Железные руды - природные минеральные образования, содержащие железо и его соединения в таком объёме, когда промышленное извлечение железа из этих образований целесообразно. Несмотря на то, что железо входит в большем или меньшем количестве в состав всех горных пород, под названием железных руд понимают только такие скопления железистых соединений, из которых с выгодой в экономическом отношении можно получить металлическое железо.

Железные руды представляют собой особые минеральные образования, в состав которых входит железо и его соединения. Данный тип руды считается железной, если доля этого элемента содержаться в таком объеме, чтобы в ее промышленное извлечение было экономически выгодным.

В черной металлургии используются три основных вида железорудной продукции:

— сепарированная железная руда (низкое содержание железа);

— аглоруда (среднее содержание железа);

— окатыши (сырая железосодержащая массы)

Залежи железной руды считаются богатыми, если доля железа в них составляет более 57%. Бедные железные руды могут содержать минимум 26% железа. Ученные выделяют два основных морфологических типа железной руды; линейные и плоскоподобные.

Линейные залежи железной руды представляют собой клиновидные рудные тела в зонах земных разломов, изгибов в процессе метаморфоза. Данный тип железных руд отличается особо высоким содержанием железа (54-69%) с низким содержанием серы и фосфора.

Плоскоподобные залежи можно найти на вершинах пластов железистых кварцитов. Они относятся к типовым корам выветривания.

Богатые железные руды, в основном, отправляют на выплавку в мартеновское и конверторное производство или же на прямое восстановление железа.

Основные промышленные типы месторождений железной руды:

• — пластовые осадочные месторождения;
• — комплексные титаномагнетитовые месторождения;
• — месторождения железистых кварцитов и богатых руд;
• — скарновые железорудные месторождения;

Второстепенные промышленные типы месторождений железной руды:

• — железорудные сидеритовые месторождения;
• — железорудные пластообразные латеритные месторождения;
• — комплексные карбопатитовые апатит-магнетитовые месторождения;

Мировые запасы разведанных месторождений железной руды составляют 160 миллиардов тонн, в них содержится около 80 миллиардов тонн чистого железа. Крупнейшие месторождения железной руды найдены в Украине, а крупнейшие запасы чистого железа расположены на территории России и Бразилии.

Объем мировой добычи железной руды с каждым годом растет. В 2010 году было добыто более 2,4 млрд тонн железной руды, при этом, Китай, Австралия и Бразилия обеспечили две трети добычи. Если прибавить к ним Россию и Индию, то их суммарная доля на рынке составит более 80%.

Как добывают руду

Рассмотрим несколько основных вариантов добычи железной руды. В каждом конкретном случае выбор в пользу той или иной технологии делается с учетом расположения полезных ископаемых, экономической целесообразности использования того или иного оборудования и т.п.

В большинстве случаев, добыча руды происходит карьерным способом. То есть для организации добычи, сначала вырывается глубокий карьер приблизительно 200-300 метров в глубину. После этого прямо из его дна на больших машинах вывозится железная руда. Которая сразу же после добычи на тепловозах переправляется на различные комбинаты, где из нее изготавливается сталь. На сегодняшний день многие крупные предприятия производят добычу руды, в том случае если у них есть все необходимо оборудование для проведения таких работ.

Рыть карьер следует с использованием больших экскаваторов, однако следует учесть то, что данный процесс может отнять у вас достаточно много лет. После того как экскаваторы дороют до самого первого пласта железной руды, необходимо сдать ее на анализ экспертам, чтобы они смогли определить какой именно процент железа в ней содержится. Если этот процент будет не менее 57, то в таком случае будет экономически выгодным решение о добычи руды в этой местности. Такую руда можно смело перевозить на комбинаты, ведь после переработки из нее обязательно получится сталь высокого качества.

Однако это еще не все, следует очень тщательно проверять сталь, которая появляется в результате переработки железной руды. Если качество добываемой руды не будет соответствовать европейским стандартам, то следует понять, как улучшить качество производства.

Недостаток открытого метода состоит в том, что он позволяет добывать железную руду только на сравнительно небольшой глубине. Поскольку нередко она лежит гораздо глубже – на расстоянии в 600-900 м от поверхности земли – приходится строить шахты. Сначала делают ствол шахты, который напоминает очень глубокий колодец с надежно укрепленными стенками. От ствола в разные стороны отходят коридоры, которые называются штреками. Найденную в них железную руду взрывают, а затем ее куски с помощью специального оборудования поднимают на поверхность. Этот способ добычи железной руды эффективен, но в то же время связан с серьезной опасностью и затратен.

Есть и еще один способ, позволяющий добывать железную руду. Он называется СГД или скважинная гидродобыча. Руду извлекают из-под земли следующим образом: бурят глубокую скважину, опускают туда трубы с гидромонитором и с помощью очень сильной водной струи дробят породу, а затем поднимают ее на поверхность. Этот способ безопасен, однако, к сожалению, он пока неэффективен. Благодаря этому методу удается добыть только около 3% железной руды, в то время как с помощью шахт добывается примерно 70%. Тем не менее, разработкой метода скважинной гидродобычи занимаются специалисты, а потому есть надежда, что в будущем именно этот вариант станет основным, вытеснив карьеры и шахты.

Железная руда представляет собой минеральное образование природного характера, которое имеет в своем составе соединения железа, накопленные в таком объеме, которого достаточно для экономически выгодного его извлечения. Конечно, железо есть в составе всех горных пород. Но железными рудами называют именно те железистые соединения, которые настолько богаты этим веществом, что позволяют промышленную добычу металлического железа.

Типы железных руд и их основные характеристики

Все железные руды сильно отличаются по своему минеральному составу, наличию вредных и полезных примесей. Условиям их образования и, наконец, содержанию железа.

Основные материалы, которые относят к рудным, можно разделить на несколько групп:

• Оксиды железа, к которым относятся гематит, мартит, магнетит.
• Гидроксиды железа - гидрогетит и гетит;
• Силикаты - тюрингит и шамозит;
• Карбонаты - сидероплезит и сидерит.

В промышленных железных рудах железо содержится в различных концентрациях - от 16 до 72%. К полезным примесям, содержащимся в железных рудах, относят: Mn, Ni, Co, Mo, и пр. Есть и вредные примеси, к которым можно отнести: Zn, S, Pb, Cu и др.

Месторождения железных руд и технология добычи

По генезису существующие месторождения железных руд разделяются на:

• Эндогенные. Они могут быть магматическими, представляющими собой вкрапления титаномагнетитовых руд. Также могут быть карбонатитовые вкрапления. Кроме того, существуют линзообразные, пластообразные скарново-магнетитовые залежи, вулкано-осадочные пластовые залежи, гидротермальные жильные, а также неправильной формы рудные тела.
• Экзогенные. К ним в основном относят бурожелезняковые и сидеритовые осадочные пластовые месторождения, а также месторождения тюрингитовых, шамозитовых и гидрогетитовых руд.
• Метаморфогенные - это месторождения железистых кварцитов.

Максимальные объемы добычи руд спровоцированы значительными запасами и приходятся на докембрийсские железистые кварциты. Меньшее распространение имеют осадочные бурожелезняковые руды.

При добыче различают богатые, и требующие обогащения руды. Отрасль, осуществляющая добычу железной руды, проводит также ее предварительную переработку: сортировку, дробление и вышеупомянутое обогащение, а также агломерация. Промышленность добычи руды именуется железорудной отраслью и является сырьевой базой для черной металлургии.

Отрасли применения

Железная руда является основным сырьем для получения чугуна. Он поступает на мартеновское или конвертерное производство, а также на восстановление железа. Из железа, как известно, производят самую различную продукцию, как впрочем, и из чугуна. В этих материалах нуждаются такие отрасли:

• Машиностроение и металлообработка;
• Автомобильная промышленность;
• Ракетная промышленность;
• Военная промышленность;
• Пищевая и легкая промышленность;
• Строительная отрасль;
• Добыча нефти и газа и их транспортировка.

