Железные руды: типы, распределение и методы добычи

Железо (Fe) — один из самых распространенных элементов в земной коре. Его содержание варьируется от 2–3% в осадочных породах до 8,5% в базальтах и габбро. Запасы железа практически безграничны во всех регионах мира.

Однако большая часть этого железа не пригодна для использования в современных методах получения чугуна. Поэтому под железной рудой понимается только та часть общего железа в земной коре, которая доступна сталелитейной промышленности экономически и пространственно. Критерии классификации железоносных минералов как руды сильно варьируются от места к месту и со временем, но основой всегда лежит экономическая целесообразность. Логичное коммерческое определение: «железоносые материалы, которые могут быть экономически использованы в конкретном месте и времени при действующих затратах и рыночных ценах».

Основные типы железных руд

Поскольку железо распространено широко, его стоимость относительно низка, поэтому месторождение должно содержать высокий процент Fe, чтобы считаться рудным. Благодаря улучшению методов обогащения, концентрирования и агломерации, круг используемых железоносных материалов расширился: многие низкокачественные виды, когда-то считавшиеся неэкономичными, теперь относятся к рудам. Обычно месторождение должно содержать не менее 25% Fe для экономически оправданной разработки.

Более 300 минералов содержат железо, но пять являются основными источниками руды:

• Магнетит (Fe₃O₄) — 72,36% Fe
• Гематит (Fe₂O₃) — 69,94% Fe
• Гётит (Fe₂O₃·H₂O)
• Сидерит (FeCO₃)
• Пирит (FeS₂)

Первые три имеют решающее значение из-за крупных экономически добываемых месторождений, однако большая часть мировой добычи приходится на гематит и магнетит.

Гематит

Химический состав Fe₂O₃ соответствует 69,94% железа и 30,06% кислорода. Цвет варьируется от стально-серого до тускло-красного или ярко-красного. Строение может быть земнистым, компактным или кристаллическим, удельный вес — 5,26. Основные виды: кристаллический, спеккулярит (блестящий), мартит (псевдоморфоз после магнетита), маггемит (магнитный оксид железа), земнистый, охристый, компактный. Гематит — одна из самых важных железных руд. Он широко распространен в различных породах разного происхождения: в венистых залеганиях, магматических, метаморфических и осадочных породах, а также как продукт выветривания магнетита. Некоторые низкокачественные залежди рассеянного кристаллического гематита успешно обогащаются гравитационными и флотационными методами.

Магнетит

Состав Fe₃O₄ соответствует 72,36% железа и 27,64% кислорода. Цвет темно-серый или черный, удельный вес 5,16–5,18. Обладает сильным магнетизмом, иногда полярностью, действуя как природный магнит. Встречается в магматических, метаморфических и осадочных породах. Магнитные свойства важны для разведки магнитными методами и магнитного разделения от безполезных минералов для получения качественного концентрата. Значение магнетита растет благодаря улучшению магнитных методов концентрирования и расширению использования высококачественных продуктов.

Добыча железных руд

Добыча (экстракция), обогащение и переработка железной руды производят железо и сталь. Добыча определяется как удаление рудного материала из залежей и включает все операции до обогащения. Высококачественные руды (Fe > 62%) просто дробят, просеивают и отгружают на производство чугуна (например, в доменную печь). Низкокачественные руды требуют обогащения, кроме дробления, просеивания и промывки, для повышения содержания железа. Для конкурентоспособности добыча должна вестись в очень больших масштабах. Применяются два основных метода:

• Открытый способ (карьерный)
• Подземный (шахтный)

Выбор метода зависит от глубины залегания рудного тела. Большинство железной руды в мире добывается открытым способом, хотя существуют и действующие подземные шахты. Для открытой разработки используются два основных метода: крановый и краново-экскаваторный. Почти все крупные рудники работают карьерным методом.

Планирование и разработка

Процесс от обнаружения залежей до рекультивации земель включает несколько этапов. Первым является проспекция и разведка для определения границ, расположения и ценности рудного тела, что ведет к математической оценке запасов.

Добыча начинается с поверхности. Руда выявляется бурением разведочных скважин по сетке на глубине нескольких метров. Рудная порода содержит значительный процент железа и примеси (глина, кварц). Образцы анализируются и классифицируются для составления горного плана.

Разработка шахты включает планирование для оценки экономически извлекаемой части залежей, металлургических характеристик руд, извлекаемости, инженерных вопросов, дробления и инфраструктуры. Доля экономически извлекаемого запаса зависит от коэффициента обогащения руды в районе.

