Методы добычи и получения металлов

Что такое руды?

Каждая из естественных наук по-своему отвечает на этот вопрос. Минералогия определяет руду как совокупность минералов, изучение которых необходимо для совершенствования процессов извлечения наиболее ценных из них, а химия изучает элементный состав руды, чтобы выявить качественное и количественное содержание в ней ценных металлов.

Геология рассматривает вопрос: «что такое руды?» с точки зрения целесообразности их промышленного использования, поскольку эта наука занимается изучением строения и процессов, происходящих в недрах планеты, условиями образования горных пород и минералов, разведкой новых месторождений полезных ископаемых. Они представляют собой участки на поверхности Земли, на которых вследствие геологических процессов накопилось достаточное для промышленного использования количество минеральных образований.

Основные железные руды

Железные руды имеют свою классификацию. Ученые выделяют следующие их типы:

• Титано-магнетитовые и ильменит-титаномагнетитовые в базитах и ультрабазитах;
• Апатит-магнетитовые в карбонатитах;
• Магнетитовы и магно-магнетитовые в скарнах;
• Магнетит-гематитовые в железных кварцитах;
• Мартитовые и мартит-гидрогематитовые (богатые руды, образуются по железным кварцитам);
• Гетит-гидрогётитовые в корах выветривания.

Однако, наиболее приоритетным из всех типов железных руд считается магнитный железняк, в составе которого содержится до 70% окиси и закиси железа.

Черная металлургия железные руды разделяет на три класса:

1. Сепарированная. Имеет низкий процент содержания железа;
2. Аглоруда. Железо присутствует в ее составе в среднем значении;
3. Окатыши. Сырая железосодержащая масса, имеющая в своем составе, как правило, примесь известняка.

Как выглядит руда

Как выглядит железная руда Вид материала зависит от его состава и содержания дополнительных примесей. Самый распространенный красный железняк с высоким процентом железа может встречаться в разном состоянии — от очень плотного до пылевого.

Бурые железняки имеют рыхлую, слегка пористую структуру бурого или желтоватого цвета. Такой элемент часто нуждается в обогащении, при этом легко перерабатывается в руду (из него получается высококачественный чугун).

Магнитные железняки плотные и зернистые по своей структуре, выглядят как кристаллы, вкрапленные в породу. Оттенок руды — характерный черно-синий.

Добыча медной руды в России

Структура сырьевой базы меди в России существенно отличается от мирового рынка. Основная доля в ней приходится на сульфидные медно-никелевые (40%) и колчеданные (19%) рудники. В то время как в других странах преобладают медно-порфировые месторождения и медистые песчаники.

Месторождения медных руд в России

Отвечая на вопрос, где в России добывают медные руды, в первую очередь следует выделить Таймырский АО. В Октябрьском, Тапахнинском и Норильском месторождениях сосредоточено более 60% всех залежей медной руды в России. Около одной трети минерала добывают в Уральском меднорудном районе.

В Читинской области обнаружен крупный рудник Удокан, который пока не разрабатывается из-за неразвитой транспортной инфраструктуры. Согласно экспертным данным эксплуатируемых месторождений в РФ хватит не более, чем на 30 лет.

Низкое потребление не стимулирует

В советские времена потребление редких и редкоземельных металлов для высокотехнологической промышленности составляло примерно 8500 тонн. Два года назад было 1160 тонн, сейчас потребление опустилась ниже 1000 тонн. И это, как отметил академик Похиленко, показывает уровень нашей высокотехнологической промышленности. К сожалению, низкое потребление, то есть отсутствие спроса, не стимулирует развитие разведочных работ и добычных компаний по этому направлению.

 Рения, металла, без которого невозможно строить двигатели самолетов, в мире производится всего 54 тонны в год, и почти все закупают Штаты. А в России рения производится всего лишь сотни килограммов. Хотя российской промышленности требуется не менее пяти тонн в год

Практически все металлы, что мы производим, констатировал Николай Похиленко, мы вывозим и при этом практически все ввозим в виде готовой продукции. Мы вывозим германий, но ввозим его в виде продукта. Рения, металла, без которого невозможно строить двигатели самолетов, производится в мире всего 54 тонны в год, и почти все закупают Штаты. А в России рения производится всего лишь сотни килограммов. Хотя российской промышленности требуется не менее пяти тонн рения в год. И так со многими металлами.