В железных кварцитах

Мартитовые и мартит-гидрогематитовые (богатые руды, образуются по железным кварцитам)

Гётит -гидрогётитовые в корах выветривания .

Существует три вида железорудной продукции, использующиеся в чёрной металлургии : сепарированная железная руда (обогащённая методом сепарации рассыпчатая руда), аглоруда (спечённая, окускованная путём термической обработки) и окатыши (сырая железосодержащая масса с добавлением флюсов (обычно, известняка); формуется в шарики диаметром около 1-2 см).

Химический состав

По химическому составу железные руды представляют собой окиси , гидраты окисей и углекислые соли закиси железа, встречаются в природе в виде разнообразных рудных минералов , из которых главнейшие: магнетит , или магнитный железняк; гётит , или железный блеск (красный железняк); лимонит , или бурый железняк, к которому относятся болотные и озерные руды; наконец, сидерит , или шпатоватый железняк (железный шпат), и его разновидность сферосидерит. Обыкновенно каждое скопление названных рудных минералов представляет смесь их, иногда весьма тесную, с другими минералами, не содержащими железа, как, например, с глиной , известняком или даже с составными частями кристаллических изверженных пород. Иногда в одном и том же месторождении встречаются некоторые из этих минералов совместно, хотя в большинстве случаев преобладает какой-нибудь один, а другие связаны с ним генетически.

Богатая железная руда в методике

Богатая железная руда имеет содержание железа свыше 57 %, а кремнезёма менее 8-10 %, серы и фосфора менее 0,15 %. Представляет собой продукт природного обогащения железистых кварцитов, созданных за счёт выщелачивания кварца и разложения силикатов при процессах длительного выветривания или метаморфоза. Бедные железные руды могут содержать минимум 26 % железа.

Выделяют два главных морфологических типа залежей богатой железной руды: плоскоподобные и линейные.

Плоскоподобные залегают на вершинах крутопадающих пластов железистых кварцитов в виде значительных по площади с карманоподобной подошвой и относятся к типовым корам выветривания. Линейные залежи представляют падающие в глубину клиноподобные рудные тела богатых руд в зонах разломов, трещиноватостей, дробления, изгибов в процессе метаморфоза. Руды характеризуются высоким содержанием железа (54-69 %) и низким содержанием серы и фосфора. Наиболее характерным примером метаморфозных месторождений богатых руд могут быть Первомайское и Жёлтоводское месторождения в северной части Кривбасса.

Богатые железные руды идут на выплавку чугуна в доменных печах , который затем переделывают в сталь в мартеновском , конвертерном или электросталеплавильном производстве. Существует также прямое восстановление железа (горячебрикетированное железо).

Бедные и средние по содержанию железа руды в целях промышленного использования должны предварительно пройти через процесс обогащения .

Промышленные типы месторождений

Главные промышленные типы железорудных месторождений

• Месторождения железистых кварцитов и богатых руд, образовавшихся по ним

Имеют метаморфогенное происхождение. Руда представлена железистыми кварцитами, или джеспилитами , магнетитовыми , гематит -магнетитовыми и гематит-мартитовыми (в зоне окисления). Бассейны Курской магнитной аномалии (КМА , Россия) и Криворожский (Украина), район озера Верхнего (англ.) русск. (США и Канада), железорудная провинция Хамерсли (Австралия), район Минас-Жерайс (Бразилия).

• Пластовые осадочные месторождения. Имеют хемогенное происхождение, образовались за счет выпадения железа из коллоидных растворов. Это оолитовые , или бобовые, железные руды, представленные преимущественно гетитом и гидрогетитом . Лотарингский бассейн (Франция), Керченский бассейн , Лисаковское и др. (бывший СССР).
• Скарновые железорудные месторождения. Сарбайское, Соколовское, Качарское, гора Благодать, Магнитогорское, Таштагольское.
• Комплексные титаномагнетитовые месторождения. Происхождение магматическое, месторождения приурочены к крупным докембрийским интрузивам. Рудные минералы - магнетит , титаномагнетит . Качканарское , Кусинское месторождения, месторождения Канады, Норвегии.

Второстепенные промышленные типы железорудных месторождений

• Комплексные карбонатитовые апатит-магнетитовые месторождения. Ковдорское .
• Железорудные магно-магнетитовые месторождения. Коршуновское, Рудногорское, Нерюндинское.
• Железорудные сидеритовые месторождения. Бакальское, Россия; Зигерлянд, Германия и др.
• Железорудные и железомарганцевые оксидные пластовые месторождения в вулканогенно-осадочных толщах. Каражальское.
• Железорудные пластообразные латеритные месторождения. Южный Урал; Куба и др.

Запасы

Мировые разведанные запасы железной руды составляют порядка 160 млрд тонн, в которых содержится около 80 млрд тонн чистого железа. По данным Геологической службы США, на долю месторождений железной руды Бразилии и России приходится по 18 % мировых запасов железа. Запасы в пересчёте на содержание железа:

• Прочие - 22 %

Распределение запасов железной руды по странам:

• Прочие - 20 %

Экспорт и импорт

Крупнейшие экспортёры железорудного сырья в 2009 году (всего 959,5 млн т), млн т:

Крупнейшие импортёры железорудного сырья в 2009 году, млн т:

Пик цены на железную руду был достигнут в 2011 году с около $ 180 за тонну . С того времени, снижаясь на протяжении трёх лет, к 2015 году котировки достигли до менее $ 40 за тонну впервые с 2009 года .

Производство

По данным Геологической службы США, мировая добыча железной руды составила в 2007 году 1,93 млрд тонн, увеличившись по сравнению с предыдущим годом на 7 %. Китай, Бразилия и Австралия обеспечивают две трети добычи, а вместе с Индией и Россией - 80 %.

По данным U.S. Geological Survey, мировая добыча железной руды в 2009 году составила 2,3 млрд тонн (рост на 3,6 % по сравнению с 2008 годом).

Крупнейшие производители железорудного сырья в 2010 году

Компания	Страна	Производственная мощность, млн т/год
Vale	Бразилия	417,1
Rio Tinto	Великобритания	273,7
BHP Billiton	Австралия	188,5
ArcelorMittal	Великобритания	78,9
Fortescue Metals	Австралия	55,0
Евразхолдинг	Россия	56,90
Металлоинвест	Россия	44,7
AnBen	Китай	44,7
Метинвест Холдинг	Украина	42,8
Anglo American	ЮАР	41,1
LKAB	Швеция	38,5

См. также

Напишите отзыв о статье "Железная руда"

Примечания

Ссылки

• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб. , 1890-1907.

Отрывок, характеризующий Железная руда

– Тпрру! Поди, эй!… Тпрру, – только слышался крик Балаги и молодца, сидевшего на козлах. На Арбатской площади тройка зацепила карету, что то затрещало, послышался крик, и тройка полетела по Арбату.
Дав два конца по Подновинскому Балага стал сдерживать и, вернувшись назад, остановил лошадей у перекрестка Старой Конюшенной.
Молодец соскочил держать под уздцы лошадей, Анатоль с Долоховым пошли по тротуару. Подходя к воротам, Долохов свистнул. Свисток отозвался ему и вслед за тем выбежала горничная.
– На двор войдите, а то видно, сейчас выйдет, – сказала она.
Долохов остался у ворот. Анатоль вошел за горничной на двор, поворотил за угол и вбежал на крыльцо.
Гаврило, огромный выездной лакей Марьи Дмитриевны, встретил Анатоля.
– К барыне пожалуйте, – басом сказал лакей, загораживая дорогу от двери.
– К какой барыне? Да ты кто? – запыхавшимся шопотом спрашивал Анатоль.
– Пожалуйте, приказано привесть.
– Курагин! назад, – кричал Долохов. – Измена! Назад!
Долохов у калитки, у которой он остановился, боролся с дворником, пытавшимся запереть за вошедшим Анатолем калитку. Долохов последним усилием оттолкнул дворника и схватив за руку выбежавшего Анатоля, выдернул его за калитку и побежал с ним назад к тройке.

