18031

Сырьевая и топливная база черной металлургии. Экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья

Книга

Государство и право, юриспруденция и процессуальное право

Братковский Е.В. Заводяный А.В. Методическое пособие для практических занятий по курсам Сырьевая и топливная база металлургии и Экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья для студентов специальности 150101 Металлургия черных металлов. – Новотроиц

Русский

2013-07-06

5.38 MB

75 чел.

Братковский Е.В., Заводяный А.В. Методическое пособие для практических занятий по курсам «Сырьевая и топливная база металлургии» и «Экстракция черных металлов из природного и техногенного сырья» для студентов специальности 150101 «Металлургия черных металлов». – Новотроицк: НФМИСиС, 2006. – 72 с.

Задачей данного учебного пособия является знакомство с основными мировыми месторождениями железных, марганцевых руд и их минералами, известняков и углей, способами их добычи и обогащения.

Научить студента рассчитывать по годовой потребности металлургического предприятия в стали расходы чугуна, железорудного сырья, марганцевой руды, кокса и флюсов выбранных месторождений.

© ГОУ ВПО Московский

государственный

институт стали и сплавов

(Технологический университет),

Новотроицкий филиал, 2006.

Список сокращений

«Испат-Кармет» – Карагандинский металлургический комбинат.

ГОК – горно-обогатительный комбинат.

ЖРС – железорудное сырьё.

ЗСМК – Западно-сибирский металлургический комбинат.

КачГОК – Качканарский горно-обогатительный комбинат.

КМА – Курская магнитная аномалия.

КМК – Кузнецкий металлургический комбинат.

КосМЗ – Косогорский металлургический завод.

ЛебГОК – Лебединский горно-обогатительный комбинат.

ЛисГОК – Лисаковский горно-обогатительный комбинат.

МихГОК – Михайловский горно-обогатительный комбинат.

НЛМК – Новолипецкий металлургический комбинат.

НТМК – Нижнетагильский металлургический комбинат.

ОФ – обогатительная фабрика.

ОХМК – Орско-Халиловский металлургический комбинат.

ОЭМК – Оскольский электрометаллургический комбинат.

РУ – рудное управление.

СтойлГОК – Стойленский горно-обогатительный комбинат.

ТЭП – технико-экономические показатели.

ЧерМК – Череповецкий металлургический комбинат («Северсталь»).

ЧусМЗ – Чусовской металлургический завод.

ЮУНК – Южно-уральский никелевый комбинат.


Содержание

[1]
2 Базы черной металлургии России и ближнего зарубежья

[1.1] 2.1 Россия

[1.2] 2.2 Украина

[1.3] 2.3 Казахстан

[2]
3 Характеристика месторождений железных и марганцевых руд

[2.1] 3.1 Генезис железорудных месторождений

[2.2] 3.2 Минералогические типы железных руд

[2.3] 3.3 Металлургическая оценка железных руд

[2.4] 3.4 Месторождения железных руд России, Украины и Казахстана

[2.4.1] 3.4.1 Курская магнитная аномалия

[2.4.2] 3.4.2 Северо-запад Европейской части России

[2.4.3] 3.4.3 Урал

[2.4.4] 3.4.4 Сибирь и Дальний Восток

[2.4.5] 3.4.5 Украина

[2.4.6] 3.4.6 Казахстан

[2.5] 3.5 Способы обогащения железных руд

[2.6] 3.6 Показатели обогащения

[2.7] 3.7 Определение состава концентрата

[2.8] 3.8 Определение расхода концентрата

[2.9] 3.9 Окускование железорудных концентратов

[2.10] 3.10 Марганцевые руды

[2.11] 3.11 Хромовые руды

[3]
4 Топливная база черной металлургии

[3.1] 4.1 Характеристика углей

[3.2] 4.2 Месторождения углей

[3.3] 4.3 Коксохимические производства России, Украины и Казахстана

[3.4] 4.3 Выбор топливной базы

[3.5] 4.2 Определение расхода кокса

[4]
5 Определение состава чугуна

[5]
6 Флюсы черной металлургии

[5.1] 6.1 Характеристика флюса и предъявляемые к нему требования

[5.2] 6.2 Определение расхода флюса на 1 т чугуна

[6] 7 Выбор способа передела чугуна в сталь. Определение годовой потребности предприятия в сырье и топливе

[6.1] 7.1 Выбор способа передела чугуна в сталь

[6.2] 7.2 Определение годовой потребности предприятия в стали, чугуне, железной, марганцевой руде, и топливе

[7]
8 Указания по выполнению задания

[7.1] 8.1 Исходные данные

[7.2] 8.2 Порядок выполнения работы

[8]
9 Список тем рефератов

[9]
Рекомендуемая литература

Введение

Задачей дисциплины «Сырьевая и топливная база черной металлургии» является знакомство с основными мировыми месторождениями железных, марганцевых руд и их минералами, известняков и углей, способами их добычи и обогащения. В процессе изучения дисциплины студент должен научиться:

  •  давать общую характеристику месторождений железных, марганцевых руд и известняка, определять минералогический тип руды, производить ее металлургическую оценку и выбирать способ обогащения;
  •  определять расход руды для получения 1 т железорудного концентрата и его химический состав, выбирать способ окускования железорудного концентрата;
  •  выбирать топливную базу и определять расход кокса и концентрата для выплавки 1 т чугуна;
  •  определять состав и марку выплавляемого чугуна;
  •  выбирать месторождение флюса, определять его качество и расход на 1 т чугуна;
  •  обосновать способ передела чугуна в сталь и по заданной мощности металлургического предприятия, рассчитать годовую потребность в стали, чугуне, железной руде, флюсе и топливе.

Основная трудность, возникающая при рассмотрении данных вопросов, заключается в разбросанности материала, которым необходимо пользоваться, по различным литературным источникам, а также в связи с появлением новых предприятий и динамичному увеличению добычи руд.

В данном пособии к каждому разделу приведено краткое теоретическое обоснование с целью показать логическую взаимосвязь между различными технологическими процессами металлургического производства. Это должно облегчить студенту разработку оптимального технологического процесса производства металлопродукции из конкретного железорудного  сырья.

Некоторые вопросы, которые представлены в данном пособии, раскрыты не достаточно полно, так как изучаются в других специальных дисциплинах.


1 Мировые ресурсы железорудного сырья

Общие мировые запасы железных руд составляют 452,3 млрд. т, из них разведанных 198,9 млрд. т. Основу их составляют месторождения железистых кварцитов, на долю которых суммарно приходится более 70% мировых разведанных запасов (в некоторых регионах их значительно больше, например, в Украине 95%).

Общие запасы железных руд России оцениваются примерно 101 млрд. т, из них разведанные 55,8; Украины – 32,9 и 28,3 соответственно, Казахстана – 16,6 и 8,8 млрд. т.

Прогнозируемые ресурсы железных руд России на 1 января 1998 г. составляли 256,3, из них богатых 33 млрд. т (12,9%).

На территории Украины располагается 13% от всех разведанных мировых запасов железных руд, по объемам производства она занимает седьмое место в мире, что составляет около 5%.

На рисунке 1 показано распределение мировых разведанных запасов железных руд по странам.

Рисунок 1 – Распределение подтвержденных запасов железных руд

по странам

На сегодняшний день наибольшее количество железной руды добывается в следующих странах: Китай, Бразилия, Австралия, Индия, Россия, Украина и США – из которых первые три производят примерно 60% мирового объема ЖРС. В 2004 г. производство ЖРС в мире составило 1,2 млрд. тонн. Основными потребителями руды являются Китай, Япония, США и страны ЕС.

В таблице 1 представлены данные по компаниям, которые добывают наибольшее количество железных руд в мире.

Таблица 1 – Мировые лидеры по добыче железных руд (по данным American Mineral Economics)

Компания (холдинг)

Страна

Объем добычи, млн. т

CVRD

Бразилия

299,3

Rio Tinto

Великобритания

173,0

BHP Billiton

Австралия

144,1

Privat Intertrading

Украина

45,8

IUD – Donbass

Украина

38,4

Anshan I&S Works

Китай

36,8

Anglo-American (Kumba Resources)

ЮАР

32,4

LKAB

Швеция

28,9

Mittal Steel

Россия, Казахстан и др.

27,9

CVG

Венесуэла

26,9

Cleveland-Cliffs

США

26,5

Всего в мире

1403,7

Международная торговля ЖРС в 2004 г. достигла объема 670 млн. тонн.

Несмотря на то, что Китай является крупнейшим в мире производителем ЖРС, добываемые в нем руды очень низкого качества и страна находится в сильной зависимости от импорта. В настоящее время Китай, обогнав Японию, вышел на первое место в мире по объему импортируемого ЖРС,  его доля в мировой торговле достигла 25%.

По прогнозам American Mineral Economics, в связи с ростом выплавки стали, мировое потребление ЖРС в ближайшие 4 года увеличится почти на четверть и достигнет к 2009 году 1,9 млрд. тонн. При этом международная торговля железной рудой будет интенсивно увеличиваться за счет увеличения ее потребления азиатскими странами с 655 млн. т до 1 млрд. т и более к 2010 году.


2 Базы черной металлургии России и ближнего зарубежья

2.1 Россия

1. Урал. Производит 46% металла. Используются привозные коксующие угли из Кузбасса и Караганды.

Железная руда: Качканарская группа месторождений (север Свердловской области); Соколовско-Сарбайское месторождение (Кустанайская область, Казахстан); КМА.

Марганцевая руда: Полуночное (север Свердловской области), Усинское месторождения (Сибирь).

Комбинаты: НТМК (г. Нижний Тагил), «МЕЧЕЛ» (г. Челябинск), ММК (г. Магнитогорск), «Уральская Сталь» (ОХМК, г. Новотроицк, Оренбургская область), БелМК (г. Белорецк, Башкортостан), Златоустовский меткомбинат (г. Златоуст, Челябинская область).

Передельная металлургия: Ашинский металлургический завод (г. Аша, Челябинская область), Металлургический завод им. А.К. Серова (СерМЗ, г Серов, Свердловская область), ЧусМЗ (г. Чусовой, Пермская область), «Ижсталь» (г. Ижевск, Удмуртия).

Трубные заводы: Челябинский трубопрокатный завод, Уралтрубпром (г. Первоуральск, Свердловская область), Первоуральский новотрубный завод (г. Первоуральск, Свердловская область), Синарский трубный завод (Свердловская область).

Ферросплавное производство: Челябинский электрометаллургический комбинат, ЧусМЗ, ЮУНК (г. Орск, Оренбургская область), Серовкий завод ферросплавов.

2. Центральный и Северный районы. Производят 20% металла. Коксующие угли завозятся из Печорского бассейна, Кузбасса; ЖРС – из КМА, Карелии, марганцевая руда – из Никополя (Украина).

Комбинаты: «Тулачермет» (г. Тула), НЛМК (г. Липецк).

На базе КМА совместно с Германией создано производство металлизированных окатышей. Их использует в бескоксовой металлургии ОЭМК (г. Старый Оскол, Белгородская область).

«Северсталь» (ЧерМК, г. Череповец, Вологодская область), находится между железорудными базами Карелии (Костомукшское месторождение) и Кольского полуострова (Оленегорское, Ковдорское месторождения) и Печорским угольным бассейном.

Передельная металлургия: «Серп и Молот» (г. Москва), «Электросталь» (г. Электросталь, Московская область), Омутнинский металлургический завод (г. Омутнинск, Кировская область), «Свободный Сокол» (г. Липецк), КосМЗ (г. Тула).

Трубные заводы: Московский трубный завод, Костроматрубинвест (г. Кострома), Борский трубный завод (г. Бор, Нижегородская область).

Ферросплавное производство: КосМЗ, «Тулаванадий».

3. Сибирь и Дальний Восток. Производит 13% черных металлов.

Комбинаты: КМК (г. Новокузнецк, Кемеровская область), ЗСМК (г. Новокузнецк); оба предприятия используют коксующиеся угли Кузбасса; железную руду Горной Шории, Хакассии и Ангаро-Илимского бассейна; марганцевую руду Усинского месторождения; Красноярский металлургический комбинат «Сибэлектросталь» (г. Красноярск).

Ферросплавное производство: «Кузнецкие ферросплавы» (г. Новокузнецк).

В таблице 2 представлено соотношение железорудных запасов России по регионам.

Таблица 2 – Структура железорудных запасов России и производство ЖРС по федеральным округам (данные фирмы Metaltorg)

Округ

Запасы, %

Выпуск, %

Центральный

57

56

Уральский

17

14

Сибирский

13

12

Северо-западный

5

18

Дальневосточный

9

-

Итого

100

100

Таким образом, добыча железной руды сосредоточена в трех регионах (Центральный, Уральский и Северо-западный федеральные округа), на долю которых приходится примерно 90% производства ЖРС России.

На рисунке 2 представлено распределение промышленных запасов российских руд по типу минерала.

Рисунок 2 – Структура промышленных запасов российских руд

по типу минерала

В 2004 г. ГОКи страны произвели 95 млн. тонн ЖРС. Примерно 20% продукции было экспортировано. Основными потребителями российской железной руды являются страны СНГ и Восточной Европы, а также значительную долю занимают поставки в Германию, Турцию, Финляндию и Норвегию.

Железорудные предприятия России производят как стандартные виды ЖРС (концентрат, аглоруда, окатыши), так и продукцию с большей добавленной стоимостью горячебрикетированное железо (ГБЖ, ЛебГОК).

Большую часть добываемой в России железной руды составляют рядовые руды со средним содержанием железа до 35-40%. Такая руда нуждается в обогащении, что требует от производителей существенных затрат.

Из 12-ти предприятий, производящих до 96% ЖРС России, только МихГОК и СтойлГОКи осуществляют добычу богатой железной руды, с содержанием до 68% железа.

Металлургические окатыши производят следующие предприятия: ЛебГОК, МихГОК, КачГОК, «Карельский окатыш». Агломерат производят только на предприятиях Евразхолдинга (КачГОК и ВысГОК) и КМА-руда.

На базе ЛебГОКа действует единственный в Европе цех по производству ГБЖ, который производит до 1 млн. тонн брикетов в год, с содержанием железа до 95%. Планируется построить вторую очередь завода ГБЖ, что позволит вдвое увеличить его производственную мощность.

На рисунке 3 представлено соотношение различных видов товарной продукции в России.

Рисунок 3 – Структура товарной продукции российских ГОКов

По итогам 2004 года суммарный объем выпуска товарной продукции на пяти крупнейших железорудных предприятиях России составил 67 млн. тонн или 70% ЖРС и имеет следующее соотношение, %: ЛебГОК – 21, МихГОК – 19, СтойлГОК – 13, КачГОК – 9 и «Карельский Окатыш» – 8.

На рисунке 4 показано географическое расположение основных металлургических комбинатов, производителей и потребителей железорудной продукции в России и ближнем зарубежье.

Показатели работы российских производителей ЖРС представлены в таблице 3.



