Dziś trudno wyobrazić sobie życie bez stali, z której robi się wiele rzeczy wokół nas.
Podstawą tego metalu jest żelazo pozyskiwane z wytopu rudy. Ruda żelaza różni się pochodzeniem, jakością, sposobem wydobycia, co decyduje o możliwości jej wydobycia. Ruda żelaza wyróżnia się również składem mineralnym, zawartością procentową metali i zanieczyszczeń, a także użytecznością samych dodatków. Żelazo jako pierwiastek chemiczny wchodzi w skład wielu skał, jednak nie wszystkie z nich są uważane za surowce do wydobycia. Wszystko zależy od procentowego składu substancji.
Takie surowce zaczęto wydobywać 3000 lat temu, ponieważ żelazo umożliwiło wytwarzanie trwałych produktów lepszej jakości w porównaniu z miedzią i brązem. I już w tym czasie rzemieślnicy posiadający huty rozróżniali rodzaje rudy.
Dzisiaj wydobywa się następujące rodzaje surowców do dalszego wytopu metali:
- Tytan-magnetyt;
- Apatyt-magnetyt;
- magnetyt;
- magnetyt-hematyt;
- Goetytu-hydrogoetyt.
Ruda żelaza jest uważana za bogatą, jeśli zawiera co najmniej 57% żelaza. Jednak zmiany można uznać za właściwe na poziomie 26%.
Żelazo w składzie skały częściej występuje w postaci tlenków, pozostałe dodatki to krzemionka, siarka i fosfor.
Pochodzenie rudy żelaza
Ignomowe
Takie rudy powstały w wyniku ekspozycji na wysoką temperaturę magmy lub dawnej aktywności wulkanicznej, czyli przetapiania i mieszania innych skał. Takie minerały to twarde minerały krystaliczne z dużą zawartością żelaza. Złoża rudy pochodzenia magmowego są zwykle kojarzone ze starymi górskimi strefami zabudowy, gdzie stopiony materiał zbliżał się do powierzchni.
Metamorficzny
W ten sposób przekształcane są osadowe typy minerałów. Proces przebiega następująco: podczas przesuwania niektórych odcinków skorupy ziemskiej niektóre jej warstwy zawierające niezbędne pierwiastki opadają pod leżące na nich skały. Na głębokości podlegają wysokiej temperaturze i ciśnieniu górnych warstw. W ciągu milionów lat takiego narażenia zachodzą tu reakcje chemiczne, które zmieniają skład materiału źródłowego, krystalizację substancji. Następnie, w procesie kolejnego ruchu, skały zbliżają się do powierzchni.
Zazwyczaj ruda żelaza tego pochodzenia nie jest zbyt głęboka i ma wysoki procent użytecznego składu metali. Na przykład jako jasny przykład – magnetyczna ruda żelaza (do 73-75% żelaza).
Osadnikowy
Głównymi „pracownikami” procesu powstawania rudy są woda i wiatr. Niszczenie warstw skalnych i przenoszenie ich na niziny, gdzie gromadzą się warstwami. Ponadto woda jako odczynnik może modyfikować materiał źródłowy (ługować). W efekcie powstaje brązowa ruda żelaza – krucha i sypka ruda zawierająca od 30% do 40% żelaza, z dużą ilością różnych zanieczyszczeń.
Ustaliwszy na drodze badań geologicznych przybliżony obraz procesów zachodzących na danym terenie, określają możliwe miejsca występowania rud żelaza. Jak np. kurska anomalia magnetyczna, czy dorzecze Krivoy Rog, gdzie w wyniku wpływów magmowych i metamorficznych powstały cenne pod względem przemysłowym rodzaje rud żelaza.
Wydobycie rudy żelaza na skalę przemysłową
Ludzkość bardzo dawno zaczęła wydobywać rudę, ale najczęściej były to surowce niskiej jakości ze znacznymi zanieczyszczeniami siarki (skały osadowe, tak zwane żelazo „bagienne”). Skala rozwoju i hutnictwa stale rosła. Dziś zbudowano całą klasyfikację różnych złóż rud żelazistych.
