Железная руда -Iron ore

Гематит: основная железная руда на бразильских рудниках.
Запасы железорудных окатышей, подобные этому, используются в производстве стали .
Разгрузка железной руды в доках Толедо, штат Огайо.

Железные руды — это горные породы и минералы , из которых можно экономически выгодно извлечь металлическое железо . Руды обычно богаты оксидами железа и различаются по цвету от темно-серого, ярко-желтого или темно-фиолетового до ржаво-красного. Железо обычно находится в форме магнетита ( Fe
3
О
4
, 72,4% Fe), гематит ( Fe
2
О
3
, 69,9 % Fe), гетит ( FeO(OH) , 62,9 % Fe), лимонит ( FeO(OH)·n(H 2 O) , 55 % Fe) или сидерит ( FeCO 3 , 48,2 % Fe).

Руды, содержащие очень большое количество гематита или магнетита (более 60% железа), известны как «природная руда» или «руда для прямой доставки», что означает, что их можно подавать непосредственно в доменные печи для производства чугуна . Железная руда — это сырье, используемое для производства чугуна , который является одним из основных сырьевых материалов для производства стали — 98% добытой железной руды используется для производства стали. В 2011 году Financial Times процитировала Кристофера Лафемину, аналитика по горному делу в Barclays Capital, который сказал, что железная руда «более неотъемлемая часть мировой экономики , чем любой другой товар, за исключением, пожалуй, нефти ».

Источники

Металлическое железо практически неизвестно на поверхности Земли , за исключением сплавов железа и никеля из метеоритов и очень редких форм ксенолитов глубокой мантии . Считается, что некоторые железные метеориты образовались из сросшихся тел диаметром 1000 км и более. коллапсировать или взрываться как сверхновые . Хотя железо является четвертым по распространенности элементом в земной коре , составляя около 5%, подавляющее большинство связано с силикатными или, реже , карбонатными минералами (для получения дополнительной информации см. Цикл железа ). Термодинамические барьеры для отделения чистого железа от этих минералов огромны и энергоемки; поэтому все источники железа, используемые в человеческой промышленности, используют сравнительно более редкие минералы оксида железа , в первую очередь гематит .

До промышленной революции большая часть железа была получена из широко доступных гетита или болотной руды , например, во время американской революции и наполеоновских войн . Доисторические общества использовали латерит в качестве источника железной руды. Исторически сложилось так, что большая часть железной руды, используемой промышленно развитыми обществами, добывалась преимущественно из месторождений гематита с содержанием железа около 70%. Эти месторождения обычно называют «рудами прямой доставки» или «природными рудами». Увеличение спроса на железную руду в сочетании с истощением богатых гематитовых руд в Соединенных Штатах привело после Второй мировой войны к развитию источников железной руды с более низким содержанием, в основном к использованию магнетита и таконита .

Методы добычи железной руды зависят от типа добываемой руды. В настоящее время разрабатываются четыре основных типа месторождений железной руды, в зависимости от минералогии и геологии рудных месторождений. Это месторождения магнетита, титаномагнетита , массивного гематита и пизолитового железняка.

Полосчатые железные образования

Каменная порода возрастом 2,1 миллиарда лет с полосчатым железным образованием.
Обработанные гранулы таконита с красноватым окислением поверхности, используемые в сталелитейной промышленности, с четвертью США (диаметр: 24 мм [0,94 дюйма]), показанной для масштаба.

Полосчатые железные образования (BIF) представляют собой осадочные породы , содержащие более 15% железа, состоящие преимущественно из тонкослоистых минералов железа и кремнезема (в виде кварца ). Полосчатые образования железа встречаются исключительно в докембрийских породах и обычно метаморфизованы от слабой до интенсивной . Полосчатые образования железа могут содержать железо в карбонатах ( сидерит или анкерит ) или силикатах ( миннесотаит , греналит или грюнерит ), но в тех, которые добываются в виде железных руд, оксиды ( магнетит или гематит ) являются основным минералом железа. Полосчатые железные образования известны в Северной Америке как такониты .

Добыча включает в себя перемещение огромного количества руды и отходов. Отходы бывают двух видов: нерудная коренная порода в руднике ( вскрышная или межпородная порода, известная в местном масштабе как муллок) и нежелательные минералы, которые являются неотъемлемой частью самой рудной породы ( пустая порода ). Муллок добывается и складируется в отвалы , а пустая порода отделяется в процессе обогащения и вывозится в виде хвостов . Таконитовые хвосты в основном представляют собой химически инертный минерал кварц. Этот материал хранится в больших прудах-отстойниках с регулируемой водой.