Оба докладчика согласились с тем, что Россия нуждается в восстановлении геологической отрасли, для чего необходимо создание соответствующей госкорпорации или Министерства геологии. Необходимо увеличить государственные ассигнования на геологию как минимум в три раза. Если этого не сделать, будет сложно обеспечить возобновление ресурсов по широкому кругу твердых полезных ископаемых. И наши планы развития высокотехнологической промышленности будут упираться в серьезные риски, связанные уже с состоянием национальной безопасности. Потому что нам могут что-то не продать из того, что мы сами не нашли и не добываем. Нормальное функционирование таких отраслей, как ракетостроение, самолетостроение, электроника и атомная промышленность, может оказаться под угрозой.

Добыча железной руды

Год-месяц	Объем,тонн	Стоимость, USD	Экспортёров	Деклараций
2016-01	748 758	29 876 228	8	21
2016-02	1 286 378	54 043 846	8	37
2016-03	1 963 908	66 033 825	8	42
2016-04	1 388 254	60 084 911	7	34
2016-05	1 811 609	71 129 377	9	47
2016-06	1 641 919	66 575 853	7	64
2016-07	1 412 716	84 742 735	9	34
2016-08	1 503 499	71 568 913	8	52
2016-09	1 345 855	65 877 914	8	46
Итого	13 102 895	569 933 602		377

Экономически выгодно производить добычу железной руды с наибольшим содержанием железа. Таким образом, ее залежи разделяются на богатые и бедные. Первые характеризуются наличием в своем составе железа в количестве 57% и более. Вторые, в свою очередь, имеют значительно меньшее содержание железа — около 26%.

В мире изо дня в день увеличивается количество добычи данного полезного ископаемого. Добыча железной руды осуществляется, главным образом, открытым методом. Его особенностью является тот факт, что вся необходимая для проведения работ техника транспортируется на месторождение, где происходит формирование карьера. Его средняя глубина составляет, как правило, 500 метров. С диаметром ситуация обстоит иначе — на него имеют влияние особенности месторождения. Железная руда извлекается с помощью специальной техники и транспортируется на предприятия с целью ее дальнейшей переработки. Открытый способ имеет некоторые несовершенства, заключающиеся в возможности добывать полезные те ископаемые, залежи которых располагаются неглубоко под землей.

В противном случае ископаемые извлекаются из земных недр шахтным методом. Для этого первым делом формируется ствол, от которого в разные стороны разветвляются коридоры (штреки). Обнаруженную руду целиком невозможно извлечь, в связи с чем ее взрывают прямо в шахте, после чего частями поднимают руду на дневную поверхность. Данный метод добычи обладает высокой эффективностью. Но, не смотря на это, он отличается своей опасностью и дороговизной.

Это не единственные два метода добычи железных руд, существует еще, так называемый, СГД или скважинная гидродобыча. Его суть заключается в формировании скважины, через которую к залежам ископаемого подводятся трубы с гидромонитором. По трубам под очень высоким давлением подается вода, струя которой осуществляет дробление породы. После этого порода поднимается наверх.

Последний способ, сравнительно с предыдущим, имеет один большой плюс и минус одновременно. В то время, как он является абсолютно безопасным, он также является и малоэффективным, поскольку с его помощью удается извлечь порядка 3% руды, тогда как шахтный метод позволяет добыть до 70%.

Ученые постоянно работают над совершенствованием данного метода. И, возможно, через какое-то время СГД удастся опередить по добыче ископаемых шахтный и карьерный методы.

Цинковые руды

• В России месторождения цинка достигают 62 млн.т., или чуть больше 3% мирового запаса.По количеству заключенного в недрах цинка Россия занимает второе место в мире после Австралии

• Самой востребованной отраслью применения цинка является покрытие металлических конструкций в целях предотвращения коррозии. На это тратится почти 50 % добытого цинка.Цинковый слой отлично защищает металл от действия воздуха, морской воды, грунтовых вод, и даже от слабощелочных растворов.

• Большая часть запасов цинка сконцентрирована на юге Сибири. Около пятой части российских запасов цинка находится на Урале.