Główne rodzaje złóż przemysłowych
Wszystkie złoża rud są podzielone na typy w zależności od pochodzenia skały, co z kolei umożliwia wyróżnienie głównych i drugorzędnych rejonów rudy żelaza.
Należą do nich następujące depozyty:
- Złoża różnego rodzaju rud żelaza (żelaziste kwarcyty, magnetyczna ruda żelaza), tworzone metodą metamorficzną, co pozwala na wydobycie z nich bardzo bogatych rud. Zazwyczaj złoża są związane z najstarszymi procesami formowania się skał w skorupie ziemskiej i leżą na formacjach zwanych tarczami.
Najbardziej znane złoża tego typu to: Kursk anomalia magnetyczna, basen Krivoy Rog, Lake Superior (USA/Kanada), prowincja Hamersley w Australii oraz region rud żelaza Minas Gerais w Brazylii.
- Złoża osadzonych skał osadowych. Osady te powstały w wyniku osadzania się związków bogatych w żelazo, które znajdują się w składzie minerałów niszczonych przez wiatr i wodę. Uderzającym przykładem rudy żelaza w takich złożach jest brązowa ruda żelaza.
Najbardziej znane i duże złoża to dorzecze Lotaryngii we Francji i Kercz na półwyspie o tej samej nazwie (Rosja).
- Złogi skóry. Zwykle ruda ma pochodzenie magmowe i metamorficzne, których warstwy po uformowaniu zostały przemieszczone w czasie formowania się gór. Oznacza to, że ruda żelaza, ułożona warstwami na głębokości, została zgnieciona w fałdy i przeniesiona na powierzchnię podczas ruchu płyt litosferycznych. Takie osady częściej lokują się na obszarach pofałdowanych w postaci warstw lub filarów o nieregularnym kształcie. Utworzony przez magmę. Przedstawiciele takich złóż: Magnitogorsk (Ural, Rosja), Sarbayskoye (Kazachstan), Iron Springs (USA) i inne.
- Złoża rud tytanomagnetytu. Ich pochodzenie jest magmowe, najczęściej spotykane są na wychodniach pradawnych skał macierzystych – tarcz. Należą do nich baseny i złoża w Norwegii, Kanadzie, Rosji (Kachkanarskoye, Kusinskoye).
- W 2016 r. w Rosji odkryto około stu złóż minerałów
Drobne złoża to: złoża apatytowo-magnetytowe, magno-magnetytowe, syderytowe, żelazomanganowe wytworzone w Rosji, Europie, na Kubie i innych.
Jak wydobywana jest ruda żelaza
Pokłady rudy żelaza leżą na różnych głębokościach, co determinuje metody jej wydobycia z jelit.
Sposób kariery
Najpopularniejszą metodę wydobywania stosuje się, gdy złoża znajdują się na głębokości około 200-300 metrów. Rozwój odbywa się poprzez wykorzystanie potężnych koparek i kruszarek skał. Następnie jest ładowany do transportu do zakładów przetwórczych.
Metoda kopalni
W przypadku głębszych warstw (600-900 metrów) stosuje się metodę dołów. Początkowo teren kopalni jest przebijany, z którego wzdłuż pokładów powstają sztolnie. Skąd pokruszona skała jest podawana „na górę” za pomocą przenośników. Ruda z kopalń trafia również do zakładów przeróbczych.
Hydroekstrakcja
Przede wszystkim do odwiertu hydraulicznego wiercony jest odwiert w formacji skalnej. Następnie rury są doprowadzane do celu, ruda jest kruszona potężnym ciśnieniem wody z dalszą ekstrakcją. Ale ta metoda ma dziś bardzo niską wydajność i jest używana dość rzadko. Przykładowo 3% surowców wydobywa się w ten sposób, a 70% przez kopalnie.
Po wydobyciu ruda żelaza musi zostać przetworzona w celu uzyskania głównego surowca do wytopu metalu.
