铁矿

赤铁矿
         赤铁矿
  是世界上发现最早,利用最广,用量也是最多的一种金属,其消耗量约占金属总消耗量的95%左右。铁矿石主要用于钢铁工业,冶炼含碳量不同的生铁(含碳量一般在2%以上)和钢(含碳量一般在2%以下)。生铁通常按用途不同分为炼钢生铁、铸造生铁、合金生铁。钢按组成元素不同分为碳素钢、合金钢。合金钢是在碳素钢的基础上,为改善或获得某些性能而有意加入适量的一种或多种元素的钢,加入钢中的元素种类很多,主要有、钒、、镍、钼、。此外,铁矿石还用于作合成催化剂(纯磁铁矿),天然矿物颜料(赤铁矿、镜铁矿、褐铁矿)、饲料添加剂(磁铁矿赤铁矿褐铁矿)和名贵药石(磁石)等,但用量很少。钢铁制品广泛用于国民经济各部门和人民生活各个方面,是社会生产和公众生活所必需的基本材料。自从19世纪中期发明转炉炼钢法逐步形成钢铁工业大生产以来,钢铁一直是最重要的结构材料,在国民经济中占有极重要的地位,是社会发展的重要支柱产业,是现代化工业最重要和应用最多的金属材料。所以,人们常把钢、钢材的产量、品种、质量作为衡量一个国家工业农业、国防和科学技术发展水平的重要标志。

矿业简史

·铁、铁矿的发现与利用

北京密云冯家峪铁矿
北京密云冯家峪铁矿
  中国是世界上利用最早的国家之一。早在19000年前,周口店“山顶洞人”就开始使用赤铁矿粉作为赭红色颜料,涂于装饰品上或者随葬撒在尸体周围。这是人类利用天然矿物颜料的开始。到新石器时代(距今10000~4000年),兴起了制陶业,并发明绘制各种风格的彩陶。绘制赭红色彩陶的原料就是赭石赤铁矿)。
  人类使用铁器制品至少有5000多年历史,开始是用铁陨石中的天然铁制成铁器。最早的陨铁器是在尼罗河流域的格泽(Gerzeh)和幼发拉底河流域乌尔(Ur)出土于公元前4000多年前的铁珠和匕首。目前中国最早的陨铁文物是1972年在河北藁城台西村商代中期(公元前13世纪中期)遗址中发现的铁刃青铜钺。这件古兵器,经全面的科学考查,确定刃部是陨铁加热锻造成的。它表明我国商代人们已掌握一定水平的锻造技术和对铁的认识,熟悉铁加工性能,并认识青铜在性质上的差别。但那时人们还不会利用铁矿石炼铁,而铁陨石又很少,所以当时的铁制品是十分珍贵的物品。
  我国用铁矿石直接炼铁,早期的方法是块炼铁,后来用竖炉炼铁。在春秋时代晚期(公元前6世纪)已炼出可供浇铸的液态生铁,铸成铁器,应用于生产,并发明了铸铁柔化术。这一发明加快了铁器取代铜器等生产工具的历史进程。战国冶铁业兴盛,生产的铁器制品以农具、手工工具为主,兵器则青铜、钢、兼而有之。据记载,今山东临淄和河北邯郸铁矿等,春秋战国时期都已进行开采。