Марья Дмитриевна, застав заплаканную Соню в коридоре, заставила ее во всем признаться. Перехватив записку Наташи и прочтя ее, Марья Дмитриевна с запиской в руке взошла к Наташе.
– Мерзавка, бесстыдница, – сказала она ей. – Слышать ничего не хочу! – Оттолкнув удивленными, но сухими глазами глядящую на нее Наташу, она заперла ее на ключ и приказав дворнику пропустить в ворота тех людей, которые придут нынче вечером, но не выпускать их, а лакею приказав привести этих людей к себе, села в гостиной, ожидая похитителей.
Когда Гаврило пришел доложить Марье Дмитриевне, что приходившие люди убежали, она нахмурившись встала и заложив назад руки, долго ходила по комнатам, обдумывая то, что ей делать. В 12 часу ночи она, ощупав ключ в кармане, пошла к комнате Наташи. Соня, рыдая, сидела в коридоре.
– Марья Дмитриевна, пустите меня к ней ради Бога! – сказала она. Марья Дмитриевна, не отвечая ей, отперла дверь и вошла. «Гадко, скверно… В моем доме… Мерзавка, девчонка… Только отца жалко!» думала Марья Дмитриевна, стараясь утолить свой гнев. «Как ни трудно, уж велю всем молчать и скрою от графа». Марья Дмитриевна решительными шагами вошла в комнату. Наташа лежала на диване, закрыв голову руками, и не шевелилась. Она лежала в том самом положении, в котором оставила ее Марья Дмитриевна.
– Хороша, очень хороша! – сказала Марья Дмитриевна. – В моем доме любовникам свидания назначать! Притворяться то нечего. Ты слушай, когда я с тобой говорю. – Марья Дмитриевна тронула ее за руку. – Ты слушай, когда я говорю. Ты себя осрамила, как девка самая последняя. Я бы с тобой то сделала, да мне отца твоего жалко. Я скрою. – Наташа не переменила положения, но только всё тело ее стало вскидываться от беззвучных, судорожных рыданий, которые душили ее. Марья Дмитриевна оглянулась на Соню и присела на диване подле Наташи.
– Счастье его, что он от меня ушел; да я найду его, – сказала она своим грубым голосом; – слышишь ты что ли, что я говорю? – Она поддела своей большой рукой под лицо Наташи и повернула ее к себе. И Марья Дмитриевна, и Соня удивились, увидав лицо Наташи. Глаза ее были блестящи и сухи, губы поджаты, щеки опустились.
– Оставь… те… что мне… я… умру… – проговорила она, злым усилием вырвалась от Марьи Дмитриевны и легла в свое прежнее положение.
– Наталья!… – сказала Марья Дмитриевна. – Я тебе добра желаю. Ты лежи, ну лежи так, я тебя не трону, и слушай… Я не стану говорить, как ты виновата. Ты сама знаешь. Ну да теперь отец твой завтра приедет, что я скажу ему? А?
Опять тело Наташи заколебалось от рыданий.
– Ну узнает он, ну брат твой, жених!
– У меня нет жениха, я отказала, – прокричала Наташа.
– Всё равно, – продолжала Марья Дмитриевна. – Ну они узнают, что ж они так оставят? Ведь он, отец твой, я его знаю, ведь он, если его на дуэль вызовет, хорошо это будет? А?
– Ах, оставьте меня, зачем вы всему помешали! Зачем? зачем? кто вас просил? – кричала Наташа, приподнявшись на диване и злобно глядя на Марью Дмитриевну.
– Да чего ж ты хотела? – вскрикнула опять горячась Марья Дмитриевна, – что ж тебя запирали что ль? Ну кто ж ему мешал в дом ездить? Зачем же тебя, как цыганку какую, увозить?… Ну увез бы он тебя, что ж ты думаешь, его бы не нашли? Твой отец, или брат, или жених. А он мерзавец, негодяй, вот что!
– Он лучше всех вас, – вскрикнула Наташа, приподнимаясь. – Если бы вы не мешали… Ах, Боже мой, что это, что это! Соня, за что? Уйдите!… – И она зарыдала с таким отчаянием, с каким оплакивают люди только такое горе, которого они чувствуют сами себя причиной. Марья Дмитриевна начала было опять говорить; но Наташа закричала: – Уйдите, уйдите, вы все меня ненавидите, презираете. – И опять бросилась на диван.
Марья Дмитриевна продолжала еще несколько времени усовещивать Наташу и внушать ей, что всё это надо скрыть от графа, что никто не узнает ничего, ежели только Наташа возьмет на себя всё забыть и не показывать ни перед кем вида, что что нибудь случилось. Наташа не отвечала. Она и не рыдала больше, но с ней сделались озноб и дрожь. Марья Дмитриевна подложила ей подушку, накрыла ее двумя одеялами и сама принесла ей липового цвета, но Наташа не откликнулась ей. – Ну пускай спит, – сказала Марья Дмитриевна, уходя из комнаты, думая, что она спит. Но Наташа не спала и остановившимися раскрытыми глазами из бледного лица прямо смотрела перед собою. Всю эту ночь Наташа не спала, и не плакала, и не говорила с Соней, несколько раз встававшей и подходившей к ней.
На другой день к завтраку, как и обещал граф Илья Андреич, он приехал из Подмосковной. Он был очень весел: дело с покупщиком ладилось и ничто уже не задерживало его теперь в Москве и в разлуке с графиней, по которой он соскучился. Марья Дмитриевна встретила его и объявила ему, что Наташа сделалась очень нездорова вчера, что посылали за доктором, но что теперь ей лучше. Наташа в это утро не выходила из своей комнаты. С поджатыми растрескавшимися губами, сухими остановившимися глазами, она сидела у окна и беспокойно вглядывалась в проезжающих по улице и торопливо оглядывалась на входивших в комнату. Она очевидно ждала известий об нем, ждала, что он сам приедет или напишет ей.
Когда граф взошел к ней, она беспокойно оборотилась на звук его мужских шагов, и лицо ее приняло прежнее холодное и даже злое выражение. Она даже не поднялась на встречу ему.
– Что с тобой, мой ангел, больна? – спросил граф. Наташа помолчала.
– Да, больна, – отвечала она.
На беспокойные расспросы графа о том, почему она такая убитая и не случилось ли чего нибудь с женихом, она уверяла его, что ничего, и просила его не беспокоиться. Марья Дмитриевна подтвердила графу уверения Наташи, что ничего не случилось. Граф, судя по мнимой болезни, по расстройству дочери, по сконфуженным лицам Сони и Марьи Дмитриевны, ясно видел, что в его отсутствие должно было что нибудь случиться: но ему так страшно было думать, что что нибудь постыдное случилось с его любимою дочерью, он так любил свое веселое спокойствие, что он избегал расспросов и всё старался уверить себя, что ничего особенного не было и только тужил о том, что по случаю ее нездоровья откладывался их отъезд в деревню.

