铁矿资源与开发.docx

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铁矿资源与开发

铁是世界上发现最早，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，主要有铬、锰、钒、钛、镍、钼、硅。

此外，铁矿石还用于作合成氨的催化剂（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。

一、矿物原料特点

（一）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。

   1.磁铁矿

   FeO31.03%，Fe2O368.97%或含Fe72.2%，O27.6%，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。

   2.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：

Fe69.94%，O30.06%，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。

   3.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。

   4.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Fe62.9%。

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Fe62.9%。

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。

   5.钛铁矿

   FeTiO3，Fe36.8%，Ti36.6%，O31.6%。

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。

   6.菱铁矿

   FeCO3，FeO62.01%，CO237.99%，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。

（二）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。

   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7.1cm３/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。

表3.2.1铁及其化合物的物理常数

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二、用途与技术经济指标

   铁矿石是指岩石（或矿物）中TFe含量达到最低工业品位要求者。

（一）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。

   1.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。

   2.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。

（二）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50～250mm；

   电炉用铁矿石50～100mm；

   转炉用铁矿石10～50mm。

   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）。

表3.2.2炼钢用铁矿石质量要求

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   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；