Темір кенінің түрлері мен маңызы

Кіріспе

Темірге бай кен немесе Fe элементі

Темір кендері – темірді экономикалық тұрғыдан өндіруге болатын тау жыныстары мен минералдар. Кендер әдетте темір оксидтеріне бай болады және түсі қою сұр, ашық сары немесе терең күлгіштен қызылға дейін өзгереді. Темір көбінесе магнетит (72,4% Fe), гематит (69,9% Fe), гоетит (62,9% Fe), лимонит (55% Fe) немесе сидерит (48,2% Fe) түрінде кездеседі. Гематит немесе магнетит мөлшері өте жоғары, әдетте темірдің 60%-дан астамы бар кендер табиғи кендер немесе тікелей тасымалдауға арналған кендер деп аталады және оларды тікелей темір қорыту пештеріне беруге болады. Темір кені – болат өндіруге арналған негізгі шикізаттың бірі болып табылатын шойынды жасауға қолданылатын шикізат. 2011 жылы Financial Times газеті Барклейс Капитал компаниясының тау-кен сарапшысы Кристофер ЛаФеминаның «мұнайды есептемегенде, темір кенінің әлемдік экономика үшін кез келген тауардан маңыздырақ рөлі бар» деген сөзін келтірді. Темірдің пайда болуы жұлдыздардағы ядролық синтез процесіне байланысты. Темірдің көп бөлігі, супернова ретінде жарылатын үлкен өлген жұлдыздарда пайда болған деп саналады. Темір Жер қыртысындағы төртінші ең көп таралған элемент болып табылады, оның құрамында шамамен 5% бар, бірақ көп бөлігі силикат немесе сирек кездесетін карбонат минералдарында байланысқан. Таза темірді осы минералдардан бөлуге кедергі жасайтын термодинамикалық бәріктер күшті және энергияны көп қажет етеді; сондықтан адамдар қолданатын темірдің барлық көздері салыстырмалы түрде сирек кездесетін темір оксидті минералдарды, негізінен гематитті пайдаланады. Өнеркәсіптік революцияға дейін темірдің көп бөлігі кеңінен таралған гоетит немесе батпақ кенінен алынған, мысалы, Америка революциясы және Наполеон соғыстары кезінде. Тарихтағы алғашқы қоғамдар латеритті темір кенінің көзі ретінде пайдаланған. Тарихи тұрғыдан алғанда, өнеркәсіптік дамыған елдер пайдаланған темір кенінің көп бөлігі 70% Fe құрамындағы гематит кен орындарынан өндірілген. Бұл кен орындары әдетте «тікелей тасымалдауға арналған кендер» немесе «табиғи кендер» деп аталады. Темір кеніне деген сұраныстың артуы және АҚШ-тағы жоғары сапалы гематит кендерінің азаюы, Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін төмен сапалы темір кенінің көздерін, негізінен магнетит пен таконитті пайдалануға әкелді. Темір кенін өндіру әдістері кеннің түріне байланысты әр түрлі болады. Қазіргі уақытта кен орындарының минералогиялық және геологиялық ерекшеліктеріне байланысты төрт негізгі темір кені жұмыс істеуде. Олар – магнетит, титаномагнетит, массивті гематит және пизолитті темір тастар.