Для доступа к месторождению часто приходится прорабатывать или удалять отвальные породы, не представляющие непосредственного интереса. Общее перемещение руды и отвалов составляет горный процесс. Часто отвалов добывается больше руды в течение жизни шахты, в зависимости от природы и расположения рудного тела. Удаление и размещение отвалов — основная статья затрат.

Общее залегание, размеры и форма залежей определяются на стадии разведки. Детальное знание уточняется в процессе разработки. Часто необходимо детально определить положение и характер геологических структур, влияющих на распределение и доступность руды.

После получения достаточной информации изучаются различные варианты эксплуатационных планов с использованием карт и профилей, показывающих размеры и форму рудного тела, состав руд и лабораторные результаты. По этим схемам определяют количества руд и отвалов с применением объемно-весовых коэффициентов. Компьютеры широко используются для расчета запасов и составления детальных планов. С их помощью проводят сравнительную оценку различных методов и планов для выбора наиболее благоприятного варианта и календарного планирования.

Необходимо планировать добычу так, чтобы обеспечить стабильный поток руды с составом, близким к целевым показателям. Эта потребность движет процессом превращения разведочного объекта в жизнеспособный горный проект. Поскольку состав залежей можно лишь грубо отобрать до начала добычи, а экономические условия волатильны, любой план носят предварительный характер и подлежит пересмотру по мере раскрытия залежей в процессе добычи.

Планирование не прекращается с началом производства, так как нужно реагировать на меняющиеся условия в результате накопления знаний о рудном теле по мере бурения новых скважин и получения новых анализов.

Планирование, разработка и эксплуатация карьера обычно основаны на прямоугольной блочной модели. Она состоит из набора блоков с размерами, соответствующими наименьшей добываемой единице (например, 50×50 м по горизонтали и 10 м по вертикали). Для каждого блока оценивают качество (железо и примеси: аллюмина, силиций, фосфор).

Блочная модель — развивающаяся адаптивная информационная система. Изначально она строится на интерполяции данных разведочного бурения. В процессе разработки и эксплуатации модель постоянно уточняется данными уточняющего бурения, скважин под взрыв, анализами добытой руды при дроблении. На любом этапе решения о выборе и последовательности добычи принимаются на основе имеющейся несовершенной информации для производства руды, соответствующей целевому качеству в заданных допусках.

Карьерная добыча

Методы открытой разработки извлекают руду из поверхностных залежей. Залежи обнажаются снятием верхнего слоя земли (иногда всего нескольких метров). Этот материал называется «верхние отвалы» (overburden). Верхние отвалы могут состоять из неупругих материалов, горных пород, глины, гравия и бедной руды. Глубина карьерной разработки зависит от качества руды, природы верхних отвалов и коэффициента отвалов. Коэффициент отвалов — количество верхних отвалов и пустой породы, подлежащей обработке на единицу добытой руды. Он описывается как единица отвалов, подлежащая удалению на единицу сырой руды. Коэффициенты отвалов растут с качеством добываемой руды и затратами на обогащение и транспортировку.

Экономический коэффициент отвалов сильно варьируется от рудника к руднику. Для руд прямой отгрузки он может достигать 6:1 или 7:1. Для низкокачественной руды экономическим пределом часто считается коэффициент менее 1,5:1.

Для добычи необходимо сначала открутить карьер, сняв верхние отвалы. Отвалы погружают большими гидравлическими экскаваторами в самосвалы, которые вывозят их в контурные отвалы, экологически спроектированные для соответствия окружению.

Снятие верхних отвалов может продолжаться значительную часть жизни карьера, пока стены отрезаются для углубления и извлечения руды на дне. Неупругие материалы выкапывают роторными экскаваторами, дрегами или скреперами в зависимости от условий. Остальные материалы обычно выкапывают роторными экскаваторами.

Руду добывают из больших карьеров прогрессивной разработкой по ступеням или пирам. Пиры обеспечивают доступ к более глубокой руде по мере удаления верхних уровней. После очистки грунта и покрывающих пород руду бурят и взрывают. Цель взрыва — обнажить рудное тело для извлечения или создать подходы (горизонтальные выработки) для доступа к руде. Взрывы также используют для разрушения руды.

Бурение и взрывные работы проводят для разрушения монолитных материалов до размеров, пригодных для горного оборудования, дробления и просеивания. Иногда это делают для ослабления рудных банок перед роторными экскаваторами для повышения эффективности погрузки.

