1).

17. Диаграмма состояния сплавов с механической смесью

22. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Феррит – это твёрдый раствор углерода в α-железе. Максимальная концентрация углерода – всего лишь 0,025% (точка P). При комнатной температуре – не выше 0,006%. Феррит мягок и пластичен.

Аустенит – твёрдый раствор углерода в γ-железе. Максимальная концентрация углерода - 2,14 % (точка E). Аустенит имеет невысокую твёрдость, пластичен, не магнитится.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа, Fe3C). Концентрация углерода, соответственно, постоянная – 6,67 % углерода. Цементит очень твёрд, хрупок, непластичен.

Необходимо так же выделить 2 структурные составляющие железоуглеродистых сплавов:

Перлит (эвтектоид) – механическая смесь 2 фаз – пластинок/зерен феррита и цементита. Перлит образуется в результате перлитного превращения аустенита («свободного» или входящего в состав ледебурита) с концентрацией углерода 0,8% при прохождении ниже линии PSK:

А0,8→Ф0,025 + Ц6,67

Железо при этом переходит из γ-формы в α-форму. Механические свойства сильно зависят от размера (дисперсности) частичек, из которых состоит данный перлит.

Ледебурит (эвтектика) – механическая смесь 2 фаз – пластинок/зерен аустенита и цементита. Ледебурит образуется из жидкой фазы с концентрацией углерода 4,3% при прохождении ниже линии ECF:

Ж4,3→А2,14 + Ц6,67

Структура ледебурита. Ц - цементит, А - аустенит.

23. Диаграмма состояния сплавов железо-цементит

Диаграмма железо-углерод (железо-цементит) – это графическое отображение структуры сплавов, состоящих только из железа и углерода, в зависимости от исходной средней концентрации углерода и текущей температуры сплава. Диаграмма железо-углерод позволяет понять процессы, происходящие при термообработке стали.

Диаграмма железо-углерод (железо-цементит). Упрощенная

линия ACD. Линия ликвидус. При охлаждении сплавов ниже нее начинается их кристаллизация;

линия AECF. Линия солидус. При охлаждении сплавов ниже нее весь сплав переходит в твердое состояние;

линия ECF. Иногда называется линией ледебуритного превращения. При охлаждении сплавов с содержанием углерода выше 2,14% ниже нее жидкая фаза превращается в ледебурит;

линия PSK. Линия перлитного превращения. При охлаждении сплавов ниже нее аустенит превращается в перлит.

Отметим несколько важных точек на диаграмме:

точка E. Точка максимального насыщения аустенита углеродом – 2,14%, при температуре 1147°С;

точка P. Точка максимального насыщения феррита углеродом – 0,025%, при температуре 727°С;

точка S. Точка «0,8% С-727°С» превращения аустенита с концентрацией углерода 0,8% в перлит (эвтектоид) той же средней концентрации;

точка C. Точка «2,14 % С-1147°С» превращения жидкости с концентрацией углерода 2,14% в ледебурит (эвтектику) той же средней концентрации.

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.

• 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 Fe 2 O 3 . 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 Fe 2 O 3 *nH 2 O. 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 Fe 3 O 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 FeCO 3 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.