Магнетитовые руды

Ключевыми параметрами рентабельности магнетитовой руды являются кристалличность магнетита, содержание железа во вмещающей породе пласта полосчатого железа и загрязняющие элементы, присутствующие в магнетитовом концентрате. Размер и коэффициент обнажения большинства ресурсов магнетита не имеют значения, поскольку полосчатая железная формация может иметь толщину в сотни метров, простираться на сотни километров по простиранию и может легко достигать более трех миллиардов или более тонн содержащейся руды.

Типичное содержание железа, при котором образование полосчатого железа, содержащего магнетит, становится рентабельным, составляет примерно 25% железа, что обычно может обеспечить извлечение магнетита от 33% до 40% по весу, чтобы получить концентрат с содержанием железа более 64% за счет масса. Типичный концентрат магнетитовой железной руды содержит менее 0,1% фосфора , 3–7% кремнезема и менее 3% алюминия .

В настоящее время магнетитовая железная руда добывается в Миннесоте и Мичигане в США , Восточной Канаде и Северной Швеции . Магнетитоносная полосчатая железная формация в настоящее время широко добывается в Бразилии , которая экспортирует значительные объемы в Азию , а в Австралии существует зарождающаяся и крупная промышленность по добыче магнетитовой железной руды .

Прямая отгрузка (гематитовых) руд

Месторождения железной руды (DSO) с прямой доставкой (обычно состоящие из гематита ) в настоящее время разрабатываются на всех континентах, кроме Антарктиды , с наибольшей интенсивностью в Южной Америке , Австралии и Азии. Источником большинства крупных месторождений гематитовой железной руды являются измененные полосчатые железные образования и редко магматические скопления.

Месторождения DSO обычно встречаются реже, чем содержащие магнетит BIF или другие породы, которые образуют его основной источник или протолитовую породу, но их добыча и переработка значительно дешевле, поскольку они требуют меньшего обогащения из-за более высокого содержания железа. Однако руды DSO могут содержать значительно более высокие концентрации штрафных элементов, как правило, с более высоким содержанием фосфора, воды (особенно осадочные скопления писолитов ) и алюминия ( глины в писолитах). Экспортные руды DSO обычно имеют содержание Fe 62–64%.

Месторождения магматических магнетитовых руд

Иногда гранитные и ультракалиевые магматические породы выделяют кристаллы магнетита и образуют массы магнетита, пригодные для промышленного обогащения. Несколько месторождений железной руды, особенно в Чили , образовались из вулканических потоков, содержащих значительные скопления вкрапленников магнетита . Чилийские месторождения магнетитовой железной руды в пустыне Атакама также образовали аллювиальные скопления магнетита в ручьях, вытекающих из этих вулканических образований.

Некоторые магнетитовые скарновые и гидротермальные месторождения в прошлом разрабатывались как месторождения высококачественной железной руды, требующие незначительного обогащения . В Малайзии и Индонезии имеется несколько таких месторождений, связанных с гранитом .

Другие источники магнетитовой железной руды включают метаморфические скопления массивной магнетитовой руды, такие как Сэвидж-Ривер , Тасмания , образованные сдвигом офиолитовых ультрамафитов .

Другим, второстепенным источником железных руд являются магматические скопления в расслоенных интрузиях , которые содержат типично титансодержащий магнетит, часто с ванадием . Эти руды образуют нишу на рынке, где для извлечения железа, титана и ванадия используются специальные плавильные заводы. Эти руды обогащаются, по существу, так же, как руды полосчатой ​​железной формации, но обычно их легче обогатить путем дробления и просеивания . Типичное содержание титаномагнетитового концентрата 57% Fe, 12% Ti и 0,5% V.
2
О
5
.

хвостохранилище

На каждую 1 тонну произведенного железорудного концентрата будет выгружено примерно 2,5–3,0 тонны железорудных хвостов . Статистика показывает, что ежегодно выбрасывается 130 миллионов тонн железной руды. Если, например, хвосты рудника содержат в среднем около 11% железа, ежегодно теряется около 1,41 миллиона тонн железа. Эти хвосты также богаты другими полезными металлами, такими как медь , никель и кобальт , и их можно использовать для дорожно-строительных материалов, таких как дорожное покрытие и наполнитель, а также строительных материалов, таких как цемент, низкосортное стекло и стеновые материалы. Хотя хвосты представляют собой руду с относительно низким содержанием, их также недорого собирать, поскольку их не нужно добывать. Из-за этого такие компании, как Magnetation , начали проекты рекультивации, в которых они используют хвосты железной руды в качестве источника металлического железа.

Двумя основными методами переработки железа из железорудных хвостов являются намагничивающий обжиг и прямое восстановление. При намагничивающем обжиге используется температура от 700 до 900 °C в течение времени менее 1 часа для получения концентрата железа (Fe 3 O 4 ), используемого для плавки железа. Для намагничивающего обжига важно иметь восстановительную атмосферу, чтобы предотвратить окисление и образование Fe 2 O 3 , потому что его труднее отделить, поскольку он менее магнитен. При прямом восстановлении используются более высокие температуры, превышающие 1000 ° C, и более длительное время 2–5 часов. Прямое восстановление используется для производства губчатого железа (Fe), используемого для производства стали. Прямое восстановление требует больше энергии, так как температура выше и время больше, и для него требуется больше восстановителя, чем для намагничивания.