·采掘简史

雕刻用晶体硫铁矿
雕刻用晶体硫铁矿
  随着冶铁业的兴盛与发展,发现和开采的铁矿产地,一代比一代多。春秋战国时代(公元前770年~前221年),据《山海经·五藏山经》记载产铁之山有37处。汉武帝(公元前119年)在49个产铁地区设置铁官。唐代,按《新唐书·地理志》记载,当时全国产铁之山104处。明代,有铁矿产地130处。到清代前期(公元1644~1840年)铁矿产地发展到134处之多。古代开采的大部为地表风化残积、堆积矿和江河岸边的铁矿,以及露出地表的浅部铁矿体。采掘方法主要有:
  (1)露天垦土法  翻耕有铁矿的土地,矿石随之露出地面。《天工开物》记载:土锭铁(即褐铁矿结核)“浅浮土面,不生深穴”,“若起冶煎炼,浮者拾之。又乘雨湿之后,牛耕起土,拾其数寸土内者”。这是古代记载的一种特殊采矿方法。
  (2)露天掘取法  用于采掘地表露头铁矿体。1974年在鞍山东北的太平沟发掘的汉代古采坑,坑形上宽10m,下窄2m,深10m,呈漏斗状。显然是古代露采遗址。清代开采的庙儿沟(南芬)铁矿,是人们在地表露头处先用棒撬开石缝,再用火烧(火爆法),经过冷缩热胀,使其破碎,采取矿石。
  (3)地下凿坑法  即沿着矿体往地下凿坑采掘矿石。在河南、江苏、黑龙江等地一些古铁矿遗址,都发现有竖井、斜井和巷道直接采掘矿石的古洞。说明当时人们已能根据矿体的不同产状,采用不同的采掘方法,河南发掘的汉代巩县铁生沟的巷道是沿矿体平行掘进,并沿矿体倾斜分别有上山和下山小斜井,直接采矿。竖井有方形和圆形两种,一般在矿体中间或一侧往下采掘矿石。对缓倾斜矿体再采用斜井。江苏利国东汉冶铁遗址附近的峒山古竖井,井口径1.5m,深约10m。由于采掘技术的提高,矿井愈来愈深。黑龙江阿城五道岭地区,发掘金代中期的铁矿井深达40m,矿井呈阶梯式,井内有采矿和选矿(手选)的不同作业区,还有灯洞和采掘工具。
  (4)古代采掘工具有  铁斧、铁锤、铁锥、铁镐和铁砧等。如在河南发现的汉代、宋代一些铁矿,采掘工具是铁斧、铁锤、铁锥、铁镐等,在古采洞的围岩壁上还遗留有铁斧、铁锥的凿痕。到近代(1840~1949年),开采的铁矿山大部是在古矿硐(采场)的基础上建立起来的。据已查阅的40多处矿山资料记载,这些都曾先后经过不同程度的地表调查和矿石质量化验。有些矿山开始逐步采用新的采掘、运输方法和设备以及贫矿选别。开采规模比较大。如辽宁鞍山弓长岭铁矿1933~1945年年均产矿石约60万t,最高年产达100万t;湖北大冶铁矿1942年最高年产矿石达144万t;安徽马鞍山铁矿南山区1941年最高产矿石90万t。这3个矿山是我国近代时期铁矿主要产区,也是古代著名的铁矿产地。

·地质找矿简史

铁矿的勘探
          铁矿的勘探
  人类对地质现象的观察和描述以及对岩石、矿物的认识,可追溯到远古时期。在我国春秋战国成书的《山海经》、《管子》中的某些篇章,是人类对岩石矿物的最早总结,并从发现的矿产地中总结一些矿产分布规律和找矿标志。《管子·地数》中记载:“天下名山五千二百七十,出铜之山四百六十七,出铁之山三千六百有九”。而后《史记·货殖列传》:“铜、铁则千里往往出棋置”。概括了铁铜矿产的分布。《管子·地数》对矿产分布规律的论述有:“山上有赭,其下有铁”;“上有慈石(磁铁矿)者,下有金也”,明确地总结了铁和铜、金矿产的垂直(上、下)分布规律,除垂直分布规律外,《山海经·五藏山经》记载许多地区(山)不同矿产分布的“阴阳”分布关系。