铁矿是怎样形成的!

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铁矿
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
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.
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：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.
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.
5.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.
6.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.
(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.
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.
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50～250 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).
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.
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
三、矿业简史
铁、铁矿的发现与利用
中国是世界上利用铁最早的国家之一.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,并认识铁与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、铁兼而有之.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.