Добыча

Источники железной руды с более низким содержанием обычно требуют обогащения с использованием таких методов, как дробление, измельчение , гравитационное или тяжелое разделение , просеивание и флотация кремнеземной пены для повышения концентрации руды и удаления примесей. В результате получается высококачественный мелкодисперсный рудный порошок, известный как мелочь.

Магнетит

Магнетит является магнитным и, следовательно, легко отделяется от пустой породы и позволяет производить высококачественный концентрат с очень низким уровнем примесей.

Размер зерен магнетита и степень его смешивания с основной массой кремнезема определяют размер помола, до которого необходимо измельчить породу, чтобы обеспечить эффективную магнитную сепарацию и получить магнетитовый концентрат высокой чистоты. Это определяет затраты энергии, необходимые для выполнения операции фрезерования.

Добыча пластов полосчатого железа включает грубое дробление и просеивание с последующим грубым дроблением и тонким измельчением для измельчения руды до такой степени, что кристаллизованный магнетит и кварц достаточно мелки, чтобы кварц оставался после прохождения полученного порошка через магнитный сепаратор. .

Как правило, для получения магнетитового концентрата с низким содержанием кремнезема большинство отложений железа с полосами магнетита необходимо измельчать до размеров от 32 до 45 микрометров. Марки магнетитового концентрата, как правило, содержат более 70% железа по весу и обычно имеют низкое содержание фосфора, алюминия, титана и кремнезема и требуют более высокой цены.

Гематит

Из- за высокой плотности гематита относительно связанной с ним силикатной пустой породы обогащение гематита обычно включает комбинацию методов обогащения.

Один метод основан на пропускании мелкоизмельченной руды над суспензией, содержащей магнетит или другой агент, такой как ферросилиций , который увеличивает ее плотность. Когда плотность суспензии правильно откалибрована, гематит опустится, а фрагменты силикатного минерала всплывут и их можно будет удалить.

Производство и потребление

Эволюция качества добываемой железной руды в разных странах (Канада, Китай, Австралия, Бразилия, США, Швеция, СССР-Россия, мир). Недавнее падение мирового качества руды связано с большим потреблением низкосортной китайской руды. Американская руда очищается от 61% до 64% ​​перед продажей.
Производство полезной железной руды в миллионах метрических тонн за 2015 г. Оценки добычи рудника для Китая оцениваются на основе статистики сырой руды Национального бюро статистики Китая, а не пригодной для использования руды, как сообщается для других стран.
Страна Производство
Австралия 817
Бразилия 397
Китай 375*
Индия 156
Россия 101
Южная Африка 73
Украина 67
Соединенные Штаты 46
Канада 46
Иран 27
Швеция 25
Казахстан 21
Другие страны 132
Общий мир 2280

Железо является наиболее часто используемым металлом в мире, сталь, из которой железная руда является ключевым компонентом, что составляет почти 95% всего металла, используемого в год. Он используется в основном в конструкциях, кораблях, автомобилях и машинах.

Породы, богатые железом, широко распространены во всем мире, но добыча полезных ископаемых доминирует в странах, перечисленных в таблице. Основным экономическим ограничением для месторождений железной руды не обязательно является качество или размер месторождений, потому что геологически несложно доказать существование достаточного тоннажа горных пород. Основным ограничением является положение железной руды по отношению к рынку, стоимость железнодорожной инфраструктуры для доставки ее на рынок и стоимость энергии, необходимой для этого.

Добыча железной руды — это крупномасштабный и низкорентабельный бизнес, поскольку стоимость железа значительно ниже, чем стоимость неблагородных металлов. Это очень капиталоемкий процесс и требует значительных инвестиций в инфраструктуру, такую ​​как железная дорога, для транспортировки руды из шахты на грузовое судно. По этим причинам добыча железной руды сосредоточена в руках нескольких крупных игроков.

Мировое производство в среднем составляет два миллиарда метрических тонн сырой руды в год. Крупнейшим в мире производителем железной руды является бразильская горнодобывающая корпорация Vale , за ней следуют австралийские компании Rio Tinto Group и BHP . Еще один австралийский поставщик, Fortescue Metals Group Ltd, помог вывести австралийское производство на первое место в мире.

Морские перевозки железной руды, то есть железной руды, предназначенной для отправки в другие страны, в 2004 г. составили 849 миллионов тонн. В морских перевозках доминируют Австралия и Бразилия, на долю которых приходится 72% рынка. BHP, Rio и Vale контролируют 66% этого рынка между собой.