Участок рудного тела для удаления сначала бурят по определенной схеме. Бурение ведут крупными механизированными буровыми установками. Главная цель — создать скважину подходящего диаметра, глубины и направления для закладки взрывчатки. Обычно диаметр взрывных скважин 400 мм, глубина 10–12 м. В взрывной схеме бурят около 400 скважин.

Перед взрывом скважины заряжают взрывчатой смесью. Главное требование к взрывчатке — способность к полному горению без внешнего кислорода. Раньше использовали нитроглицерин, углеродсодержащие материалы и окислители. Сейчас наиболее распространены смеси нитрата аммония и топливного масла (ANFO). Взрывчатку подрывают высоковзрывными взрывателями и/или зарядами. В некоторых случаях используют эмульсионные или гелевые патроны.

После подготовки участок очищают от рабочих и техники, и проводят взрыв. Каждая скважина подрывается с задержкой в миллисекунды, образуя груду сырой железной руды, расколотой до размера минус 2×2 м. Широкие выемки, созданные бурением, взрывом и удалением руды, называются «открытыми карьерами».

После взрыва расколотая руда называется «руда со ствола» (ROM). ROM-руду погружают огромными электрическими экскаваторами, гидравлическими экскаваторами или фронтальными погрузчиками на крупногабаритные самосвалы, которые доставляют ее на дробно-просеивательную станцию.

Дробление и просеивание

Железная руда товарного качества должна быть надлежаще подготовлена по размеру перед зарядкой в доменную печь. Современные доменные печи обычно требуют дробления и просеивания кусковой руды прямой зарядки мельче 10 мм и крупнее 30 мм. Конкретный размер выбирается исходя из характеристик руды для поддержания высокой газопроницаемости загрузки и обеспечения достаточного времени для восстановления более крупного материала. Следовательно, дробление и просеивание — неотъемлемая часть рудоподготовительных объектов.

Многие рудники применяют два-три стадии дробления. Некоторые имеют первичную дробарню в карьере с конвейерной транспортировкой на вторичные и третичные дробарни или прямо в мельницы. Стадии дробления уменьшают руду от нескольких футов в диаметре на первичной стадии до 6 дюймов, а затем до 1/2 или 3/8 дюйма в конечном продукте. Продукт дробарни поступает на мельничную операцию для дальнейшего измельчения.

Дробление обычно включает первичную щековую дробарню с вторичными дробарнями в замкнутом цикле с вибрационными грохотами. Выбор оборудования во многом определяется крушимостью руды. Большинство просеивательных операций по высококачественным рудам сухие, за исключением случаев, когда мелкую фракцию можно эффективно обогатить деслиманием.

Мелкая фракция минус 10 мм, получаемая при дроблении и просеивании, чаще всего агломерируют синтерированием или иногда помолом для пеллетизации.

Горная программа отдельных рудников разрабатывается для получения однородного продукта. Хотя в большинстве систем погрузки и отгрузки задействовано множество перегрузочных операций, они часто не обеспечивают достаточное перемешивание для соответствия стандартам качества сталелитейных заводов, особенно если заданы требования и к размеру, и к химизму. Современные комплексы смешения и погрузки теперь практически везде установлены на рудниках.

Системы стокования и выбора используются часто. Стокование приводит к послойной укладке железных руд. Каждый последующий слой представляет руду, которая может отличаться по размеру или химизму от соседних слоев. Вытяженная куча набирается до высоты, ограниченной возможностями стокователя. Руду затем выбирают крановыми экскаваторами, фронтальными погрузчиками или скреперными конвейерами. Удаление руды с лица кучи дает поток материала, представляющий равномерную смесь руды со всех слоев. Смешанная руда затем отгружается заказчикам.

Различные этапы добычи показаны на рис. 1.

Рис. 1 Этапы открытой добычи железной руды

Экологические вопросы

Материалы, образующиеся при открытой добыче, включают верхние отвалы, пустую породу и шахтные воды. Другие отходы могут включать небольшие количества нефти и смазок, пролившихся при добыче. Шахтные воды обычно содержат растворенные или взвешенные компоненты, аналогичные тем, что в рудном теле. Это могут быть следы алюминия, сурьмы, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, меди, марганца, никеля, селена, серебра, серы, титана и цинка.

Вода создает множество проблем при добыче железной руды. За исключением редких случаев (например, добыча на вершинах холмов или в пустынных условиях), воду необходимо собирать в сумпы, скважины или подземные выработки и откачивать из шахты. Такая дренажная вода часто используют напрямую для восполнения потерь воды в процессах концентрирования.