Wzbogacanie rudy żelaza
Ponieważ w składzie rud jest wiele zanieczyszczeń, oprócz niezbędnego żelaza, w celu uzyskania maksymalnej użytecznej wydajności konieczne jest oczyszczenie skały poprzez przygotowanie materiału (koncentratu) do wytopu. Cały proces realizowany jest w zakładach wydobywczych i przetwórczych. Do różnego rodzaju rud stosuje się własne metody oraz metody oczyszczania i usuwania zbędnych zanieczyszczeń.
Na przykład łańcuch technologiczny wzbogacania magnetycznej rudy żelaza wygląda następująco:
- Na początku ruda przechodzi przez etap kruszenia w instalacjach kruszenia (np. kruszarkach szczękowych) i jest podawana przenośnikiem taśmowym do stacji separacji.
- Za pomocą separatorów elektromagnetycznych części magnetycznego kamienia żelaznego są oddzielane od skały płonnej.
- Potem masa rudy jest transportowana do następnego kruszenia.
- Rozkruszone minerały są przenoszone do kolejnej stacji oczyszczania, tzw. sit wibracyjnych, tu przesiewa się użyteczną rudę, oddzielając od lekkiej zbędną skałę.
- Następnym etapem jest zbiornik na drobną rudę, w którym drobne cząstki zanieczyszczeń są oddzielane przez wibracje.
- Kolejne cykle obejmują kolejne dodawanie wody, kruszenie i przepuszczanie masy rudy przez pompy szlamowe, usuwanie niepotrzebnego szlamu (skały odpadowej) wraz z cieczą i ponowne kruszenie.
- Po wielokrotnym czyszczeniu za pomocą pomp, ruda trafia do tak zwanego sita, które ponownie oczyszcza minerały metodą grawitacyjną.
- Wielokrotnie oczyszczona mieszanina trafia do odwadniacza, który usuwa wodę.
- Odsączona ruda ponownie trafia do separatorów magnetycznych, a dopiero potem do stacji gaz-ciecz.
Dzięki wzbogaceniu powstaje koncentrat rudy żelaza stosowany w hutnictwie.
Korzystanie z rudy żelaza
Oczywiste jest, że do pozyskiwania metalu używa się rudy żelaza. Ale dwa tysiące lat temu metalurdzy zdali sobie sprawę, że żelazo w czystej postaci jest raczej miękkim materiałem, z którego produkty są nieco lepsze niż brąz. Rezultatem było odkrycie stopu żelaza i stali węglowej.
Dziś z tego metalu powstaje ogromna lista produktów, urządzeń i maszyn. Jednak wynalezienie stali wiązało się z rozwojem przemysłu zbrojeniowego, w którym rzemieślnicy starali się uzyskać materiał o mocnych właściwościach, ale jednocześnie o doskonałej elastyczności, kowalności i innych właściwościach technicznych, fizycznych i chemicznych. Obecnie wysokiej jakości metal ma inne dodatki, które go stopują, dodając twardości i odporności na zużycie.
Drugim materiałem wytwarzanym z rudy żelaza jest żeliwo. Jest to również stop żelaza z węglem, który zawiera ponad 2,14%.
Przez długi czas żeliwo było uważane za materiał bezużyteczny, który uzyskiwano albo przez naruszenie technologii wytopu stali, albo jako produkt uboczny, który osadza się na dnie pieców do wytapiania. W zasadzie został wyrzucony, nie można go podrobić (kruche i praktycznie nieciągliwe).
Obecnie żeliwo znajduje zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, zwłaszcza w budowie maszyn. Metal ten jest również używany do produkcji stali (piece martenowskie i metoda Bessmera).
Wraz ze wzrostem produkcji potrzebne jest coraz więcej materiałów, co przyczynia się do intensywnego zagospodarowania złóż. Jednak kraje rozwinięte uważają, że bardziej celowe jest importowanie stosunkowo niedrogich surowców, zmniejszając wielkość własnej produkcji. Pozwala to głównym krajom eksportującym na zwiększenie produkcji rudy żelaza wraz z jej dalszym wzbogacaniem i sprzedażą w postaci koncentratu.