西山经:“符禺之山(今陕西华县西南)其阳多铜,其阴多铁”,盂山(今陕西靖边县)“其阳多铜,其阴多铁”;泰冒之山(今陕西肤施)“其阳多金,其阴多铁”;龙首之山(今陕西陇县)“其阳多黄金,其阴多铁”;西皇之山“其阳多金,其阴多铁”。《中山经》:”荆山(今湖北南漳县)“其阴多铁,其阳多赤金”;密山(今河南新安县)“其阴多铁”;求山“其阳多金,其阴多铁”;《北山经》:白马之山(在今山西孟县北)“其阴多铁,多赤铜”等等。这是古人通过开采实践总结出来的“规律”。但如何加以科学解释,是一个有待探讨的问题。
  找矿线索(标志),古代称之为“苗”、“引”或“荣”。除前边叙述的一些铁矿与其他金属矿产分布规律作为找矿标志外,还总结有,《丹房镜源》:“阴平(今甘肃文县西北)铅出剑州(今川北龙山东南)是铁之苗”。“宝藏论”:“上铙乐平铅……铁苗也”。郭璞《流赭赞》:“沙则潜流,亦有运赭;于以求铁,趁在其下”。可见“赭”有在高山上的,也有在流水中,都见有找铁矿的线索。《管子·地数》记:“山上有赭,其下有铁……此山之见荣者也”。
  古代对金属矿物的生成,也有比较明确的认识。如《博物志》记:“石者,金之根甲”。这是说金属矿物以岩石为“根”,而又被岩石所包围(“甲”),很形象地说明了原生金属矿物的成因。
  从上述来看,我国古代人们对地质的认识具有一定水平,许多经验总结至今仍具有一定的地质找矿价值。但许多经验与认识,没有发展到现代地质科学的高度。从18世纪以后无论在地质学的认识上还是在应用上,较诸欧洲都显得落后。
  19世纪后期,中国官办和民用工业进一步发展与扩大,使钢铁消耗量增加,近代矿冶工业的发展,需要进行地质调查和找矿工作。但当时我们还没有自己的专业地质人员,因此不得不聘请外国矿师进行找矿。直到辛亥革命以后,1916年由中国自己培养的首批地质人员在国内开始了地质矿产调查工作。最先进行地质调查的铁矿区有河北龙烟、井陉和湖北鄂城等铁矿山。这可能是中国自己的地质人员最早调查的铁矿床。
  据查阅部分文献记载,1916~1948年间,由我国自己的地质队伍调查的主要铁矿产区有:河北省宣化、承德、滦县、武安、涉县;河南省安阳、林县、巩县—修武、新安—渑池、南召;山西省太原东山;内蒙古白云鄂博;湖北省西南部和大冶、鄂城、灵乡;扬子江下游;浙江省建德;福建省安溪、永春、永泰、龙岩;江西西部;江苏省利国;四川省和重庆綦江、涪陵—彭水、威远、攀枝花、达县—渠县、南江—旺苍、洪雅、永川—铜梁、冕宁泸沽、会理、道孚、荥经;云南易门、禄丰、安宁、昆阳、武定、鹤庆;贵州省水城观音山、赫章及贵州南部;湖南省宁乡、新化、茶陵;广东省云浮、紫金;陕西省凤县;甘肃省皋兰、天水、武威、成县等。
  通过地质调查新发现了白云鄂博、攀枝花、承德大庙等当今仍在开采的一些重要铁矿山,并初步了解与掌握了一批铁矿产地(矿点)。
  近代时期(1840~1949年),我国地质学家对我国铁矿床种类(类型)进行了分类。据《中国矿产资源一览(铁矿)》记载,经对标明矿床类型的611个铁矿产地(矿点)统计归纳,有动力变质矿床、水成变质矿床、水成矿床、接触变质(交代)矿床、热液(充填、交代)矿床、岩浆分离(分化)矿床、残留矿床、漂沙矿床等8个类型。
  总的看来,近代地质工作对铁矿的勘查和科研作了一些工作,也发现了一批重要的铁矿床。但由于缺乏进行勘探储量的手段,除个别铁矿床进行了少量深部工程外,一般仅作了些地表踏勘。因此,很难对我国铁矿资源作出较正确的评价。