В Австралии железную руду добывают из трех основных источников: пизолитовая « железная руда канала », образованная механической эрозией первичных пластов полосчатого железа и накопленная в аллювиальных каналах, таких как Паннавоника, Западная Австралия ; и преобладающие метасоматически измененные полосчатые железные руды, связанные с формацией, такие как Ньюман , Чичестерский хребет , Хамерсли-Рейндж и Куляноббинг , Западная Австралия . В последнее время на передний план выходят другие типы руд, такие как окисленные железистые твердые покрышки, например месторождения латеритной железной руды возле озера Аргайл в Западной Австралии.

Общие извлекаемые запасы железной руды в Индии составляют около 9 602 млн тонн гематита и 3 408 млн тонн магнетита . Чхаттисгарх , Мадхья-Прадеш , Карнатака , Джаркханд , Одиша , Гоа , Махараштра , Андхра-Прадеш , Керала , Раджастхан и Тамил Наду являются основными производителями железной руды в Индии. Мировое потребление железной руды растет в среднем на 10% в год, при этом основными потребителями являются Китай, Япония, Корея, США и Европейский Союз.

В настоящее время Китай является крупнейшим потребителем железной руды, что означает, что он является крупнейшей страной-производителем стали в мире. Он также является крупнейшим импортером, покупая 52% морской торговли железной рудой в 2004 году. За Китаем следуют Япония и Корея, которые потребляют значительное количество сырой железной руды и металлургического угля . В 2006 г. в Китае было произведено 588 млн т железной руды с годовым приростом в 38%.

Рынок железной руды

Цены на железную руду (ежемесячно)
  Спотовая цена на импорт/ввоз железной руды в Китай
  Мировая цена на железную руду
Цены на железную руду (ежедневно)
25 октября 2010 г. - 4 августа 2022 г.

За последние 40 лет цены на железную руду определялись в ходе переговоров за закрытыми дверями между небольшой горсткой горняков и производителей стали , которые доминируют как на спотовом, так и на контрактном рынках. Традиционно первая сделка, заключенная между этими двумя группами, устанавливает ориентир , которому должна следовать остальная часть отрасли.

Однако в последние годы эта эталонная система начала давать сбои, поскольку участники как цепочки спроса, так и цепочки поставок призывают к переходу на краткосрочное ценообразование. Учитывая, что большинство других сырьевых товаров уже имеют развитую рыночную систему ценообразования, вполне естественно, что железная руда последуют их примеру. Чтобы удовлетворить растущий спрос рынка на более прозрачное ценообразование, ряд финансовых бирж и/или клиринговых палат по всему миру предложили клиринг по свопам на железную руду. Группа CME, SGX (Сингапурская биржа), Лондонская клиринговая палата (LCH.Clearnet), NOS Group и ICEX (Индийская товарная биржа) предлагают клиринговые свопы на основе данных о сделках с железной рудой The Steel Index (TSI). CME также предлагает своп на основе Platts в дополнение к клирингу свопов TSI. ICE (Intercontinental Exchange) также предлагает услугу клиринга свопов на базе Platts. Рынок свопов быстро рос, а ликвидность концентрировалась вокруг ценообразования TSI. К апрелю 2011 года свопы на железную руду на сумму более 5,5 миллиардов долларов США были очищены на основе цен TSI. К августу 2012 года на основе TSI регулярно совершались сделки по свопам на сумму более одного миллиона тонн в день.

Относительно новой разработкой также стало введение опционов на железную руду в дополнение к свопам. Группа CME была местом, наиболее часто используемым для клиринга опционов, выписанных против TSI, с открытым спросом на более чем 12 000 лотов в августе 2012 года.

Сингапурская товарная биржа (SMX) запустила первый в мире глобальный фьючерсный контракт на железную руду на основе индекса железной руды Metal Bulletin (MBIOI), который использует ежедневные данные о ценах от широкого круга участников отрасли и независимой китайской консалтинговой компании по производству стали и поставщика данных Shanghai Steelhome's. обширная база контактов производителей стали и трейдеров железной руды по всему Китаю. Ежемесячные объемы фьючерсного контракта превысили 1,5 миллиона тонн после восьми месяцев торгов.

Этот шаг последовал за переходом трех крупнейших в мире компаний по добыче железной руды — Vale , Rio Tinto и BHP — на ежеквартальное ценообразование на основе индексов в начале 2010 года, что нарушило 40-летнюю традицию эталонного годового ценообразования.

Численность по странам

Доступные мировые ресурсы железной руды

Железо является самым распространенным элементом на Земле, но не в земной коре. Объем доступных запасов железной руды неизвестен, хотя Лестер Браун из Worldwatch Institute предположил в 2006 году, что железная руда может закончиться в течение 64 лет (то есть к 2070 году), исходя из роста спроса на 2% в год.

