Глава 1. Сырые материалы и их подготовка

Для производства черных и цветных металлов применяют различные сырые материалы, являющиеся полезными ископаемыми, или специально приготовленные материалы, а также отходы металлургического производства.

К сырым материалам металлургического производства прежде всего относят руды, топливо и флюсы. Необходимо уточнить, что понимают под рудой. Руда представляет собой полезное ископаемое, добываемое из недр земли. Это — горная порода или минеральное вещество, из которого при данном уровне развития техники экономически целесообразно извлекать металлы или их соединения. Такая экономическая целесообразность прежде всего определяется содержанием ценных металлов в минеральном веществе, т.е. так называемым браковочным пределом по извлекаемому металлу. Браковочный предел даже для одного и того же металла различен, например для железа он составляет 30—60 %, меди 3—5, никеля 0,3—1,0, а для молибдена 0,005-0,02 %.

Величина браковочного предела по содержанию ценного металла зависит от физических свойств и химического состава горной породы, а также условий ее добычи.

По мере развития техники указанные пределы постепенно снижаются и переработке подвергают все более бедные руды.

Руды обычно называют по одному или нескольким металлам, содержащимся в них, например железные, медные, алюминиевые и марганцевые или медно-никелевые, медно-кобальто-никелевые и др.

Запасы руд того или иного месторождения делят в зависимости от степени их изученности на несколько категорий, обозначаемых буквами латинского алфавита: А, В и С.

К категории А относят запасы, вполне установленные и опробованные детальными разведками. К категории В относят запасы, количество которых достаточно точно выявлено разведками, но границы рудных тел установлены еще недостаточно определенно. К категории С относят запасы, выявленные по естественным обнажениям и геофизическим данным.

Категорию С разделяют на С_х - недостаточно изученные и С₂— прогнозные. Общими балансовыми запасами называют сумму запасов А + В + С = А + В + С, + С₂.

Руды приходится специально подготавливать — дробить, обогащать, окусковывать и усреднять.

В способах подготовки различных руд много общих приемов и средств, которые рассмотрены ниже на примере железных руд, применяемых для доменной плавки.

§ 1. ЖЕЛЕЗНЫЕ РУДЫ

Железо является распространенным элементом в природе. Так, по распространению в земной коре оно занимает четвертое место (4,2%) после кислорода (49,7%), кремния (26%) и алюминия (7,45%). Железо как составная часть входит почти во все горные породы, однако многие нельзя считать рудами.

Конкретизируя понятие "полезные ископаемые" применительно к железосодержащим ископаемым, железными рудами следует называть горные породы, из которых при данном уровне развития техники экономически целесообразно: извлекать железо.

Железо, как известно, обладает сравнительно большим сродством к кислороду и в силу этого в земной коре не обнаруживается в самородном виде, а находится главным образом в соединениях с кислородом и двуоксидом углерода.

Из большого числа встречающихся в земной коре железосодержащих минералов промышленное значение имеют минералы, в которых железо в основном представлено магнитным оксидом Fe₃0₄ (72,4 % Fe), безводным оксидом Fe₂0₃ (70 % Fe), водными оксидами mFe₂0₃ • лН₂0 с различным количеством воды (52,3-62,9 % Fe), карбонатом железа FeC0₃(48,3 % Fe).

Магнитный оксид железа в рудах представлен минералом магнетитом. Руду, содержащую в основном магнетит, называют магнитным железняком или магнетитовой рудой. Магнетит Fe₃0₄ можно рассматривать как соединение FeO • Fe₂0₃, содержащее 31,04% FeO и 68,96% Fe₂0₃.

Магнетит под действием влаги и кислорода атмосферы постепенно окисляется. Оксид FeO в Молекуле FeO • Fe₂0₃реагирует с кислородом воздуха по реакции 4FeO + 0₂ — *■

—*-2Fe₂0₃. Образовавшийся минерал по своему химическому составу является гематитом, однако из-за отличия в кристаллической решетке называется мартитом.

Таким образом, в природных условиях магнетит в той или иной степени окислен. Для характеристики окисленности магнетита принято пользоваться отношением Fe^^Fe. В

чистом магнетите это отношение равно 72,4:24,3«3,0, а в мартите оно бесконечно велико. Обычно к магнитным железнякам относят руды, в которых это отношение меньше 3,5. При отношении, равном 3,5—7,0, руды относят к полумарти-там, а при отношении, большем 7, — к мартитам.