·冶铁(钢)简史

钛磁铁矿冶炼技术
钛磁铁矿冶炼技术
  古代的炼铁方法是块炼铁,即在较低的冶炼温度下,将铁矿石固态还原获得海绵铁,再经锻打成的铁块。冶炼块炼铁,一般采用地炉、平地筑炉和竖炉3种。我国块炼铁始于春秋时代,在掌握块炼铁技术的不久,就炼出了含碳2%以上的液态生铁,并用以铸成工具。战国初期,我国已掌握了脱碳、热处理技术方法,发明了韧性铸铁。战国后期,又发明了可重复使用的“铁范”(用铁制成的铸造金属器物的空腹器)。西汉时期,出现坩埚炼铁法。同时,炼铁竖炉规模进一步扩大。1975年,在郑州附近古荥镇发现和发掘出汉代冶铁遗址,场址面积达12万m2,发掘出两座并列的高炉炉基,高炉容积约50m3。西汉时期还发明了“炒钢法”,即利用生铁“炒”成熟铁或钢的新工艺,产品称为炒钢。同时,还兴起“百炼钢”技术。东汉(公元25~220年),光武帝时,发明了水力鼓风炉,即“水排”。我国古代水排的发明,大约比欧洲早1100多年。汉代以后,发明了灌钢方法。《北齐书·綦母怀文传》称为“宿钢”,后世称为灌钢,又称为团钢。这是中国古代炼钢技术的又一重大成就。据〈中华百科要览〉记载:中国是最早用煤炼铁的国家,汉代时已经试用,宋、元时期已普及。到明代(公元1368~1644年)已能用焦炭冶炼生铁。在公元14~15世纪之际,铁的产量曾超过2000万斤,折合约为1.2万t。西方最先开始工业革命的英国,约晚两个世纪,才达到这个水平。
  总的来看,中国古代钢铁发展的特点与其他各国不同。世界上长期采用固态还原的块炼铁和固体渗碳钢,而中国铸铁和生铁炼钢一直是主要方法。由于铸铁和生铁炼钢法的发明与发展,中国的冶金技术在明代中叶以前一直居世界先进水平。
  19世纪下半叶清政府发展近代军事工业,制造枪炮、战舰,大量输入西方国家生产的钢铁。1867年进口钢约8250t,1885年约9万t,1891年增加到170万担(约13万t)。进口钢逐渐占领了中国的市场,使传统的冶铁业难以维持生产,而国内钢铁消耗量又不断增加。因此近代钢铁工业的兴起就成为时代的需要。
  1871年(清同治十三年),直隶总督李鸿章、船政大臣沈葆桢请开煤铁,以济军需,上允其请,命于直隶磁州、福建、台湾试办。1875年,直隶磁州煤铁矿向英国订购熔铁机器,因运道艰远未能成交。此事表明,当时已开始注重举办新式钢铁事业。1886年,贵州巡抚潘蔚创办青厂,先用土炉,后从英国订购炼铁、炼钢设备,1888年安装完毕。终因清廷腐败,缺乏资金、煤和铁矿石,加上不善管理,无人精通技术,而于1893年停办。这是兴办近代钢铁厂的一次尝试。
  1890年,湖广总督张之洞主持兴建湖北汉阳铁厂和大冶铁矿,它的建设标志中国近代钢铁工业的兴起。1908年,汉阳铁厂、大冶铁矿和萍乡煤矿联合组成汉冶萍煤铁厂矿公司。这是中国近代第一个钢铁联合企业,也是当时远东第一流的钢铁联合企业。
  第一次世界大战后,除汉冶萍有较大的发展外,本溪、鞍山、上海、阳泉、武汉石景山等地的钢铁工厂也先后起步。以上钢铁企业建立后,1920年全国生铁产量达43万t,钢产量达6.8万t。1931年“九一八”事变后,日本帝国主义占领了中国东北地区;1937年“七七”事变后,又侵占了华北、华中、华东等广大地区。除东北地区外在北京、天津、唐山、阳泉等地新建或改建一批钢铁厂。
  抗日战争期间,在抗战后方的四川、云南和晋东南等地也建设一批钢铁厂。1932~1948年,全国最高产量,铁未超过180万t,钢未超过100万t。1943年是1949年以前中国钢产量最高年份,在世界上只占第16位。由于日本帝国主义的侵略战争和内战的破坏,1949年生产钢铁的企业只有19个,年产钢仅15.8万t,在世界上居第26位。
  从1890年张之洞创办汉阳铁厂到1948年半个世纪中,我国产钢总量仅760万t。新中国成立后,到1958年,仅用9年时间,我国(未包括台湾)钢产量就达到800万t。1978年钢产量突破3000万t(3178万t),11年后的1989年升至6159万t,到1996年钢产量突破1亿t(10124万t),这在世界钢铁工业发展史上是少有的。

资源状况

·资源储量

  截至1996年底,全国共查明铁矿产地1834处。累计探明铁矿石储量(A+B+C+D级)504.78亿t,按全国铁矿石平均含铁品位33%计算,金属量为166.58亿t。扣除历年开采与损失,尚保有铁矿石储量(A+B+C+D级)463.47亿t,铁金属152.95亿t,其中A+B+C级铁矿石储量222.09亿t,铁金属为73.29亿t,D级铁矿石储量241.38亿t,铁金属为79.66亿t。
  从1955年到1995年我国铁矿保有储量整整增长了10倍。
  图3.2.1示出了我国铁矿石保有储量近40年来的增长情况。
图3.2.1中国铁矿保有储量增长曲线
  根据80年代中期地质科研部门对我国铁矿资源的预测(表3.2.4),将全国大陆划分为17个预测区,共有有望航磁异常区1084处,预测资源潜力606亿t。其中11个预测区分布在东经105°线以东地区,有望航磁异常区754处,预测资源潜力为317亿t,东部地区找矿程度较高,预测资源多以隐伏矿或盲矿体分布在已知矿带的深部和周边部。东经105°线以西地区,包括6个预测区,有望航磁异常330处,预测资源潜力为289亿t,西部地区找矿和研究工作程度较低或很低,尚有发现新矿区的前景。
  据美国地质调查所和矿业局1996年1月的统计,世界铁矿石资源量超过8000亿t,折合金属量超过2300亿t。1995年世界铁矿石储量1 500亿t、储量基础2300亿t,折合铁金属量分别为650亿t、1000亿t(表3.2.5)。若以我国A+B+C级储量与世界各国储量基础比较,我国铁金属储量73.29亿t,应在俄罗斯、澳大利亚、加拿大、巴西之后居世界第5位。
表3.2.4 我国17个重要铁矿区(带)预测资源潜力统计
表3.2.5 1995年世界铁矿石、铁金属储量和储量基础(亿t)