Со дня приезда своей жены в Москву Пьер сбирался уехать куда нибудь, только чтобы не быть с ней. Вскоре после приезда Ростовых в Москву, впечатление, которое производила на него Наташа, заставило его поторопиться исполнить свое намерение. Он поехал в Тверь ко вдове Иосифа Алексеевича, которая обещала давно передать ему бумаги покойного.
Когда Пьер вернулся в Москву, ему подали письмо от Марьи Дмитриевны, которая звала его к себе по весьма важному делу, касающемуся Андрея Болконского и его невесты. Пьер избегал Наташи. Ему казалось, что он имел к ней чувство более сильное, чем то, которое должен был иметь женатый человек к невесте своего друга. И какая то судьба постоянно сводила его с нею.
«Что такое случилось? И какое им до меня дело? думал он, одеваясь, чтобы ехать к Марье Дмитриевне. Поскорее бы приехал князь Андрей и женился бы на ней!» думал Пьер дорогой к Ахросимовой.

Сегодня трудно представить себе жизнь без стали, из которой изготовлены многие окружающие нас вещи. Основой этого металла является железо, получаемое при плавке руды. Железная руда отличается по происхождению, качеству, способу добычи, что определяет целесообразность ее извлечения. Также железная руда отличается минеральным составом, процентным соотношением металлов и примесей, а также полезностью самых добавок.

Железо как химический элемент входит в состав многих горных пород, однако, не все они считаются сырьем для добычи. Все зависит от процентного состава вещества. Конкретно железной называют минеральные образования, в которых объем полезного металла делает его извлечение экономически целесообразным.

Добывать такое сырье начали еще 3000 лет назад, так как железо позволяло изготавливать более качественные прочные изделия в сравнении с медью и бронзой (см. ). И уже в то время мастера, имевшие плавильни, отличали виды руды.

Сегодня добывают следующие типы сырья для дальнейшей выплавки металла:

• Титано-магнетитовые;
• Апатит-магнетитовые;
• Магнетитовые;
• Магнетит-гематитовые;
• Гетит-гидрогетитовые.

Богатой считается железная руда, в составе которой имеется не менее 57% железа. Но, разработки могут считаться целесообразными при 26%.

Железо в составе породы находится чаще в виде оксидов, остальные добавки — это кремнеземы, сера и фосфор.

Все ныне известные типы руд образовались тремя способами:

• Магматическим . Такие руды образовывались в результате воздействия высокой температуры магмы или древней вулканической деятельности, то есть переплавки и перемешивания других горных пород. Такие полезные ископаемые — это твердые кристаллические минералы с высоким процентным составом железа. Залежи руд магматического происхождения обычно привязаны к старым зонам горообразования, где расплавленное вещество подходило близко поверхности.

Процесс образования магматических пород таков: расплав различных минералов (магма) — это очень текучее вещество, и при образовании трещин в местах разломов, оно их заполняет, остывая и приобретая кристаллическую структуру. Именно так сформировались пласты с застывшей в земной коре магмой.

• Метаморфическим . Так преобразовываются осадочные типы минералов. Процесс следующий: при перемещениях отдельных участков земной коры, некоторые ее пласты, содержащие необходимые элементы, попадает под залегающие выше породы. На глубине они поддаются воздействию высокой температуры и давлению верхних слоев. В течение миллионов лет такого воздействия здесь происходят химические реакции, преобразующие состав исходного материала, кристаллизация вещества. Потом в процессе очередного перемещения породы оказываются ближе к поверхности.

Обычно железная руда такого происхождения залегает не слишком глубоко и имеет высокий процент состава полезного металла. Например, как яркий образец – магнитный железняк (до 73-75% железа).

• Осадочным . Главными «работниками» процесса образования руд становятся вода и ветер. Разрушающие пласты породы и перемещающие их в низины, где они накапливаются в виде слоев. Плюс вода, как реагент, может видоизменять исходный материал (выщелачивать). В итоге образуется бурый железняк – рассыпчатая и рыхлая руда, содержащая от 30% до 40% железа, с большим количеством различных примесей.

Сырье благодаря разнообразным путям образования часто перемешано в пластах с глинами, известняками и магматическими породами. Иногда разные по происхождению залежи могут быть перемешаны на одном месторождении. Но чаще всего преобладает один из перечисленных типов породы.

Установив путем геологической разведки приблизительную картину происходящих в конкретной местности процессов, определяют возможные места с залеганием железных руд. Как, например, Курская магнитная аномалия, или Криворожский бассейн, где вследствие магматических и метаморфических воздействий образовались ценные в промышленном значении типы железной руды.

Добыча железных руд в промышленных масштабах

Добывать руду человечество начало очень давно, но чаще всего это было сырье низкого качества со значительными примесями серы (осадочные породы, так называемое «болотное» железо). Масштабы разработки и выплавки постоянно увеличивались. Сегодня выстроена целая классификация различных месторождение железистых руд.

Основные типы промышленных месторождений

Все залежи руды делят на типы зависимо от происхождения породы, что в свою очередь позволяет выделить главные и второстепенные железнорудные районы.

Главные типы промышленных залежей железной руды

К ним относят следующие месторождения:

• Залежи различных типов железной руды (железистые кварциты, магнитный железняк), образованной метаморфическим способом, что позволяет добывать на них очень богатые по составу руды. Обычно месторождения связаны с древнейшими процессами образования горных пород земной коры и залегают на образованиях называемых щитами.

Кристаллический щит — это формирования в виде большой изогнутой линзы. Состоит из пород, образованных еще на этапе формирования земной коры 4,5 млрд. лет назад.

Наиболее известные месторождения такого типа: Курская магнитная аномалия, Криворожский бассейн, озеро Верхнее (США/Канада), провинция Хамерсли в Австралии, и железнорудный район Минас-Жерайс в Бразилии.

• Залежи пластовых осадочных пород. Эти месторождения образовались вследствие оседания богатых железом соединений, которые имеются в составе разрушенных ветром и водой минералов. Яркий образец железной руды в таких залежах – бурый железняк.

Наиболее известные и большие месторождения — это Лотарингский бассейн во Франции и Керченский на одноименном полуострове (Россия).

• Скарновые месторождения. Обычно руда имеет магматическое и метаморфическое происхождение, пласты которой после образования были смещены в момент образования гор. То есть железная руда, располагающаяся слоями на глубине, была смята в складки и перемещена на поверхность во время движения литосферных плит. Такие залежи размещаются чаще в складчатых областях в виде пластов или столбов неправильной формы. Образовались магматическим способом. Представители таких месторождений: Магнитогорское (Урал, Россия), Сарбайское (Казахстан), Айрон-Спрингс (США) и прочие.
• Титаномагнетитовые залежи руд. Их происхождение магматическое, чаще всего встречаются на выходах древних коренных пород – щитов. К ним относят бассейны и месторождения в Норвегии, Канаде, России (Качканарское, Кусинское).

К второстепенным месторождениям относят: апатит-магнетитовые, магно-магнетитовые, сидеритовые, железомарганцевые залежи, разрабатываемые на территории России, стран Европы, Кубы и прочих.

Запасы железной руды в мире — страны-лидеры

На сегодня по различным оценкам разведано залежей с суммарным объемом в 160 млрд. тонн руды, с которой можно получить около 80 млрд. тонн металла.

Геологическая служба США представляет данные, по которым на Россию и Бразилию приходится около 18% мировых запасов железорудного сырья.

В пересчете на запасы железа, можно выделить следующие страны-лидеры

Картина мировых запасов руды выглядит следующим образом

Большинство этих стран является и крупнейшими экспортерами железной руды. В общем, объем продаваемого сырья составляет около 960 млн. тонн в год. Наибольшими импортерами являются Япония, Китай, Германия, Южная Корея, Тайвань, Франция.

Обычно добычей и продажей сырья занимаются частные компании. К примеру, крупнейшие в нашей стране Металлинвест и Евразхолдинг, производящие в общей сумме около 100 млн. тонн железорудной продукции.

По оценкам той же Геологической службы США, объемы добычи и производства постоянно растут, за год добывается около 2,5-3 млрд. тонн руды, что снижает ее стоимость на мировом рынке.