Австралия

Geoscience Australia подсчитала, что « экономические подтвержденные ресурсы » железа в стране в настоящее время составляют 24 гигатонны , или 24 миллиарда тонн. По другой оценке, запасы железной руды в Австралии составляют 52 миллиарда тонн, или 30 процентов от предполагаемых мировых запасов в 170 миллиардов тонн, из которых на Западную Австралию приходится 28 миллиардов тонн. Текущий уровень добычи в регионе Пилбара в Западной Австралии составляет примерно 430 миллионов тонн в год и продолжает расти. Гэвин Мадд ( Университет RMIT ) и Джонатон Лоу ( CSIRO ) ожидают, что он исчезнет через 30–50 и 56 лет соответственно. Эти оценки за 2010 год требуют постоянного пересмотра, чтобы учесть изменяющийся спрос на железную руду с более низким содержанием и совершенствование методов добычи и извлечения (что позволяет вести более глубокую добычу ниже уровня грунтовых вод).

Соединенные Штаты

В 2014 году на рудниках в США было добыто 57,5 ​​млн метрических тонн железной руды оценочной стоимостью 5,1 млрд долларов. По оценкам, на добычу железа в Соединенных Штатах приходится 2% мирового производства железной руды. В Соединенных Штатах есть двенадцать шахт по добыче железной руды, девять из которых являются открытыми , а три - мелиоративными. В 2014 году также работали десять заводов по производству окатышей, девять обогатительных заводов, два завода по производству железа прямого восстановления (DRI) и один завод по производству железных гранул. В Соединенных Штатах большая часть добычи железной руды приходится на железные рудники вокруг озера Верхнее . Эти месторождения железа находятся в Миннесоте и Мичигане, на долю которых в 2014 году в совокупности приходилось 93% пригодной для использования железной руды, добытой в Соединенных Штатах. Семь из девяти действующих карьеров в Соединенных Штатах расположены в Миннесоте, а также два из трех операции по рекультивации хвостов. Два других действующих карьера находились в Мичигане , в 2016 году один из двух рудников был закрыт. Также были шахты по добыче железной руды в Юте и Алабаме ; однако последний железорудный рудник в Юте был закрыт в 2014 году, а последний железорудный рудник в Алабаме - в 1975 году.

Канада

В 2017 году канадские железорудные рудники произвели 49 миллионов тонн железной руды в виде окатышей и 13,6 миллиона тонн сырой стали. Из 13,6 млн тонн стали было экспортировано 7 млн ​​и 43,1 млн тонн железной руды на сумму 4,6 млрд долларов. Из экспортируемой железной руды 38,5% объема составляли железорудные окатыши стоимостью 2,3 миллиарда долларов, а 61,5% - железорудные концентраты стоимостью 2,3 миллиарда долларов. Сорок шесть процентов железной руды Канады поступает из шахты Iron Ore Company of Canada в Лабрадор-Сити , Ньюфаундленд , с вторичными источниками, включая шахту Мэри-Ривер , Нунавут .

Бразилия

Бразилия является вторым по величине производителем железной руды после Австралии . В 2015 году Бразилия экспортировала 397 миллионов тонн полезной железной руды. В декабре 2017 года Бразилия экспортировала 346 497 метрических тонн железной руды, а с декабря 2007 года по май 2018 года они экспортировали в среднем 139 299 метрических тонн в месяц.

Украина

Согласно отчету Геологической службы США за 2021 год о железной руде, Украина, по оценкам, произвела 62 миллиона тонн железной руды в 2020 году (2019 год: 63 миллиона тонн), что ставит ее на седьмое место в мире по добыче железной руды после Австралии. Бразилия, Китай, Индия, Россия и Южная Африка. К производителям железной руды в Украине относятся: Феррэкспо , Метинвест и АрселорМиттал Кривой Рог .

Индия

Согласно отчету Геологической службы США за 2021 год о железной руде, Индия, по оценкам, произведет 59 миллионов тонн железной руды в 2020 году (2019 год: 52 миллиона тонн), что ставит ее на седьмое место в мире по добыче железной руды после Австралии и Бразилии. , Китай, Россия и Южная Африка и Украина.

Плавка

Железные руды состоят из атомов кислорода и железа, связанных вместе в молекулы. Чтобы превратить его в металлическое железо, его необходимо переплавить или подвергнуть процессу прямого восстановления для удаления кислорода. Связи кислород-железо прочны, и чтобы удалить железо из кислорода, должна быть представлена ​​более прочная элементарная связь для присоединения к кислороду. Углерод используется потому, что прочность связи углерод-кислород выше, чем прочность связи железо-кислород при высоких температурах. Таким образом, железная руда должна быть измельчена в порошок и смешана с коксом для сжигания в процессе плавки.