Технология обогащения

Подготовительный процесс

Предварительным этапом обогащения железных руд является дробление и измельчение. Цель этих операций – получить массу нужной величины кусков и частиц, а также отделить пустую породу. Обычно для этого применяется грохочение (просеивание) и классификация (разделение водным потоком частиц по крупности) исходного материала.

Основной процесс

Непосредственно процесс обогащения может включать в себя один из следующих методов:

• Сухая, мокрая или комбинированная магнитная сепарация. В основу процесса заложена различная магнитная проницаемость химических веществ. В случае мокрой сепарации специальные электромагнитные барабаны забирают минералы, насыщенные ферромагнитами из пульпы. Сухой метод заключается в снятии магнитной фракции из подаваемой шихты, вращающейся лентой.
• Использование суспензий средней плотности между железом и пустой породой, даёт возможность применять гравитационную сепарацию.
• Флотационный метод основан на использовании специального реагента, позволяющего формировать воздушно-жидкостную металлическую пену, которая затем снимается и направляется на дальнейшую переработку.
• Самым простым способам обогащения является промывка. Сама по себе она малоэффективна, поэтому применяется совместно с другими методами. Но в случае загрязнённости исходной породы глиной или песком, без неё не обойтись.

После процесса обогащения концентрат подвергают агломерации и отправляют на доменную, а затем при необходимости, и кислородно-конверторную плавку. Отходы производства могут быть использованы для извлечения редких или цветных металлов, иногда их употребляют при изготовлении песка и щебня.

Вспомогательный процесс

В ходе технологии обогащения часто приходится прибегать к вспомогательным процессам, обеспечивающим удаление ненужных фракций: пыли, шлама, влаги. Сгущение, спекание, фильтрование, сушка дают возможность получить концентрат необходимой готовности для последующего использования.

Виды природных богатств

Всё, что создала природа внутри земной коры — минералы, горные породы и т. д. — имеет свою классификацию. Если рассматривать деление по физическому состоянию, то это могут быть:

• твёрдые вещества;
• жидкости;
• газы.

Есть другой метод, предусматривающий анализ их использования. Согласно ему ископаемые бывают:

• горючие;
• рудные;
• нерудные;
• соли;
• драгоценные и полудрагоценные камни.

Ещё одной характеристикой является происхождение ископаемых. Они подразделяются на такие категории:

• Магматические. Для них свойственно залегание в складчатых рельефах, так как подобные руды могут образоваться при выделении из быстро остывающей лавы. Во время тектонических сдвигов происходит смещение масс к нижнему краю платформы, образуя пласт породы. Преимущественно это рудные полезные ископаемые. Примером территории с запасом железных соединений может служить месторождение в Курской области, называемое магнитной аномалией, или украинский Криворожский бассейн.
• К осадочным породам относятся нерудные элементы. Они появляются на берегах мелководных морей, а также в озёрных или болотистых местностях. Произошли из древних органических остатков, водорослей и сухопутных растений.
• Метаморфические возникают при смещении земных платформ и физико-химических изменений внутри Земли. Основными представителями этой категории являются всевозможные сланцы.

Имеется несколько методик добычи естественных богатств. От уровня залегания это могут быть:

• Карьеры для извлечения горных залежей открытым способом — наиболее экономически целесообразный метод, но приводящий к изменению рельефа, что не всегда на пользу экосистеме.
• Больших затрат потребует шахтный вариант.
• Для нефти традиционным является фонтан, когда жидкость выходит наружу под давлением газов.
• Особым способом — геотехнологическим — извлекают руду. Для этого в пласты породы закачивается горячая вода или спецраствор. Через скважины содержимое выходит на поверхность и ценная порода отделяется.

Во всех странах отмечается повышение потребности в полезных ископаемых. Для того чтобы наиболее эффективно и полно использовать подобные исчерпаемые богатства, существует несколько правил:

• Уменьшить потери при добыче.
• Максимально извлекать сырьё на каждом месторождении.
• Разработка новых экономичных способов извлечения.
• Использование современной техники.
• Привлечение учёных для поиска и прогнозирования будущих залежей.