Наценка на 1 тонну сегодня приблизительно 40 долларов. Рекордная цена была зафиксирована в 2007 году – 180 долл/ тонну.

Как добывают железную руду?

Пласты железной руды залегают на различной глубине, что и определяет ее способы извлечения из недр.

Карьерный способ. Самый распространенный способ карьерной добычи, используется при нахождении залежей на глубине около 200-300 метров. Разработка происходит путем применения мощных экскаваторов и установок для дробления породы. После чего ее грузят для транспортировки на обогатительные комбинаты.

Шахтный метод. Шахтный метод применяют при более глубинном залегании пластов (600-900 метров). Изначально пробивают створ шахты, от которого вдоль пластов разрабатывают штреки. Откуда раздробленная порода подается «на гора» с помощью транспортеров. Руду из шахт также отправляют на обогатительные предприятия.

Скважинная гидродобыча. Прежде всего, для скважинной гидродобычи бурят скважину до пласта породы. После чего в створ заводят трубы, мощным напором воды дробят руду с дальнейшим извлечением. Но такой метод на сегодня имеет очень низкую эффективность и используется довольно редко. Например, таким приемом добывают 3% сырья, а шахтным 70%.

После добычи железорудный материал нужно переработать, чтобы получить основное сырье для выплавки металла.

Так как в составе руд кроме необходимого железа есть множество примесей, то для получения максимального полезного выхода необходимо очистить породу, подготовив материал (концентрат) для выплавки. Весь процесс осуществляется на горно-обогатительных комбинатах. К различным видам руд, применяются свои приемы и методы очистки и удаление ненужных примесей.

Например, технологическая цепочка обогащения маггнитных железняков следующая:

• Изначально руда проходит стадию дробления на дробильных установках (например, щековых) и подается ленточным транспортером на станции сепарации.
• Используя электромагнитные сепараторы, отделяют части магнитного железняка от пустой ненужной породы.
• После чего рудная масса транспортируется на очередное дробление.
• Измельченные минералы перемещают на очередную станцию очистки, так называемые вибрационные сита, здесь полезная руда просеивается, отделяясь от легкой ненужно породы.
• Следующий этап – бункер мелкой руды, в котором вибрациями отделяются мелкие частицы примесей.
• Последующие циклы включают очередное добавление воды измельчение и прохождение рудной массы через шламовые насосы, удаляющие вместе с жидкостью ненужный шлам (пустую породу), и опять дробление.
• После многократного очищения насосами, руда поступает на так называемый грохот, который гравитационным методом в очередной раз очищает минералы.
• Многократно очищенная смесь поступает на обезвоживатель, удаляющий воду.
• Осушенная руда опять попадает на магнитные сепараторы, и уже потом на газожидкостную станцию.

Бурый железняк очищается несколько по другим принципам, но суть от этого не меняется, ведь главная задача обогащения — получить наиболее чистое сырье для производства.

Результатом обогащения становиться железорудный концентрат, использующийся при плавке.

Что делают из железной руды — применение железной руды

Понятно, что железная руда используется для получения металла. Но, еще две тысячи лет назад металлурги поняли, что в чистом виде железо довольно мягкий материал, изделия из которого немного лучше бронзы. Результатом стало открытие сплава железа с углеродом – стали.

Углерод для стали играет роль цемента, упрочняющего материал. Обычно в составе такого сплава имеется от 0,1 до 2,14% углерода, причем свыше 0,6% — это уже высокоуглеродистая сталь.

Сегодня из этого металла изготавливается огромный список изделий, оборудования и машин. Однако, изобретение стали было связано с развитием оружейного дела, мастера в котором пытались получить материал с прочными характеристиками, но в то же время, с отличной гибкостью, ковкостью, и прочими техническими, физическими и химическими характеристиками. Сегодня высококачественный металл имеет и другие добавки, легирующие его, добавляя твердость износоустойчивость.

Вторым материалом, который производится с железной руды, является чугун. Это также сплав железа с углеродом, которого в составе имеется более чем 2,14%.

Длительное время чугун считался бесполезным материалом, который получался либо при нарушении технологии выплавки стали, или как побочный металл, оседающий на дне плавильных печей. В основном его выбрасывали, его невозможно ковать (хрупкий и практически не пластичный).

До появления артиллерии чугун пытались пристроить в хозяйстве различными способами. Например, в строительстве из него изготавливали фундаментные блоки, в Индии производили гробы, а в Китае изначально даже чеканили монеты. Появление пушек позволило использовать чугун для литья ядер.

Сегодня чугун используют во многих отраслях, особенно в машиностроении. Также этот металл используется для получения стали (мартеновские печи и бессмеровский способ).

С ростом производства требуется все больше материалов, что способствует интенсивной разработке месторождений. Но развитые страны считают более целесообразным импортировать относительно недорогое сырье, сокращая объемы собственного производства. Это позволяет основным странам экспортерам наращивать добычу железной руды с дальнейшим ее обогащением и продажей в качестве концентрата.

Железные руды представляют собой горные породы, содержащие железо, причем в таком количестве, что руду выгодно перерабатывать. В природе имеется около 20 минералов с высоким содержанием железа (23-72%). Железо в руде находится в виде окислов или солей, соединенных с горной породой. В зависимости от состояния, в котором находится железо, различают четыре вида железных руд.

Бурый железняк содержит Железо в виде водного окисла 2Fe2O3-3H2O. Цвет руды желто-бурый. Эта руда бедна железом (от 35 до 60%), а серы и фосфора, наоборот, содержит больше, чем другие руды. Руда легко восстановима. Крупнейшие ее месторождения находятся на Урале (Бакальские руды с высоким содержанием железа, почти без примесей серы и фосфора). Большие запасы бурого железняка в порошкообразном виде имеются на Керченском полуострове. Известны также Тульское и Липецкое месторождения, руды Кольского полуострова, Тогайского железорудного бассейна.

Красный железняк содержит Железо в виде окисла Fe2O3. Руда красного цвета, содержание железа 55-60%. Это одна из лучших железных руд; она легко восстанавливается, содержит мало серы и фосфора. Богатейшие месторождения красного железняка находятся в Кривом Роге. Крупные запасы красного железняка имеются также в районе Курской магнитной аномалии.

Магнитный железняк содержит Железо в виде окисла Fe304. Руда черного цвета, содержание железа 45-70%. Это наиболее богатая железом руда. Она обладает магнитными свойствами, плотна, восстанавливается с трудом. Залегает главным образом на Урале - в горах Магнитная, Высокая, Благодать. Недавно разведаны месторождения магнитного железняка в Тогайской степи в Казахстане.

Шпатовый железняк содержит Железо в виде соли FeCO3. Эту руду называют сидеритом, или болотной рудой. Она бедна железом (от 30 до 45%). Залежи шпатового железняка встречаются на Урале в районе Бакальского месторождения

Комплексные железные руды содержат, кроме железа, другие металлы (хром, никель, титан, ванадий), восставав-ливаемые в доменной плавке:

хромоникелевые бурые железняки Орско-Халиловского месторождения содержат 35-45% железа; 1,3-1,5% хрома и 0,3-0,5% никеля;

титаномагнетиты, содержащие 42-48% железа; 0,3-0,4/о ванадия и 4,5-13,0% двуокиси титана, добываются на Урале в Качканарском, Кусинском и Первоуральском месторождениях.

Марганцевые руды применяют, чтобы увеличить содержание марганца в выплавляемых чугунах. Эти руды мягки, рыхлы и гигроскопичны. Содержание окиси марганца в них 28- 40%. Наиболее важным месторождением богатых руд (содержание окиси марганца 48-52%) являются Чиатурское на Кавказе, Никопольское на Украине, у г. Ачинска в Сибири, Уралоазовское и Полуночное на Урале и в Казахстане.