Угарный газ является основным ингредиентом химического удаления кислорода из железа. Таким образом, плавка железа и углерода должна поддерживаться в состоянии с дефицитом кислорода (восстановительном), чтобы способствовать сжиганию углерода с образованием CO , а не CO .
2
.

  • Воздушное дутье и древесный уголь (кокс): 2 C + O 2 → 2 CO
  • Угарный газ (CO) является основным восстановителем.
    • Первый этап: 3 Fe 2 O 3 + CO → 2 Fe 3 O 4 + CO 2
    • Второй этап: Fe 3 O 4 + CO → 3 FeO + CO 2
    • Третий этап: FeO + CO → Fe + CO 2
  • Обжиг известняка: CaCO 3 → CaO + CO 2
  • Известь в качестве флюса: CaO + SiO 2CaSiO 3

Микроэлементы

Включение даже небольших количеств некоторых элементов может оказать сильное влияние на поведенческие характеристики партии чугуна или работу плавильного завода. Эти эффекты могут быть как хорошими, так и плохими, некоторые катастрофически плохими. Некоторые химические вещества добавляются преднамеренно, например, флюс, который делает доменную печь более эффективной. Другие добавляются потому, что они делают железо более жидким, твердым или придают ему какое-то другое желаемое качество. Выбор руды, топлива и флюса определяет поведение шлака и эксплуатационные характеристики производимого чугуна. В идеале железная руда содержит только железо и кислород. На самом деле это бывает редко. Как правило, железная руда содержит множество элементов, которые часто нежелательны для современной стали.

Кремний

Кремнезем ( SiO
2
) почти всегда присутствует в железной руде. Большая часть его ошлакуется в процессе плавки. При температурах выше 1300 ° C (2370 ° F) некоторые из них восстанавливаются и образуют сплав с железом. Чем горячее печь, тем больше кремния будет в утюге. Нередко можно найти до 1,5% Si в европейском чугуне с 16 по 18 века.

Основное действие кремния заключается в содействии образованию серого чугуна. Серый чугун менее хрупок и легче обрабатывается, чем белый чугун. По этой причине он предпочтительнее для литья. Тернер (1900 , стр. 192–197) сообщил, что кремний также уменьшает усадку и образование пузырей, уменьшая количество некачественных отливок.

Фосфор

Фосфор (P) оказывает четыре основных воздействия на железо: повышение твердости и прочности, снижение температуры солидуса, повышение текучести и хладноломкость. В зависимости от предназначения утюга эти эффекты могут быть хорошими или плохими. Болотная руда часто имеет высокое содержание фосфора ( Гордон 1996 , стр. 57).

Прочность и твердость железа увеличивается с концентрацией фосфора. 0,05% фосфора в кованом железе делает его таким же твердым, как среднеуглеродистая сталь. Железо с высоким содержанием фосфора также можно упрочнить методом холодной ковки. Упрочняющий эффект верен для любой концентрации фосфора. Чем больше фосфора, тем тверже становится железо и тем больше его можно упрочнить ковкой. Современные производители стали могут увеличить твердость на целых 30 % без ущерба для ударопрочности, поддерживая уровень фосфора в диапазоне от 0,07 до 0,12 %. Он также увеличивает глубину закалки за счет закалки, но одновременно снижает и растворимость углерода в железе при высоких температурах. Это уменьшит его полезность при производстве черновой стали (цементация), где скорость и количество поглощения углерода являются первостепенными соображениями.

Добавление фосфора имеет обратную сторону. При концентрациях выше 0,2% железо становится все более холодным или хрупким при низких температурах. Холодная короткая стрижка особенно важна для грифового железа. Хотя прутковый металл обычно обрабатывается горячим, для его использования часто требуется, чтобы он был прочным, гибким и устойчивым к ударам при комнатной температуре. Гвоздь, который разбился при ударе молотком, или колесо телеги, которое сломалось при ударе о камень, плохо продавались. Достаточно высокая концентрация фосфора делает любое железо непригодным для использования . Таким образом, кусок железа, прекрасно исправный летом, зимой может стать чрезвычайно хрупким. Есть некоторые свидетельства того, что в Средние века очень богатые могли иметь меч с высоким содержанием фосфора для лета и меч с низким содержанием фосфора для зимы ( Rostoker & Bronson 1990 , стр. 22).

Тщательный контроль содержания фосфора может принести большую пользу при литье. Фосфор снижает температуру ликвидуса, позволяя железу дольше оставаться в расплавленном состоянии и повышая текучесть. Добавление 1% может удвоить расстояние, на которое будет течь расплавленное железо ( Ростокер и Бронсон, 1990 , стр. 22). Максимальный эффект, около 500 °C, достигается при концентрации 10,2% ( Rostocker & Bronson 1990 , стр. 194) . Для литейных работ Тернер ( Turner 1900 ) считал, что идеальное железо должно содержать 0,2–0,55% фосфора. В результате формы, заполненные железом, имели меньше пустот, а также меньше давали усадку. В 19 веке некоторые производители декоративного чугуна использовали железо с содержанием фосфора до 5%. Чрезвычайная текучесть позволяла им делать очень сложные и тонкие отливки. Но они не могли нести вес, так как не имели силы ( Тернер 1900 , стр. 202–204).

