鐵礦是怎樣形成的!

匿名用戶(hù) | 2017-05-19 02:39

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鐵礦
鐵是世界上發(fā)現(xiàn)最早,利用最廣,用量也是最多的一種金屬,其消耗量約占金屬總消耗量的95%左右.鐵礦石主要用于鋼鐵工業(yè),冶煉含碳量不同的生鐵（含碳量一般在2%以上）和鋼（含碳量一般在2%以下）.生鐵通常按用途不同分為煉鋼生鐵、鑄造生鐵、合金生鐵.鋼按組成元素不同分為碳素鋼、合金鋼.合金鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上,為改善或獲得某些性能而有意加入適量的一種或多種元素的鋼,加入鋼中的元素種類(lèi)很多,主要有鉻、錳、釩、鈦、鎳、鉬、硅.此外,鐵礦石還用于作合成氨的催化劑（純磁鐵礦）,天然礦物顏料（赤鐵礦、鏡鐵礦、褐鐵礦)、飼料添加劑（磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦）和名貴藥石（磁石）等,但用量很少.鋼鐵制品廣泛用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)和人民生活各個(gè)方面,是社會(huì)生產(chǎn)和公眾生活所必需的基本材料.自從19世紀(jì)中期發(fā)明轉(zhuǎn)爐煉鋼法逐步形成鋼鐵工業(yè)大生產(chǎn)以來(lái),鋼鐵一直是最重要的結(jié)構(gòu)材料,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有極重要的地位,是社會(huì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè),是現(xiàn)代化工業(yè)最重要和應(yīng)用最多的金屬材料.所以,人們常把鋼、鋼材的產(chǎn)量、品種、質(zhì)量作為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志.
一、礦物原料特點(diǎn)
(一)主要鐵礦
物鐵礦物種類(lèi)繁多,目前已發(fā)現(xiàn)的鐵礦物和含鐵礦物約300余種,其中常見(jiàn)的有170余種.但在當(dāng)前技術(shù)條件下,具有工業(yè)利用價(jià)值的主要是磁鐵礦、赤鐵礦、磁赤鐵礦、鈦鐵礦、褐鐵礦和菱鐵礦等.
1.磁鐵礦
FeO 31.03%,Fe2O3 68.97%或含F(xiàn)e 72.2%,O 27.6%,等軸晶系.單晶體常呈八面體,較少呈菱形十二面體.在菱形十二面體面上,長(zhǎng)對(duì)角線(xiàn)方向常現(xiàn)條紋.集合體多呈致密塊狀和粒狀.顏色為鐵黑色、條痕為黑色,半金屬光澤,不透明.硬度5.5～6.5.比重4.9～5.2.具強(qiáng)磁性.
磁鐵礦中常有相當(dāng)數(shù)量的Ti4+以類(lèi)質(zhì)同象代替Fe3+,還伴隨有Mg2+和V3+等相應(yīng)地代替Fe2+和Fe3+,因而形成一些礦物亞種,即：
(1)鈦磁鐵礦 Fe2+(2+x)Fe3+(2-2x)TixO4(0＜x＜1),含TiO212%～16%.常溫下,鈦從其中分離成板狀和柱狀的鈦鐵礦及布紋狀的鈦鐵晶石.
(2)釩磁鐵礦 FeV2O4或Fe2+(Fe3+V)O4,含V2O5有時(shí)高達(dá)68.41%～72.04%.
(3)釩鈦磁鐵礦為成分更為復(fù)雜的上述兩種礦物的固溶體產(chǎn)物.
(4)鉻磁鐵礦含Cr2O3可達(dá)百分之幾.
(5)鎂磁鐵礦含MgO可達(dá)6.01%.
磁鐵礦是巖漿成因鐵礦床、接觸交代-熱液鐵礦床、沉積變質(zhì)鐵礦床,以及一系列與火山作用有關(guān)的鐵礦床中鐵礦石的主要礦物.此外,也常見(jiàn)于砂礦床中.
磁鐵礦氧化后可變成赤鐵礦(假象赤鐵礦及褐鐵礦),但仍能保持其原來(lái)的晶形.