В процессе доменной плавки, кроме железных и марганцевых руд, используют различные отходы: чугунный лом и стружку, загрязненный стальной лом.

Флюсы применяют в доменной плавке для сплавления пустой породы и золы топлива в шлак. При работе доменных печей на коксе используют главным образом известняк (СаСO3). Если в пустой породе находятся основные окислы, применяют кислые флюсы - кварциты.

В качестве топлива для доменной плавки используют кокс. Металлургическое топливо должно иметь следующие качества: высокую теплотворную способность, прочность, пористость, невысокую зольность и минимальное содержание серы. Кокс отвечает почти всем этим требованиям. Теплота сгорания кокса 5600 ккал/кг , поэтому на нем выплавляют 98% мирового чугуна. Кокс получают из каменного угля при нагревании его до 950-1000° без доступа воздуха в специальных печах. При этом из угля удаляются летучие вещества, а остающаяся часть спекается в твердый и пористый кокс.

Современная коксовая печь (батарея) состоит из 50-70 узких длинных камер емкостью 18-20 мв каждой из них выжигается 12-16 т кокса. Длительность процесса коксования около 12-15 часов. Из одной тонны угля можно получить 750-800 кг кокса и 300-350 м3 высококалорийного газа.

Лучшим коксом считается кузнецкий, содержащий 0,5-0,6% серы и 12-13,5% золы.

Одним из наиболее эффективных частичных заменителей кокса в доменной плавке является природный газ. Стоимость его не превышает 2 руб. за 1000 л3, т. е. в десятки раз ниже стоимости кокса.

Применение природного газа способствует снижению себестоимости чугуна, так как экономится от 10 до 15% кокса.

5. Устройство доменной печи и её работа

Доменная печь - домна) является шахтной печью непрерывного действия. Она имеет форму двух усеченных конусов, сложенных широкими основаниями, между которыми находится цилиндрическая часть, называемая распаром.

Чугун выплавляется из железных руд в специальных печах, называемых доменными. Отсюда процесс получения чугуна из железных руд называется доменным процессом.

Доменная печь имеет большое количество специальных устройств и механизмов, обеспечивающих беспрерывность процесса. Большинство механизмов работает автоматически.

1-скип; 2-засыпной аппарат; 3-доменная печь; 4-фурменные отверстия; 5- чугунная летка; шлаковая летка; 7-воздухонагреватели; 8-газоочистительные устройства; 9-дымовая труба

Смесь из руды, кокса и флюса подготовляется в определенной пропорции для загрузки в доменную печь. Такая смесь называется шихтой. Специальный подъемник - скип 1 перемещающийся по наклонным путям, доставляет шихту к верхней части доменной печи, откуда она через засыпной аппарат 2 поступает в печь 3.

Для поддержания интенсивного горения загружаемого кокса необходимо большое количество воздуха. Воздух подается в печь через специальные отверстия 4 в нижней части печи, которые называются фурменными отверстиями. Чтобы воздух пробил высокий столб шихты и проник во все части печи, а также чтобы имелось достаточное количество кислорода для сгорания всего топлива, воздух вдувают в печь под давлением в 1-2 ати. Воздух подогревается до температуры 600-800°, так как вдувание большого количества холодного воздуха снижает температуру внутри печи, в результате чего процесс плавки руды замедляется.

Подогрев воздуха осуществляется в воздухонагревателях 7, которые строятся рядом с доменной печью. Воздухонагреватели отапливаются доменным (колошниковым) газом, получающимся при выплавке чугуна. Доменный газ предварительно очищается от пыли в специальных газоочистительных устройствах 8. Продукты сгорания из воздухонагревателей удаляются через дымовую трубу 9.

Полученный в печи жидкий чугун опускается в нижнюю ее часть, откуда периодически выпускается через отверстие 5, называемое чугунной леткой. В специальных ковшах большой емкости чугун от доменной печи отвозится в сталеплавильные цехи для переработки в сталь или к разливочной машине для получения чугунных чушек.

Пустая порода, флюсы и зола топлива образуют в печи жидкий шлак, который имеет меньший удельный вес, чем чугун, и поэтому располагается над жидким чугуном. Шлак выпускается из печи через шлаковую летку 6 и направляется для переработки и дальнейшего использования в качестве строительного материала или в шлаковый отвал.

Доменная печь работает беспрерывно по принципу противотока: исходные материалы загружаются сверху, постепенно опускаются вниз, превращаясь в чугун и шлак, а газы, нагревшиеся в нижней зоне печи, поднимаются кверху навстречу исходным материалам.

Печь имеет наружную стальную оболочку, которая называется кожухом, и внутреннюю кладку, или футеровку. Футеровка должна устойчиво сопротивляться износу от трения беспрерывно опускающихся столбом исходных материалов, выдерживать действие высоких температур, не расплавляясь и не давая деформаций. Поэтому для футеровки применяется высококачественный огнеупорный (шамотный) кирпич.

6. Производство стали в конвертерах

КИСЛОРОДНЫЙ КОНВЕРТЕР с верхней продувкой. 1 – стальной кожух; 2 – огнеупорная футеровка; 3 – кислородная фурма; 4 – завалка флюса; 5 – легирующие добавки; 6 – летка; 7 – ковш; 8 – заготовка; 9 – проволока; 10 – бесшовная труба; 11 – блюм; 12 – балка; 13 – толстолистовая сталь; 14 – листовая заготовка (сляб); 15 – листовой прокат.

Кислородный конвертер с верхней продувкой представляет собой грушевидный сосуд (с открытой узкой верхней горловиной) диаметром ок. 6 м и высотой ок. 10 м, облицованный изнутри магнезиальным (основным) кирпичом. Эта футеровка выдерживает примерно 1500 плавок. Конвертер снабжен боковыми цапфами, закрепленными в опорных кольцах, что позволяет наклонять его. В вертикальном положении конвертера его горловина находится под вытяжным колпаком дымоотводящего камина. Боковое выпускное отверстие, имеющееся с одной стороны, позволяет отделить металл от шлака при сливе. В конвертерном цеху рядом с конвертером обычно имеется загрузочный пролет. Сюда транспортируется в большом ковше жидкий чугун из доменной печи, а в стальных бункерах накапливается металлолом для загрузки. Все это сырье переносится к конвертеру мостовым краном. По другую сторону от конвертера расположен разливочный пролет, где имеются приемный ковш для выплавленной стали и железнодорожные тележки для транспортировки его на разливочную площадку.

Перед началом кислородно-конвертерного процесса конвертер наклоняют в сторону загрузочного пролета и через горловину засыпают металлолом. Затем в конвертер заливают жидкий металл из доменной печи, содержащий около 4,5% углерода и 1,5% кремния. Предварительно металл подвергается десульфуризации в ковше. Конвертер возвращают в вертикальное положение, сверху вводят охлаждаемую водой фурму и включают подачу кислорода. Углерод в чугуне окисляется до CO или CO2, а кремний – до диоксида SiO2. По «течке» (загрузочному лотку) добавляется известь для образования шлака с диоксидом кремния. Со шлаком выводится до 90 % кремния, содержащегося в чугуне. Содержание азота в готовой стали сильно понижается благодаря промывающему действию CO. Приблизительно через 25 мин дутье прекращается, конвертер немного наклоняют, отбирают пробу и анализируют ее. При необходимости в корректировке можно снова возвратить конвертер в вертикальное положение и ввести в горловину кислородную фурму. Если же состав и температура расплава соответствуют спецификациям, то конвертер наклоняют в сторону разливочного пролета и через выпускное отверстие сливают сталь.