Рисунок 4 – Основные месторождения железных, марганцевых руд, флюсов, углей и металлургические предприятия России, Украины и Казахстана


Таблица 3 – Производственные показатели работы железорудных предприятий России в 2004 г

Компания

Регион

Запасы руды, млн. т

Пр-во ЖРС, млн. т

Доля в пр-ве, %

Основные покупатели

«Карельский окатыш»

С-з округ

1390

7,639

8,0

Северсталь

Ковдорский ГОК

С-з округ

334

5,200

5,5

Северсталь

Оленегорский ГОК

С-з округ

1065

3,500

3,7

Северсталь

Коршуновский ГОК

Сибирь

242

3,876

4,1

МЕЧЕЛ

ЗАО Евразруда

Сибирь

263

5,823

6,1

ЗСМК, НКМК

КачГОК

Урал

1300

8,434

8,9

НТМК, ЧусМЗ

ВысГОК

Урал

300

2,918

3,1

НТМК

Богословское РУ

Урал

56

1,367

1,4

ВысГОК, СерМЗ

ЛебГОК

Центр

4916

20,074

21,2

УралСталь, Тулачермет, ММК, ОЭМК

МихГОК

Центр

10717

18,164

19,1

УралСталь, Тулачермет, ММК

СтойлГОК

Центр

1427

12,610

13,3

НЛМК

КМА-руда

Центр

110

1,820

1,9

НЛМК

Российские предприятия, производящие ЖРС имеют существенные резервы, данные по которым представлены в таблице 4.

Таблица 4 – Производственные возможности российских ГОКов по видам продукции

Компания

Концентрат,

млн. т

Окатыши,

млн. т

Агломерат,

млн. т

Леб ГОК

21,0

10,0

-

Мих ГОК

16,0

8,8

-

Стойл ГОК

11,0

-

-

Карельский окатыш

9,3

8,3

-

Кач ГОК

9,0

5,6

2,8

ЗАО «Евразруда»

7,7

-

3,3

Ковдорский ГОК

5,2

-

-

Коршуновский ГОК

3,9

-

-

Оленегорский ГОК

3,5

-

-

ВысГОК

1,8

-

-

КМА-руда

1,7

-

2,9

Богословское РУ

1,5

-

-

Итого

92,2

33,2

9,0

2.2 Украина

Металлургическая база Украины делится на 3 района.

1. Донбасс: использует криворожскую железную руду; коксующиеся донецкие угли; марганцевые руды никопольского месторождения.

Комбинаты: Алчевский металлургический комбинат (г. Алчевск, Луганская область), Макеевский металлургический комбинат (г. Макеевка, Донецкая область), Донецкий металлургический завод (г. Донецк).

Передельная металлургия: Енакиевский металлургический завод (г. Енакиево, Донецкая область), Донецкий металлопрокатный завод (г. Донецк), Краматорский металлургический завод (г. Краматорск, Донецкая область), Константиновский металлургический завод (г. Константиновка, Донецкая область).

2. Приднепровье: использует те же ресурсы.

Комбинаты: «Запорожсталь» (г. Запорожье), «Криворожсталь» (г. Кривой Рог), Днепропетровский металлургический комбинат им. Дзержинского (г. Днепропетровск)

Передельная металлургия: «Днепроспецсталь» (г. Запорожье), Запорожский сталепрокатный завод, Днепропетровский металлургический завод им. Петровского (г. Днепропетровск).

Трубные заводы: Нижнеднепровский трубопрокатный завод (г. Днепропетровск), Никопольский завод бесшовных труб (г. Никополь, Днепропетровская область), Никопольский завод стальных труб «ЮтиСт», Новомосковский трубный завод (г. Новомосковск, Днепропетровская область).

Производство ферросплавов: Запорожский завод ферросплавов.

3. Приазовье: использует те же ресурсы, включая Керченские  железные руды

«Азовсталь», Мариупольский металлургический комбинат, Керченский металлургический завод).

Предприятия отрасли выпускают все виды ЖРС: железную руду кусковую и мелкую, железорудный концентрат, окатыши и агломерат. Производственные мощности, которыми располагают предприятия, позволяют не только обеспечить сырьем отечественные металлургические заводы, но и экспортировать значительную часть продукции. В настоящее время на внутреннем рынке реализуется примерно 60% украинского ЖРС. На экспорт отправляется около 23 млн. тонн. Из стран-импортеров украинской железной руды крупнейшими являются Польша, Чехия и Словакия (на их долю приходится до 75% украинского импорта), а также Австрия, Румыния и Сербия.

2.3 Казахстан

Железорудная промышленность Казахстана представлена крупными добывающими предприятиями: Соколовско-Сарбайским (г. Рудный, Кустанайская область) и Лисаковским (г. Лисаковск, Кустанайская область) ГОКами, а также Атасуйским РУ (г. Атасу, Джезказганская область).

Разработка железорудных месторождений ведется, в основном, в Кустанайской области (Соколовское, Сарбайское и Качарское месторождения.

На ЛисГОКе ежегодно добывалось 10,5 млн. тонн руды и производилось 6,1 млн. тонн концентратов. В связи с уменьшением содержанием железа в руде Лисаковского месторождения бурых железняков, спрос на концентраты этого комбината падает. В результате реконструкции КарМета, переходящего на переработку высококачественных магнетитовых руд, производительность ЛисГОКа, вероятно, будет снижаться.

Атасуйское РУ добывает богатые магнетитовые и гематитовые руды из железомарганцевых месторождений Джезказганской области.

Разведанные запасы хромитов в республике по количеству уступают лишь ЮАР, а по качеству (содержание окиси хрома в руде от 10 до 60%) являются лучшими в мире. От общих запасов в СНГ запасы хромовой руды Казахстана составляют 95%. Добыча и обогащение хромитов производится Донским ГОКом (г. Хромтау, Актюбинская область), значительная часть сырья экспортируется в Россию

Черная металлургия Казахстана начала развиваться в годы Великой Отечественной Войны с пуском Казахского металлургического завода (г. Темиртау, Карагандинская область). А позже был построен КарМет с полным металлургическим циклом. В производстве используются коксующиеся угли из Карагандинского бассейна, железная руда Каражальского (Джезказганская область), Соколовско-Сарбайского, Лисаковского, Аякского и др. месторождений, джездинского марганцевая руда (Джезказганская область). Основная продукция комбината – тонкий листовой металлопрокат и белая жесть.

Ферросплавное производство специализируется на выпуске ферросилиция и ферросиликохрома – Аксуйский завод ферросплавов (г. Аксу, Павлодарская область), феррохрома и ферротитана – Актюбинский завод ферросплавов (г. Актюбинск).


3 Характеристика месторождений железных и марганцевых руд

3.1 Генезис железорудных месторождений

Образование в земной коре железорудных месторождений связано с различными процессами, происходившими в ранние геологические эпохи. Многие свойства железных руд обусловлены характером происхождения (генезисом) данного месторождения, поэтому важно знать к какому геологическому периоду относится образование данного месторождения и в результате каких процессов оно сформировалось.

Геологическая история Земли делится на два неравных этапа: докембрийский, длившийся около трех млрд. лет и фанерозойский последние 570 млн. лет. Самым древним периодом фанерозойского этапа является кембрийский, который длился 70 млн. лет

Для оценки возраста железорудного месторождения указывают к какому периоду оно относится: кембрийскому или докембрийскому.

По характеру происхождения месторождения железных руд разделяют на три группы - магматогенные, экзогенные, и метаморфогенные.

Магматогенные месторождения образовались за счет вулканических процессов в земной коре и делятся на магматические (например, титаномагнетиты Кусинское и Качканарское), апатито-магнетитовые (Лебяжинское), контактово-метасоматические или карповые (магнетитовые Соколовские и Сарбайский руды) и гидротермальные магмомагнетиты (Коршуновское и Рудногорское).

Экзогенные месторождения были образованы химическими и механическими осадками морских и озерных бассейнов (осадочные) и выветриванием земной коры (месторождения коры выветривания). К первым относятся бурые железняки и сидериты Керченского месторождения, ко вторым - гематито-мартитовые руды Кривого Рога и КМА.

Метаморфогенные месторождения сформированы преобразованием осадочных месторождений в условиях высоких давлений и температур. Гидрооксиды железа и сидериты могут переходить в гематит и магнетит (например, железистые кварциты КМА, Кривого Рога, Кольского полуострова).

3.2 Минералогические типы железных руд

Железные руды представляют собой полиминеральную горную породу, содержащую рудные минералы, представленные в виде оксидов, реже карбонатов или силикатов и пустую породу. Различают следующие минералогические типы железных руд (таблица 5);

1. Красный железняк – руда, образованная безводной окисью железа - гематитом Fe2O3. Красный железняк является самым распространенным видом руды, обычно характеризуется высоким содержанием железа (до 55-58%) и низким содержанием вредных примесей. Месторождения красных железняков обычно экзогенного либо метаморфогенного происхождения.

2. Бурый железняк – руда, образованная водными оксидами железа Fe2O3·nH2O.

Выделяют следующие водные оксиды железа: n < 0,5 – гидрогематит, n = 0,5 – турьит, n = 1,0 – гётит, n = 1,3 – гидрогётит, n = 1,5 – лимонит, n = 2,0 – ксантосидерит, n = 3,0 – лимнит.

Бурые железняки содержат до 40% железа, обладают высокой пористостью и восстановимостью, имеют обычно осадочное происхождение.

3. Магнитный железняк – руда, образованная магнитной окисью железа – магнетитом Fe3O4 (содержание железа 30-50% и серы до 4,0%). Они, как правило, магматогенного происхождения. От других железосодержащих минералов отличается магнитными свойствами, что позволяет ее эффективно обогащать магнитной сепарацией.

Магнетит представляет собой закись – окись железа FeO·Fe2O3 и под действием влаги и кислорода атмосферы окисляется: закись железа в молекуле FeO·Fe2O3 реагирует с кислородом воздуха (FeO + O2 → 2Fe2O3), т.е. переходит в окись железа, но с кристаллической решеткой магнетита – мартит. Степень перехода магнетита в мартит определяют отношением общего содержания железа в руде к железу, находящемуся в виде FeO

.

В зависимости от величины коэффициента к образуются минералы со следующими названиями: к < 3,5 – магнетит, к = 3,5–7,5 – полумартит, к > 7,5 – мартит.

4. Сидеритовая руда (шпатовый железняк) - образована углекислой солью железа – сидеритом FeСО3. Имеет осадочное или гидротермальное происхождение, характеризуется низким содержанием железа (28–35%) и высокой восстановимостью. При воздействии влаги и кислорода атмосферы на верхние слои месторождения сидериты могут преобразовываться в бурые железняки, так как закись железа в молекуле FeO·CO2 окисляется и поглощает влагу.

5. Ильменит FeTiO3 – железная соль титановой кислоты. Эти руды магматического происхождения называются титаномагнетитовыми.

Практически не встречаются железные руды, в которых все железо находилось бы в виде одного соединения (оксида или карбоната). Даже в самом «чистом» красном железняке есть незначительное количество закиси железа, поэтому при определении минералогического типа следует исходить из содержания преобладающего оксида.

Для определения минералогического типа руды достаточно знать общее содержание в руде железа, закиси железа (FeО) и потерь при прокаливании (п.п.п.). Если в руде содержится мало закиси железа (FeO до 5,0%) т.е. основная масса железа находится в виде Fe2O3 и потери при прокаливании невелики (до 5,0%), то это красный железняк.

           Таблица 5 – Характеристика рудных минералов

Содержание железа, %

72,4

-

70

69

66,1

62,9

60,8

59,8

56,1

Плотность г/см3

5,17

5,1-5,2

5,26

4,2-4,6

4,0-4,6

4,0-4,4

3,0-4,4

3,3-4,0

3,0-4,4

Цвет

железо-черный

черный, темно-красный

серый, красный

ярко-красный

темно-бурый

темно-бурый

красный, коричневый

темно-бурый до черноты

желто-коричневый

Кристаллическая решетка

кубическая

-

тригональная

то же

-

ромбическая

то же

Скрыто-кристаллический минерал

то же

Химическая формула

Fe3O4

Fe3O4, Fe2O3

α-Fe2O3

Fe2O3·nH2O

n<5

2Fe2O3·H2O

Fe2O3·H2O

3Fe2O3·4H2O

2Fe2O3·3H2O

Fe2O3·2H2O

Минерал

магнетит

магнетит и гематит

гематит

гидрогематит

турьит

гётит

гидрогётит

лимонит

ксантосидерит

Разновидность железной руды

Магнетитовые

Полумартиты и мартиты

Гематитовые

Бурые железняки

продолжение таблицы 5

Содержание железа,%

52,2

48,3

42

37

Плотность г/см3

2,5-4,0

3,9

3,03-3,19

3,1-3,2

Цвет

желто-бурый

желто-бурый

Оливково зеленый, черный

Оливково зеленый

Кристаллическая решетка

то же

тригональная

моноклинная

то же

Химическая формула

Fe2O3·3H2O

FeCO3

(Mg, Fe)4 Al х [Si3AlO10](OH)6 х H2O

(Mg, Fe)3,5 х

(Al, Fe)1,5 х [Si2,5Al1,5O10]х (OH)6·nH2O

Минерал

лимнит

сидерит

шамозит

тюрингит

Разновидность железной руды

Сидеритовые

Шамозитовые

В магнитных железняках, а также в окисленных видах магнетита – мартитах и полумартитах потери при прокаливании тоже малы, но значительно содержание FeO (5-20%), так как Fe3O4 иначе можно записать в виде FeO·Fe2O3.

Степень окисленности определяется по отношению общего содержания железа в руде к железу, содержащемуся в виде FeО. Значительные потери при прокаливании имеют бурые железняки и сидериты. В первом случае потери при прокаливании это гидратная влага, во втором - двуокись углерода, выделяющаяся при разложении карбоната железа (FeCO3 = FeO + CO2).

Таким образом, если основная масса железа находится в виде Fe2О3 и потери при прокаливании составляют 8-15%, то это бурый железняк, а если основная масса железа представлена в виде FeО и потери при прокаливании составляют 20-30% – сидерит.

3.3 Металлургическая оценка железных руд

Металлургическую оценку железных руд производят по содержанию в ней железа, полезных и вредных примесей и составу пустой породы.

По содержанию железа руды делят на богатые и бедные, граница этого раздела для разных минералогических типов различна. Магнетитовые и гематитовые руды считают богатыми, если содержание железа в них больше 45%, бурые железняки – при содержании железа более 40%, сидерита – 30%. Нижний предел содержания железа в руде, при котором ее экономически целесообразно использовать, составляет 14-16%.

Пустая порода руды в основном состоит из следующих компонентов: SiО2 – кремнезем, Al2O3 –глинозем, СаО – известь, МgO – магнезия. В процессе доменной плавки составляющие пустой породы должны расплавиться и образовать шлак. Для ее успешного ведения необходимо, чтобы температура плавления и вязкость шлака находились в определенных пределах, а это зависит от соотношения основных (СаО, MgO) и кислых (SiO2, Al2O3) окислов в шлаке, т.е.

.

Это отношение называется основностью шлака и является оптимальным при значениях 0,8-1,2.

Часто пользуются упрощенным показателем основности

.

Значение этого показателя должно находиться в пределах 0,9-1,3.