Магнетит характеризуется высокой магнитной восприимчивостью, и поэтому магнитные железняки пригодны для электромагнитного обогащения, являющегося одним из наиболее эффективных и распространенных способов обогащения железных руд.

Магнитный железняк обычно представлен крепкими, плотными кусковыми рудами. Он содержит обычно 55—60 % Fe (иногда лишь 16-30% Fe), 0,02-2,5% S, 0,02-0,7 %Р и чаще всего кислую пустую породу (Si0₂, А1₂0₃).

Безводный оксид железа представлен в рудах минералом гематитом. Руды, содержащие в основном гематит, относят обычно к красным железнякам или гематитовым рудам. Красный железняк— это продукт выветривания магнитных железняков, т.е. в значительной мере окисленный магнетит. В нем обычно содержится от 1 до 8 % магнетита.

Красный железняк, применяемый в металлургии, содержит обычно 55-60 % Fe, а некоторые разновидности — до 69,5 % Fe. В ряде случаев в рудах содержится мало: серы и фосфора. Руды бывают кусковые, а иногда пылевидные. Цвет красных железняков колеблется от красного до светло-серого и даже черного, но на фарфоровой пластинке красный железняк всегда дает красную черту. Пустая порода таких руд обычно состоит из Si0₂ и А1₂0₃.

Водные оксиды железа представлены в рудах главным образом минералами лимонитом 2Fe₂0₃ • ЗН₂0 и гетитом Fe₂0₃ • Н₂0. Руды, содержащие в основном эти минералы, называют бурыми железняками. Бурый железняк образуется при выветривании и окислении железных руд других типов. Обычно бурый железняк смешан с глиной или кварцем. В до-

бываемых рудах содержится 37-55%, а чаще 37—40% Fe. Они характеризуются повышенным содержанием фосфора (0,5— 1,5 %), иногда в них присутствует в небольшом количестве ванадий (0,03-0,06%).

Бурый железняк наиболее распространен в земной коре. Обычно он беден и влажен, к тому же трудно поддается обогащению, поэтому его используют сравнительно в небольшом количестве.

Карбонат железа представлен в руде минералом сидеритом. Руды, содержащие в основном сидерит, называют шпатовыми железняками. Они обычно встречаются в виде плотных и крепких горных пород или глинистых железняков. В шпатовых железняках содержится 30—40% железа.

Промышлекно используемым является также минерал ильменит FeTi0₃, встречающийся в сочетании с магнетитом. Руды, в которых преобладает ильменит, называются титаномагнети-тами.

Примеси железных руд

Кроме указанных соединений железа, в рудах присутствуют различные примеси (тоже в виде соединений), которые в зависимости от вида плавки могут быть полезными и вредными.

К вредным примесям относят серу, цинк и мышьяк. Сера вызывает красноломкость стали, а процесс ее удаления в доменном и сталеплавильном производствах связан с ухудшением технико-экономических показателей. Правда, серу можно легко удалить из руд окислительным обжигом и агломерацией.

Цинк, хохя и не переходит в чугун, но возгоняется и, проникая в швы кладки, приводит к ее росту и разрыву металлического кожуха доменной печи.

Небольшое количество мышьяка можно удалить из руды при агломерации или лучше при специальном обжиге руды, а при доменной и сталеплавильной плавках он переходит в металл. Мышьяк придает стали хладноломкость и ухудшает ее свариваемость.

Такие примеси, как фосфор, никель, хром и медь, являются полезными при выплавке чугуна некоторых марок, в остальных же случаях их, особенно фосфор и медь, относят к вредным примесям. Фосфор вызывает хладноломкость стали,

его необходимо удалять при переработке чугуна в сталеплавильных печах.

Ванадий и титан— полезные примеси.

Пустая порода руд в основном состоит из Si0₂, Al₂0₃, СаО и MgO, которые обычно находятся в виде различных соединений. Для доменной плавки желательно, чтобы отношение (СаО + MgO)/(SiO_z + А1₂О_э) * 1. ^в ^этом случае не требуются флюсы. Такую руду называют самоплавкой, однако встречается она очень редко. Чаще всего указанное отношение значительно менее 1, т.е. пустая порода руд является кислой.

§2. ОСНОВНЫЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД

По запасам железных руд Российская Федерация среди других стран занимает одно из первых мест. Железорудные месторождения неравномерно распределены по территории Российской Федерации и имеют различное промышленное значение.