·地理分布

  截至1996年底,全国查明铁矿产地1834处,分布于全国29个省、市、自治区的660多个县(旗),主要集中在辽宁(111.81亿t)、四川(53.32亿t)、河北(62.36亿t)3省,共计保有铁矿石储量227.49亿t,占全国总保有铁矿石储量的49.08%;其次,储量超过10亿t的有北京、山西、内蒙古、山东、河南、湖北、云南、安徽等8个省、市、自治区,储量合计为160.88亿t,占全国总保有铁矿石储量的34.71%;再是储量不足10亿t的有吉林、黑龙江、上海、江苏、浙江、福建、江西、湖南、广东、广西、海南、贵州、西藏、陕西、甘肃、青海、宁夏和新疆等18个省、市、自治区,储量合计为75.10亿t,占全国总保有铁矿石储量的16.21%;上海、宁夏为最少,只有几百万t(表3.2.6)。
  表3.2.6全国铁矿石保有储量统计(截至1996年底)
  按6大行政区(图3.2.3),东北、华北地区,储量都在100亿t以上;其次是西南地区(储量83.74亿t)、华东地区(储量65.29亿t)、中南地区(储量45.22亿t),西北地区较少(储量23.90亿t)。
  保有铁矿石储量超过10亿t的有:辽宁鞍山—本溪(106.5亿t)、四川攀枝花—西昌(51.6亿t)、冀东—北京(58.1亿t)、山西五台—岚县(30.8亿t)、宁(南京)芜(湖)—庐(江)枞(阳)(21.4亿t)、内蒙古包头—白云鄂博(16.3亿t)、云南惠民(11.2亿t)、皖西霍丘(10.2亿t)、鲁中(10.1亿t)等9个地区;储量在5~10亿t之间的有鄂东、鄂西、河北邯郸、邢台、滇中、甘肃酒泉、河南舞阳—许昌、江西新余—吉安、闽南等地区。上述17个地区经过40多年的开发建设,除惠民、鄂西、霍丘几个区因矿床自身特点和外部条件的影响,目前尚未开发利用外,均已成为我国主要的铁矿石原料供应基地。全国主要铁矿区和铁矿床分布见图3.2.2。
图3.2.2 中国主要铁矿区和铁矿床分布图

中国铁矿资源的特点

  中国铁矿资源具有分布广泛,矿床类型齐全,贫矿多富矿少,矿石类型复杂,伴(共)生组分多等特点。

·铁矿分布广泛但又相对集中

  目前已查明铁矿产地分布遍及全国29个省、市、自治区660多个县(旗),但又成群、成带产出,显示相对集中分布的特点。如前所述的9个地区就占全国保有铁矿石储量的68%。
  按矿区储量规模,大型矿区 (储量大于1亿t) 有101处, 合计储量占全国储量的68.1%;中型矿区(储量0.1~1亿t)470处,合计储量占全国储量的27.3%;小型矿区(储量小于1000万t)1263处,合计储量仅占4.6%。

·矿床类型齐全

  地质勘查和矿床研究结果表明,我国铁矿床类型齐全,世界上已发现的铁矿成因类型在我国均有发现,除前寒武纪硅铁建造风化壳型铁矿外,均探明了一定的储量,其中以沉积变质型为主,储量占57.8%,居各类型铁矿床之首,其次是接触交代-热液型(占12.7%)、岩浆晚期型(占11.6%)、沉积型(8.7%)、与火山-侵入活动有关型(占4.7%)、风化淋滤型(占1.1%),其他类型占3.4%。与世界不同之处在于我国接触交代-热液型和岩浆型储量占的比例较高(表3.2.8)。
  表3.2.8国内外各类型铁矿储量对比

·贫矿多富矿少矿石类型复杂

  全国铁矿石保有储量中贫铁矿石储量452.00亿t,占全国储量的97.5%;而含铁平均品位在55%左右能直接入炉的富铁矿储量只有11.74亿t,占全国储量的2.5%,而形成一定开采规模,能单独开采的富铁矿就更少了。
  我国铁矿石自然类型复杂,有磁铁矿石、钒钛磁铁矿石、赤铁矿石、菱铁矿石、褐铁矿石、镜铁矿石及混合矿石(2种或2种以上类型矿石混杂一起的)。在铁矿石保有储量中,以磁铁矿石为最多(占55.5%),是目前开采的主要矿石类型;钒钛磁铁矿石(占14.4%),成分复杂,但选冶技术已基本解决,也是目前开采的主要矿石类型;赤铁矿石(占18%)、菱铁矿石(占3.4%)、褐铁矿石(占2.3%)、镜铁矿石(占1.1%)、混合矿石(占5.3%)等5种类型矿石,因选别性能差,其贫矿多数尚未利用。