Чаще всего соотношение основных и кислых окислов в железных рудах не соответствует этим значениям, что вынуждает добавлять в агломерационную или доменную шихту флюсы. Как правило, в пустой породе железных руд преобладают SiО2 и Al2O3 и такую пустую породу называют кислой (кремнистой или глиноземистой).

Железные руды содержат полезные (Mn, Ni, Cr, V и др.) и вредные ( S, Р, As, Zn, РЬ, Cu) примеси. Марганец значительно улучшает механические свойства чугуна и стали, способствует десульфурации.

Сера придает металлу красноломкость – пониженную прочность при высоких температурах, фосфор – хладноломкость – пониженную прочность при низких температурах.

В рудах эти примеси содержатся в виде различных соединений: сера в виде пирита – FeS2, пирротина – FeS, гипса – CaSO4·2H2O, барита – BaSO4; фосфор в виде фтор- и хлорапатита 3(3СаО·Р2О5)·СаF2, 3(3СаО·Р2О5)·СаCl2 и вивианита (3FeО·Р2О5)·8Н2O. Содержание серы и фосфора в железных рудах колеблется в широких пределах – от 0,01 до 2,0–3,0%, что существенно влияет на металлургическую ценность руды.

Для оценки качества руды по содержанию в ней серы и фосфора можно пользоваться отношением концентрации данной вредной примеси к содержанию железа в руде, если это отношение не превышает 0,002, то считают, что руда содержит мало вредных примесей, если оно больше – много.

При определении промышленной ценности месторождения, кроме металлургических свойств, учитываются также географические, геологические,  экономические и социальные факторы.

Важным критерием оценки месторождения являются запасы руд. Запасы железных руд по их народно-хозяйственному значению разделяют на балансовые и забалансовые. К балансовым относятся те запасы, использование которых экономически целесообразно при современном уровне развития техники и технологии. К забалансовым – запасы, разработка которых в настоящее время по каким-либо причинам (низкое содержание железа, высокое содержание вредных примесей, сложный для разработки характер залегания рудного тела и т.д.) экономически нецелесообразна. Опыт показывает, что эксплуатация железорудного месторождения целесообразна в том случае, когда запасы составляют не менее 100 млн.т.

Запасы железных руд подразделяются также на категории.

Категория А (промышленные запасы) – месторождения, по которым проведено разведочное бурение по частой сетке скважин и форма рудного тела выявлена с достаточной точностью. А1 – руды, для которых разработана технология обогащения, окускования и плавки. А2 – руды, технология переработки которых еще не совершенна и нуждается в доработке.

Категория В (вероятные запасы) – месторождения, обуренные по редкой сетке скважин, и форма рудного тела точно не определена.

Категория С (ориентировочные запасы) – месторождения, форма рудного тела которых известна в общих чертах. С1 – пробурены единичные скважины, С2 – запасы определены на основании изучения  выходов пластов руды на поверхность, а также по чисто теоретическим соображениям.

Необходимо также учитывать физическое состояние руд и их обогатимость. Обогащение облегчается, если пустая порода не содержит железа, а частицы рудного минерала представлены в виде относительно крупных зерен.

3.4 Месторождения железных руд России, Украины и Казахстана

3.4.1 Курская магнитная аномалия

По особенностям размещения месторождений железных руд территория КМА делится на 4 рудных района: Белгородский, Михайловский, Оскольский и Орловский. Оскольский и большая часть Белгородского района расположены в Белгородской области. Михайловский и северо-западная окраина Белгородского рудного района размещаются на территории Курской области. Орловский рудный район и северная часть Михайловского района относятся к Орловской области.

На КМА расположены два геолого-промышленных типа железных руд: железистые кварциты и богатые руды в коре выветривания кварцитов.

Балансовые запасы железных руд КМА на 2001 г. по категориям А+В+С12 составляют 66,17 млрд. т, в том числе железистых кварцитов – 36,82 млрд. т (55,6%) и богатых железных руд 29,35 млрд. т (44,4%). Прогнозные ресурсы железных руд КМА оцениваются в 123,6 млрд. т. Основная их масса (60%) находится также в Белгородской, остальные – в Курской (23%) и Орловской (17%) областях. Прогнозные ресурсы КМА составляют 82,2% от прогнозных ресурсов железных руд России.

Коробковское месторождение расположено в Губкинском районе около железнодорожной станции «КМА» (г. Губкин), известно с 1919 г. На его базе в 1931 г. для разработки богатых железных руд была построена шахта им. Губкина. При прорыве подземных вод 1936 г. шахта была затоплена, а после откачки воды поставлена на консервацию. Горные работы возобновились только в 1952 г. с образованием комбината КМА-руда.

В настоящее время комбинат КМА-руда добывает ежегодно свыше 3 млн. т железистых кварцитов, из которых после обогащения получают около 1,3 млн. т магнетитового концентрата. Подземные работы ведутся на глубине 325 м. Шахтный способ добычи руды более дорогой по сравнению с открытым, поэтому себестоимость продукции комбината КМА-руда на 22-25% выше, чем ЛебГОКа и СтойлГОКа.

С введением в эксплуатацию Стретенского участка комбината КМА-руда может увеличить ежегодную добычу железистых кварцитов до 9,5 млн. т, а производство концентрата до 4 млн. т.

Лебединское и Стойло-Лебединское месторождения разрабатываются открыиым способом ЛебГОКом, расположенным между городами Губкин и Старый Оскол. По сути, это различные участки одного месторождения, которое на северо-западе граничит с Коробковским, а на юго-востоке со Стойленским месторождениями. Толщина пород рыхлой вскрыши 54-170 м.

Начало освоению Лебединского месторождения положил Лебединский рудник по открытой добыче богатых руд, построенный в 1960 г. В 1962-64 гг. разведаны запасы железистых кварцитов Лебединского месторождения, на базе которых построена 1-я очередь Лебединского ГОКа (1972 г.). По завершению разведки Стойло-Лебединского месторождения (1966-1978 гг.) началось проектирование 2-й очереди комбината производительностью 45,5 млн. т сырой руды в год, а с учетом пород вскрыши – 100,7 млн. т горной массы.

Богатые руды в проектном контуре карьера уже отработаны. Всего их добыто 181,6 млн. т. В настоящее время добываются железистые кварциты (45 млн. т в год), из которых получают около 20 млн. т концентрата с содержанием железа 68,5%, в том числе 2,7 млн. т дообогащенного суперконцентрата (с содержанием железа 70%), пригодного для производства спецсталей, металлокерамики, ферритов и другой особо ценной металлопродукции.

Дообогащенный концентрат по трубопроводу направляется на ОЭМК. Большая часть рядового концентрата перерабатывается в окатыши, производство которых достигло 10 млн. т.

В 1999 г. запущена первая, и пока единственная в России, установка по производству металлизованных брикетов мощностью 1 млн. т. Суммарная товарная продукция комбината составляет 15-17 млн. т. По качеству она лучшая в нашей стране. Кроме того, ежегодно 1,5-2 млн. м3 вскрышных пород (глин, суглинков, мела, песка и кварцевых порфиров) используются для производства строительных материалов.

ЛебГОК дважды занесен в книгу рекордов Гиннеса: во-первых, как горное предприятие, обладающее уникальной по величине сырьевой базой; во-вторых, как самый крупный карьер по добыче негорючих полезных ископаемых. Предприятие занимает 10 тыс. га земли, потребляет 40% электроэнергии Белгородской области и около 700 млн. м3 воды. Размеры карьера в плане 5х3 км, достигнутая глубина 360 м, а проектная – 450 м. Всего за время работы комбината из недр извлечено более 3 млрд. т горных пород.

Стойленское месторождение расположено в 7 км к юго-западу от железнодорожной станции Старый Оскол. Оно является непосредственным продолжением в юго-восточном направлении Стойло-Лебединского и Лебединского месторождений. Основные запасы руд (90%) сосредоточены в центральной части Стойленской синклинали. Богатые руды образуют плащеобразные залежи  до 15 м. Толщина вскрышных осадочных пород 50-200 м (средняя 132 м).

В 1968-1975 гг. месторождение эксплуатировалось Стойленским РУ, входившим в состав комбината КМА-руда. добывались только богатые руды.

В 1975 г. построен Стойленский ГОК, который до настоящего времени добывает открытым способом богатые руды и железистые кварциты. Ежегодная добыча железистых кварцитов в 2001 г. составила 23,38 млн. т, при этом богатой руды 1,12 млн. т. и концентрата – 11 млн. т. Размеры карьера в плане 3,7х1,5-2,8 км, достигнутая глубина 300 м, проектная - 700 м.

Михайловское месторождение железных руд находится в 3 км к юго-востоку от г. Железногорска и в 100 км к северо-востоку от г. Курска. Открыто в 1949 г., его размеры в плане 6,2х2,5 км.

Характерной особенностью железистых кварцитов этого месторождения является их тонкозернистость и большое содержание гематита (при среднем содержании железа общего 38,86%, а среднее содержание железа магнетитового, т.е. извлекаемого в концентрат, составляет всего 21,26%). По этим причинам они обогащаются гораздо хуже, чем железистые кварциты Старооскольского рудного района Белгородской области. Тела богатых руд залегают плащеобразно на кварцитах. Длина их составляет 4-6,5 км, ширина 1,5-2,5 м, а средняя мощность 9,5-13 м. Толщина осадочных вскрышных пород 80-120 м.

Месторождение разрабатывается с 1960 г. Вначале добывалась только богатая руда, а с 1973 г. введен в строй МихГОК с проектной производительностью 40 млн. т. Ежегодно МихГОК добывает 3,3 млн. т богатой руды, производит около 15 млн. т концентрата и более 7 млн. т окатышей.

Кроме того, попутно из вскрышных пород  на фабрику окомкования направляется до 70 тыс. м3 глины для производства окатышей, а для строительных целей 90 тыс. м3 песка и суглинков. Породы скальной вскрыши в объеме 2,5 млн. м3 используются для производства щебня. Размеры карьера в плане 2,5х5,3 км, достигнутая глубина 265 м, проектная 500 м.

В 2000 г. горные предприятия КМА добыли около 115 млн. т руды (51% от общероссийской добычи железных руд), в том числе 4,43 млн. т богатой руды, и произвели 49,5 млн. т товарной продукции (около 57% общероссийской) – концентрата и аглоруды, в том числе, объем производства окатышей составил 16,27 млн. т.

В целом за весь период промышленного освоения КМА по добыче и переработке железистых кварцитов характерна положительная динамика, за исключением периода реформ 1990-1996 гг., когда произошло падение уровня производства. Пик добычи богатой руды (21,3 млн. т) пришелся на 1975 г., затем она постепенно, но неуклонно снижалась до современного уровня (рисунки 4, 5). Всего за время эксплуатации железорудных месторождений КМА по 2000 г. включительно добыто 485,82 млн. т богатой руды, 1854,72 млн. т железистых кварцитов, произведено 734,28 млн. т концентрата и 334 млн. т окатышей. Доля бассейна КМА в общероссийской добыче железной руды увеличилась с 10-15% (1960-1965 гг.) до 51% (2002 г.)

Железорудная продукция КМА поставляется почти всем металлургическим комбинатам европейской части России, Урала, в том числе ОЭМК, НЛМК и ММК, и на экспорт в Чехию, Словакию, Венгрию, Австрию и другие страны.

Обеспеченность действующих горных предприятий КМА запасами железистых кварцитов не менее 100 лет. В перспективе по мере отработки их запасов в проектных границах карьеров планируется переход на комбинированный открыто-подземный способ эксплуатации месторождений. По богатым рудам обеспеченность в проектном контуре карьера составляет: для СтойлГОКа – 22 года, для МихГОКа 13 лет.

Рисунок 4 – Динамика добычи сырой железной руды в бассейне КМА

Рисунок 5 – Динамика производства концентрата и окатышей на горнорудных предприятиях КМА

Яковлевское месторождение богатых железных руд расположено в 30 км к северо-западу от г. Белгорода и в 12 км к западу от железнодорожной станции Сажное, открыто в 1953 г. Залежи богатых руд Яковлевской полосы составляет 40 км, ширина – 200-600 м, мощность 38-150 м (средняя 102 м). Глубина залегания руд под покровом рыхлых осадочных пород 450-550 м.

С 1974 г. на Центральном участке месторождения строился опытный подземный рудник, запроектированный на 4,5 млн. т добычи богатой руды в год. К настоящему времени в сложнейших горно-геологических условиях с применением специальной технологии пройдено 3 шахтных ствола и квершлаги на горизонте – 425 м, вскрывшие рудную залежь. Однако добыча руд из-за высокой ее себестоимости практически не ведется.

Накопленный в процессе вскрытия и подготовки к эксплуатации Яковлевского месторождения опыт убедительно показал, что освоение огромных запасов богатых железных руд Белгородского района (6,5 млрд. т разведанных и 27 млрд. т предварительно оцененных), залегающих на глубине 450-1000 м традиционными методами чрезвычайно затруднено. В связи с тем, что значительная часть (до 50-70%) запасов этих руд представлена слабо связанными рыхлыми породами, было решено опробовать метод скважинной гидродобычи (СГД) – способ подземной разработки, при котором полезное ископаемое на месте своего залегания переводится в гидросмесь и транспортируется по скважине на поверхность.

Опытно-промышленные испытания по СГД богатых железных руд проведены в 1988-1993 гг. на Шемраевской залежи Большетроицкого месторождения. Впервые в мире с глубины 700 м методом СГД было добыто свыше 100 тыс. т богатых железных руд. При этом установлено, что в процессе добычи происходит  частичное обогащение руд. Если в первичной руде содержание железа общего составляет 64,99, а кремнезема 2,84%, то в продуктах гидродобычи соответственно 67,6-68,0 и 0,8-0,9%. При дообогащении на гидроциклонах и полиградиентном сепараторе получают суперконцентрат, содержащий 70,3% железа и всего 0,168% кремнезема. Это отличное сырье для аккумуляторной промышленности, производства железных порошков и ферритов. В настоящее время на ЗАО БелГОК ведутся работы по подготовке к эксплуатации способом СГД рудника Гостищевский производительностью 250 тыс. т руды в год.

По оценке Всероссийского института минерального сырья (г. Москва) затраты на добычу руды методом СГД и ее подготовку будут в 1,5-2 раза ниже, чем на существующих ГОКах.

3.4.2 Северо-запад Европейской части России

В этом регионе расположены следующие месторождения железных руд: Оленегорское, Костомукшское, Ковдорское, Пудожгорское, Кировогорское, Межозерское и Африкандовское. Наиболее важные из них и разрабатываемые в настоящее время являются Оленегорское и Ковдорское служат рудной базой для комбината «Северсталь».

Оленегорское месторождение представлено магнетито-гематитовыми кварцитами, содержащими в среднем, %: Fe – 31; Р – 0,035; S – 0,06. Пустая порода кремнеземистая. Кварциты обогащают и получают концентрат, содержащий 62% Fe и 11,7% SiO2. Разведанные запасы руд составляют более 1 млрд. т.