2.赤鐵礦
自然界中Fe2O3的同質(zhì)多象變種已知有兩種,即α-Fe2O3和γ-Fe2O3.前者在自然條件下穩(wěn)定,稱(chēng)為赤鐵礦；后者在自然條件下不如α-Fe2O3穩(wěn)定,處于亞穩(wěn)定狀態(tài),稱(chēng)之為磁赤鐵礦.
赤鐵礦：Fe 69.94%,O 30.06%,常含類(lèi)質(zhì)同象混入物Ti、Al、Mn、Fe2+、Ca、Mg及少量Ga和Co.三方晶系,完好晶體少見(jiàn).結(jié)晶赤鐵礦為鋼灰色,隱晶質(zhì)；土狀赤鐵礦呈紅色.條痕為櫻桃紅色或鮮豬肝色.金屬至半金屬光澤.有時(shí)光澤暗淡.硬度5～6.比重5～5.3.
赤鐵礦的集合體有各種形態(tài),形成一些礦物亞種,即：
(1)鏡鐵礦為具金屬光澤的玫瑰花狀或片狀赤鐵礦的集合體.
(2)云母赤鐵礦具金屬光澤的晶質(zhì)細(xì)鱗狀赤鐵礦.
(3)鮞狀或腎狀赤鐵礦形態(tài)呈鮞狀或腎狀的赤鐵礦.
赤鐵礦是自然界中分布很廣的鐵礦物之一,可形成于各種地質(zhì)作用,但以熱液作用、沉積作用和區(qū)域變質(zhì)作用為主.在氧化帶里,赤鐵礦可由褐鐵礦或纖鐵礦、針鐵礦經(jīng)脫水作用形成.但也可以變成針鐵礦和水赤鐵礦等.在還原條件下,赤鐵礦可轉(zhuǎn)變?yōu)榇盆F礦,稱(chēng)假象磁鐵礦.
3.磁赤鐵礦
γ-Fe2O3,其化學(xué)組成中常含有Mg、Ti和Mn等混入物.等軸晶系,五角三四面體晶類(lèi),多呈粒狀集合體,致密塊狀,常具磁鐵礦假象.顏色及條痕均為褐色,硬度5,比重4.88,強(qiáng)磁性.
磁赤鐵礦主要是磁鐵礦在氧化條件下經(jīng)次生變化作用形成.磁鐵礦中的Fe2+完全為Fe3+所代替(3Fe2+→2Fe3+),所以有1/3Fe2+所占據(jù)的八面體位置產(chǎn)生了空位.另外,磁赤鐵礦可由纖鐵礦失水而形成,亦有由鐵的氧化物經(jīng)有機(jī)作用而形成的.
4.褐鐵礦
實(shí)際上并不是一個(gè)礦物種,而是針鐵礦、纖鐵礦、水針鐵礦、水纖鐵礦以及含水氧化硅、泥質(zhì)等的混合物.化學(xué)成分變化大,含水量變化也大.
(1)針鐵礦 α-FeO(OH),含F(xiàn)e 62.9%.含不定量的吸附水者,稱(chēng)水針鐵礦HFeO2·NH2O.斜方晶系,形態(tài)有針狀、柱狀、薄板狀或鱗片狀.通常呈豆?fàn)睢⒛I狀或鐘乳狀.切面具平行或放射纖維狀構(gòu)造.有時(shí)成致密塊狀、土狀,也有呈鮞狀.顏色紅褐、暗褐至黑褐.經(jīng)風(fēng)化而成的粉末狀、赭石狀褐鐵礦則呈黃褐色.針鐵礦條痕為紅褐色,硬度5～5.5,比重4～4.3.而褐鐵礦條痕則一般為淡褐或黃褐色,硬度1～4,比重3.3～4.
(2)纖鐵礦 γ-FeO(OH),含F(xiàn)e 62.9%.含不定量的吸附水者,稱(chēng)水纖鐵礦FeO(OH)·NH2O.斜方晶系.常見(jiàn)鱗片狀或纖維狀集合體.顏色暗紅至黑紅色.條痕為桔紅色或磚紅色.硬度4～5,比重4.01～4.1.