Химический состав

Свойства железной руды, ее ценность и характеристики напрямую зависят от ее химического состава. Железная руда может содержать различное количество железа и других примесей. В зависимости от этого выделяют ее несколько типов:

• очень богатые, когда содержание железа в рудах превышает 65%;
• богатые, процент железа в которой варьируется в диапазоне от 60% до 65%;
• средние, от 45% и выше;
• бедные, в которых процент полезных элементов не превышает 45%.

Чем больше побочных примесей в составе железной руды, тем больше необходимо энергии на ее переработку, и тем менее эффективным является производство готовой продукции.

Состав породы может представлять собой совокупность различных минералов, пустой породы и других побочных примесей, соотношение которых зависит от ее месторождения.

Химический состав железных руд

Состав железных руд крупных месторождений

Пустая порода также может содержать железо, но ее переработка экономически не целесообразна. Наиболее часто встречающиеся минералы представляют собой оксиды, карбонаты и силикаты железа.

Следует отметить, что в составе железистых пород может содержаться огромное количество вредных веществ, среди которых можно выделить серу, мышьяк, фосфор и другие.

Страны, добывающие железные руды

• Сегодняшнее положение дел в мировой экономике определяется сильнейшей деловой активностью Китая, который занимает верхнюю строчку лидеров мировой добычи железной руды. 900 млн. тонн в год извлекает он ежегодно.
• На втором месте располагается Австралия – 420 млн. тонн в год.
• Бразилия вырабатывает каждый год 350 млн. тонн руды.
• На четвёртом месте находится Индия, поставившая на рынок в 2019 году 245 млн. тонн железа.
• Россия, располагающая самыми крупными запасами, производящая 100 млн. тонн в год, держит пятую строчку. Что, как обычно, говорит о наших огромных нереализованных возможностях.

Последние статьи автора: Крупнейшие производители молока и молочной продукции в мире Алмазы: свойства, способы добычи и применение

Как добывают руду

Добыча железной руды – это сложный технический процесс, при котором происходит погружение в земные недра с целью поиска минералов. На сегодняшний день существует два способа добычи руды: открытая и закрытая.

Добыча руды открытым способом

Добыча руды открытым способом Открытый (карьерный способ) – распространенный и наиболее безопасный вариант по сравнению с закрытой техникой. Метод актуален для тех случаев, когда в рабочей зоне отсутствуют твердые породы, а рядом нет населенных пунктов или инженерных систем.

Сначала вырывается карьер до 350 метров глубиной, после чего со дна большими машинами собирается и вывозится железо. После добычи материал на тепловозах отправляется на заводы по изготовлению стали и чугуна.

Карьеры роются экскаваторами, но такой процесс занимает много времени. Как только машина доберется до первого пласта рудника, материал сдается на экспертизу, чтобы определить процент содержания железа и целесообразность дальнейших работ (если процент выше 55%, работы в этой местности продолжаются).

Закрытый способ добычи

Добыча руды закрытым способом Шахтная (закрытая) добыча руды применяется только в том случае, если планируется сохранить целостность ландшафта в той области, где ведется разработка рудных залежей. Также этот способ актуален для работ в горной местности. В этом случае создается сеть тоннелей под землей, что приводит к дополнительным расходам – строительство самой шахты и сложная транспортировка металла на поверхность. Самый главный недостаток – высокий риск для жизни рабочих, шахта может обрушиться и перекрыть доступ на поверхность.

Классификация

Железные руды классифицируются по целому ряду признаков.

Прежде всего, наиболее важным фактором в экономическом отношении является процентное содержание железа. Поэтому руды подразделяются на ряд типов:

• Богатые – содержание полезного минерала превышает 50%.
• Обычные руды имеют в своём составе 25 — 50% железа.
• Небогатое железом сырьё не располагает значительным количеством железа. Его в них не более 25%. Именно поэтому такие руды и носят название бедных.

Что касается химического состава, то в основном это – разнообразные соединения железа с кислородом, водой и углеродом, встречающиеся в природе в виде:

• бурых железняков – лимонитов,
• магнитных железняков – магнетитов,
• красных железняков – гематитов,
• шпатовых железняков – сидеритов.

