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.
Наряду с горючими, являются так называемые рудные полезные ископаемые. Рудой называют горную породу, которая в больших количествах содержит определённые элементы или их соединения (вещества). Наиболее используемыми типами руд являются железные, медные и никелевые.
Называются руда, которая содержат железо в таких количествах и химических соединениях, что его извлечение возможно и экономически выгодно. Важнейшими минералами являются: магнетит, магномагнетит, титаномагнетит, гематит и другие. Железные руды различаются по минеральному составу, содержанию железа, полезных и вредных примесей, условиям образования и промышленным свойствам.
Железные руды разделяют на богатые (более 50% железа), рядовые (50-25%) и бедные (менее 25% железа) В зависимости от химического состава их применяют для выплавки чугуна в естественном виде или после обогащения. Железные руды, использующиеся для производства стали, должны содержать определённые вещества в необходимых пропорциях. От этого зависит качество получаемого продукта. Некоторые химические элементы (помимо железа) могут извлекаться из руды и использоваться для других целей.
Месторождения железной руды разделяют по происхождению. Обычно выделяют 3 группы: магматогенные, экзогенные и метаморфогенные. Они могут подразделяться ещё на несколько групп. Магматогенные образуются в основном при воздействии на различные соединения высоких температур. Экзогенные месторождения возникли в долинах при отложении и . Метаморфогенные месторождения — ранее существовавшие осадочные месторождения, преобразовавшиеся в условиях высоких и температур. Наибольшее количество железной руды сосредоточено на территории России.
Курская магнитная аномалия самый мощный в мире железорудный бассейн. Залежи руды на её территории оцениваются в 200-210 миллиардов тонн, что составляет около 50% железорудных запасов на планете. Она располагается в основном на территории Курской, Белгородской и Орловской областей.
Никелевая руда – руда, содержащая химический элемент в таких количествах и химических соединениях, что его извлечение является не только возможным, но и экономически выгодным. Обычно таковыми являются месторождения сульфидных (содержание никеля 1-2%) и силикатных (содержание никеля 1-1,5%) руд. К наиболее важным относят часто встречающиеся : сульфиды, водные силикаты и никелевые хлориты.
Медными рудами называются природные минеральные образования, содержание меди в которых достаточно для экономически выгодной добычи этого металла. Из множества известных содержащих медь минералов используются в промышленных масштабах около 17: медь самородная, борнит, халькопирит (медный колчедан) и другие. Промышленное значение имеют такие типы месторождений: медноколчеданные, скарновые медно-магенетитовые, медно-титаномагнетитовые и медно-порфировые.
Они залегают среди вулканических пород древнего периода. В этот период действовали многочисленные наземные и подводные . Вулканы выделяли сернистые и горячие воды, насыщенные металлами – железом, медью, цинком и другими. Из них на морском дне и в подстилающих породах отлагались руды, состоящие из сульфидов железа, меди и цинка, получившие название колчеданов. Основным минералом колчеданных руд является пирит, или серный колчедан, который составляет преобладающую часть (50–90%) объема колчеданных руд.
Большая часть добываемого никеля используется для производства жаропрочных, конструкционных, инструментальных, нержавеющих сталей и сплавов. Небольшая часть никеля расходуется на производство никелевого и медно-никелевого проката, для изготовления проволоки, лент, разнообразной аппаратуры для промышленности, а также в авиации, ракетостроении, при производстве оборудования для атомных электростанций, изготовлении радиолокационных приборов. В промышленности сплавы никеля с медью, цинком, алюминием, хромом и другими металлами.
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.
- Эндогенные, или магматогенные. Их образование обусловлено геохимическими процессами, происходившими в глубинах земной коры, магматическими явлениями.
- Экзогенные, или поверхностные, месторождения создавались вследствие процессов, происходящих в приповерхностной зоне земной коры, то есть на дне озер, рек, океанов.
- 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.
От звучного латинского слова "минера" - "камень, рождающий металл", - и произошло слово "минералогия". Истоки знаний о камне затерялись где-то в дали палеолита. Неистощимая любознательность наших предков сочеталась с ненасытным стремлением извлекать пользу из окружающей среды, а наивная склонность обожествлять природу - с "кощунственным" стремлением тут же употребить в дело могущество "богов". Даже самое грозное "божество" - огонь - человек рискнул внести в свою пещеру. А щедро рассыпанные природой твердые кремневые гальки (эти "краеугольные камни истории"), которые раскалывалась, обнажая острые края, он превращал в зубила, скребла, наконечники копий и стрел.
Наш пращур каменного века Homohabilis (человек умелый) * , добывавший кремень в качестве первой "руды", использовал (разумеется, безотчетно!) одну из основных геохимических особенностей элемента кремния, а именно, его распространенность: в земной коре кремния немногим больше четверти, т. е. столько, сколько всех остальных элементов вместе взятых (за вычетом кислорода).