Есть два средства от железа с высоким содержанием фосфора. Самый старый, самый простой и дешевый — избегание. Если бы железо, которое производилось из руды, было бы холодным, нужно было бы искать новый источник железной руды. Второй метод включает окисление фосфора в процессе рафинирования добавлением оксида железа. Этот метод обычно ассоциируется с лужением в 19 веке и, возможно, не был понят ранее. Например, Исаак Зейн, владелец Marlboro Iron Works, казалось, не знал об этом в 1772 году. Учитывая репутацию Зейна как человека, который был в курсе последних событий, эта техника, вероятно, была неизвестна мастерам по производству железа из Вирджинии и Пенсильвании .

Фосфор обычно считается вредным загрязнителем, поскольку он делает сталь хрупкой даже при концентрации всего 0,6%. Когда в 1870-х годах процесс Гилкриста-Томаса позволил удалить большие количества этого элемента из чугуна, это стало важным событием, поскольку большая часть железных руд, добываемых в континентальной Европе в то время, была фосфорсодержащей. Однако удаление всех загрязнителей флюсованием или плавлением затруднено, и поэтому желательные железные руды должны изначально иметь низкое содержание фосфора.

Алюминий

Небольшие количества алюминия (Al) присутствуют во многих рудах, включая железную руду, песок и некоторые известняки. Первый можно удалить путем промывки руды перед плавкой. До введения печей с кирпичной футеровкой количество загрязнений алюминием было достаточно небольшим, чтобы оно не влияло ни на железо, ни на шлак. Однако, когда кирпич стал использоваться для горнов и внутреннего пространства доменных печей, количество загрязнений алюминием резко возросло. Это произошло из-за эрозии футеровки печи жидким шлаком.

Алюминий трудно восстановить. В результате загрязнение железа алюминием не является проблемой. Однако это увеличивает вязкость шлака. Като и Минова 1969 , с. 37 Розенквист 1983 , с. 311 Это будет иметь ряд неблагоприятных последствий для работы печи. Более густой шлак замедлит опускание шихты, продлевая процесс. Высокое содержание алюминия также затрудняет выпуск жидкого шлака. В крайнем случае это может привести к замерзанию печи.

Существует ряд решений для шлака с высоким содержанием алюминия. Первый — избегание; не используйте руду или источник извести с высоким содержанием алюминия. Увеличение доли известкового флюса снизит вязкость ( Rosenqvist 1983 , стр. 311).

Сера

Сера (S) является частым загрязнителем угля. Он также присутствует в небольших количествах во многих рудах, но его можно удалить прокаливанием . Сера легко растворяется как в жидком, так и в твердом железе при температурах плавки чугуна. Последствия даже небольшого количества серы немедленны и серьезны. Они были одними из первых, разработанных металлургами. Сера делает железо красным или горячим ( Гордон 1996 , стр. 7).

Горячее короткое железо становится хрупким в горячем состоянии. Это была серьезная проблема, поскольку большая часть железа, использовавшегося в 17 и 18 веках, была прутком или кованым железом. Кованое железо формуют многократными ударами молота в горячем состоянии. Кусок горячего короткого железа треснет, если его обработать молотком. Когда кусок горячего железа или стали трескается, открытая поверхность немедленно окисляется. Этот слой оксида препятствует заделыванию трещины сваркой. Большие трещины вызывают разрушение железа или стали. Небольшие трещины могут привести к выходу объекта из строя во время использования. Степень резкости прямо пропорциональна количеству присутствующей серы. Сегодня железо с содержанием серы более 0,03% избегают.

Горячее короткое железо можно обрабатывать, но оно должно работать при низких температурах. Работа при более низких температурах требует от кузнеца или кузнеца больших физических усилий. Для достижения того же результата по металлу нужно ударять чаще и сильнее. Пруток, слегка загрязненный серой, можно обрабатывать, но это требует гораздо больше времени и усилий.

В чугуне сера способствует образованию белого чугуна. Всего 0,5% может нейтрализовать эффекты медленного охлаждения и высокого содержания кремния ( Ростокер и Бронсон, 1990 , стр. 21). Белый чугун более хрупок, но и тверже. Его обычно избегают, потому что с ним трудно работать, за исключением Китая, где чугун с высоким содержанием серы, некоторые из которых достигают 0,57%, сделанный из угля и кокса, использовался для изготовления колоколов и курантов ( Ростокер, Бронсон и Дворак 1984 , стр. 760) Согласно Тернеру (1900 , стр. 200), в хорошем литейном чугуне должно быть менее 0,15% серы. В остальном мире чугун с высоким содержанием серы можно использовать для изготовления отливок, но из него получится плохое кованое железо.

