Спутник металлурга
Федоровский Н.В., Рутковский Г.Я., Астахов А.Г.
Киев, Техника, 1969 г.
СЫРЬЕ, ТОПЛИВО, ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Классификация и характеристика железных руд
Руды представляют собой совокупность различных минералов. Минералы, содержащие извлекаемый металл, называют рудными или рудообразующими, а минералы, не содержащие добываемого металла или содержащие последний лишь в небольшом количестве,— пустой породой.
Руды бывают простыми и сложными. Простые руды содержат преимущественно один металл в промышленном количестве (руда железная, марганцевая и др.) Сложные руды содержат несколько добываемых металлов (свинец и цинк, медь и никель и др.).
В качестве пустой породы в рудах присутствуют кварц, глинозем, известняк и др. В зависимости от химического состава пустой породы руда может быть кислой, основной или нейтральной.
Большинство руд содержат вредные и полезные примеси. Вредными (для доменных руд) являются сера, фосфор, мышьяк, цинк, свинец и др.; полезными — марганец, никель, хром, ванадий, титан и др.
Вредные примеси. Сера повышает хрупкость чугуна и стали при высоких температурах. Такое свойство называют красноломкостью.
Фосфор в условиях доменной плавки легко восстанавливается и полностью переходит в чугун. При низких температурах фосфор придает чугуну, а впоследствии и стали хрупкость, снижая ее вязкость. Такое свойство называют хладноломкостью. Хладноломкость резче проявляется при повышенном содержании в стали углерода. При производстве чугунных отливок фосфор в определенных пределах является полезной примесью. Он придает чугуну жидкотекучесть, способствуя лучшему заполнению форм.
Мышьяк встречается лишь в некоторых рудах, например, в керченских (до 0,1%). Он легко восстанавливается и около 60% его переходит в чугун, а впоследствии и в сталь. Присутствие незначительного количества мышьяка в стали резко повышает ее хрупкость как в холодном, так и в горячем состоянии, а также ухудшает свариваемость стали.
Цинк в железных рудах встречается в небольших количествах, главным образом, в месторождениях Западной Сибири. В условиях доменной печи цинк легко восстанавливается и испаряется. Наличие даже незначительного количества цинка в шихте усложняет технологический процесс доменной плавки, увеличивает расход топлива. В отдельных случаях металлический цинк и окись цинка проникают в швы и поры огнеупорной кладки и разрушают ее.
Свинец, как и цинк, усложняет технологию выплавки чугуна. Кроме того, обладая высокой плотностью [II, 34], он скопляется под слоем жидкого чугуна, проникает в швы кладки и разрушает ее.
Полезные примеси. Марганец присутствует в большем или меньшем количестве почти во всех железных рудах. Около 80% марганца в доменной плавке переходит в чугун. Марганец повышает физико-механические свойства чугуна и стали, парализует вредное влияние серы.
Никель встречается в природнолегированных рудах примерно в количестве 0,2—0,5%. Никель легко восстанавливается в доменной печи и почти полностью переходит в чугун, а впоследствии и в сталь. Никель повышает физико-механические свойства и коррозионную стойкость стали, улучшает ее свариваемость.
Хром встречается в природнолегированных рудах вместе с никелем (Халлиловское и Елизаветинское месторождения). При переплавке хром восстанавливается и переходит в чугун и в сталь лишь частично, так как некоторое количество его окисляется и переходит в шлак.
Как и никель, хром повышает физико-механические свойства и коррозионную стойкость стали; поэтому часто выплавляют стали с одновременным содержанием хрома и никеля (хромоникелевые стали).
Ванадий содержится, главным образом, в титаномагнетитах (в рудах Керченского и некоторых Уральских месторождений содержание его достигает 0,5%). При доменной плавке примерно 80—90% ванадия восстанавливается и переходит в чугун. При переплавке чугуна на сталь он сильно окисляется и переходит в шлак.
Титан встречается в небол ьших количествах в титаномагнетитах. Уже в процессе доменной плавки он окисляется и до 95% его переходит в шлак. Титан является энергичным раскислителем, повышает физико-механические свойства стали.
К железным рудам, используемым в доменной плавке, предъявляются следующие требования: богатство руды, т. е. высокое содержание в ней железа; чистота руды (минимальное содержание серы, фосфора и мышьяка); хорошая восстановимость руды; состав пустой породы; физическое состояние руды (кусковатость, пористость, прочность и пр.); влажность.
Содержание железа в рудах колеблется в широких пределах (от 23 до 70%).