Железосодержащие месторождения обычно располагают следующими видами руд:

• Апатит-магнетитовыми, содержащиеся в карбонатитах.
• Гётит-гидрогётитовыми, размещающиеся в корах выветривания.
• Магнетитовыми и магмо-магнетитовыми в среде скарнов.
• Магнетит-гематитовыми, находящиеся среди железных кварцитов.
• Мартитовыми и мартит-гидрогематитовыми – особо богатые минералом руды в железных кварцитах.
• Титано-магнетитовыми, а также ильменит-титаномагнетитовыми, размещающееся в базитах и ультра-базитах.

Для полноты картины необходимо также отметить, что залежи этого вида полезных ископаемых образуются в результате:

• высокотемпературного воздействия – магматогенные месторождения;
• выветривания пород гор и осадочных отложений – экзогенные;
• осадочной деятельности, подвергшейся в дальнейшем значительному воздействию давления и температуры.

Страны, добывающие руды редких металлов

История добычи руд редких металлов такова, что до 90-ых голов прошлого века лидерами являлись:

• США – 17 тыс. т.
• СССР – 8,5 тыс. т.
• Китай – 6 тыс. т.

Затем ситуация изменилась и безусловным лидером становится Китай, производящий 120 тыс. т редких элементов в 2007-2008 годах. Но, начиная со второго десятилетия XXI-го века, власти Китая значительно ограничили добычу этого вида полезных ископаемых, что привело к росту цен и увеличению добычи в странах-конкурентах.

В том числе и в России, принявшей широкую программу освоения столь востребованных полезных ископаемых, предусматривающую общую добычу их в 2020 году на сумму в 145 млрд. рублей.

Применение медной руды

Благодаря низкому удельному сопротивлению медь активно применяется в электротехнической сфере для изготовления силовых кабелей и проводов. Хорошая теплопроводность позволяет использовать этот металл в радиаторах охлаждения и кондиционерах.

Без меди не обходятся следующие производственные отрасли:

• машиностроение (стеклоподъемники, подшипники);
• судостроение (обшивка корпусов и конструкций);
• строительство (трубы, кровля и облицовочные материалы, сантехническое оборудование и т.д.).

Для ювелирной сферы актуальны сплавы с золотом, которые увеличивают механическую прочность и стойкость к истиранию.

Эксперты прогнозируют масштабное применение металла в качестве антибактериальных поверхностей в медицинских учреждениях (перила, двери, ручки, поручни и т.д.).

Статуя Свободы

Способы добычи медной руды

В зависимости от глубины рудника используются открытый и закрытый способы добычи металла.

Закрытый (подземный) способ добычи медной руды

При закрытой (подземной) разработке строятся шахты протяженностью в несколько километров. Шахты оснащаются лифтами для перемещения рабочих и техники, а также для транспортировки минерала на поверхность.

Под землей порода подлежит дроблению специальным буровым оборудованием с шипами. Затем с помощью ковшей происходит забор и погрузка руды.

Открытый способ актуален в том случае, когда залежи находятся на глубине до 400-500 метров. Сначала снимается верхний пласт пустой породы, после чего вынимается медная руда. Чтобы было проще доставать твердые породы, ее предварительно разрушают взрывными устройствами.

Открытый способ добычи медной руды

Как выглядит руда

Как выглядит железная руда Вид материала зависит от его состава и содержания дополнительных примесей. Самый распространенный красный железняк с высоким процентом железа может встречаться в разном состоянии – от очень плотного до пылевого.

Бурые железняки имеют рыхлую, слегка пористую структуру бурого или желтоватого цвета. Такой элемент часто нуждается в обогащении, при этом легко перерабатывается в руду (из него получается высококачественный чугун).

Магнитные железняки плотные и зернистые по своей структуре, выглядят как кристаллы, вкрапленные в породу. Оттенок руды – характерный черно-синий.

Где добывают руду

Добыча железной руды — одна из ведущих сфер хозяйственного комплекса РФ. Но несмотря на это, доля России в мировой добыче руды составляет всего 5,6%. Мировые запасы составляют около 160 млрд. тонн. Объем чистого железа достигает 80 млрд. тонн.

Страны, богатые рудами

Распределение ископаемых по странам выглядит следующим образом:

• Россия — 18%;
• Бразилия — 18%;
• Австралия — 13%;
• Украина — 11%;
• Китай — 9%;
• Канада — 8%;
• США — 7%;
• остальные страны — 15%.