Ковдорское месторождение магнетитовых кварцитов расположено западнее Оленегорского. Содержание железа в кварцитах 31–32%, фосфора 2,7-3,0% Пустая порода основная с преобладанием окиси магния. При обогащении из руды удаляются почти вся известь и фосфор. В концентрате из этих руд содержится, %: Fe – 62,44; CaO – 0,9; MgO – 6,22; SiO2 – 1,44 и P – 0,15. Разведанные запасы руд оцениваются в 334 млн. т.

Значительные запасы руд имеет Костомукшское месторождение в Карелии – около 1,39 млрд. т, на его базе построен крупный горно-обогатительный комбинат «Карельский окатыш», производящий железорудный концентрат с содержанием железа 65-68%.

3.4.3 Урал

Наиболее важное промышленное значение этого района имеют месторождения Качканарское и Бакальское, на долю которых приходится 80% добычи руд на Урале.

.Качканарское месторождение представлено титаномагнетитовыми рудами. Запасы оцениваются в 11,8 млрд. т. Руды бедные, но после обогащения содержание железа в концентрате достигает 60%. Пустая порода по составу приближается к самоплавкой. В рудах содержится ванадий (до 0,15%), что очень повышает ее металлургическую ценность.

Бакальское месторождение бурых железняков и сидеритов расположено на западном склоне Урала, их запасы оцениваются в 1,1 млрд. т. В бурых железняках среднее содержание железа 47–50%, очень низкая концентрация серы (0,05%) и фосфора (0,04%), пустая порода - кремнеземистая. В сидеритовых рудах содержание железа 30–32%, повышенное содержание MgO (до 15%) и СаО. Бакальские руды содержат 1,0–1,4% Мn, их подвергают дроблению и сортировке, а из мелочи производят агломерат.

Тагило-Кушвинская группа, включает Гороблагодатское, Высокогорское, Лебяжинское и другие месторождения. Запасы руд составляют 400 млн. т. Магнетитовые и мартитовые руды этих месторождений содержат, %: Fe – 32–55; S –  0,05–0,1; P – 0,04–0,2. Пустая порода состоит из кремнезема и глинозема. Добываемые руды подвергают обогащению.

Орско-Халиловская группа месторождений

На территории Орско-Халиловского рудного района находится несколько месторождений железных руд, содержащих хром, никель, кобальт: Новокиевское, Новопетропавловское, Малохалиловское, Промежуточное, Новогеоргиевское, Орловское, Аккермановское, Буруктальское, Новотроицкое бурожелезняковых и Новотроицкое железистых конгломератов (таблица 6). Общие запасы руды оцениваются примерно в 272 млн. т.

Все месторождения расположены на Востоке Оренбургской области, на расстоянии от 3 до 60 км к северо-западу от г. Новотроицка, и характеризуются сходными геологическими условиями залегания и близким минералогическим составом. Основные типы руд – бурые железняки и железистые конгломераты. Наиболее разведанными в Орско-Халиловском районе являются Новокиевское и Аккермановское месторождения.


         Таблица 6 – Состав железных руд Орско-Халиловской группы месторождений

Содержание, %

S

0,04

0,09

0,39

н.с.

0,03

0,047

0,05

0,04

0,07

0,02

0,03

P

0,18

0,12

0,06

0,1

следы

0,016-0,033

0,24

0,1

0,19

0,13

0,17

MgO

1,0

1,3

1,8

н.с.

16,85

3,3-14,28

1,6

1,5

1,53

2,11

1,54

CaO

1,3

0,95

0,8

н.с.

5,65

0,51-0,68

0,52

0,9

0,57

2,0

1,9

Al2O3

10,5

12,8

10,4

7,63

4,22

36,2-46,9

11,5

16,2

16,1

8,3

14,2

SiO2

18,0

25,3

25,7

16,42

36,3

2,32-3,52

16,8

21,1

15,9

24,4

13,8

Cr

1,25

1,24

1,81

1,29

1,4

0,99-1,58

1,7

1,3

1,36

0,86

1,03

Ni

0,53

0,4

0,29

0,78

0,3

0,3-1,02

0,47

0,35

0,35

0,55

0,5

Fe

38,5

32,0

27,2

37,8

14,2

26,0-35,0

37,0

36,4

40,9

39,9

36,5

Тип руды

бурые железняки

бурые железняки

сидериты

бурые железняки

железистые конгломераты

бурые железняки

железохромо-никелевая руда

то же

то же

то же

то же

Месторождение

Новокиевское

Аккермановское

Новотроицкое

Буруктальское

Новопетропавловское

Малохалиловское

Орловское

Новогеоргиевское

Промежутосное


Отличительной особенностью Орско-Халиловских руд является наличие в них до 1,5% хрома, около 0,5% никеля и до 0,3%
TiO2, при среднем содержании железа – 35-40%.

К недостаткам этих руд относятся: высокое содержание кремнезема – до 20%, глинозема – 6-12%, фосфора – 0,3-0,4% и гидратной влаги – до 15-18%, а также низкое содержание CaO – до 3%.

Структура руды крайне неоднородна по физическому состоянию и минеральному составу. Основным влагосодержащим минералом является гидрогетит. Небольшая часть влаги связана с глиноземом.

Природнолегированные железные руды Орско-Халиловских месторождений имеют сложный минералогический, химический и фазовый состав. Основными фазами в хромоникелевой руде являются: гематит, хромит железа (FeO·Cr2O3), силикаты и алюмосиликаты никеля (NiO·SiO2 и NiO·Al2O3), силикаты кобальта, а также ильменит (FeO·TiO2).

Новокиевское месторождение. Руды представлены бурыми железняками следующего минералогического состава: гидрогетит, гидрогематит и железистые хлориты. По физическому состоянию руды делятся на плотные (75%) и рыхлые. Руда неоднородна по физическому и минеральному составу. Основная часть влаги содержится в гидрогетите и небольшая – в глиноземе.

Аккермановское месторождение. Наиболее крупным месторождением Орско-Халиловского района, является Аккермановское, запасы которого составляют примерно 90% всех хромоникелевых руд, оно имеет два рудных горизонта: верхний состоит в основном из бурых железняков, а нижний из сидеритовых руд. Его уникальной особенностью является то, что железные руды залегают над толщей промышленных запасов известняков. Эти руды имеют непостоянный и сложный минералогический и химический составы.

Руды верхнего пласта представлены гидрогетитом (около 60% всех рудных минералов), гидрогематитом, гетитом, лимонитом и железистыми хлоритами. Пустая порода состоит из силикатов и алюмосиликатов.

Основная масса руд (до 96,8%) верхнего горизонта представлена охристо-глинистыми. Содержание железа по отдельным пробам изменяется от 22 до 46%, хрома - от долей процента до 4,6%, никеля - от 0 до 1,8-1,9%.

Никель в рудах связан преимущественно с глинистыми и марганцевыми минералами. Хром присутствует в основном в виде хромитов и железистых хлоритов.

Аккермановские руды отличаются значительным содержанием мелких фракций. Содержание в них класса 2–0 мм составляет 45% и более, а 6–0 мм – более 55%. После дробления до 75 мм выход кусковой руды (75-10 мм) составляет 25-28%. Результаты ситового и химического анализов представительных проб показали, что содержание железа в крупных фракциях (+10 мм) на 6–7% выше, чем в мелких (10–0 мм). Поэтому из руд верхнего горизонта после дробления и сортировки предусматривалось выделение фракции +10 мм для использования в сыром виде для  доменной плавки.

Новотроицкое месторождение железистых конгломератов. Среднее содержание железа в конгломератах – около 20%, толщина вскрыши составляет в среднем 17 м, что позволяет добывать эти руды открытым способом. Уникальность руд Новотроицкого месторождения заключается в том, что основным железосодержащим минералом является гамма-гематит (маггемит). Поэтому их можно эффективно обогащать магнитной сепарацией. Маггемит обычно удается получить при магнетизирующем обжиге окисленных руд в строго определенном температурном режиме и соответствующим его охлаждением на воздухе.

Месторождения Северного и Среднего Урала

Запасы руд Северного (Серовское, Еловское и Ауэрбаховское) и Среднего Урала (Рогожинское, Синарское и др.) в несколько раз превышают общие запасы Орско-Халиловского района.

Наиболее перспективным из месторождений Северного Урала является Серовское. Его запасы по состоянию на 1960 г. оценивались по категориям В+С12 примерно в 1 млрд. т; из них 940 млн. т руд бобово-конгломератовых и 60 млн. т охристых латеритных по категории С2. Кроме того, в них присутствуют силикатно-никелевые руды, которые в настоящее время добываются открытым способом и перерабатываются на Режевском никелевом заводе и Уфалейском никелевом комбинате. Химический состав разведанных типов руд Серовского месторождения представлен в таблице 7.

Таблица 7 – Химический состав окисленных руд Серовского месторождения

Показатель

Тип руды и содержание, %

бобово-конгломератовые

охристо-латеритовые

силикатно-никелевые

Fe

37,79

41,17

25,60

Fe2O3

49,06

52,67

26,70

NiO

0,24

0,93

1,38

Cr2O3

2,32

2,12

1,56

CoO

0,025

0,090

0,080

MnO

0,12

0,39

0,27

SiO2

15,65

13,00

32,95

Al2O3

15,46

12,50

6,38

CaO

0,42

0,64

0,99

MgO

1,80

1,70

10,80

TiO2

0,65

0,70

0,19

P2O5

0,09

0,14

0,08

SO3

0,10

0,02

0,25

Охристые руды Серовского месторождения относятся к железохромоникелевым и имеют в среднем следующий химический состав, %: железа – 41,17; хрома – 1,45; никеля – 0,51. По физическому состоянию руды отличаются низкой механической прочностью и высокой влажностью. В минералогическом составе руды преобладают гидрооксиды железа в виде гидрогетита, гидрогематита и гетита. В малых количествах присутствуют мелкие зерна остаточного магнетита, а также гематит, пиролюзит и псиломелан. Пустая порода представлена мелкими зернами кварца и алюмосиликатами. Никель и кобальт самостоятельных минералов не имеют и находятся главным образом в сорбированном состоянии в гидрооксидах железа и марганца.

Охристо-латеритовые руды предполагалось использовать в качестве сырьевой базы в цветной, а бобово-конгломератовые – в черной металлургии.

Бобово-конгломератовые руды с низким содержанием серы, фосфора и цветных металлов, в частности меди, можно эффективно использовать для выплавки высококачественных хромоникелевых сталей со специальными свойствами.

Среди месторождений Среднего Урала наиболее перспективными для черной металлургии являются Рогожинское и Синарское. Основными минералогическими составляющими являются серпентин и сланцы. Серпентиниты представлены охристо-кремнистыми образованиями, состоящими из гидрогетита, гетита, лимонита, гидрогематита, кварца и др. Средний химический состав руд приведен в таблице 8.

Таблица 8 – Химический состав руд Рогожинского и Синарского месторождений

Месторождение

Содержание компонентов, %

Fe

SiO2

Al2O3

MgO

MnO

Cr

Ni

Co

Рогожинское

45,54

13,28

9,47

4,0

-

н.с.

0,86

0,098

Синарское

36,64

25,84

6,51

5,48

1,01

-

1,08

0,058

3.4.4 Сибирь и Дальний Восток

Сырьевой базой КМК и НТМК является Горно-Шорский железорудный район, расположенный южнее Новокузнецка и объединяющий Таштагольское, Темир-Таусское, Одрабашское, Шерегешское, Казское и другие месторождения. Руды в основном магнетитовые и реже мартитовые, различны по составу и содержат, %: Fe – 30–49; P – 0,01–0,05; S – 0,12–1,1(в некоторых рудах до 3%). Характерной особенностью этих руд является высокая концентрация цинка от 0,1 до 1,1%, а пустая порода содержит повышенное количество СаО и MgO. Запасы месторождения оцениваются в 200 млн. т.

Ангаро-Питский железорудный район расположен севернее Красноярска. Наиболее крупные месторождения – Нижне-Ангарское и Ишимбинское – представлены гематитовыми и гематито-сидеритовыми труднообогатимыми рудами с содержанием железа 28,3–49,4%, их запасы оцениваются в 1,4 млрд. т.

Ангаро-Илимский железорудный район находится севернее Иркутска. Крупнейшие его месторождения представлены Рудногорскими и Коршуновскими магнетитовыми рудами. Среднее содержание железа в рудногорской руде 42,5, в коршуновской 31,2%, с низкой концентрацией серы (0,03–0,04%) и повышенным содержанием фосфора. Пустая порода почти самоплавкая, но с высоким содержанием глинозема, отношение SiО2l2О3 равно 1,2. После обогащения этих руд получают концентрат с содержанием железа 61%. Запасы руд 900 млн. т.

В южной части Якутии расположен Южно-Алданский железорудный район магнетитовых руд. Крупнейшие месторождения руд Таежное и Пионерское. Содержание железа в  этих рудах 41–43%, запасы составляют 536,7 млн. т.

В Читинской области разведано несколько месторождений железных руд. Наиболее крупное из них Березовское бурых железняков и сидеритов со средним содержанием железа 38,2%, их запасы оцениваются в  402 млн. т.

На Дальнем Востоке: в Амурской области Гаринское месторождение магнетитовых руд, в Хабаровском крае –  Кимканское месторождение гематитовых и магнетитовых кварцитов, в Приморском крае – магнетитовые руды  Общие запасы месторождений руд Дальнего Востока оцениваются приблизительно в 1 млрд. т.

3.4.5 Украина

На территории Украины находятся крупнейшие железорудные месторождения мирового значения. Их балансовые запасы составляют более 30 млрд. тонн, что обеспечит бесперебойную работу добывающих предприятий еще на 95–100 лет.

В настоящее время известно более 80 месторождений железных руд. Основные запасы (70%) и добыча (более 80%) приходятся на Криворожский железорудный район, который на севере переходит в Кременчугский железорудный бассейн. Вместе с рудными месторождениями Запорожской, Кировоградской и Полтавской областей Криворожский бассейн составляет большую железорудную провинцию – Большой Кривой Рог.

В Криворожском бассейне находится около 90 предприятий различных отраслей черной металлургии. Из десяти крупных добывающих и перерабатывающих  производителей железорудного сырья страны, семь (93%) расположены в Криворожском регионе, который обеспечивает более 90% потребностей металлургических предприятий Украины, с ежегодной добычей более 8 миллионов тонн железной руды.

Промышленные запасы железных руд Криворожского бассейна составляют 16 млрд. тонн. Разработка месторождений ведется открытым и шахтным способами. В нем присутствуют богатые и бедные руды.

Богатые руды (около 3,8 млрд. т) можно без обогащения использовать в металлургии. Их промышленные запасы  составляют более 43% всех разведанных запасов. Добыча их составляет более 40% всей добычи. В настоящее время эксплуатируется более 90% запасов богатых руд и до 50% бедных. Содержание железа в богатых рудах в среднем составляет 57,6%, они разделяются на пять типов: гематито-мартитовые, мартито-гидрогематитовые, гидрогематитовые, магнетитовые и бурожелезняковые.

Однако, разработка богатых железных руд не обеспечивает всей потребности металлургии. Поэтому ведется разработка бедных руд – железистых кварцитов, объем которых оценивается в 14,2 млрд. т, содержание железа в них составляет 35–37%. Эти руды легко обогащаются с получением железа в концентрате 63-66%. Обогащение производят на пяти ГОКах: Южном (наиболее крупный), Новокриворожском, Центральном, Северном и Ингулецком.