По составу железосодержащего минерала выделяют четыре основных типа железных руд: 1) бурый железняк (в основном лимонит), в котором железосодержащий минерал представлен водным окислом железа; 2) красный железняк, или гематит, содержащий железо в виде безводной окиси; 3) магнитный железняк, или магнетит, содержащий железо в виде магнитной окиси; 4) шпатовый железняк, или сидерит, содержащий углекислое железо.
Бурый железняк. Железными минералами группы бурых железняков являются водные окислы железа. Известны пять видов бурых железняков с различным содержанием гидратной воды: турьит 2Fe203 · Н2О (5,32% гидратной воды); гетит Fe2O3 · Н2О (10,11% воды); ксантосидерит Fe2O3 · 2Н2О (18,37% воды); лимонит Fe2O3 · ЗН2О (25,23% воды); лимонит 2Fe2O3 XЗН2О (14,39% воды).
Содержание железа в перечисленных минералах колеблется от 52,31 до 66,31%, плотность 3,4—4,0 кг/дм3.
Бурый железняк образуется при выветривании и окислении железных руд остальных типов и является самой распространенной в природе рудой. Он редко бывает чистым и богатым; обычно он смешан с глиной, кварцем и реже — с кальцитом.
Содержание железа в добываемых бурых железняках обычно составляет от 37 до 55%. Руда часто имеет повышенное содержание фосфора (вносимого апатитом и вивианитом) и реже — серы {вносимой пиритом) и мышьяка. Полезной примесью иногда является ванадий.
Бурый железняк легче восстанавливается в доменной печи, чем красный магнитный железняк.
Бурые железняки имеют обычно желто-бурый цвет, переходящий у плотных разновидностей и в изломе в темно-бурый до бархатно-черного. Бедный бурый железняк имеет светло-желтый цвет, богатый—желтовато-коричневый, иногда темно-красный. На фарфоровой пластинке бурые железняки дают желтую или желто-бурую черту.
Бурые железняки относятся к мягким рудам; в большинстве случаев их залежи можно разрабатывать экскаваторами без применения взрывчатых веществ.
К основным месторождениям бурого железняка в СССР относятся: Керченское, Лятское, Бакальское, Алапаевское, Халиловское, Зигазино-Комаровское, Липецкое и Тульское.
Красный железняк, или гематит. Содержит железо в виде безводной окиси Fe203, состоящей из 70% железа и 30% кислорода. В руде всегда имеется также остаточный магнетит (от 1 до 8%) и продукт выветривания гематита — лимонит. Пустая порода — обычно кремнистая.
Добываемый красный железняк содержит обычно 55—60%, а богатые разновидности его — до 69,5% железа. В связи с весьма низким содержанием серы и большей частью невысоким содержанием фосфора из этих руд можно выплавлять малофосфористый бессемеровский чугун. По своей восстановнмости они приближаются к бурым железнякам.
Цвет красных железняков не всегда отвечает их названию и колеблется от различных оттенков красного до светло-серого и даже черного. На фарфоровой пластинке красный железняк всегда дает вишнево-красную черту. Эти руды весьма различны по своим физическим свойствам, меняясь от твердых кусковых до мягких порошковатых, содержащих 80—90% мелочи размером менее 5 мм.
Наиболее крупные месторождения красного железняка в СССР находятся в Криворожском бассейне и в районе Курской магнитной аномалии.
Магнитный железняк. Основным железосодержащим минералом в магнитном железняке является магнетит Fe304, содержащий 72,4% железа и 27,6% кислорода. Магнетит можно рассматривать как закись-окись железа FeO · Fe203, содержащую 31,04% закиси и 68,96% окиси железа. В природе чистый магнетит встречается редко; обычно он сопровождается продуктами выветривания — полумартитом, мартитом и сравнительно редко бурыми железняками.
Обычно к магнетитам относятся руды, у которых отношение содержания железа к содержанию закиси железа меньше 3,5; при отношении больше 3,5 руду относят к полумартитам, а при отношении больше 7 — к мартитам.
Состав пустой породы магнетитовых руд весьма разнообразен. Главными составляющими являются кварц, силикаты и карбонаты. В небольших количествах встречается глина.
Магнетитовые руды содержат обычно 54,59% Fe, сравнительно повышенное количество серы и фосфора, вносимых в основном пиритом и апатитом, а часто также цинка и меди, вносимых сфалеритом и халькопиритом. Магнетиты со значительным содержанием ильменита называются титано-магнетитами (обычно эти руды содержат 0,2—0,4% ванадия).
Цвет магнетитов — от серо-стального до черного со слабым синеватым оттенком. На фарфоровой пластинке они дают черную черту.