7. Получение стали в мартеновских печах

Мартеновский процесс был разработан в 1865 г. французскими металлургами отцом Э. Мартеном и сыном П. Мартеном. Мартеновская печь по устройству и принципу работы является пламенной регенеративной печью. В ее плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов. Рабочее плавильное пространство печи ограничено снизу ванной, образованной подиной и откосами; сверху - сводом; с боков - передней и задней стенками; с торцов - головками. В передней стенке расположены окна, через которые в печь загружают исходную шихту и дополнительные материалы (по ходу плавки), а также берут пробы металла и шлака, удаляют шлак при дефосфорации. Окна закрыты заслонками со смотровыми отверстиями. Готовую плавку выпускают через отверстие, расположенное в задней стенке на нижнем уровне подины. Отверстие плотно забивают малоспекающимися огнеупорными материалами.

Для более полного использования тепла отходящих газов в системе газоотводов установлены регенераторы. Регенераторы выполнены в виде камер, заполненных насадкой из огнеупорного кирпича. Принцип регенерации тепла заключается в том, что насадка одной пары регенераторов некоторое время нагревается до 1250 – 1300 оС отходящими из печи газами. Затем при помощи клапанов направление движения регенераторов меняется автоматически. Через один из нагретых регенераторов в рабочее пространство печи подается воздух, через другой – газ. Проходя через насадку, они нагреваются до 1100- 1200 С. В это время другая пара регенераторов нагревается, аккумулируя тепло отходящих газов. После охлаждения насадки регенераторов до установленной температуры снова происходит автоматическое переключение клапанов.

8. Получение стали в электропечах

Плавка в электропечах имеет ряд преимуществ перед плавкой в конверторах и мартеновских печах. Высокая температура позволяет применять сильноосновные шлаки, вводить большое количество флюсов и достигать максимального удаления из стали серы и фосфора. Для плавки в электропечи не требуется воздуха; окисляющая способность печи невысока, поэтому количество FeO в ванне незначительно, сталь получается достаточно раскисленная и плотная. Благодаря высокой температуре в печи можно получить легированные стали с тугоплавкими элементами: вольфрамовые, молибденовые и др.

Исходными материалами для плавки в электропечах являются стальной лом, железная руда, окалина. Передельный мартеновский чугун применяют только для сталей с высоким содержаниемуглерода, но чаще заменяют электродным боем или малосернистым коксом.

В качестве флюсов в основных печах применяют известь, а в кислых печах - кварцевый песок. Для разжижения основных шлаков применяют плавиковый шпат, боксит и шамотный бой, а для кислых шлаков - известь и шамотный бой. Для раскисления стали, кроме обычных ферросплавов, применяют комплексные раскислители (АМС, содержащий по 10% кремния, марганца и алюминия, силикомарганец, силикокальций).

Все материалы, загружаемые в электрические печи, должны быть сухими, чтобы не произошло насыщения стали водородом от разложения влаги.

Электрические печи для плавки металла делятся на три вида: печи сопротивления, дуговые и индукционные.

Для плавки стали применяют в основном дуговые и индукционные печи, а в печах сопротивления плавят сплавы цветных металллов.

Дуговые печи н аиболее распространены в промышленности, так как устройство и эксплуатация их несложны, коэффициент полезного действия высок и, кроме того, в них можно выплавлять самые разнообразные сорта стали и сплавов цветных металлов. В дуговых печах электроэнергия превращается в тепловую энергию дуги, которая передается плавящейся шихте посредством излучения.

Индукционные печи применяют для выплавки высоколегированных сталей и сплавов с низким содержанием углерода, а также для производства тонкостенного фасонного литья специальными методами (по выплавляемым моделям, под давлением и т. п.).

Электрошлаковый переплав стали представляет собой совершенно новый метод получения высококачественных легированных сталей, в том числе и быстрорежущих. Он разработан Институтом электросварки им. Е. О. Патона Академии наук УССР.

Сущность его состоит в том, что слитки из стали, полученной в обычных печах, перерабатываются на электроды для последующей переплавки их в электрошлаковой печи. плавление электродов происходит не за счет тепла электрической дуги, а за счет тепла, выделяющегося в слое расплавленного шлака, служащего сопротивлением при прохождении через него электрического тока. Принцип электрошлакового переплава очень прост. Электрод-слиток 1 (рис. 3) диаметром до 150 мм и длиной от 2 до б м вводят в медный водоохлаждаемый кристаллизатор 2, который представляет собой полый цилиндр. К дну кристаллизатора прикреплен поддон 5 с затравкой 4 - это шайба из переплавляемой стали. На затравку насыпают электропроводный флюс из порошка алюминия с магнием. В зазор между слитком-электродом и стенкой кристаллизатора засыпают рабочий флюс 3, состоящий из Аl2O3, CaFe2 и СаО.

9. Прогрессивные способы получения стали

Одним из прогрессивных способов получения сложных и высоколегированных сталей является электрометаллургический: плавка в электрических дуговых и индукционных печах.

Сталь особо высокого качества выплавляют в вакуумных электрических печах, а также путем электрошлакового, плазменного переплава, электронно-лучевой плавки.

10. Общее сведения о металлах. Классификация металлов.

Металлы - материалы кристаллической структуры, обладающие рядом специфических свойств: металлическим блеском; высокой электропроводностью и теплопроводностью; положительным температурным коэффициентом электросопротивления; электронной эмиссией; при нормальных условиях находятся в твердом состоянии (исключением является ртуть).

По внешнему виду металлы подразделяются на черные и цветные. К черным металлам относят железо и сплавы на его основе, остальные металлы принято относить к цветным.

Черные металлы, используемые в производстве хозяйственных товаров, представлены двумя сплавами: сталью (сплав железа с углеродом, с содержанием последнего не более 2,14%) и чугуном (сплав железа с углеродом, с содержанием последнего более 2,14%).

Чугун выплавляют из железной руды в доменных печах.

Сталь получают из чугуна путем выжигания из него избытка углерода кислородом воздуха.

11. Атомно-кристаллическое строение металлов.

Под атомно-кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле. Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.

В кристаллах существует не только ближний, но и дальний порядок размещения атомов, т. е. упорядоченное расположение частиц в кристалле сохраняется на больших участках кристаллов. Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл (твердое кристаллическое тело).

Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.

12. Свойства металлов и сплавов

Механические свойства

К основным механическим свойства относят:

Прочность

Пластичность

Твердость

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок.

Пластичность – способность материала изменять свою форму и размеры по действием внешних сил.

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела.

Физические свойства

К физическим свойства относят:

Плотность

Температуру плавления

Теплопроводность

Электропроводность

Магнитные свойства

Цвет – способность металлов отражать излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розовато-красный цвет, алюминий – серебристо-белый.

Плотность металла определяется отношением массы к единице объема. По плотности металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м3) и тяжелые.

Температура плавления – температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие (вольфрам – 3416 оС, тантал – 2950 оС и др.) и легкоплавкие (олово – 232 оС, свинец – 327 оС). В единицах СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К).

Теплопроводность – способность металлов передавать тепло от более нагретых участков тела к менее нагретым. Большой теплопроводностью обладают серебро, медь, алюминий. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/(м·К).

Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя противоположными характеристиками – электрической проводимостью и электрическим сопротивлением.

Электропроводность оценивается в системе СИ в сименсах (См). Электросопротивление выражают в омах (Ом). Хорошая электропроводность необходима, например, для токонесущих проводов (их изготавливают из меди, алюминия). При изготовлении электронагревательных приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (из нихрома, константана, манганина). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением – увеличивается.

Магнитные свойства выражаются в способности металлов намагничиваться. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, которые называют ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.

Химические свойства

Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, растворами щелочей и др.

К химическим свойствам относят:

Коррозионную стойкость

Жаростойкость

Коррозионная стойкость – способность металлов сопротивляться химическому разрушению под действием на их поверхность внешней агрессивной среды (коррозия происходит при вступлении в химическое взаимодействие с другими элементами).