* (Наиболее древние каменные орудия, найденные в Кении и Танзании, были сделаны более 2,5 млн. лет назад! )
Правда, чтобы освоить такую руду, пришлось на опыте изучить основные свойства кремня: способность давать при ударе искру, высокую твердость, вязкость, а главное раковистый излом, образующий острый режущий край (рис. 32).
Помимо рациональной формы и совершенной обработки орудий каменного века нас поражает и другое: человек каменного века (уже в неолите) не ограничивался поисками первосортных кремней на поверхности, он добывал кремневые "руды" на глубине. Неолитические подземные разработки кремня известны в Бельгии, во Франции, в Англии, Швеции, Польше и Белоруссии. Одна из шахт Бельгии (местечко Спиенны) достигает семнадцатиметровой глубины. На дне шахты проходят горизонтальные выработки, крепящиеся целиками оставленной породы. Можно только удивляться, с каким искусством проходчики каменного века задавали эти древнейшие на земле шахты, точно прослеживая пропластки высококачественного кремня в мягком меловом известняке. Этим людям никак нельзя отказать в причастности к минералогии!
Не меньшее восхищение вызывает и первый из известных в истории человечества неолитический город Чатал-хюйюк в Южной Анатолии, возникший в VII тысячелетии до н. э. на основе "горнодобывающего" промысла. Площадь, занятая некогда этим поселением, составляла 32 акра! На этой территории были расположены дома с плоскими крышами, разделенные узкими улочками, взбегающими вверх по склону холма к подножию потухших вулканов Караджидаг и Гасандаг. Археолог Джеймс Меллаарт, обнаруживший это древнейшее поселение в 1958 году, описывает найденные там удивительные вещи: костяные и деревянные сосуды, статуэтки из обожженной глины и темно-зеленого камня, в том числе статуэтки Матери-Богини, маленькие фигурки пеших и конных людей, изображения быков, баранов, леопардов. Еще более удивительны яркие многоцветные росписи на стенах храмов-гробниц и особенно громадные, иногда достигающие двух метров барельефы людей и животных. При их изготовлении слой гипса наносился на остов из соломы или глины, а для изображения божества с головой быка или коровы к стене храма в качестве основы барельефа крепился просто подлинный череп с рогами, также покрывавшийся потом раскрашенным гипсом.
Археологи установили состав принадлежавшего этому племени стада и узнали, что кроме скотоводства и земледелия люди Чатал-хюйюка занимались охотой на диких ослов, оленей, кабанов, леопардов. И все же, как считает Джеймс Меллаарт, основой их существования, определявшей весь уклад жизни и невиданные по тем временам размеры поселения, была добыча обсидиана - прекрасного сырья для парадного и военного оружия. Неисчерпаемые запасы этого высококачественного сырья таили "кладовые" вулканов Караджидаг и Гасандаг. Можно считать, что Чатал-хюйюк представляет собой одно из первых на земле поселений "монополистов" прекрасного "стратегического сырья" каменного века. Лучшие образцы этой древнейшей "руды" археологи находили спрятанными про запас под полами домов.
Но в Чатал-хюйюке интересна и еще одна находка: именно здесь были впервые найдены наиболее древние * изделия из металла - мелкие шильца, проколки, бусинки. Исследования показали, что они сделаны главным образом из меди.
* (Несколько позднее в верховьях р. Тигр, к востоку от Чатал-хюйюка, были об-наружены мелкие предметы из меди (VIII - VII тысячелетия до н. э.). )
Возможно, в Южной Анатолии люди впервые познакомились с рудой в нашем понимании этого слова. Находки археологов показывают, что минералоги, жившие почти девять тысячелетий тому назад, прекрасно знали свойства не только вулканического стекла, но и некоторых минералов меди.
Итак, первое знакомство с рудой состоялось еще в каменном веке, когда люди заметили, что не все камни трескаются от жара костра и разлетаются на острые осколки (именно с костра часто начиналась обработка камня), иногда попадаются глыбы, которые в огне становятся мягкими, податливыми - ковкими. Ладонь человека впервые ощутила великолепную тяжесть и холодок металла!
Вероятно, в первую очередь были освоены "готовые" металлы - самородные медь, золото, железо. Они одновременно являются и металлами и минералами - природными образованиями постоянного состава.
Но что же именно сделало золото "металлом царей и царем металлов"? Почему медь опередила железо почти на пять тысячелетий, а алюминий известен нам немногим более ста лет? Почему тантал, бериллий и цезий мы называем "металлами сегодняшнего дня"?
Оказывается, судьба металла очень часто зависит не только от его собственных качеств, но и от свойств его природных соединений - минералов. Давайте вспомним историю освоения металлов.