5.鈦鐵礦
FeTiO3,Fe 36.8%,Ti 36.6%,O 31.6%.三方晶系.菱面體晶類(lèi).常呈不規(guī)則粒狀、鱗片狀或厚板狀.在950℃以上鈦鐵礦與赤鐵礦形成完全類(lèi)質(zhì)同象.當(dāng)溫度降低時(shí),即發(fā)生熔離,故鈦鐵礦中常含有細(xì)小鱗片狀赤鐵礦包體.鈦鐵礦顏色為鐵黑色或鋼灰色.條痕為鋼灰色或黑色.含赤鐵礦包體時(shí)呈褐色或帶褐的紅色條痕.金屬-半金屬光澤.不透明,無(wú)解理.硬度5～6.5,比重4～5.弱磁性.鈦鐵礦主要出現(xiàn)在超基性巖、基性巖、堿性巖、酸性巖及變質(zhì)巖中.我國(guó)攀枝花釩鈦磁鐵礦床中,鈦鐵礦呈粒狀或片狀分布于鈦磁鐵礦等礦物顆粒之間,或沿鈦磁鐵礦裂開(kāi)面成定向片晶.
6.菱鐵礦
FeCO3,FeO 62.01%,CO2 37.99%,常含Mg和Mn.三方晶系.常見(jiàn)菱面體,晶面常彎曲.其集合體成粗粒狀至細(xì)粒狀.亦有呈結(jié)核狀、葡萄狀、土狀者.黃色、淺褐黃色(風(fēng)化后為深褐色),玻璃光澤.硬度3.5～4.5,比重3.96左右,因Mg和Mn的含量不同而有所變化.
(二)鐵的化學(xué)和物理性質(zhì)
鐵元素(Ferrum)的原子序數(shù)為26,符號(hào)為Fe.在元素周期表上,鐵是第四周期第八副族(ⅧB(niǎo))的元素.它與鈷和鎳同屬四周期ⅧB(niǎo)族.
在自然界中,鐵元素有4種穩(wěn)定同位素,其同位素豐度(%)如下(Hertz,1960)：
54Fe—5.81,56Fe—91.64,57Fe—2.21,58Fe—0.34.
鐵的原子量平均為55.847(當(dāng)12C=12.000時(shí)).
鐵的原子半徑,取12配位數(shù)時(shí),為1.26×10-10m.鐵的原子體積為7.1cm3/克原子,原子密度為7.86g/cm3.
鐵原子的電子結(jié)構(gòu)是3d64s2.
鐵原子很容易失掉最外層的兩個(gè)s電子而呈正二價(jià)離子(Fe2+).如果再失掉次外層的1個(gè)d電子,則呈正三價(jià)離子(Fe3+).鐵元素的這種變價(jià)特征,導(dǎo)致鐵在不同氧化還原反應(yīng)中顯示出不同的地球化學(xué)性質(zhì).
鐵原子失去第一個(gè)電子的電離勢(shì)(I1)為7.90eV,失去第二個(gè)電子的電離勢(shì)(I2)為16.18eV,失去第三個(gè)電子的電離勢(shì)(I3)為30.64eV.
鐵的離子半徑隨配位數(shù)和離子電荷而變化.據(jù)Ahrens(1952)資料,取6配位數(shù)時(shí),Fe2+的離子半徑為0.074nm,Fe3+的離子半徑為0.064nm.鐵離子在含氧鹽和鹵化物等中構(gòu)成離子化合物.
鐵常與硫和砷等構(gòu)成共價(jià)化合物.鐵的共價(jià)半徑為1.17×10－10m.其鍵性強(qiáng)度可用鐵和硫、砷等的電負(fù)性差求得.鐵的電負(fù)性,Fe2+為1.8,Fe3+為1.9(波林,1964).
凡是原子半徑與鐵相近的元素,當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)相同時(shí),易與鐵形成金屬互化物,如鐵和鉑族形成的金屬互化物粗鉑礦(Pt,Fe).凡是離子半徑與鐵相近的元素,當(dāng)化學(xué)結(jié)構(gòu)式相同時(shí),易與鐵發(fā)生類(lèi)質(zhì)同象替換,如硅酸鹽中的鐵橄欖石和鎂橄欖石類(lèi)質(zhì)同象系列；碳酸鹽中的菱鐵礦和菱錳礦類(lèi)質(zhì)同象系列；以及鎢酸鹽中的鎢鐵礦和鎢錳礦類(lèi)質(zhì)同象系列,等等.
