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四、鐵礦石是如何形成的

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，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%，F(xiàn)e2O3 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)，稱之為磁赤鐵礦。

赤鐵礦：Fe 69.94%，O 30.06%，常含類質(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。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，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，稱水纖鐵礦FeO(OH)·NH2O。斜方晶系。常見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，F(xiàn)e 36.8%，Ti 36.6%，O 31.6%。三方晶系。菱面體晶類。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，或沿鈦磁鐵礦裂開面成定向片晶。

6.菱鐵礦

FeCO3，F(xiàn)eO 62.01%，CO2 37.99%，常含Mg和Mn。三方晶系。常見菱面體，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)的元素。它與鈷和鎳同屬四周期ⅧB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)，F(xiàn)e2+的離子半徑為0.074nm，F(xiàn)e3+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，F(xiàn)e2+為1.8，F(xiàn)e3+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，F(xiàn)e)。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)生類質(zhì)同象替換，如硅酸鹽中的鐵橄欖石和鎂橄欖石類質(zhì)同象系列；碳酸鹽中的菱鐵礦和菱錳礦類質(zhì)同象系列；以及鎢酸鹽中的鎢鐵礦和鎢錳礦類質(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))，F(xiàn)e(OH)3為1.1×10-36，F(xiàn)e(OH)2為1.04×10-14，F(xiàn)eS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

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型和工業(yè)類型兩大類。

1.自然類型

1)根據(jù)含鐵礦物種類可分為：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圍。這是人類利用天然礦物顏料的開始。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）。

人類使用鐵器制品至少有5000多年歷史，開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)行開采。

標(biāo)簽：鐵礦石形成如何