Основная масса руды гематито-мартитовая. На долю магнетитовых и бурожелезняковых руд приходится менее 10% добычи. Пустая порода руд состоит исключительно из кремнезема. В гематито-мартитовой руде отношение (CaO+MgO)/SiO2 не превышает 0,03. Между содержанием железа и кремнезема в руде имеется обратная зависимость. Руды чистые по содержанию серы и фосфора. Средняя кусковатость добываемой руды по выходу класса >10 мм составляет 32%, т. е. руды преимущественно пылеватые.

Белозерский железорудный район (Северо-Белозерское, Южно-Белозерское и Переверзевское месторождения) расположен в 75 км южнее от Запорожья. Почти 60% запасов составляют богатые руды с содержанием железа более 60%, поэтому не требуется их обогащения. Общие запасы богатых руд составляют 200 млн. т. Разработку месторождений ведут запорожские железорудные комбинаты №1 и №2.

Второй по размерам Керченский железорудный район, его промышленные запасы здесь превышают 1 млрд. тонн. Преобладают бурые железняки. Разработку ведет Камыш-Бурунский железорудный комбинат открытым способом, поэтому себестоимость концентрата и агломерата невысокая. В керченских рудах содержится, %: Mn – 2–3,5; V – 0,05–0,1; P – 0,9–1,1; As – 0,05– 0,15. Металлургическая ценность руд снижается высоким содержанием фосфора, что затрудняет их передел. Пустая порода кремнеземистая с высоким содержанием глинозема. Руды пылеватые, рыхлые, непрочные, на месте добычи подвергаются обогащению и окускованию. Однако из-за низкого содержания железа концентрат (менее 45%) и агломерат (около 46%) используют только в смеси с криворожской рудой.

Горишне-Плавненское месторождение расположено в южной части Кременчугской полосы железных руд и представлено магнетитовыми кварцитами с содержанием железа 35,9%, а в концентрате, производимом на Днепровском ГОКе до 64%.

3.4.6 Казахстан

По запасам железной руды Казахстан занимает восьмое место в мире (после России, Украины, США, Австралии, Бразилии, Канады и ЮАР). Его доля в мировых запасах составляет 6%. Кроме значительных запасов, другим преимуществом казахстанской железной руды является ее высокое качество. Из 8,7 млрд. тонн железной руды 73,3% запасов являются легко добываемыми. Более 70% железной руды экспортируется. Черная металлургия Казахстана производит более 12,5% республиканского объема промышленной продукции.

Главным производителем  металлопроката страны является Карагандинский металлургический комбинат («Испат-Кармет»). Предприятие имеет полный металлургический цикл и специализируется на выпуске различных видов проката черных металлов - листового, сортового, белой жести, труб и др. Металл этого комбината экспортируется в станы СНГ и дальнего зарубежья.

Основные железорудные месторождения Казахстана расположены в Кустанайской и Карагандинской областях.

Добычу и переработку руды в Кустанайской области производят АО «Соколовско-Сарбайское горно-производственное объединение» и АО «Лисаковский ГОК» В Карагандинской области АО «Атасуруда». На первых двух предприятиях сосредоточено около 90% всей добываемой в республике железной руды. Основными потребителями железной руды являются металлургические комбинаты России и Китая.

Наиболее важное промышленное значение имеют месторождения Кустанайского железорудного района: Соколовское, Сарбайское, Качарское, Куржункульское (магнетитовые руды), Аятское, Лисаковское и Кировское (бурые железняки).

В соколовских и сарбайских рудах содержится, %: Fe – 43–46; S – 1–3; P – 0,12–0,14. Основность пустой породы колеблется в пределах от 0,3 до 0,5. Руды обогащают на Соколовско-Сарбайском ГОКе и в виде окатышей или концентрата (60–62% Fe) направляют на экспорт.

Качарское месторождение отличается более низким содержанием серы, руды требуют обогащения.

Кроме бедных руд этих месторождений, имеется часть богатых низкосернистых руд, содержащих, %: Fe – 58,5–60,2; S – 0,13– 0,16. Их можно использовать без обогащения. Запасы руд этих месторождений оцениваются в 3,6 млрд. т.

Руды Лисаковского и Аятского месторождений бурых железняков содержат 35–38% Fe. Они отличаются высоким содержанием фосфора (0,5% в лисаковских и 0,37% в аятских). Среднее содержание серы в аятских рудах 0,35% в лисаковских 0,03%. Пустая порода кремнеземистая с высоким содержанием глинозема. Балансовые запасы руд этих месторождений составляют 9,8 млрд. т.

Важное промышленное значение имеет Атасуйский железорудный район, расположенный в центральной части Казахстана. Основные месторождения этого района Западный Караджал и Большой Ктай представлены гематитовыми и частично магнетитовыми бедными и богатыми рудами, содержащими соответственно 31–35 и 49–52% Fe. Бедные руды подлежат обогащению. Содержание серы высокое (0,8–1%), фосфора – не превышает 0,1%. Пустая порода состоит из кремнезема и глинозема. Запасы этих руд  составляют 433 млн. т., они являются сырьевой базой Карагандинского металлургического комбината.

В таблице 9 представлен химический состав железных руд некоторых месторождений России и ближнего зарубежья.



        Таблица 9 – Химический состав некоторых месторождений железных руд России и ближнего зарубежья

п.п.п.

Северо-запад Европейской части

н.с.

-

2,05

Центр и Юг Европейской части

н.с.

3,92

3,4

4,59

-

5,75

Sобщ

0,038

0,30

0,25

0,07

0,085

0,102

0,026

0,065

0,036

Pобщ

0,026

2,941

0,082

0,015

0,036

0,078

0,042

0,091

0,026

TiO2

0,10

0,50

-

н.с.

н.с.

н.с.

н.с.

0,12

-

MgO

2,43

14,90

1,81

2,1

2,78

3,02

1,40

1,34

0,44

CaO

2,42

17,70

1,32

2,3

2,01

2,05

1,60

1,62

1,07

Al2O3

2,64

2,27

2,17

3,9

1,36

1,48

2,91

1,86

5,30

SiO2

49,30

13,70

49,51

44,0

43,45

44,0

11,08

42,59

13,40

Fe2O3

30,80

23,35

27,39

34,65

32,22

28,30

64,75

33,30

68,52

FeO

10,69

10,50

15,33

11,5

14,04

15,33

13,38

13,10

5,14

Mnобщ

0,049

0,60

н.с.

0,17

0,17

0,17

0,10

-

0,18

Месторождение

Оленегорское

Ковдорское

Костомукшское

Южко-Коробковское

Комбинат КМА-руда ОФ № 1

Комбинат КМА-руда ОФ № 2

Лебединское (аглоруда)

Лебединское (железистый кварцит)

Стойленское (аглоруда)


продолжение таблицы 9

п.п.п.

4,46

3,40

Урал

0,43

4,20

н.с.

31,31

11,35

Сибирь

4,89

Украина

5,68

Sобщ

0,22

0,10

0,04

0,06

0,10

0,16

0,03

0,073

0,083

Pобщ

0,04

0,02

0,07

0,06

-

0,03

0,034

0,21

0,051

TiO2

-

-

-

1,24

12,56

-

-

0,38

0,046

MgO

0,32

0,60

0,73

11,76

3,58

8,92

1,21

6,94

2,74

CaO

1,69

3,40

5,1

15,50

0,02

2,96

0,52

12,61

0,75

Al2O3

1,08

2,40

3,6

6,30

3,25

2,59

3,57

5,17

1,63

SiO2

10,42

5,10

12,4

39,90

3,70

6,88

10,14

27,75

42,95

Fe2O3

75,96

84,76

54,3

13,85

51,10

16,75

69,91

27,60

27,86

FeO

5,35

1,50

22,8

8,07

24,0

28,86

1,56

10,63

17,53

Mnобщ

0,05

-

0,25

0,116

0,11

1,16

1,26

0,05

0,082

Месторождение

Михайловское (аглоруда)

Яковлевское

Покровское

Качканарское

Кусинское

Бакальское сидеритовое

Бакальское бурожелезняковое

Коршуновское

Новокриворожское


продолжение таблицы 9

п.п.п.

1,58

3,57

6,31

3,9

Казахстан

10,30

2,80

Sобщ

0,033

0,157

0,033

0,109

0,011

0,13

Pобщ

0,053

0,055

0,052

0,023

0,563

0,11

TiO2

0,065

н.с.

н.с.

0,041

0,155

0,25

MgO

0,16

2,45

2,81

2,86

0,31

2,42

CaO

0,06

1,48

1,80

1,46

0,30

4,02

Al2O3

1,31

1,65

0,54

0,90

4,39

2,18

SiO2

25,0

45,40

39,80

47,26

25,95

9,95

Fe2O3

70,50

27,10

31,86

25,87

55,96

53,83

FeO

1,10

17,56

16,22

16,97

1,26

22,82

Mnобщ

0,039

0,062

-

0,066

0,17

0,11

Месторождение

Куда кривоожской ЦОФ

Руда Ингулецкого ГОКа

Руда Южного ГОКа

Руда Полтавского ГОКа

Лисаковское

Соколовско-Сарбайское (аглоруда)


3.4.7 Важнейшие зарубежные месторождения железных руд

Основу железорудной базы черной металлургии США составляют руды Верхнего озера и в особенности округа Мисаби. Рудное тело месторождения состоит из железистых кварцитов.

Товарная руда имеет следующий химический состав, %: Fe – 50–51; Mn – 0,77; P – 0,09; SiO2 – 9–10  и около 11% влаги. Запасы руд оцениваются в 1 млрд. т.

Железистые кварциты в основном гематитовые (80%) и магнетитовые (20%), содержат в среднем до 27% железа. Обогащению подвергают преимущественно магнетитовые кварциты и получают концентрат с содержанием железа 64–64,5%. Запасы кварцитов этого месторождения оцениваются в 8 млрд. т.

В северо-восточной части США имеются месторождения магнетитов с содержанием железа 30–35%. Руды подвергают обогащению. Запасы составляют около 900 млн. г.

На юге США в штатах Алабама и Джорджия имеются месторождения бурых железняков. США значительную часть ЖРС ввозят из Канады, Венесуэлы, Перу, Чили и других стран.

В Канаде большая часть руд сосредоточена в Квебек-Лабрадорском железорудном районе. Гематитовые и магнетитовые руды  имеют следующий состав, %: Fe – 50–61; Mn – 0,08-7,9; P – 0,03–1,14; S – 0,01–0,03; Аl2О3 – 0,22–1,5; SiO2 – 7,9–8,6.

Из других месторождений наиболее крупные расположены в районах Ньюфаундленда и Мичипикотена. Около 80% добываемых руд в виде концентрата и окатышей экспортируются в США, Англию и Японию.

В Венесуэле большие запасы богатых гематитовых руд с высоким содержанием железа (63– 68%) и низкой концентрацией серы и фосфора. Годовая добыча составляет 16 млн. т. Вся руда экспортируется в США, Англию, Италию, Германию.

Запасы железных руд Бразилии составляют 16 млрд. т. Основные месторождения находятся в штате Минас-Исераис и на границе с Боливией в районе Мато-Гроссо. Руды гематитовые богатые, содержат 60–69,3% Fe, очень чистые по сере и фосфору. Почти вся добываемая руда вывозится в США и Англию.

Большие запасы руд (около 3 млрд. т) имеются на Кубе. Это бурые железняки, содержащие, %: Fe – 40–50; Cr – 1,7–2,0; Ni – 0,8–1,0; S – 0,06; P – 0,02–0,05. В пустой породе преобладает глинозем. Руды пылеватые и требуют окускования.

Основные месторождения Швеции расположены на севере страны. Это богатые магнетитовые руды с содержанием железа до 60–68% и 2% Р. Пустая порода самоплавкая или основная. В ее состав входит минерал апатит. Свыше 90% добываемой руды вывозится в другие страны – Германию, Англию, Бельгию, США и др.

В таблице 10 представлен химический состав руд некоторых стран.


         Таблица 10 – Химический состав железных руд некоторых стран

Sобщ

Канада

0,02

0,04

ЮАР

0,01

Венесуэлла

0,01

0,004

Куба

0,2

Индия

0,177

Швеция

0,022

Pобщ

0,03-0,14

0,88

0,02

0,05

0,18

0,016

н.с.

0,022

TiO2

0,37

0,34

12-14

0,2

0,32

-

-

0,8

MgO

0,61

0,67

н.с.

н.с.

н.с.

н.с.

н.с.

0,73

CaO

3,13

2,86

н.с.

н.с.

н.с.

н.с.

н.с.

0,67

Al2O3

4,93

4,39

5,8

0,14

5,2

10,2

6,94

0,4

SiO2

11,5

11,8

4,5

0,77

1,78

2,9

3,63

1,39

Fe2O3

н.с.

61,77

н.с.

н.с.

н.с.

72,35

н.с.

н.с.

FeO

н.с.

10,4

н.с.

н.с.

н.с.

н.с.

н.с.

н.с.

Fe

50-51

51,26

56-58

68

60,7

50,7

58,5

69,55

Месторождение

Квебек-Лабрадор

Вабана

Бушвельдский комплекс

Эль-Пао

Серо-Боливар

Майяри

Бихар и Орисса

Кируна

Руды Великобритании представлены глинистыми железняками, в которых содержится, %: Fe – 28–30; S – 0,15–0,2; P – 0,5–1,0.

Германия располагает запасами руд в 1,91 млрд. т. Крупнейшее месторождение бурых железняков Зальцгиттер находится в Нижней Саксонии. В рудах содержится, %: Fe – 25–33; P – 0,4; As – 0,05. Пустая порода кремнеземистая. Примерно 75% потребляемой руды ввозится из других стран.

В Азии наиболее крупные месторождения железных руд разведаны в Индии, их запасы оцениваются в 22 млрд. т. Месторождения, расположенные западнее Калькутты, образуют так называемый Железный пояс. В них сосредоточены в основном богатые гематитовые руды, содержащие 60–68% Fe и очень чистые по сере и фосфору. В пустой породе преобладает глинозем, что значительно осложняет проплавку руд в доменных печах.

3.5 Способы обогащения железных руд

С целью повышения содержания железа в рудах и снижения содержания вредных примесей руды подвергают обогащению, которое сводится к отделению железосодержащих минералов от пустой породы.

Для этого на ГОКах руду сначала дробят в дробилках различных конструкций, измельчают в мельницах, а затем обогащают, т.е. отделяют рудные зерна от зерен пустой породы. В результате обогащения получают концентрат – тонкоизмельченный железорудный материал с содержанием железа 51-75% и более. Даже при самом тонком измельчении какая-то часть железа остается в зернах с пустой породой и, наоборот, часть пустой породы в зернах железорудного минерала, поэтому концентрат кроме оксидов железа содержит некоторое количество пустой породы, а пустая порода (хвосты) – некоторое количество железа.

Различие свойств железных руд привело к появлению различных методов обогащения.