離子電位(Φ)是一個(gè)重要的地球化學(xué)指標(biāo).Fe2+的離子電位為2.70,可在水溶液中呈自由離子(Fe2+)遷移.Fe3+的離子電位較高,為4.69,它易呈水解產(chǎn)物沉淀.因此,在還原條件下,有利于Fe2+呈自由離子遷移；在氧化條件下,則Fe2+易氧化為Fe3+而呈水解產(chǎn)物沉淀.與鐵共沉淀的元素(同價(jià)的或異價(jià)的)共生組合,可用離子電位圖來(lái)預(yù)測(cè).
鐵及其化合物的密度、熔點(diǎn)和沸點(diǎn),以及它們?cè)谒械娜芙舛然蛉芏确e,是決定鐵進(jìn)行地球化學(xué)遷移的重要物理常數(shù).
鐵化合物的溶度積(18℃時(shí)),Fe(OH)3為1.1×10-36,Fe(OH)2為1.04×10-14,FeS為3.7×10-19,等等.
鐵的熔化潛熱為269.55J/g,蒸發(fā)潛熱為6343J/g.
二、用途與技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
鐵礦石是指巖石(或礦物)中TFe含量達(dá)到最低工業(yè)品位要求者.
(一)鐵礦石分類(lèi)
按照礦物組分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和采、選、冶及工藝流程等特點(diǎn),可將鐵礦石分為自然類(lèi)型和工業(yè)類(lèi)型兩大類(lèi).
1.自然類(lèi)型
1)根據(jù)含鐵礦物種類(lèi)可分為：磁鐵礦石、赤鐵礦石、假象或半假象赤鐵礦石、釩鈦磁鐵礦石、褐鐵礦石、菱鐵礦石以及由其中兩種或兩種以上含鐵礦物組成的混合礦石.
2)按有害雜質(zhì)(S、P、Cu、Pb、Zn、V、Ti、Co、Ni、Sn、F、As)含量的高低,可分為高硫鐵礦石、低硫鐵礦石、高磷鐵礦石、低磷鐵礦石等.
3)按結(jié)構(gòu)、構(gòu)造可分為浸染狀礦石、網(wǎng)脈浸染狀礦石、條紋狀礦石、條帶狀礦石、致密塊狀礦石、角礫狀礦石,以及鮞狀、豆?fàn)睢⒛I狀、蜂窩狀、粉狀、土狀礦石等.
4)按脈石礦物可分為石英型、閃石型、輝石型、斜長(zhǎng)石型、絹云母綠泥石型、夕卡巖型、陽(yáng)起石型、蛇紋石型、鐵白云石型和碧玉型鐵礦石等.
2.工業(yè)類(lèi)型
1)工業(yè)上能利用的鐵礦石,即表內(nèi)鐵礦石,包括煉鋼用鐵礦石、煉鐵用鐵礦石、需選鐵礦石.
2)工業(yè)上暫不能利用的鐵礦石,即表外鐵礦石,礦石含鐵量介于最低工業(yè)品位與邊界品位之間.
(二)一般工業(yè)質(zhì)量要求
1.煉鋼用鐵礦石(原稱(chēng)平爐富礦)
礦石入爐塊度要求：
平爐用鐵礦石50～250 mm；
電爐用鐵礦石50～100 mm；
轉(zhuǎn)爐用鐵礦石10～50 mm.
直接用于煉鋼的礦石質(zhì)量要求見(jiàn)表3.2.2(適用于磁鐵礦石、赤鐵礦石、褐鐵礦石).
2.煉鐵用鐵礦石(原稱(chēng)高爐富礦)
礦石入爐塊度要求：一般為8～40mm.
煉鐵用鐵礦石,按造渣組分的酸堿度可劃分為：
堿性礦石(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)＞1.2；
自熔性礦石(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)=0.8～1.2；
半自熔性礦石(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)=0.5～0.8；
酸性礦石(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)＜0.5.