Жаростойкость – способность металлов сопротивляться окислению при высоких температурах

Химические свойства учитывают в первую очередь для изделий или деталей, работающих в химически агрессивных средах:

Емкости для перевозки химических реактивов

Трубопроводы химических веществ

Приборы и инструменты в химической промышленности

13. Понятия: Сплав, компонент, фаза, механические смеси, твёрдые растворы, химические соединения.

Сплав - макроскопически однородный металлический материал, состоящий из смеси двух или большего числа химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

Компоненты - вещества, образующие систему. В качестве компонентов выступают чистые вещества и химические соединения, если они не диссоциируют на составные части в исследуемом интервале температур.

Фаза - однородная часть системы, отделенная от других частей системы поверхностного раздела, при переходе через которую структура и свойства резко меняются.

МЕХАНИЧЕСКАЯ СМЕСЬ (в металловедении) - строение сплава из двух компонентов, которые неспособны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединений. Сплав состоит из кристаллов компонентов А и Б

Твёрдые растворы - фазы переменного состава, в которых атомы различных элементов расположены в общей кристаллической решётке.

Хими́ческое соедине́ние - сложное вещество, состоящее из химически связанных атомов двух или более элементов (гетероядерные молекулы). Некоторые простые вещества также могут рассматриваться как химические соединения, если их молекулы состоят из атомов, соединённых ковалентной связью (азот, кислород, иод, бром, хлор, фтор, предположительно астат).

14. Кристаллизация металлов и сплавов

Процессы кристаллизации металлов и сплавов, являющиеся процессами перехода их из жидкого состояния в твердое, связаны с выделением скрытой теплоты кристаллизации. Для того чтобы происходил процесс кристаллизации металла или сплава, его необходимо все время охлаждать (отводить, отнимать от него тепло).

При рассмотрении процессов кристаллизации мы прежде всего должны иметь в виду определенный объем жидкого металла или сплава, который отдает тепло, и форму, которая принимает его. Передача тепла от жидкого металла и сплава форме проходит не мгновенно, так как теплопроводность жидкого металла или сплава и формы имеет определенные конечные значения. Поэтому одновременная кристаллизация всего объема металла или сплава в форме невозможна даже при одинаковых температурах во всех точках его объема.

15. Экспериментальное построение диаграмм состояния двойных сплавов

16. Правила фаз и отрезков

Фазами могут быть жидкие растворы, твердые растворы и химические соединения. Следовательно, однородная жидкость представляет собой однофазную систему, механическая смесь двух видов кристаллов - двухфазную систему и т. д.

Под числом степеней свободы (вариантностью) системы понимают число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), которые можно изменять без изменения числа фаз в системе.

Количественную зависимость между числом степеней свободы системы, находящейся в равновесном состоянии, и числом компонентов и фаз принято называть правилом фаз (закон Гиббса). Правило фаз для металлических систем выражается уравнением

С = К - Ф + m,

где С -число степеней свободы системы; К -число компонентов; Ф - число фаз; т - число внешних факторов (температура, давление).

Если принять, что все превращения происходят при постоянном давлении (Р = const), это уравнение примет следующий вид: С = К – Ф + 1, где 1 - внешний переменный фактор (температура).

Пользуясь правилом фаз, рассмотрим, как происходит изменение числа степеней свободы однокомпонентной системы для случая расплавленного чистого металла (К=1; Ф=1) С = 1-1 + 1 = 1, т.е. температуру можно изменять не меняя числа фаз. Такое состояние системы называют моновариантным (одновариантным). В процессе кристаллизации Ф = 2 (две фазы - жидкая и твердая), а К=1, тогда С= 1-2+1=0. Это значит, что две фазы находятся в равновесии при строго определенной температуре (температура плавления), и она не может быть изменена, пока одна из фаз не пропадет. Такое состояние системы называют нонвариантным (безвариантным).Для диухкомпонентной системы, находящейся в жидком состоянии (К = 2; Ф=1), правило фаз имеет вид С = 2-1 + 1=2, такая система называется бивариантной (двухвариантной). В этом случае возможно изменение двух факторов равновесия (темпера­туры и концентрации), число фаз при этом не меняется. Для этой же системы при существовании двух фаз (жидкой и твердой) К=2, Ф = 2, согласно правилу фаз С = 2-2+1 = 1, т.е. с изменением температуры концентрация должна быть строго определенной.

Применение правила фаз для диаграммы состояния первого типа(см. рис.). Пользуясь этой диаграммой, можно определить фазовое состояние сплавов любого состава при любой температуре. Так, например, в области 1 существует одна фаза - жидкий раствор. Правило фаз запишется в виде С = К – Ф + 1 = 2- 1 + 1 = 2, т. е. система имеет две степени свободы. Для остальных областей 2, 3, 4 и 5 система ха­рактеризуется одной степенью свободы (С = 2 – 2 + 1 = 1).

17. Диаграмма состояния сплавов с механической смесью

22. Структурные составляющие железоуглеродистых сплавов

Феррит – это твёрдый раствор углерода в α-железе. Максимальная концентрация углерода – всего лишь 0,025% (точка P). При комнатной температуре – не выше 0,006%. Феррит мягок и пластичен.

Аустенит – твёрдый раствор углерода в γ-железе. Максимальная концентрация углерода - 2,14 % (точка E). Аустенит имеет невысокую твёрдость, пластичен, не магнитится.

Цементит - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа, Fe3C). Концентрация углерода, соответственно, постоянная – 6,67 % углерода. Цементит очень твёрд, хрупок, непластичен.

Необходимо так же выделить 2 структурные составляющие железоуглеродистых сплавов:

Перлит (эвтектоид) – механическая смесь 2 фаз – пластинок/зерен феррита и цементита. Перлит образуется в результате перлитного превращения аустенита («свободного» или входящего в состав ледебурита) с концентрацией углерода 0,8% при прохождении ниже линии PSK:

А0,8→Ф0,025 + Ц6,67

Железо при этом переходит из γ-формы в α-форму. Механические свойства сильно зависят от размера (дисперсности) частичек, из которых состоит данный перлит.

Ледебурит (эвтектика) – механическая смесь 2 фаз – пластинок/зерен аустенита и цементита. Ледебурит образуется из жидкой фазы с концентрацией углерода 4,3% при прохождении ниже линии ECF:

Ж4,3→А2,14 + Ц6,67

Структура ледебурита. Ц - цементит, А - аустенит.

23. Диаграмма состояния сплавов железо-цементит

Диаграмма железо-углерод (железо-цементит) – это графическое отображение структуры сплавов, состоящих только из железа и углерода, в зависимости от исходной средней концентрации углерода и текущей температуры сплава. Диаграмма железо-углерод позволяет понять процессы, происходящие при термообработке стали.

Диаграмма железо-углерод (железо-цементит). Упрощенная

линия ACD. Линия ликвидус. При охлаждении сплавов ниже нее начинается их кристаллизация;

линия AECF. Линия солидус. При охлаждении сплавов ниже нее весь сплав переходит в твердое состояние;

линия ECF. Иногда называется линией ледебуритного превращения. При охлаждении сплавов с содержанием углерода выше 2,14% ниже нее жидкая фаза превращается в ледебурит;

линия PSK. Линия перлитного превращения. При охлаждении сплавов ниже нее аустенит превращается в перлит.

Отметим несколько важных точек на диаграмме:

точка E. Точка максимального насыщения аустенита углеродом – 2,14%, при температуре 1147°С;

точка P. Точка максимального насыщения феррита углеродом – 0,025%, при температуре 727°С;

точка S. Точка «0,8% С-727°С» превращения аустенита с концентрацией углерода 0,8% в перлит (эвтектоид) той же средней концентрации;

точка C. Точка «2,14 % С-1147°С» превращения жидкости с концентрацией углерода 2,14% в ледебурит (эвтектику) той же средней концентрации.