Обогащение промывкой основано на том, что глинистая и песчаная пустая порода размывается водой и уносится ею, при этом на рудный минерал вода не действует. Поэтому такому обогащению подвергаются бурые железняки, сидериты, марганцевые руды и известняки. Промывка является наиболее простым и дешевым, но и малоэффективным методом обогащения – содержание металла в концентрате по сравнению с исходной рудой повышается всего на 2–6%.

Гравитационные методы обогащения являются более эффективными. Они основаны на том, что рудный минерал железных и марганцевых руд имеет большую плотность, чем пустая порода. При обогащении руд черных металлов из гравитационных методов наиболее широко применяются отсадка и разделение в тяжелых суспензиях.

Магнитная сепарация основана на различии магнитных свойств железорудного минерала и пустой породы и используется при обогащении руд, обладающих различной магнитной восприимчивостью – физическая величина, характеризующая связь между магнитным моментом (намагниченностью) вещества и магнитным полем в этом веществе.

Удельная магнитная восприимчивость некоторых минералов:

Магнетит  (50000–25000)∙10-6

Маггемит  (25000–10000)∙10-6

Мартит   (10000–200)∙10-6

Гематит   (250–50)∙10-6

Бурый железняк  (250–25)∙10-6

Сидерит   (150–35)∙10-6

Ильменит  (800–300)∙10-6.

Обогащение флотацией основано на различном поверхностном смачивании железорудного минерала и пустой породы: гидрофобный (несмачиваемый водой) железорудный материал пузырьками воздуха увлекается вверх, в то время как гидрофильная (смачиваемая водой) пустая порода оседает на дно флотационной машины.

Наибольшее распространение при обогащении железных руд (магнетитовых) получил метод магнитной сепарации. Немагнитные руды обогащают гравитационными методами или переводят их в магнитное состояние магнитизирующим обжигом.

Для обогащения смесей Fe2О3 и Fe3О4 используют комбинированный магнитно-гравитационный метод.

3.6 Показатели обогащения

Эффективность обогащения руд определяется рядом показателей, наиболее важными из которых являются:

1. Выход концентрата

,

где Feисх, Feхв, Feк – содержание железа в исходной руде, хвостах и концентрате, %.

2. Коэффициент обогащения Ко – показывает во сколько раз содержание железа в концентрате больше содержания железа в исходной руде.

.

3. Коэффициент сокращения Кс – показывает во сколько раз количество концентрата меньше количества исходной руды.

.

4. Извлечение железа в концентрат

.

Особенности железорудных месторождений, свойства руд и условия их переработки различны, поэтому для каждого типа руды существует оптимальный предел обогащения, обусловленный техническими и экономическими факторами (таблица 11).

Таблица 11 – Оптимальное содержание железа в концентратах различных ГОКов

ГОК

Feк,%

Оленегорский

65

Ковдорский

63

Криворожский

68

Михайловский

64

Лебединский

66

Стойленский

67

Качканарский

63

Коршуновский

62,7

Лисаковский

50,3

Костомукшский

68

3.7 Определение состава концентрата

Содержание железа и железосодержащих соединений определяется из соотношений

,

,

,

где Feисх, FeOисх, Fe2O3 исх – содержание соответствующих компонентов в исходной руде.

В процессе обогащения различные составляющие пустой породы удаляются в разной степени. Обычно СаО и SiO2 удаляются легче, чем другие компоненты, но для упрощения расчета будем считать, что все составляющие пустой породы, а также примеси (Mn, P, S) удаляются в равной степени, т.е. пропорционально их содержанию в исходной руде.

Содержание пустой породы в красных и магнитных железняках можно определить вычитанием из 100% значений содержания в руде (или концентрате) окислов железа

П = 100 – (FeO + Fe2O3).

В бурых железняках и сидеритах к пустой породе нельзя относить потери при прокаливании, так как они являются составной частью рудного минерала: в первом случае это гидратная влага, химически связанная с молекулой Fe2O3, во втором – двуокись углерода, связанная с закисью железа FeО в карбонат FeСО3. Поэтому содержание пустой породы в буром железняке или сидерите будет равно

П = 100 – (FeO + Fe2O3 + п.п.п.).

Содержание примесей и компонентов пустой породы в концентрате определяется по формуле

,

где Кисх – содержание данного компонента в исходной руде, %;

Пк, Писх – содержание пустой породы в концентрате и исходной руде соответственно, %.

3.8 Определение расхода концентрата

Кроме ЖРС поставщиками железа в доменной плавке также являются зола от сгорающего в печи кокса (5–21% Fe), марганцевая руда (до 5% Fe) и более, флюсы (до 1,5% Fe).

В данной работе учитывается только железо, вносимое ЖРС и золой кокса.

На 1 т чугуна кокс вносит золы

,

где Ас – содержание золы в коксе, %.

Зола кокса вносит железа (FeЗК)

,

где МЗК - поступление золы на 1 т чугуна, кг.

FeЗК - содержание железа в золе кокса, %.

Чугун – это железоуглеродистый сплав (С = 2,14–5,0%), в котором присутствуют постоянные примеси (кремний, марганец, фосфор, сера и др.). В чугунах, выплавляемых в доменных печах, содержание углерода находится в пределах 3,5–4,6%.

Расход концентрата на выплавку чугуна определятся по формуле

,

где [Fe] – содержание железа в чугуне.

3.9 Окускование железорудных концентратов

В процессе обогащения повышается содержание железа в железорудном материале, но полученный концентрат представляет собой тонкоизмельченный порошок (размером частиц менее 0,07-0,05 мм), который нельзя использовать в доменной плавке, так как газопроницаемость столба шихты будет очень мала и, следовательно, шахтный процесс остановится. Поэтому возникает необходимость окускования железорудных концентратов и мелких пылеватых руд.

Для обеспечения максимальных технико-экономических показателей доменной плавки размер кусков составляет для агломерата 25-40 мм, окатышей 15-25, кокса 40-80 мм.

Наиболее распространены два способа окускования агломерация и производство окатышей. В первом случае железорудный концентрат или мелкую руду смешивают с мелким (до 3 мм) коксиком и другими добавками (флюсом, возвратом) и слоем 300-500 мм загружают на движущуюся агломерационную ленту. От пламени газовых горелок воспламеняется коксик верней части слоя, а затем, за счет просасывания воздуха через слой агломерационной шихты сверху вниз, начинают гореть частицы коксика, расположенные ниже. Благодаря высоким температурам в слое шихта частично расплавляется, и расплав обволакивает не расплавившиеся частицы в результата чего после охлаждения и затвердевания получается высокопористый кусковый материал, называемый агломератом,

Во втором случае из тонкоизмельченных концентратов с добавлением связующих веществ и флюсов на барабанных или тарельчатых грануляторах получают шарообразные гранулы крупностью 10-25 мм – окатыши, которые затем подвергают упрочняющему обжигу.

Способ окускования железорудного сырья зависит от различных факторов, главными из которых являются крупность железорудного концентрата и удаленность горнодобывающего предприятия от металлургического комбината. Если в результате обогащения получаются тонкоизмельченные концентраты (< 0,074 мм), то из них можно получать как окатыши, так и агломерат, но производительность агломерационных машин из-за плохой газопроницаемости слоя будет низкой. Окатыши при транспортировке разрушаются в значительно меньшей степени, чем агломерат, поэтому если железорудная база находятся далеко от металлургического предприятия, то экономически выгоднее на месте добычи обогащать руду и производить окатыши, которые затем транспортировать на металлургический комбинат. Если концентрат более крупный или железорудная база находится вблизи металлургического предприятия, выгоднее производить агломерат, так как в этом случае затраты на окускование ниже.

Крупность железорудного концентрата после обогащения обуславливается крупностью зерен рудного минерала и, следовательно, зависит от минералогического типа руды. Руды осадочных месторождений имеют более мелкие зерна, чем магматогенные. Кроме того, можно считать, что чем выше коэффициент обогащения, тем мельче будет железорудный концентрат.

Учесть все факторы, определяющие способ окускования в данной работе невозможно, поэтому следует ограничиться двумя: удаленностью месторождения от ближайшего металлургического предприятия и коэффициентом обогащения. При Ко ≥ 1,7 можно допустить, что концентрат будет тонкоизмельченным и, следовательно, более пригодным для получения окатышей.

3.10 Марганцевые руды

Марганец является важнейшим легирующим элементом при выплавке сталей. Частично марганец вводят в металл на первой стадии металлургического передела, загружая в доменные печи некоторое количество марганцевой руды. Содержание марганца в передельном чугуне может быть различным и изменяется от 0,15 до 2%.

В доменных печах выплавляют и марганцевые ферросплавы – зеркальный чугун (10–25% Мn) и ферромарганец (45–78% Мn).

Марганец входит в состав различных минералов, которые вместе с пустой породой образуют марганцевые руды. Известно более 150 минералов, содержащих марганец, важнейшие из них приведены в таблице 12.

Таблица 12 – Важнейшие минералы марганцевых руд

Минерал

Химическая формула

Содержание марганца, %

Пиролюзит

МnО2

63,2

Браунит

Мn2О3

69,6

Гаусманит

Мn3О4

72,1

Манганит

MnO2·Mn(OH)2

62,5

Вернадит

MnO2·nH2O

44-52

Псиломелан

nМnО·МnО2·mН2О

45–60

Родохрозит

МnСО3

47,8

Манганокальцит

(Mn, Ca)CO2

20-25

Манганосидерит

(Fe, Mn)CO3

23-32

Родонит

MnSiO3

41,9

Тефроит

Mn2SiO4

54,45

Алабандин

MnS

63,21

Гауерит

MnS2

46,21

Наиболее распространенными в природе минералами являются пиролюзит, псиломелан и родохрозит.

По происхождению различают следующие промышленные типы месторождений марганцевых руд: океанические, осадочные морские, осадочные, вулканогенно-осадочные, выветривания, контактово-метасоматические и гидротермальные.

В зависимости от типа минерала марганцевые руды делят на окисные и карбонатные. В состав пустой породы марганцевых руд входят окислы SiO2, Аl2О3, СаО и MgO, образующие сложные минералы. Преобладающими окислами являются кремнезем и глинозем.

Вредные примеси сера и фосфор в рудах различных месторождений распределены по-разному. Сера содержится в незначительных количествах. Как правило, содержание ее в рудах не нормируется. Содержание фосфора иногда достигает 0,5%, что учитывается особенно при выплавке ферросплавов.

По содержанию железа марганцевые руды делят на три основных класса: марганцевые, марганцевожелезные и железомарганцевые. Для выплавки высокомарганцевого сплава используют только марганцевые руды, в которых содержание железа не превышает установленного предела. Это объясняется тем, что марганец из руд в доменной печи восстанавливается лишь на 75–80%, а железо практически полностью.

При выплавке, например, 75%-ного ферромарганца количество железа, вносимое марганцевой рудой на 1 т сплава, не должно превышать 160–170 кг. Поэтому чем беднее марганцевая руда, тем выше ее расход и тем ниже должно быть в ней содержание железа. В рудах для выплавки ферромарганца обычно нормируют отношение содержания марганца к содержанию железа (не менее 6–10) и фосфора (не более 0,15–0,2%).

Основные месторождения марганцевых руд представлены в таблице 13.

Железомарганцевые руды используют для выплавки зеркального чугуна: из этих руд нельзя получить высокопроцентный ферромарганец.

Марганцевожелезные руды могут быть использованы только для получения передельного чугуна с высоким содержанием марганца.

Содержание марганца в марганцевых рудах при выплавке передельного чугуна ограничивается нижним пределом 20–22%. В таких рудах содержится до 35% пустой породы, что существенно ухудшает ТЭП плавки.

По физическому состоянию марганцевые руды большей частью порошковые и содержат много влаги.

Мировые запасы промышленных марганцевых руд оцениваются в 12 млрд. т. Одними из крупнейших в мире месторождений марганцевых руд являются Никопольское, Большетокмакское (Украина) и Чиатурское (Грузия).

Запасы руд Никопольского месторождения составляют более 1 млрд. т., оно расположено в Днепропетровской области. В нем 80% руд представлено пиролюзитом (окисные руды) и 20% – карбонатными рудами. Среднее содержание марганца 23–31%, их обогащают для получения концентрата.


          Таблица 13 – Состав марганцевых руд месторождений Украины, Грузии, Казахстана и России

п.п.п.

Никопольское  (Украина)

31,2

13,4

Чиатурское (Грузия)

16,41

14,57

Джездинское (Казахстан)

1,81

Атасуйское  (Казахстан)

7,0

Полуночное

12,6

Усинское

15,0

MgO

2,76

2,05

н.с.

н.с.

0,61

1,5

2,0

2,0

CaO

12,6

3,81

8,00

2,67

1,07

4,1

3,0

7,0

Al2O3

1,64

1,76

3,49

1,17

5,92

4,5

5,0

2,0

SiO2

8,95

13,1

31,7

9,41

30,4

14,1

34,0

25,0

Fe2O3

2,71

2,27

2,4

1,43

3,97

3,7

6,0

7,6

MnO

34,0

13,3

н.с.

н.с.

15,4

4,0

16,0

-

MnO2

2,24

52,7

11,25

41,73

н.с.

50,3

20,0

39,6

S

0,05

0,04

0,17

0,17

н.с.

0,28

0,4

0,8

P

0,21

0,22

0,16

0,17

0,04

0,04

0,17

0,17

Fe

1,89

1,59

1,68

1,0

2,78

2,6

4,2

4,9

Mn

28,0

43,7

21,3

49,3

35,0

35,0

25,0

25,0

Вид сырья

Карбонатный концентрат

Оксидный концентрат

Аглоруда

Оксидный концентрат

Концентрат

Руда

Руда

Руда

По содержанию марганца в концентрате из окисных и смешанных руд различают: пиролюзит (не менее 52%), сорт А (47%), I сорт (43%), II сорт (34%) и III сорт (25%). Отношение SiO2l2O3 изменяется в пределах 2,3–4,8. Концентрат из карбонатных руд по содержанию марганца делят на два сорта: первый (не менее 25%) и второй (не менее 22%).

Чиатурское месторождение марганцевых руд расположено в Грузии. Руды окисные и карбонатные. Окисные руды представлены смесью пиролюзита и псиломелана. Среднее содержание марганца в сырой руде составляет 26–27%, в концентрате 39–40%. Содержание фосфора не превышает 0,2%). Руды характеризуются низким содержанием железа (1,68%). Запасы месторождения составляют 180 млн. т.

Казахстан занимает третье место в мире по запасам марганцевых руд (1,3 млрд. т).

В основном, запасы марганцевой руды сосредоточены на месторождениях Западный Караджал, Ушкатын-3 и Большой Ктай (Джезказганская область).

Годовая добыча марганцевых руд в республике достигает 0,5 млн. тонн. Основная добыча производится Джездинским РУ (г. Джезды, Джезказганская область). Попутная добыча марганцевой руды осуществляется Атасуйским РУ и Жайремским ГОКом (г. Жайрем, Джезказганская область).

Около половины добываемой в Казахстане руды перерабатывается на Джездинской ОФ, выпускающей концентрат с содержанием 33-39% марганца. При этом руда с низким содержанием железа (не более 5%) перерабатывается для получения марганцевого концентрата, из которого производят металлический марганец, низкоуглеродистый и чистый ферромарганец. Руда с более высоким содержанием железа используется для производства силикомарганца. Потребителями продукции предприятия являются Аксуйкий ферросплавный завод и металлургические заводы России.