Европейская часть Российской Федерации

Курская магнитная аномалия (КМА) — крупнейшее месторождение железных руд; балансовые запасы составляют более 42 млрд т, перспективные запасы оцениваются в 200—250 млрд т. КМА расположена на территории Курской, Белгородской, Орловской, Брянской, Калужской и Харьковской областей. Месторождение тянется на северо-запад от Белгорода — Нового Оскола почти на 600 км двумя полосами шириной до 25 км каждая при расстоянии между полосами 50—60 км. Рудное тело залегает на глубине 100—600 м, его толщина достигает 2—3 км и более.

Месторождения КМА представлены богатыми, преимущественно мартито-гематитовыми рудами с содержанием 50—62 % Fe и бедными железистыми кварцитами, в основном магнети-товыми, содержащими 35—40 % Fe. Руды, как правило, чистые по фосфору (0,02—0,09%) и содержат 0,1—0,6% серы. Характерной особенностью руд КМА является повышенное содержание глинозема. Отношение кремнезема к глинозему составляет 2,3—3,6. Богатые руды КМА легко восстановимы, а магнетитовые железистые кварциты легко обогащаются методом магнитной сепарации.

Первый керн руды КМА получен в 1923 г., однако промышленное освоение бассейна началось лишь в 1954 г. Это связано с тем, что значительная часть богатых руд находится под грунтовыми водами, что район имеет ограниченные ресурсы технической воды и что месторождения находятся в районе богатых черноземом сельскохозяйственных угодий. Наиболее благоприятны для разработки горно-технические условия залегания руд Старо-Оскольского и Курско-Орловского районов. Здесь эксплуатируются Лебединское, Стойленское и Михай-ловское месторождения богатых руд и Коробковское, Лебединское и Михайлове-кое месторождения железистых кварцитов.

В ближайшие годы намечено освоение наиболее богатого в КМА Яковлевского месторождения (Белгородская область).

На Севере Европейской части Российской Федерации находятся Оленегорское, Ено-Ковдорское, Костамукшское и Пу-дожгорское месторождения железных руд.

Оленегорское месторождение расположено в Мончегорском районе Мурманской области. Руды представлены в основном магнетитовыми железистыми кварцитами и содержат около 32%Fe. Руды отличаются сравнительно низким содержанием фосфора (< 0,08 %) и серы (< 0,045 %). Пустая порода -кислая с преобладанием кремнезема (42—44 %). Месторождение разрабатывается с 1955 г. открытым способом. Общие балансовые запасы составляют около 0,6 млрд т.

Ено-Ковдорское месторождение находится в Кировском районе Мурманской области. Месторождение представлено в основном вкрапленными апатито-магнетитовыми рудами с содержанием железа в среднем около 30 %. Руды характеризуются высоким содержанием фосфора (1,7—4,0 %), основной пустой породой (11—17 % оксида кальция и 12—16 % магнезии). Содержание серы в сырой руде составляет 0,15—0,20 %. Запасы месторождения составляют около 0,5 млрд т. Месторождение разрабатывается с 1962 г.

Костамукшское месторождение, расположенное в Карелии, представлено в основном магнетитовыми железистыми кварцитами с содержанием 30—35 % Fe, около 0,07 % Р и 0,2 % S. Пустая порода — кислая с преобладанием кремнезема (40-41%).

Балансовые запасы составляют около 1,2 млрд т.

Пудожгорское месторождение расположено в Карелии на берегу Онежского озера. Руды — титаномагнетитовые с содержанием 22—30 % Fe, 0,10 % Р, 0,12 % S, а также небольшого количества кобальта и меди.

Балансовые запасы равны около 1,2 млрд т.

Урал

Балансовые запасы железных руд Урала составляют около 15 млрд т, в том числе 8,4 млрд т промышленных запасов.

Около 80% запасов приходится на Качканарский железорудный район. Месторождения этого района разрабатываются с 1963 г. Все остальные месторождения Урала давно и интенсивно разрабатываются и, кроме Бакальского, имеют ограниченные запасы.

Качканарское месторождение обладает огромными запасами бедных титано-магнетитовых руд с содержанием 16—17 % Fe. Достоинствами этих руд являются высокая основность [(СаО + MgO): (Si0₂ + А1₂О_э) = 0,7-0,75] их пустой породы, легкая обогатимость и присутствие в них ванадия. Месторождение разрабатывают открытым способом. Руды обогащают методом магнитной сепарации и получают концентрат, содержащий 63 % Fe и 0,35 % V. После переработки ванадиевого чугуна в кислородно-конвертерном цехе шлак используют для производства феррованадия. Балансовые запасы превышают 12 млрд. т.