·伴(共)生有益组分多

  我国具伴(共)生有益组分的铁矿石储量,约占全国储量的1/3,涉及一批大、中型铁矿区,如攀枝花、红格、白马、太和、大庙、大冶、大顶、黄岗、翠宏山、金岭、大宝山、桦树沟、马鞍山、庐江、龙岩和海南石碌等铁矿区。伴(共)生有益组分有:钒、钛、铜、铅、锌、锡、钨、钼、钴、镍、锑、金、银、镉、镓、铀、钍、硼、锗、硫、铬、稀土、铌、氟、石膏、石灰石和煤等30余种。这是我国铁矿资源的主要特点,因而矿石的综合利用是一个必须解决的问题。

铁的化学和物理性质

     铁元素(Ferrum)的原子序数为26,符号为Fe。在元素周期表上,铁是第四周期第八副族(ⅧB)的元素。它与钴和镍同属四周期ⅧB族。
铁及其化合物的物理常数
    在自然界中,铁元素有4种稳定同位素,其同位素丰度(%)如下(Hertz,1960):
    54Fe—5.81,56Fe—91.64,57Fe—2.21,58Fe—0.34。
    铁的原子量平均为55.847(当12C=12.000时)。
    铁的原子半径,取12配位数时,为1.26×10-10m。铁的原子体积为7.1cm/克原子,原子密度为7.86g/cm3
    铁原子的电子结构是3d64s2
    铁原子很容易失掉最外层的两个s电子而呈正二价离子(Fe2+)。如果再失掉次外层的1个d电子,则呈正三价离子(Fe3+)。铁元素的这种变价特征,导致铁在不同氧化还原反应中显示出不同的地球化学性质。
    铁原子失去第一个电子的电离势(I1)为7.90eV,失去第二个电子的电离势(I2)为16.18eV,失去第三个电子的电离势(I3)为30.64eV。
    铁的离子半径随配位数和离子电荷而变化。据Ahrens(1952)资料,取6配位数时,Fe2+的离子半径为0.074nm,Fe3+的离子半径为0.064nm。铁离子在含氧盐和卤化物等中构成离子化合物。
    铁常与硫和砷等构成共价化合物。铁的共价半径为1.17×10-10m。其键性强度可用铁和硫、砷等的电负性差求得。铁的电负性,Fe2+为1.8,Fe3+为1.9(波林,1964)。
    凡是原子半径与铁相近的元素,当晶体结构相同时,易与铁形成金属互化物,如铁和铂族形成的金属互化物粗铂矿(Pt,Fe)。凡是离子半径与铁相近的元素,当化学结构式相同时,易与铁发生类质同象替换,如硅酸盐中的铁橄榄石和镁橄榄石类质同象系列;碳酸盐中的菱铁矿和菱锰矿类质同象系列;以及钨酸盐中的钨铁矿和钨锰矿类质同象系列,等等。
    离子电位(Φ)是一个重要的地球化学指标。Fe2+的离子电位为2.70,可在水溶液中呈自由离子(Fe2+)迁移。Fe3+的离子电位较高,为4.69,它易呈水解产物沉淀。因此,在还原条件下,有利于Fe2+呈自由离子迁移;在氧化条件下,则Fe2+易氧化为Fe3+而呈水解产物沉淀。与铁共沉淀的元素(同价的或异价的)共生组合,可用离子电位图来预测。
    铁及其化合物的密度、熔点和沸点,以及它们在水中的溶解度或溶度积,是决定铁进行地球化学迁移的重要物理常数(表3.2.1)。
    铁化合物的溶度积(18℃时),Fe(OH)3为1.1×10-36,Fe(OH)2为1.04×10-14,FeS为3.7×10-19,等等。
    铁的熔化潜热为269.55J/g,蒸发潜热为6343J/g。
 

主要铁矿

     物铁矿物种类繁多,目前已发现的铁矿物和含铁矿物约300余种,其中常见的有170余种。但在当前技术条件下,具有工业利用价值的主要是磁铁矿、赤铁矿、磁赤铁矿、钛铁矿、褐铁矿和菱铁矿等。
 