В перспективе намечается создание производства марганцевых ферросплавов, которые станут одним из основных видов экспорта Казахстана.

Обеспечение металлургической отрасли России марганцевым сырьем в настоящее время в основном осуществляется за счет импорта. Ежегодная потребность ферросплавного производства РФ в марганцевых рудах до 2005 г. составляла 430 тыс. т. Удовлетворение ее за счет собственной сырьевой базы не превышало 29%. Марганцевые руды в России относятся к группе остродефицитных стратегических полезных ископаемых. Разведанные запасы составляют 148,1 млн. т, со средним содержание марганца 20%. Основное количество марганцевого сырья импортируется из Украины (около 90%), а также из Грузии и Казахстана.

Разведанные месторождения марганцевых руд России относительно мелкие с низким содержание марганца, поэтому добываемое сырье требует глубокого обогащения. Наиболее крупные из них: Усинское (Кемеровская область), Порожинское (Красноярский край), Полуночное и Марсятское на Урале, Мазульское в Сибири.

Самые крупные мировые месторождения марганцевых руд находятся в Индии, ЮАР, Гане, Марокко, Бразилии и на Кубе.

Из-за высокой стоимость марганцевого сырья его стали добывать в виде конкреций со дна морей и океанов.

Конкреции – осадочные железомарганцевые месторождения, располагающиеся на значительной глубине морского и океанического дна.

Состав конкреций разных океанов представлен в таблице 14.

Запасы конкреций на дне океанов оцениваются в 3000 млрд. т, в т.ч. на дне Тихого океана около 2000 млрд. т.

Таблица 14 – Состав конкреций в разных океанах

Океан

Среднее содержание, %

Fe

Mn

Ni

Co

Cu

Атлантический

4,7-21,8

1,3-36,6

0,02-1,4

0,02-1,0

0,02-0,9

Тихий

2,4-26,6

8,2-52,2

0,16-2,0

0,05-2,6

0,03-2,0

Индийский

6,7-26,4

11,6-29,1

0,16-2,1

0,06-1,0

0,7-1,4

Железомарганцевые конкреции были образованы поступлением марганца с речной водой, в которой его содержание более 10 мг/л, что существенно выше, чем в морской (1 мг/л). Первоначально марганец и железо выпадают в осадок в виде коллоидных гидрооксидов, адсорбирующих из раствора другие металлы (никель, медь в виде катионов, кобальт, титан в виде анионов). Затем эти осадки уплотняются вокруг центров кристаллизации – минеральных или органических частиц.

Марганцевые конкреции залегают на глубине до 4000 м и более. На 1 м2 приходится 12 кг конкреций, толщина слоя которых колеблется от нескольких до 30 см, плотность 2,0-3,2 г/см3. Радиоизотопные исследования показали, что скорость их роста составляет 1 мм за 1000 лет на глубине и 1-100 мм на мелких участках.

Основные марганцевые минералы в составе конкреций – тодорокит (Mn2+Ca, Mg, Na, K7·2Н2О и бернессит (Na, Ca) Mn7O14·2,8H2O, железо находится в виде гематита и других аморфных минералов.

Конкреции представляют собой глобулярные частицы (нодули) диаметром 10-200 мм, пронизанные тончайшими порами диаметром около 10 нм. По этой причине их общая пористость достигает 60%, а удельная поверхность 200 м2/г. Пустая порода (до 30%) представлена следующими глинистыми минералами: монтмориллонитом, хлоритом, каолинитом и филликситом, а также некоторым количеством СаСО3 органического происхождения, SiO2 и 30–40% влаги. Как и большинство оксидных руд, конкреции не поддаются глубокому обогащению механическими методами. Обогащение конкреций для получения марганцевого концентрата экономически целесообразно, если они имеют следующий химический состав, %: Mn – 30; Ni – 1,3; Cu – 1,1; Co –  0,2.

В настоящее время морские конкреции добывает только Япония в количестве 100 тыс. т в год.

3.11 Хромовые руды

Россия является крупным мировым потребителем и импортером хромовых руд и одновременно экспортирует продукты их передела: феррохром и металлический хрома.

Хромовые руды в России относятся к числу остродефицитных полезных ископаемых. Разведанные запасы хромовых руд (около 6 млн. т) сосредоточены в трех месторождениях в Сарановском хроморудном районе (Пермская область), Сопгерском (Мурманская область) и Аганозерском (Карелия), а их прогнозируемые запасы составляют 468 млн. т.

Производственная потребность России в хромовых рудах в 2005 г. составляла примерно в 1,74 млн. т, а добыча не превышала 100 тыс. т в год.

Поэтому Россия импортирует высококачественное хромовое сырье в основном с Донского ГОКа, расположенного в Казахстане, а также в небольших количествах из Турции. Поставки хромовой руды в Россию сократились с 1,5 млн. т в 1991 г. до 0,5 млн. т в 1998 г.

Прогнозируемые запасы хромовых руд РФ расположены по районам следующим образом, %: Северный - 64,9, Западно-Сибирский - 26, Уральский - 9,1.

Выявленные и подтвержденные мировые запасы хромовых руд (на 1997 г.) приведены в таблице 15.

Таблица 15 – Мировые запасы хромовых руд

Регион, страна

Выявленные ресурсы, млн. т

Подтвержденные запасы, млн. т

Доля в мире, %

Среднее содержание Cr2O3

Европа

220,5

82,7

1,83

в т.ч.:

Россия

13,2

2

0,04

37,1

Украина

13

-

20

Финляндия

150

70,4

1,55

26

Азия

1469

491,6

10,85

в т.ч.: Казахстан

998

317,2

7

50,2

Индия

135

85,6

1,89

31

Африка

12698,5

3905,4

86,18

в т.ч. ЮАР

11720

3755

82,86

37,1

Америка

546

43,8

0,97

в т.ч. США

230

17,1

0,38

26

Всего в мире

14934

4523,5

100

Хромовые руды в Украине (как и в России) относятся к числу остродефицитных полезных ископаемых, поэтому проводятся геологоразведочные работы по выявлению и уточнению их запасов.

В Казахстане Донской ГОК ведет разведку месторождений Восход и Караагаш. Запасы хромовых руд оцениваются: в Караагашском – до 30 млн. т (на глубине до 300 м); в месторождении Восход до 20 млн. т (на глубине до 600 м).

В северной и центральной частях Кемпирсайского массива также выявлены месторождения хромитов.

Казахстан является ведущим мировым экспортером товарной хромовой руды, уступая только ЮАР. Необходимость перехода на подземный способ добычи, ограничивает увеличение производства хромового сырья.

Снижение содержания Сr2О3 в рудах (с 53,3% в 40-х годах до 45,5% в 1990-1998 гг.) требует их обогащения. Но значительная часть руды с содержаниями Сr2О3 42–48% направляется потребителям без обогащения.

Динамика производства, потребления, экспорта и импорта товарной хромовой руды в различных странах мира представлена в таблице 16.

Таблица 16 – Производство, потребление, экспорт и импорт хромовой руды

Страна, регион,

Объемы по годам, тыс. т

1993

1994

1995

1996

1997

Производство

Европа

807,13

805,63

850,6

820,26

756,06

в т.ч. Россия

120,8

143

151,4

96,7

150

Азия

5064,1

4382,2

5880,4

4346,2

4889,2

в т.ч.: Казахстан

2968,2

2103,1

2416,6

1104

1899,6

Индия

1000,1

909,08

1536,4

1363,2

1363,1

Турция

767,31

790

1250

1279

1100

Африка

3245,7

4231

5943,5

5817,5

6631,9

в т.ч. ЮАР:

2838

3599

5085

4970,9

5779,4

Америка

322,58

379,79

478,66

445,8

374

в т.ч. Бразилия

307,58

359,79

447,96

408,5

330

Мир в целом

9439,6

9798,6

13153

11430

12651

Потребление

Европа

1895,9

2004,1

2216,9

2028,2

1917,3

в т.ч. Россия

906,8

1057,2

964,6

449,24

773,3

Азия

4151,3

2944,8

4891,7

4228,3

4221,4

в т.ч. Казахстан

1689,2

847,1

1387

841,29

1320

Африка

2100,3

3212,4

4639,1

4295,8

5173,2

Америка

836,96

579,34

986,44

802,11

737,96

Мир в целом

8984,4

8740,6

12734

11354

12050

Экспорт

Мир в целом

3480,1

4191,5

4572,4

3343,9

3864,4

в т.ч. Казахстан

1279

1256

1029,6

262,71

579,65

Импорт

Мир в целом

3665

3935,6

4815,6

3619,3

3927,7

в том числе Россия

811

942

819

360,64

627,3


4 Топливная база черной металлургии

4.1 Характеристика углей

Уголь – это остатки растений, погибших многие миллионы лет назад, гниение которых было прервано в результате прекращения доступа воздуха. Поэтому они не смогли отдать в атмосферу отобранный у нее углерод. Доступ воздуха прекращался особенно резко там, где болота и заболоченные леса опускались в результате тектонических подвижек, изменения климатических условий. При этом растительные останки превращались под воздействием бактерий и грибов (углефицировались) в торф и дальше в бурый уголь, каменный уголь, антрацит и графит. По составу основного компонента органического вещества угли подразделяются на две генетические группы по классификации Ю.А. Жемчужникова.

Первая группа. Гумолиты – высшие растения: I класс – гуммиты (лигнино-целлюлозные, смолы, кутиковые элементы); II класс – липтобиолитовые (смолы, кутиковые элементы).

Вторая группа. Сапропелиты – низшие растения и животный планктон: III класс – сапропилиты (сохранены водоросли и планктонные остатки); IV класс – сапроколлиты (водоросли превратились в бесструктурную массу)

Преобладают гумолиты, исходным материалом которых явились остатки высших наземных растений. Отложение их произошло преимущественно в болотах, занимавших низменные побережья морей, заливов, лагун, пресноводных бассейнов. Накапливающийся растительный материал в результате биохимического разложения перерабатывался в торф, при этом значительное влияние оказывали обводнённость и химический состав водной среды. Содержание углерода в каменном угле колеблется от 75 до 90% и зависит от месторождений и условий преобразования угля. Минеральные примеси находятся либо в тонкодисперсном состоянии в органической массе, либо в виде тончайших прослоек и линз, а также кристаллов и конкреций.

Источником минеральных примесей в ископаемых углях могут быть неорганические части растений – углеобразователей, минеральные новообразования, выпадающие из растворов вод, циркулирующих в торфяниках и т.д. В состав минеральных примесей входят кварц, глинистые минералы, полевые шпаты, пирит, марказит, карбонаты и другие соединения, содержащие Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, Ti. Большая часть минеральных примесей при сжигании превращается в золу.

В результате длительного воздействия повышенных температур и давления бурые угли преобразуются в каменные угли, а последние – в антрациты. Необратимый процесс постепенного изменения химического состава, физических и технологических свойств органического вещества на стадии превращения от бурых углей до антрацитов носит название метаморфизма углей. Структурно-молекулярная перестройка органического вещества при метаморфизме сопровождается последовательным повышением в угле относительного содержания углерода, снижением содержания кислорода, выхода летучих веществ, при этом изменяются: теплота сгорания, твердость, плотность, хрупкость и другие физические свойства.

Важнейшие свойства углей

Состав углей в полном виде описывается формулой, характеризующей массу рабочего топлива

CP + HP + OP + NP + SP + AP + WP = 100%,

где CP + HP + OP + NP + SP – процентное содержание соответствующих элементов в массе топлива;

 AP – содержание золы;

 WP – содержание влаги.

При нагревании угля до 100–105 °С из него испаряется вода, количество которой выражают в процентах к весу топлива и называют влажностью углей. Влага является балластом топлива, поэтому для коксования ее содержание не должно превышать 6–10%.

Масса топлива, полностью освобожденная от влаги, называется сухой

CС + HС + OС + NС + SС + AС = 100%.

Содержание минеральных примесей в угле характеризуется его зольностью, которая определяется по выходу остатка после сжигания угля при температуре 800 °С и выражается в процентах к его весу. Чем меньше зольность исходной шихты, тем меньше зольность получаемого металлургического кокса. На нагревание золы, поступающей в доменные печи с коксом, приходится расходовать дополнительное его количество, что ведет к снижению производительности доменных печей. Однако не вся зола кокса является балластом, так как в ее состав также входят оксиды железа и кальция, имеющие полезное значение для доменного процесса.

Минеральные примеси в коксе в виде включений размером более 1-2 мм ослабляют его структуру и уменьшают механическую прочность.

Масса топлива, взятая без золы и влаги, называется горючей

CГ + HГ + OГ + NГ + SГ = 100%.

Горючая масса без серы называется органической

CО + HО + OО + NО = 100%.

Выход летучих веществ представляет собой количество образовавшихся газообразных продуктов в результате различных химических реакций в процессе термического разложения топлива. Выход летучих продуктов зависит от многих факторов и, прежде всего, от природы топлива, марки углей и температуры разложения, его выражают в процентах к весу топлива. Выход летучих веществ характеризует химический возраст (зрелость) углей. Чем меньше выход летучих веществ из углей, тем выше их возраст.

Спекаемостью углей называется способность смеси угольных зерен образовывать при нагревании без доступа воздуха спекшийся или сплавленный нелетучий остаток. Спекание углей – результат процессов термической деструкции, вызывающий переход их в пластическое состояние с последующим образованием полукокса – протекает главным образом в зоне температур 400–450 °С.

Коксуемостью углей называют их способность самостоятельно или в смеси с другими углями при нагревании до температур 1000-1100 °С образовывать кусковой пористый материал – кокс, обладающий определенной крупностью и механической прочностью.

Таким образом, понятия «спекаемость» и «коксуемость» различны. В первом случае имеет место способность углей спекаться, а во втором – способность углей образовывать металлургический кокс.

Бурые угли характеризуются невысокой теплотой сгорания (не более 24 000 кДж/кг) и высоким содержанием влаги (25– 40%, иногда 60%).

Каменные угли имеют теплоту сгорания более 24 000 кДж/кг и выход летучих веществ более 9%. Они подразделяются на марки, которым присвоены следующие названия и обозначения: длиннопламенный – Д, газовый – Г, газовый жирный – ГЖ, газовый жирный окисленный – ГЖО, жирный – Ж, коксовый – К, коксовый жирный – КЖ, отощенный спекающийся – ОС, слабо спекающийся – СС, тощий – Т.

Антрациты (А) имеют теплоту сгорания до 35000 кДж/кг и выход летучих веществ менее 9%.

По технологической принадлежности угли делят на коксующиеся – используемые только для коксования (К, Ж, ГЖ, ОС, ГЖО и низкосернистые Г) и энергетические – для теплоэнергетики и бытового потребления (Д, Г, Т, СС и А).

4.2 Месторождения углей

Угольные запасы рассредоточены по всему миру. Планету Земля опоясывают две богатые угольные зоны. Одна простирается через страны бывшего СССР, через Китай, Северную Америку до Центральной Европы. Другая, более узкая и менее богатая зона, идет от Южной Бразилии через Южную Африку в Восточную Австралию.

