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四、鐵礦石是如何形成的

鐵礦

鐵是世界上發現最早，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，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民經濟各部門和人民生活各個方面，是社會生產和公眾生活所必需的基本材料。自從19世紀中期發明轉爐煉鋼法逐步形成鋼鐵工業大生產以來，鋼鐵一直是最重要的結構材料，在國民經濟中占有極重要的地位，是社會發展的重要支柱產業，是現代化工業最重要和應用最多的金屬材料。所以，人們常把鋼、鋼材的產量、品種、質量作為衡量一個國家工業、農業、國防和科學技術發展水平的重要標志。

一、礦物原料特點

(一)主要鐵礦

物鐵礦物種類繁多，目前已發現的鐵礦物和含鐵礦物約300余種，其中常見的有170余種。但在當前技術條件下，具有工業利用價值的主要是磁鐵礦、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%，Fe2O3 68.97%或含Fe 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，長對角線方向常現條紋。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。具強磁性。

磁鐵礦中常有相當數量的Ti4+以類質同象代替Fe3+，還伴隨有Mg2+和V3+等相應地代替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有時高達68.41%～72.04%。

(3)釩鈦磁鐵礦 為成分更為復雜的上述兩種礦物的固溶體產物。

(4)鉻磁鐵礦 含Cr2O3可達百分之幾。

(5)鎂磁鐵礦 含MgO可達6.01%。

磁鐵礦是巖漿成因鐵礦床、接觸交代-熱液鐵礦床、沉積變質鐵礦床，以及一系列與火山作用有關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的同質多象變種已知有兩種，即α-Fe2O3和γ-Fe2O3。前者在自然條件下穩定，稱為赤鐵礦；后者在自然條件下不如α-Fe2O3穩定，處于亞穩定狀態，稱之為磁赤鐵礦。

赤鐵礦：Fe 69.94%，O 30.06%，常含類質同象混入物Ti、Al、Mn、Fe2+、Ca、Mg及少量Ga和Co。三方晶系，完好晶體少見。結晶赤鐵礦為鋼灰色，隱晶質；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，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 具金屬光澤的晶質細鱗狀赤鐵礦。

(3)鮞狀或腎狀赤鐵礦 形態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，可形成于各種地質作用，但以熱液作用、沉積作用和區域變質作用為主。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，赤鐵礦可轉變為磁鐵礦，稱假象磁鐵礦。

3.磁赤鐵礦

γ-Fe2O3，其化學組成中常含有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，強磁性。

磁赤鐵礦主要是磁鐵礦在氧化條件下經次生變化作用形成。磁鐵礦中的Fe2+完全為Fe3+所代替(3Fe2+→2Fe3+)，所以有1/3Fe2+所占據的八面體位置產生了空位。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有機作用而形成的。

4.褐鐵礦

實際上并不是一個礦物種，而是針鐵礦、纖鐵礦、水針鐵礦、水纖鐵礦以及含水氧化硅、泥質等的混合物。化學成分變化大，含水量變化也大。

(1)針鐵礦 α-FeO(OH)，含Fe 62.9%。含不定量的吸附水者，稱水針鐵礦HFeO2·NH2O。斜方晶系，形態有針狀、柱狀、薄板狀或鱗片狀。通常呈豆狀、腎狀或鐘乳狀。切面具平行或放射纖維狀構造。有時成致密塊狀、土狀，也有呈鮞狀。顏色紅褐、暗褐至黑褐。經風化而成的粉末狀、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Fe 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，Fe 36.8%，Ti 36.6%，O 31.6%。三方晶系。菱面體晶類。常呈不規則粒狀、鱗片狀或厚板狀。在950℃以上鈦鐵礦與赤鐵礦形成完全類質同象。當溫度降低時，即發生熔離，故鈦鐵礦中常含有細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。鈦鐵礦主要出現在超基性巖、基性巖、堿性巖、酸性巖及變質巖中。我國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，FeO 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粒狀。亦有呈結核狀、葡萄狀、土狀者。黃色、淺褐黃色(風化后為深褐色)，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)鐵的化學和物理性質

鐵元素(Ferrum)的原子序數為26，符號為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12C=12.000時)。

鐵的原子半徑，取12配位數時，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。

鐵原子的電子結構是3d64s2。

鐵原子很容易失掉最外層的兩個s電子而呈正二價離子(Fe2+)。如果再失掉次外層的1個d電子，則呈正三價離子(Fe3+)。鐵元素的這種變價特征，導致鐵在不同氧化還原反應中顯示出不同的地球化學性質。