·磁铁矿

     FeO 31.03%,Fe2O3 68.97%或含Fe 72.2%,O 27.6%,等轴晶系。单晶体常呈八面体,较少呈菱形十二面体。在菱形十二面体面上,长对角线方向常现条纹。集合体多呈致密块状和粒状。颜色为铁黑色、条痕为黑色,半金属光泽,不透明。硬度5.5~6.5。比重4.9~5.2。具强磁性。
    磁铁矿中常有相当数量的Ti4+以类质同象代替Fe3+,还伴随有Mg2+和V3+等相应地代替Fe2+和Fe3+,因而形成一些矿物亚种,即:
    (1)钛磁铁矿  Fe2+(2+x)Fe3+(2-2x)TixO4(0<x<1),含TiO212%~16%。常温下,钛从其中分离成板状和柱状的钛铁矿及布纹状的钛铁晶石。
    (2)钒磁铁矿  FeV2O4或Fe2+(Fe3+V)O4,含V2O5有时高达68.41%~72.04%。
    (3)钒钛磁铁矿  为成分更为复杂的上述两种矿物的固溶体产物。
    (4)铬磁铁矿  含Cr2O3可达百分之几。
    (5)镁磁铁矿  含MgO可达6.01%。
    磁铁矿是岩浆成因铁矿床、接触交代-热液铁矿床、沉积变质铁矿床,以及一系列与火山作用有关的铁矿床中铁矿石的主要矿物。此外,也常见于砂矿床中。
    磁铁矿氧化后可变成赤铁矿(假象赤铁矿及褐铁矿),但仍能保持其原来的晶形。
 

·赤铁矿

     自然界中Fe2O3的同质多象变种已知有两种,即α-Fe2O3和γ-Fe2O3。前者在自然条件下稳定,称为赤铁矿;后者在自然条件下不如α-Fe2O3稳定,处于亚稳定状态,称之为磁赤铁矿。
    赤铁矿:Fe 69.94%,O 30.06%,常含类质同象混入物Ti、Al、Mn、Fe2+、Ca、Mg及少量Ga和Co。三方晶系,完好晶体少见。结晶赤铁矿为钢灰色,隐晶质;土状赤铁矿呈红色。条痕为樱桃红色或鲜猪肝色。金属至半金属光泽。有时光泽暗淡。硬度5~6。比重5~5.3。
    赤铁矿的集合体有各种形态,形成一些矿物亚种,即:
    (1)镜铁矿  为具金属光泽的玫瑰花状或片状赤铁矿的集合体。
    (2)云母赤铁矿  具金属光泽的晶质细鳞状赤铁矿。
    (3)鲕状或肾状赤铁矿  形态呈鲕状或肾状的赤铁矿。
    赤铁矿是自然界中分布很广的铁矿物之一,可形成于各种地质作用,但以热液作用、沉积作用和区域变质作用为主。在氧化带里,赤铁矿可由褐铁矿或纤铁矿、针铁矿经脱水作用形成。但也可以变成针铁矿和水赤铁矿等。在还原条件下,赤铁矿可转变为磁铁矿,称假象磁铁矿。
 

·磁赤铁矿

     γ-Fe2O3,其化学组成中常含有Mg、Ti和Mn等混入物。等轴晶系,五角三四面体晶类,多呈粒状集合体,致密块状,常具磁铁矿假象。颜色及条痕均为褐色,硬度5,比重4.88,强磁性。
    磁赤铁矿主要是磁铁矿在氧化条件下经次生变化作用形成。磁铁矿中的Fe2+完全为Fe3+所代替(3Fe2+→2Fe3+),所以有1/3Fe2+所占据的八面体位置产生了空位。另外,磁赤铁矿可由纤铁矿失水而形成,亦有由铁的氧化物经有机作用而形成的。
 

·褐铁矿

     实际上并不是一个矿物种,而是针铁矿、纤铁矿、水针铁矿、水纤铁矿以及含水氧化硅、泥质等的混合物。化学成分变化大,含水量变化也大。
    (1)针铁矿  α-FeO(OH),含Fe 62.9%。含不定量的吸附水者,称水针铁矿HFeO2·NH2O。斜方晶系,形态有针状、柱状、薄板状或鳞片状。通常呈豆状、肾状或钟乳状。切面具平行或放射纤维状构造。有时成致密块状、土状,也有呈鲕状。颜色红褐、暗褐至黑褐。经风化而成的粉末状、赭石状褐铁矿则呈黄褐色。针铁矿条痕为红褐色,硬度5~5.5,比重4~4.3。而褐铁矿条痕则一般为淡褐或黄褐色,硬度1~4,比重3.3~4。
    (2)纤铁矿  γ-FeO(OH),含Fe 62.9%。含不定量的吸附水者,称水纤铁矿FeO(OH)·NH2O。斜方晶系。常见鳞片状或纤维状集合体。颜色暗红至黑红色。条痕为桔红色或砖红色。硬度4~5,比重4.01~4.1。
 