Наиболее крупные месторождения каменного угля находятся в Украине, России, Казахстане, западе Европе, США и Китае.

Каменноугольные бассейны в Евразии: Южный Уэльс, Валансьен-Льеж, Саарско-Лотаргинский, Рурский, Астурийский, Донецкий, Кизеловский, Карагандинский, Кузнецкий, Таймырский, Тунгусский, Южно-Якутский, Фуньшуньский; в Африке: Джерада, Абадла, Энугу, Уанки, Витбанк. В Австралии: Большая Синклиналь, Новый Южный Уэльс. В Северной Америке: Грин-Ривер, Юнита, Сан-Хуан-Ривер, Западный, Иллинойский, Аппалачский, Сабинас, Техасский, Пенсильванский. В Южной Америке: Караре, Хунин, Санта-Катарина, Консепсьон.

Мировые ресурсы коксующихся углей оцениваются в настоящее время примерно в 1,5 трлн. т и составляют менее 10% их общего количества.

Разведанные запасы насчитывают около 400 млрд. т, большая часть которых сосредоточена в США, Китае, России, Германии, Австралии (таблица 17). На рисунке 6 показаны основные потоки углей на мировом рынке.

Таблица 17 – Мировые ресурсы коксующихся углей

Страна

Ресурсы, млрд. т

Мир в целом

1500

в том числе

Россия

441

Китай

300

США

235

Великобритания

93

Польша

92

Германия

44

Украина

29

Австралия

26

ЮАР

24

Индия

21

Канада

17

Казахстан

11

Рисунок 6 – Схема основных потоков металлургических углей

на мировом рынке

В настоящее время на мировом рынке коксующихся углей предложения превышают спрос. Основными их поставщиками являются Австралия, США и Канада (таблица 18).

Расходы на добычу коксующихся углей высокого качества в Австралии примерно на 18% ниже, чем Канаде, и на 27% чем в США, поэтому объем их продаж постоянно увеличивается и по прогнозу к 2006 году составит 48%, соответственно для других стран: США – 20%, Канады – 18%, России, КНР и Польши – по 2%.

Таблица 18 – Динамика мирового производства кокса по регионам

Регион

Производство кокса, млн. т

1997 г.

2000 г.

Европейский союз (15 стран)

40,377

37,57

Остальные европейские страны

25,827

21,293

Страны СНГ

44,364

51,643

Северная Америка

25,848

23,726

Южная Америка

10,074

9,275

Африка

5,505

4,316

Ближний Восток

1,145

1,08

Азия

202,929

187,678

Океания

4,462

3,436

Мир всего

360,531

340,017

В 2000 году основным экспортерами кокса были: Китай (15,2 млн. т); Польша (3,9 млн. т); Япония (2,6 млн. т); СНГ (1,4 млн. т) и  другие страны (2,0 млн. т).

Кузнецкие угли

Большая часть бассейна находится в пределах Кемеровской области. Угленосная толща содержит около 260 угольных пластов различной мощности, неравномерно распределённых по разрезу. Преобладающая мощность пластов угля от 1,3 до 3,5 м. Имеются пласты в 9-15 и даже в 20 м. По качеству угли разнообразны и относятся к числу лучших. В глубоких горизонтах они содержат, %: золы – 4-16; влаги – 5-15; фосфора до 0,12; летучих веществ – 4-42, серы – 0,4-0,6; обладают теплотой сгорания 7000-8600 ккал/кг. Угли, залегающие вблизи поверхности, характеризуются более высоким содержанием влаги и золы и пониженным – серы. Метаморфизм каменных углей понижается от нижних горизонтов к верхним.

В угольном бассейне Кузбасса находится 90 шахт и разрезов, объединённых в комбинаты Кузбассуголь, Прокопьевскуголь, Южкузбассуголь и Кемеровоуголь. До 42-45% добываемых в Кузбассе углей идёт на коксование. Основная часть углей потребляется в Западной Сибири, на Урале, а также в Европейской части России. Максимальная глубина шахт не превышает 500 м (средняя глубина около 200 м). Средняя мощность разрабатываемых пластов 2,1 м, но до 25% шахтной добычи приходится на пласты свыше 6,5 м. Основную добычу дают шахты центрального и южного районов Кузбасса (Прокопьевско-Киселёвский, Ленинск-Кузнецкий, Беловский, Томусинский и др.).

Кузнецкий угольный бассейн (Кузбасс) является одним из самых крупных угольных месторождений мира. Его общие запасы оцениваются в 600 млрд. т.

В 2003 г. в Кузбассе добыто более135 млн. т угля, что составляет около 60% от общероссийской добычи. К 2007 г. объем добычи угля планируется увеличить до 160 млн. т.

Печорские угли

В Печорском бассейне добывают угли марок ГЖО, К, Ж, легкообогатимые, с низким содержанием серы (до 1%).

Общие геологические запасы углей в Печорском бассейне составляют 214 млрд. т., количество коксующихся углей значительно меньше (таблица 19) Основные месторождения – Воркутинское, Усинское, Харьягинское, Интинское, Юнъягинское, Воргашорское.

Таблица 19 – Балансовые запасы коксующихся углей основных бассейнов России, Украины и Казахстана

Угольный бассейн

запасы, млн. т

Кузнецкий

66451

Печорский

8567

Донецкий

54945

Карагандинский

7537

Донецкие угли

Основные угольные месторождения на территории Украины расположены в трех бассейнах – Донецком, Львовско-Волынском, Днепровском, а также в Харьковской и Полтавской областях.

Угли Донецкого бассейна составляют основу угольных шихт коксохимических производств Украины, характеризуются легкой и средней обогатимостью, повышенным содержанием серы (до 4,4%) и пониженным содержанием азота (до 1,6%).

Прогнозируемые запасы месторождений украинских углей составляют 42,5 млрд. т. Добыча ведется открытым и шахтным способами, средняя глубина разработок угольных пластов составляет от 700 до 1400 м.

Карагандинские угли

Карагандинский угольный бассейн, так же как и Кузнецкий, является сырьевой базой Уральских и сибирских комбинатов. Карагандинские угли характеризуются трудной обогатимостью, так как минеральные составляющие очень тонко распределены в органической массе угля. Все основные марки коксующихся углей, как и кузнецкие, являются низкосернистыми, содержание серы до 0,8%.

В таблице 20 представлены химические составы углей основных месторождений России, Украины и Казахстана.

Таблица 20 – Состав углей Российских и зарубежных месторождений

Марка

Показатели, %

WР

Ac

CГ

VГ

НГ

NГ

OГ

Печорский бассейн

Ж (Воркутинский)

6,0

27,0

2,2

82,0

34,0

5,4

2,3

7,4

К

6,0

28,0

1,2

86,5

25,5

5,1

2,0

4,7

Кузнецкий бассейн

К (Анжерский)

6,5

12,5

0,6

90,5

17,0

4,3

2,0

2,5

К (Кемеровский)

7,5

13,0

0,3

85,5

30,0

5,4

2,2

6,6

Ж (Осиновский)

5,5

20,0

0,6

84,5

33,0

5,5

2,5

6,8

ОС (Анжерский)

6,5

13,0

0,5

90,5

15,0

4,2

2,0

2,8

Донецкий бассейн

Д

13,0

17,5

4,5

76,0

43,0

5,5

1,6

11,7

Ж

5,0

19,5

3,0

84,0

32,0

5,2

1,5

5,7

К

5,0

19,5

3,0

87,0

22,0

4,8

1,5

3,1

ОС

4,5

19,5

2,5

88,5

16,0

4,5

1,5

2,5

А

5,5

17,0

2,0

93,5

3,5

2,0

0,8

1,5

Карагандинский бассейн

Ж

8,0

28,5

1,2

84,0

28,0

5,2

1,3

8,1

ОС

7,5

22,0

0,8

84,0

26,0

5,1

4,3

8,7

4.3 Коксохимические производства России, Украины и Казахстана

В России в 2002 г. работали 12 коксохимических предприятий. Средний срок службы батарей составляет 22 года, при этом 50% действующего фонда (30 батарей) находилось в эксплуатации более 20 лет, 16 батарей (27,5 % фонда) – более 30 лет и 7 батарей (12%) – более 40 лет.

Таким образом, основные фонды коксохимического производства в выработали свой эксплуатационный ресурс, морально устарели и физически изношены, не отвечают современным требованиям к охране окружающей среды и технической безопасности.

В настоящее время производство кокса в России составляет 36 млн. т в год и способно обеспечить текущие потребности промышленности страны.

В Украине 15 коксохимических предприятий, которые в 2002 г. произвели 22,3 млн. т  кокса 6-процентной влажности

Средняя длительность эксплуатации – 25,69 года, в том числе 29 батарей (51%) мощностью 15 млн. т/год достигли возраста более 20 лет, 19 батарей (33%) – возраста более 30 лет и 11 батарей (19%) – возраста более 40 лет.

Коксохимическое производство Казахстана («Испат-Кармет» комбината) имеет в своем составе пять работающих коксовых батарей. Их средний срок службы около 9 лет, а межремонтный период – 15 лет.

4.3 Выбор топливной базы

Качество металлургического кокса определяется, прежде всего, качеством углей, составляющих шихту для коксования. При выборе топливной базы учитывают близость расположения угольного месторождения к металлургическому району, где ведется добыча руды или планируется металлургическое производство.

На металлургических предприятиях Центра Европейской части России целесообразно используется кокс из Печорских и Донецких углей, Северо-Западный металлургический район («Северсталь») используют низкосернистые и малозольные коксующиеся угли Печорского бассейна. Предприятия Урала используют кокс, полученный из смеси Кузнецких и Карагандинских углей, Сибири – из Кузнецких углей.

В таблицах 21 и 22 представлены химические составы кокса и его золы для различных месторождений.

Таблица 21 – Состав кокса, %

Металлургический район

Используемые угли

Снел

Технический анализ

Общая пористость,

%

Зола,

Ас

Влага,

Wр

Выход летучих,

Vc

Сера,

Sс

Фосфор,

Рс

Северо-Запад России

Печорские

87,8

10,6

2,0

1,0

0,55

0,02

45

Урал

Кузнецкие и Карагандинские

86,5

11,9

3,5

1,0

0,58

0,04

40

Карагандинские

85,0

13,1

3,3

1,2

0,68

0,03

40

Западная Сибирь

Кузнецкие

87,5

11,1

3,0

1,0

0,42

0,04

37

Украина

Донецкие

87,3

9,6

3,2

1,0

1,7

0,02

50

Таблица 22 – Состав золы кокса, %

Угли, используемые для коксования

Fe

Mn

SiO2

Al2O3

СаО

MgO

P

Донецкие

21,18

-

37,81

21,66

3,56

1,60

0,14

Печорские

5,65

-

56,11

25,68

3,40

2,25

0,12

Кузнецкие

7,28

0,10

48,44

23,20

6,79

1,75

0,42

Карагандинские

8,12

1,47

49,50

27,20

4,40

1,80

0,38

4.2 Определение расхода кокса

Расход кокса в доменной плавке зависит от многих факторов: качества ЖРС (содержания железа, крупности, главным образом содержания мелочи менее 5 мм, количества пустой породы), качества кокса (содержания в нем нелетучего углерода Снел, серы, золы, прочности, крупности и влаги). Кроме этого, расход кокса зависит от технологических параметров доменной плавки: температуры дутья, степени обогащения дутья кислородом, расхода топливных добавок (природного газа, мазута, пылеугольного топлива), а также характера распределения материалов на колошнике, т.е. от способа загрузки доменной печи. Для упрощения в данной работе учитывается только содержание железа в железорудном сырье (концентрате).

При содержании железа в концентрате менее 55,0% расход сухого кокса (без учета содержащейся в нем влаги) определяется по эмпирической формуле

,

где – расход сухого кокса на 1 т чугуна, кг;

 Feк – содержание железа в концентрате, %.

При содержании железа в концентрате равном или более 55% расход кокса определится по формуле

.

Расход влажного кокса составит

,

где Wр - влажность кокса, %.

Содержание железа в чугуне следует принимать равным 93-96%.


5 Определение состава чугуна

В доменных печах выплавляют различные виды чугунов, которые, в зависимости от назначения, делятся на:

- передельные – предназначенные для переплавки в сталь;

- литейные – для производства  фасонных отливок из чугуна и стали;

- доменные ферросплавы: ферромарганец, зеркальный чугун и ферросилиций, используемые в сталеплавильном производстве.

В настоящее время доля передельного составляет 90-95% от общего объема выплавляемого чугуна, поэтому в данной работе следует вести расчет на выплавку передельного чугуна. Химический состав передельных, высококачественных  и  литейных чугунов по ГОСТ 805-80 приведен в таблицах 23–25. Для выбора марки чугуна необходимо оценить содержание в выплавляемом чугуне кремния, марганца, фосфора и серы.

Кремний. В шихтовых материалах доменной плавки кремний находится в виде свободного кремнезема (кварца) или в виде силикатов. Кремнезем является более прочным оксидом, чем оксиды железа и в условиях доменной плавки восстанавливается в незначительной степени при повышенных температурах, т.е. в нижней части печи.

Степень восстановления и перехода кремния в чугун определяется: температурой в нижней части печи,  расходом кокса,  количеством кремнезема в шлаке и его основностью.

В данной работе содержание кремния в чугуне можно оценить по расходу кокса, тем более, что последний определился в зависимости от богатства железорудного материала – величины, обратно пропорциональной количеству шлака и, следовательно, кремнезема.

При расходе кокса 400-450 кг/т, содержание кремния в чугуне следует принимать ориентировочно ≤ 0,5%; при К = 450-500 кг/т, [Si ] = 0,51-0,90%; при К > 500 кг/т, [Si] = 0,91-1,2%.

Марганец. Марганец  также является одним из основных легирующих элементов в стали. При выплавке стали в мартеновских печах экономически целесообразно использовать чугун с естественным (без добавок в доменную шихту марганцевой руды) содержанием марганца, при выплавке стали в конверторах – чугун, содержащий 0,6-0,9% марганца.

При выплавке передельного чугуна в металл переходит марганца 50-70% (степень восстановления η = 0,5-0,7), содержащегося в шихте. Количество восстановленного марганца увеличивается с повышением основности шлака и снижается с уменьшением его количества.

При выплавке стали в мартеновских печах следует определить количество марганца, которое буде внесено 1 т чугуна, железорудным концентратом и золой кокса и, соответственно этому количеству рассчитать содержание марганца в чугуне.

При выплавке стали по содержанию марганца в чугуне [Mn] определяют количество марганецсодержащих шихтовых материалов, которое необходимо внести в доменную печь для выплавки 1 т передельного чугуна.



         Таблица 23 – Состав передельных чугунов (ГОСТ 805-80)

S по категориям

V

0,05

0,05

0,05

0,05

-

-

-

         Таблица 24 – Состав высококачественных чугунов (ГОСТ 805-80)

IV

≤0,04

≤0,04

≤0,04

≤0,04

-

-

-

III

≤0,03

≤0,03

≤0,03

≤0,03

0,07

0,07

0,07

S по категориям

III

≤0,025

≤0,025

≤0,025