Существенные залежи железной руды отмечены в Швеции (города Фалуня и Гелливар). В Америке обнаружено большое количество руды в штате Пенсильвания. В Норвегии металл добывается в Персберге и Арендали.

Руды России

Курская магнитная аномалия — крупное месторождение железной руды в РФ и в мире, в которой объем неочищенного металла достигает 30000 млн. тонн.

Курская магнитная аномалия — фото с места добычи

Площадь рудников Кольского полуострова составляет 115000 кв.км. Здесь добывается железная, никелевая, медная руды, кобальт и апатиты.

Горы Урала также входят в число самых крупных месторождений руды в РФ. Основной район разработок — Качканар. Объем рудных ископаемых составляет 7000 млн. тонн.

В меньшем объеме металл добывается в Западно-Сибирском бассейне, в Хакасии, Керченском бассейне, в Забайкальске и Иркутской области.

Свойства руды

Железо – распространенный в природе химический элемент. Его содержание в коре земли составляет около 4,2%. Но в чистом виде он почти не встречается, чаще всего в виде соединений – в окислах, карбонатах железа, солях и т.д. Железная руда – это соединение минералов со значительным количеством железа. В народном хозяйстве экономически обоснованным считается применение руд, содержащих более 55% этого элемента.

Что делают из руды

Железорудная промышленность – металлургическая отрасль, которая специализируется на добыче и обработке железной руды. Основное предназначение этого материала на сегодняшний день – производство чугуна и стали.

Всю продукцию, которую делают из железа, можно разделить на группы:

• Передельный чугун с повышенной концентрацией углерода (выше 2%).
• Литейный чугун.
• Сталь в слитках для изготовления проката, железобетона и стальных труб.
• Ферросплавы для выплавки стали.

Для чего нужна руда

Материал используется для выплавки чугуна и стали. Сегодня нет практически ни одной промышленной сферы, которая обходится без этих материалов.

Чугун – это сплав углерода и железа с марганцем, серой, кремнием и фосфором. Чугун производится в доменных печах, где при высоких температурах руду выделяют из оксидов железа. Практически 90% полученного чугуна является предельным и используется при выплавке стали.

Применяются различные технологии:

• электронно-лучевая выплавка для получения чистого высококачественного материала;
• вакуумная обработка;
• электро-шлаковый переплав;
• рафинирование стали (устранение вредных примесей).

Отличие стали от чугуна – минимальная концентрация примесей. Для очистки применяется окислительная выплавка в мартеновских печах.

Сталь самого высокого качества выплавляется в индукционных электрических печах с экстремально высокой температурой.

Классификация

Железные руды классифицируются по целому ряду признаков.

Прежде всего, наиболее важным фактором в экономическом отношении является процентное содержание железа. Поэтому руды подразделяются на ряд типов:

• Богатые – содержание полезного минерала превышает 50%.
• Обычные руды имеют в своём составе 25 — 50% железа.
• Небогатое железом сырьё не располагает значительным количеством железа. Его в них не более 25%. Именно поэтому такие руды и носят название бедных.

Что касается химического состава, то в основном это – разнообразные соединения железа с кислородом, водой и углеродом, встречающиеся в природе в виде:

• бурых железняков – лимонитов,
• магнитных железняков – магнетитов,
• красных железняков – гематитов,
• шпатовых железняков – сидеритов.

Железосодержащие месторождения обычно располагают следующими видами руд:

• Апатит-магнетитовыми, содержащиеся в карбонатитах.
• Гётит-гидрогётитовыми, размещающиеся в корах выветривания.
• Магнетитовыми и магмо-магнетитовыми в среде скарнов.
• Магнетит-гематитовыми, находящиеся среди железных кварцитов.
• Мартитовыми и мартит-гидрогематитовыми – особо богатые минералом руды в железных кварцитах.
• Титано-магнетитовыми, а также ильменит-титаномагнетитовыми, размещающееся в базитах и ультра-базитах.

Для полноты картины необходимо также отметить, что залежи этого вида полезных ископаемых образуются в результате:

• высокотемпературного воздействия – магматогенные месторождения;
• выветривания пород гор и осадочных отложений – экзогенные;
• осадочной деятельности, подвергшейся в дальнейшем значительному воздействию давления и температуры.