На северном Урале расположены небольшие месторождения Серовско-Ивдельского района.

Из разрабатываемых в настоящее время следует указать Полуночное, Марсят-ское и Богословское месторождения.

Руды, в основном, магнетитовые с включением бурых железняков; содержание железа в руде Полуночного месторождения составляет 47, Марсятского 30, Богословского 34—39 %. Общие запасы не превышают 250 млн т.

В центральной части Урала находятся многочисленные относительно, небольшие месторождения Тагило-Кувшинского железорудного района с общими промышленными запасами около 0,4 млрд. т. Руды, в основном, магнетитовые и полумартито-вые с содержанием 32—59 % Fe. Бедные магнетитовые руды отличаются высоким содержанием серы (0,4—1,8 %). Как для магнетитовых, так и для богатых мартитовых руд характерно повышенное содержание оксида марганца и глинозема. Отношение кремнезема к глинозему меньше двух. Разработку ведут на Высокогорском и Гороблагодатском месторождениях.

Бакальское месторождение, расположенное вблизи г. Златоуста, состоит примерно на 85 % из сидеритов, содержащих около 32 % Fe, около 0,02 % Р и до 0,5—0,6 % S. Пустая порода — основная с содержанием до 10—11 % MgO. Около 15 % руд составляют бурые железняки, содержащие 47%Fe, 0,04-0,05 %S и 0,02-0,04 % Р; пустая порода кислая. Бакальские руды содержат повышенное (1,5—1,7 %) количество МпО. Разработку руд ведут открытым способом. Балансовые запасы составляют более 1 млрд. т.

Орско-Халиловский железорудный район включает месторождения бурых хромоникелевых железняков с содержанием железа 30—36 %, хрома 1,0-1,5 %. Наиболее крупные месторождения — Аккермановское и Ново-Киевское. Добываемые руды используют без обогащения. Балансовые запасы ~ 340 млн т.

Магнитогорское месторождение (г. Магнитная) магнетитовых и мартитовых руд получило известность, так как послужило рудной базой для создания Магнитогорского металлургического комбината. Разрабатываемое с 1932 г. месторождение в настоящее время в значительной мере исчерпано.

Сибирь и Дальний Восток

Балансовые запасы железных руд Сибири и Дальнего Востока составляют около 8,4 млрд т, в том числе промышленных категорий 5,7 млрд т. Потенциальные ресурсы этих районов не исчерпываются указанными запасами, выявленными неполно даже в пределах наиболее обжитой территории, и по мере открытия постепенно увеличиваются. Наиболее полно изучены железорудные районы Западной Сибири. К ним относят Горную Шорию, Горный Алтай и Кузнецкий Алатау.

Горно-Шорийский железорудный район представлен небольшими месторождениями магнетитовых руд: Таштагольским, Шерегешским, Шалымским, Темирским, Од->а Башским, Казским и др. Содержание железа в рудах колеблется от 40 до 50 %, снижаясь в отдельных случаях до 32—35 %. Большая часть руд является сернистыми с примесью цинка. Пустая порода содержит повышенное количество оснований. Суммарные балансовые запасы составляют около 770 млн т, добычу руды в Горной Шории ведут много лет. Горно-Алтайский железорудный район включает Инское и Белорецкое месторождения магнетитовых руд. Они содержат 35—42 % железа и требуют магнитного обогащения. Балансовые запасы равны ~ 330 млн т. В Восточной Сибири разрабатываемые месторождения расположены в Хакасском и Ангаро-Илимском железорудных районах. В Хакасском районе несколько некрупных месторождений магнетитовых руд, которые содержат 35—45% Fe, 0,67—2,3 % S, 0,10—0,20 % Р. Кроме того в рудах имеются примеси кобальта, а иногда олова и мышьяка. Суммарные балансовые запасы составляют около 0,9 млрд т. Ангаро-Илимский железорудный район (Иркутская область) имеет крупные запасы легкообогатимых магнетитовых руд и отличается благоприятными горно-техническими условиями. Наиболее крупное месторождение — Коршунов-ское, разрабатываемое открытым способом. Руда содержит 30—35 % Fe, 0,26 % Р, около 0,04 % S и повышенное количество MgO (до 10 %). Запасы месторождения равны 0,5 млрд т. В этом же железорудном районе расположены Руд-ногорское, Татьянинскос и Красноярское месторождения. Из них наиболее перспективно Рудногорское, содержащее богатые магнетитовые руды (53% Fe) и бедные вкрапленные магнетитовые руды (38,4% Fe). Они содержат 0,39—0,44% Р и 0,05—0,08% S; пустая порода самоплавкая, т.е. в ней сумма СаО и MgO практически равна сумме кремнезема и глинозема. Балансовые запасы — 0,3 млрд. т.