酸性轉(zhuǎn)爐煉鋼生鐵礦石P≤0.03%
堿性平爐煉鋼生鐵礦石P≤0.03%～0.18%
堿性側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼生鐵礦石P≤0.2%～0.8%
托馬斯生鐵礦石P≤0.8%～1.2%
普通鑄造生鐵礦石P≤0.05%～0.15%
高磷鑄造生鐵礦石P≤0.15%～0.6%
3.需選鐵礦石
對(duì)于含鐵量較低或含鐵量雖高但有害雜質(zhì)含量超過(guò)規(guī)定要求的礦石或含伴生有益組分的鐵礦石,均需進(jìn)行選礦處理,選出的鐵精粉經(jīng)配料燒結(jié)或球團(tuán)處理后才能入爐使用.
需經(jīng)選礦處理的鐵礦石要求：
磁鐵礦石TFe≥25%,mFe≥20%；
赤鐵礦石TFe≥28%～30%；
菱鐵礦石TFe≥25%；
褐鐵礦石TFe≥30%.
對(duì)需選礦石工業(yè)類(lèi)型劃分,通常以單一弱磁選工藝流程為基礎(chǔ),采用磁性鐵占有率來(lái)劃分.根據(jù)我國(guó)礦山生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),其一般標(biāo)準(zhǔn)是：
礦石類(lèi)型mFe/TFe(%)
單一弱磁選礦石≥65
其他流程選礦石＜65
對(duì)磁鐵礦石、赤鐵礦石也可采用另一種劃分標(biāo)準(zhǔn)：
mFe/TFe≥85磁鐵礦石
mFe/TFe85～15混合礦石
mFe/TFe≤15赤鐵礦石
三、礦業(yè)簡(jiǎn)史
鐵、鐵礦的發(fā)現(xiàn)與利用
中國(guó)是世界上利用鐵最早的國(guó)家之一.早在19000年前,周口店“山頂洞人”就開(kāi)始使用赤鐵礦粉作為赭紅色顏料,涂于裝飾品上或者隨葬撒在尸體周?chē)?這是人類(lèi)利用天然礦物顏料的開(kāi)始.到新石器時(shí)代（距今10000～4000年）,興起了制陶業(yè),并發(fā)明繪制各種風(fēng)格的彩陶.繪制赭紅色彩陶的原料就是赭石（赤鐵礦）.
人類(lèi)使用鐵器制品至少有5000多年歷史,開(kāi)始是用鐵隕石中的天然鐵制成鐵器.最早的隕鐵器是在尼羅河流域的格澤(Gerzeh)和幼發(fā)拉底河流域?yàn)鯛枺║r)出土于公元前4000多年前的鐵珠和匕首.目前中國(guó)最早的隕鐵文物是1972年在河北藁城臺(tái)西村商代中期（公元前13世紀(jì)中期）遺址中發(fā)現(xiàn)的鐵刃青銅鉞.這件古兵器,經(jīng)全面的科學(xué)考查,確定刃部是隕鐵加熱鍛造成的.它表明我國(guó)商代人們已掌握一定水平的鍛造技術(shù)和對(duì)鐵的認(rèn)識(shí),熟悉鐵加工性能,并認(rèn)識(shí)鐵與青銅在性質(zhì)上的差別.但那時(shí)人們還不會(huì)利用鐵礦石煉鐵,而鐵隕石又很少,所以當(dāng)時(shí)的鐵制品是十分珍貴的物品.
我國(guó)用鐵礦石直接煉鐵,早期的方法是塊煉鐵,后來(lái)用豎爐煉鐵.在春秋時(shí)代晚期（公元前6世紀(jì)）已煉出可供澆鑄的液態(tài)生鐵,鑄成鐵器,應(yīng)用于生產(chǎn),并發(fā)明了鑄鐵柔化術(shù).這一發(fā)明加快了鐵器取代銅器等生產(chǎn)工具的歷史進(jìn)程.戰(zhàn)國(guó)冶鐵業(yè)興盛,生產(chǎn)的鐵器制品以農(nóng)具、手工工具為主,兵器則青銅、鋼、鐵兼而有之.據(jù)記載,今山東臨淄和河北邯鄲鐵礦等,春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期都已進(jìn)行開(kāi)采.

匿名用戶(hù) | 2017-05-19 02:39