鐵原子失去第一個電子的電離勢(I1)為7.90eV，失去第二個電子的電離勢(I2)為16.18eV，失去第三個電子的電離勢(I3)為30.64eV。

鐵的離子半徑隨配位數和離子電荷而變化。據Ahrens(1952)資料，取6配位數時，Fe2+的離子半徑為0.074nm，Fe3+的離子半徑為0.064nm。鐵離子在含氧鹽和鹵化物等中構成離子化合物。

鐵常與硫和砷等構成共價化合物。鐵的共價半徑為1.17×10－10m。其鍵性強度可用鐵和硫、砷等的電負性差求得。鐵的電負性，Fe2+為1.8，Fe3+為1.9(波林，1964)。

凡是原子半徑與鐵相近的元素，當晶體結構相同時，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，Fe)。凡是離子半徑與鐵相近的元素，當化學結構式相同時，易與鐵發生類質同象替換，如硅酸鹽中的鐵橄欖石和鎂橄欖石類質同象系列；碳酸鹽中的菱鐵礦和菱錳礦類質同象系列；以及鎢酸鹽中的鎢鐵礦和鎢錳礦類質同象系列，等等。

離子電位(Φ)是一個重要的地球化學指標。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+而呈水解產物沉淀。與鐵共沉淀的元素(同價的或異價的)共生組合，可用離子電位圖來預測。

鐵及其化合物的密度、熔點和沸點，以及它們在水中的溶解度或溶度積，是決定鐵進行地球化學遷移的重要物理常數。

鐵化合物的溶度積(18℃時)，Fe(OH)3為1.1×10-36，Fe(OH)2為1.04×10-14，FeS為3.7×10-19，等等。

鐵的熔化潛熱為269.55J/g，蒸發潛熱為6343J/g。

二、用途與技術經濟指標

鐵礦石是指巖石(或礦物)中TFe含量達到最低工業品位要求者。

(一)鐵礦石分類

按照礦物組分、結構、構造和采、選、冶及工藝流程等特點，可將鐵礦石分為自然類型和工業類型兩大類。

1.自然類型

1)根據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(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)按結構、構造可分為浸染狀礦石、網脈浸染狀礦石、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、豆狀、腎狀、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.工業類型

1)工業上能利用的鐵礦石，即表內鐵礦石，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品位與邊界品位之間。

(二)一般工業質量要求

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；

轉爐用鐵礦石10～50 mm。

直接用于煉鋼的礦石質量要求見表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%

堿性側吹轉爐煉鋼生鐵礦石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

對于含鐵量較低或含鐵量雖高但有害雜質含量超過規定要求的礦石或含伴生有益組分的鐵礦石，均需進行選礦處理，選出的鐵精粉經配料燒結或球團處理后才能入爐使用。

需經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%。

對需選礦石工業類型劃分，通常以單一弱磁選工藝流程為基礎，采用磁性鐵占有率來劃分。根據我國礦山生產經驗，其一般標準是：

礦石類型mFe/TFe(%)

單一弱磁選礦石≥65

其他流程選礦石＜65

對磁鐵礦石、赤鐵礦石也可采用另一種劃分標準：

mFe/TFe≥85磁鐵礦石

mFe/TFe85～15混合礦石

mFe/TFe≤15赤鐵礦石

三、礦業簡史

鐵、鐵礦的發現與利用

中國是世界上利用鐵最早的國家之一。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。到新石器時代（距今10000～4000年），興起了制陶業，并發明繪制各種風格的彩陶。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)和幼發拉底河流域烏爾（Ur)出土于公元前4000多年前的鐵珠和匕首。目前中國最早的隕鐵文物是1972年在河北藁城臺西村商代中期（公元前13世紀中期）遺址中發現的鐵刃青銅鉞。這件古兵器，經全面的科學考查，確定刃部是隕鐵加熱鍛造成的。它表明我國商代人們已掌握一定水平的鍛造技術和對鐵的認識，熟悉鐵加工性能，并認識鐵與青銅在性質上的差別。但那時人們還不會利用鐵礦石煉鐵，而鐵隕石又很少，所以當時的鐵制品是十分珍貴的物品。

我國用鐵礦石直接煉鐵，早期的方法是塊煉鐵，后來用豎爐煉鐵。在春秋時代晚期（公元前6世紀）已煉出可供澆鑄的液態生鐵，鑄成鐵器，應用于生產，并發明了鑄鐵柔化術。這一發明加快了鐵器取代銅器等生產工具的歷史進程。戰國冶鐵業興盛，生產的鐵器制品以農具、手工工具為主，兵器則青銅、鋼、鐵兼而有之。據記載，今山東臨淄和河北邯鄲鐵礦等，春秋戰國時期都已進行開采。

標簽：鐵礦石形成如何