В Восточной Сибири выявлен и разведан еще ряд железорудных бассейнов, из которых наиболее крупные Ангаро-Питский, Средне-Ангарский, Приаргуньский.

На территории бывшего СССР крупными являются такаже ряд железорудных месторождений Украины и Казахстана. Криворожский железорудный бассейн с промышленными запасами в 18,7 млрдт занимает площадь около 300 км*. Основная масса руд — бедные (~ 35% Fe) железистые кварциты (80% магнетитовых и 20 % гематитовых); имеется также около 1,5 млрд т промышленных запасов богатых (~ 56 % Fe) гематитовых и магнетитовых руд. Большинство руд очень чисты по сере и фосфору. Месторождение разрабатывается более 100 лет.

Керченское месторождение бурых железняков (балансовые запасы около 2 млрд т) с содержанием 30—40 % Fe отличается повышенным содержанием марганца, фосфора (0,6—1,1%) и наличием мышьяка (0,07—0,13%).

В Кустанайской области расположены разрабатываемые Соколовское, Сарбайское и Канарское месторождения магнетитовых руд (балансовые запасы 4 млрдт), содержащих 43—48 % Fe и зачастую до 1—4 % S. Кустанайская группа месторождений бурых железняков (балансовые запасы 9,8млрдт) представлена Аятским и разрабатываемым Лиса-ковским месторождениями. Руды содержат 35—38 % Fe и до 0,5% Р.

МАРГАНЦЕВЫЕ РУДЫ

Марганцевые руды применяют в основном для выплавки ферросплавов, содержащих 10—82 % Мп, И иногда добавляют в шихту доменной плавки при выплавке передельных чугунов для получения в них повышенного (до 0,6—0,8 %) содержания марганца.

Минералы, образующие руды марганца, немногочисленны, хотя марганец входит в состав большого количества природных соединений. Марганцевые руды промышленных типов можно подразделить на четыре разновидноости: а) оксидные руды, представляющие минералы — пиролюзит (Мп0₂), браунит (Мп₂О_э), псиломелан (mMn0₂ ■ МпО + Н₂0), гаусманит (Мп₃0₄), манганит (Мп₂О_э ■ Н₂0); б) карбонатные руды, содержащие марганцевый шпат или родохрозит (МпС0₃);

в) силикатные руды, содержащие родонит (MnSi0₃);

г) окисленные руды, представляющие продукт окисления кар
бонатных и силикатных руд.

Содержание марганца в этих минералах составляет от 41,9 до 72,1 %. Однако в добываемых марганцевых рудах из-за примесей содержание марганца составляет 20—45 и редко 50—57 %. Пустая порода по своему составу аналогична железным рудам и в основном представлена кремнеземом и в меньшей степени глиноземом. Известковая пустая порода встречается довольно редко.

Добываемые марганцевые руды обычно подвергают промывке или гравитационно-магнитному обогащению с получением концентратов, содержащих 40-56 % марганца.

В зависимости от области потребления к марганцевым рудам и концентратам предъявляют определенные требования по химическому составу и физическим свойствам.

Желательно, чтобы в марганцевой руде было много марганца и мало фосфора. Так, для выплавки ферросплавов фосфора не должно быть более 0,2%. В рудах, предназначенных для выплавки передельного чугуна, фосфора может быть 0,6 % и даже более. Если руда предназначена для выплавки богатого ферромарганца, то для обеспечения высокого содержания марганца в сплаве необходимо, чтобы железа в ней было не более 4—6 %.

Марганцевые руды в Российской Федерации до последнего времени не добывали, а потребности всей металлургии Советского Союза в этих рудах удовлетворялись за счет разработки крупных Никопольского (Украина) и Чиатурского (Грузия) месторождений. Теперь, чтобы уменьшить зависимость России от внешних поставщиков, решено начать разработку собственных относительно некрупных месторождений марганцевых руд. Основные месторождения марганцевых руд Российской Федерации: Усинское (Кемеровская обл.) с запасами 98,5 млн т; открытое в 1987 г. Парнокское с запасами около 20 млн т; группа месторождений Северного Урала — 40 млн т; Аккермановское (Южный Урал) — 5,7 млн т.