·钛铁矿

     FeTiO3,Fe 36.8%,Ti 36.6%,O 31.6%。三方晶系。菱面体晶类。常呈不规则粒状、鳞片状或厚板状。在950℃以上钛铁矿与赤铁矿形成完全类质同象。当温度降低时,即发生熔离,故钛铁矿中常含有细小鳞片状赤铁矿包体。钛铁矿颜色为铁黑色或钢灰色。条痕为钢灰色或黑色。含赤铁矿包体时呈褐色或带褐的红色条痕。金属-半金属光泽。不透明,无解理。硬度5~6.5,比重4~5。弱磁性。钛铁矿主要出现在超基性岩、基性岩、碱性岩、酸性岩及变质岩中。我国攀枝花钒钛磁铁矿床中,钛铁矿呈粒状或片状分布于钛磁铁矿等矿物颗粒之间,或沿钛磁铁矿裂开面成定向片晶。
 

·菱铁矿

     FeCO3,FeO 62.01%,CO2 37.99%,常含Mg和Mn。三方晶系。常见菱面体,晶面常弯曲。其集合体成粗粒状至细粒状。亦有呈结核状、葡萄状、土状者。黄色、浅褐黄色(风化后为深褐色),玻璃光泽。硬度3.5~4.5,比重3.96左右,因Mg和Mn的含量不同而有所变化。
 

铁矿石分类

     按照矿物组分、结构、构造和采、选、冶及工艺流程等特点,可将铁矿石分为自然类型和工业类型两大类。
 

·自然类型

     1)根据含铁矿物种类可分为:磁铁矿石、赤铁矿石、假象或半假象赤铁矿石、钒钛磁铁矿石、褐铁矿石、菱铁矿石以及由其中两种或两种以上含铁矿物组成的混合矿石。
    2)按有害杂质(S、P、Cu、Pb、Zn、V、Ti、Co、Ni、Sn、F、As)含量的高低,可分为高硫铁矿石、低硫铁矿石、高磷铁矿石、低磷铁矿石等。
    3)按结构、构造可分为浸染状矿石、网脉浸染状矿石、条纹状矿石、条带状矿石、致密块状矿石、角砾状矿石,以及鲕状、豆状、肾状、蜂窝状、粉状、土状矿石等。
    4)按脉石矿物可分为石英型、闪石型、辉石型、斜长石型、绢云母绿泥石型、夕卡岩型、阳起石型、蛇纹石型、铁白云石型和碧玉型铁矿石等。
 

·工业类型

     1)工业上能利用的铁矿石,即表内铁矿石,包括炼钢用铁矿石、炼铁用铁矿石、需选铁矿石。
    2)工业上暂不能利用的铁矿石,即表外铁矿石,矿石含铁量介于最低工业品位与边界品位之间。
 

一般工业质量要求

     1.炼钢用铁矿石(原称平炉富矿)
     矿石入炉块度要求:    平炉用铁矿石50~250 mm;    电炉用铁矿石50~100 mm;    转炉用铁矿石10~50 mm。    直接用于炼钢的矿石质量要求见表3.2.2(适用于磁铁矿石、赤铁矿石、褐铁矿石)。
 
 
 
3.2.2炼钢用铁矿石质量要求 
 
     2.炼铁用铁矿石(原称高炉富矿)
     矿石入炉块度要求:一般为8~40mm。    炼铁用铁矿石,按造渣组分的酸碱度可划分为:    碱性矿石(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)>1.2;    自熔性矿石(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)=0.8~1.2;    半自熔性矿石(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)=0.5~0.8;    酸性矿石(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)<0.5。    直接用于高炉炼铁用铁矿石质量要求见表3.2.3(适用于各种铁矿石类型块矿)。
 
3.2.3高炉炼铁用铁矿石质量要求
     酸性转炉炼钢生铁矿石P≤0.03%    碱性平炉炼钢生铁矿石P≤0.03%~0.18%    碱性侧吹转炉炼钢生铁矿石P≤0.2%~0.8%    托马斯生铁矿石P≤0.8%~1.2%    普通铸造生铁矿石P≤0.05%~0.15%    高磷铸造生铁矿石P≤0.15%~0.6%
     3.需选铁矿石
     对于含铁量较低或含铁量虽高但有害杂质含量超过规定要求的矿石或含伴生有益组分的铁矿石,均需进行选矿处理,选出的铁精粉经配料烧结或球团处理后才能入炉使用。
    需经选矿处理的铁矿石要求:    磁铁矿石TFe≥25%,mFe≥20%;    赤铁矿石TFe≥28%~30%;    菱铁矿石TFe≥25%;    褐铁矿石TFe≥30%。
    对需选矿石工业类型划分,通常以单一弱磁选工艺流程为基础,采用磁性铁占有率来划分。根据我国矿山生产经验,其一般标准是:
    矿石类型mFe/TFe(%)    单一弱磁选矿石≥65    其他流程选矿石<65    对磁铁矿石、赤铁矿石也可采用另一种划分标准:    mFe/TFe≥85磁铁矿石    mFe/TFe85~15混合矿石    mFe/TFe≤15赤铁矿石