Существует ряд средств от загрязнения серой. Первый и наиболее часто используемый в исторических и доисторических операциях — уклонение. Уголь не использовался в Европе (в отличие от Китая) в качестве топлива для плавки, потому что он содержит серу и, следовательно, вызывает горячее короткое железо. Если руда приводила к горячему короткому металлу, мастера железа искали другую руду. Когда минеральный уголь был впервые использован в европейских доменных печах в 1709 году (или, возможно, раньше), он был коксован . Только с введением горячего дутья в 1829 году стал использоваться сырой уголь.

Обжиг руды

Серу можно удалить из руд путем обжига и промывки. При обжиге сера окисляется с образованием диоксида серы (SO 2 ), который либо выбрасывается в атмосферу, либо может быть вымыт. В теплом климате пиритную руду можно оставить под дождем. Совместное действие дождя, бактерий и тепла окисляет сульфиды до серной кислоты и сульфатов , которые растворяются в воде и выщелачиваются ( Turner 1900 , стр. 77). Однако исторически (по крайней мере) сульфид железа (железный пирит FeS
2
), хотя и является обычным минералом железа, не использовался в качестве руды для производства металлического железа. Естественное выветривание также использовалось в Швеции. Тот же процесс с геологической скоростью приводит к образованию госсан - лимонитовых руд.

Важность, придаваемая низкосернистому железу, подтверждается постоянно более высокими ценами на железо в Швеции, России и Испании с 16 по 18 века. Сегодня сера больше не проблема. Современным средством является добавление марганца . Но оператор должен знать, сколько серы содержится в железе, потому что для его нейтрализации необходимо добавить как минимум в пять раз больше марганца. Некоторые старые утюги содержат марганец, но большинство из них значительно ниже уровня, необходимого для нейтрализации серы ( Rostoker & Bronson 1990 , стр. 21).

Включение сульфидов в виде сульфида марганца (MnS) также может быть причиной серьезных проблем с точечной коррозией в низкокачественной нержавеющей стали , такой как сталь AISI 304 . В окислительных условиях и в присутствии влаги, когда сульфид окисляется, он образует тиосульфат -анионы в качестве промежуточных частиц, и поскольку тиосульфат-анион имеет более высокую эквивалентную электромобильность, чем хлорид -анион, из-за его двойного отрицательного электрического заряда, он способствует росту ямок. Действительно, положительные электрические заряды, создаваемые катионами Fe 2+ , высвобождаемыми в растворе при окислении Fe в анодной зоне внутри ямки, должны быть быстро компенсированы/нейтрализованы отрицательными зарядами, вызванными электрокинетической миграцией анионов в капиллярной ямке. Некоторые из электрохимических процессов, происходящих в капиллярной ямке, такие же, как и при капиллярном электрофорезе . Чем выше скорость электрокинетической миграции анионов, тем выше скорость точечной коррозии. Электрокинетический транспорт ионов внутри ямки может быть лимитирующей стадией скорости роста ямки.

Смотрите также

Цитаты

Общие и цитируемые ссылки

  • Гордон, Роберт Б. (1996). Американский утюг 1607–1900 гг . Издательство Университета Джона Хопкинса.
  • Като, Макото и Сусуму Минова (1969). «Измерение вязкости расплавленного шлака - свойства шлака при повышенной температуре (часть 1)» . Труды Института железа и стали Японии . Токио: Нихон Тэкко Кёкай. 9 : 31–38. doi : 10.2355/isijinternational1966.9.31 .
  • Раманайду, Э. Р. и Уэллс, Массачусетс (2014). 13.13 «Осадочные вмещающие железные руды». В: Holland, HD и Turekian, KK Eds., Трактат по геохимии (второе издание). Оксфорд: Эльзевир. 313–355. doi : 10.1016/B978-0-08-095975-7.01115-3 .
  • Розенквист, Теркель (1983). Принципы добывающей металлургии . Книжная компания McGraw-Hill.
  • Ростокер, Уильям; Бронсон, Беннет (1990). Доиндустриальное железо: его технология и этнология . Археоматериалы Монография №1.
  • Ростокер, Уильям; Бронсон, Беннет; Дворжак, Джеймс (1984). «Чугунные колокола Китая». Технология и культура . Общество истории техники. 25 (4): 750–767. дои : 10.2307/3104621 . JSTOR  3104621 .
  • Тернер, Томас (1900). Металлургия железа (2-е изд.). Чарльз Гриффин и Компания, Лимитед.

внешние ссылки