Iron ores are rocks and minerals from which metallic iron can be economically extracted. The ores are usually rich in iron oxides and vary in color from dark grey, bright yellow, or deep purple to rusty red. The iron is usually found in the form of magnetite (, 72.4% Fe), hematite (, 69.9% Fe), goethite (, 62.9% Fe), limonite (, 55% Fe), or siderite (, 48.2% Fe). Ores containing very high quantities of hematite or magnetite, typically greater than about 60% iron, are known as natural ore or direct shipping ore, and can be fed directly into iron making blast furnaces. Iron ore is the raw material used to make pig iron, which is one of the main raw materials to make steel—98% of the mined iron ore is used to make steel. In 2011 the Financial Times quoted Christopher LaFemina, mining analyst at Barclays Capital, saying that iron ore is "more integral to the global economy than any other commodity, except perhaps oil". The origin of iron can be ultimately traced to its formation through nuclear fusion in stars, and most of the iron is thought to have originated in dying stars that are large enough to explode as supernovae. Although iron is the fourth most abundant element in the Earth's crust, composing about 5%, the vast majority is bound in silicate or, more rarely, carbonate minerals. The thermodynamic barriers to separating pure iron from these minerals are formidable and energy intensive; therefore, all sources of iron used by human industry exploit comparatively rarer iron oxide minerals, primarily hematite. Prior to the industrial revolution, most iron was obtained from widely available goethite or bog ore, for example, during the American Revolution and the Napoleonic Wars. Prehistoric societies used laterite as a source of iron ore. Historically, much of the iron ore utilized by industrialized societies has been mined from predominantly hematite deposits with grades of around 70% Fe. These deposits are commonly referred to as "direct shipping ores" or "natural ores". Increasing iron ore demand, coupled with the depletion of high grade hematite ores in the United States, led after World War II to the development of lower grade iron ore sources, principally the use of magnetite and taconite. Iron ore mining methods vary by the type of ore being mined. There are four main types of iron ore deposits worked currently, depending on the mineralogy and geology of the ore deposits. These are magnetite, titanomagnetite, massive hematite, and pisolitic ironstone deposits.

Желілі жолақты құрылымдар

Таспалы темір формациялары (BIF) – 15%-дан астам темір қорғаны бар, негізінен жұқа қабаттар түріндегі темір минералдары мен кремний қышқылынан (кварц түрінде) тұратын шөгінді тау жыныстары. Таспалы темір формациялары тек кембрийге дейінгі тау жыныстарында ғана кездеседі және көбінесе әлсізден қарқынды метаморфозға ұшырайды. Таспалы темір формацияларында темір карбонаттар (сидерит немесе анкерит) немесе силикаттар (минесотаит, греналит немесе граунерит) түрінде болуы мүмкін, бірақ темір кендері ретінде өндірілетін жағдайда оксидтер (магнетит немесе гематит) басты темір минералы болып табылады. Солтүстік Америкада таспалы темір формациялары таконит деп аталады. Кен өндіру процесінде өте көп мөлшерде кен мен қалдықтар тасымалданады. Қалдықтар екі түрге бөлінеді: кен орнындағы кен емес тау жыныстары (жергілікті жерде "мулок" деп аталатын) және кеннің құрамындағы қажетсіз минералдар (банга). Мулок кен орнынан қазылып, қалдық үйінділеріне жиналады, ал банга байыту процесінде бөлініп, таусылған қалдықтар ретінде шығарылады. Таконит таусылған қалдықтарының көп бөлігі химиялық тұрақты кварц минералынан тұрады. Бұл материал үлкен, реттелген су тұнату тоғандарында сақталады.

Магнит рудалары

Магнетит рудасының экономикалық тиімділігінің негізгі параметрлері – магнетиттің кристалдық құрылымы, жолақты темір кеніндегі темірдің мөлшері және магнетит концентратындағы қоспа элементтер. Көптеген магнетит кен орындарының көлемі мен ашық қазба жұмыстарының арақатынасы маңызды емес, себебі жолақты темір кені жүздеген метр қалыңдыққа, жүздеген шақырымға созылуы мүмкін және оның құрамында үш миллиардтан астам тонна кен болуы мүмкін. Магнетит кені бар жолақты темір кені экономикалық тиімді болу үшін темірдің мөлшері шамамен 25% болуы керек, бұл әдетте салмағы бойынша 33%-дан 40%-ға дейін магнетитті қайта өңдеуге мүмкіндік береді, нәтижесінде салмағы бойынша 64%-дан астам темірлі концентрат алынады. Типтік магнетит темір кенінің концентратында 0,1%-дан кем фосфор, 3–7% кремний және 3%-дан кем алюминий болады. Қазіргі уақытта магнетит темір кені АҚШ-тың Миннесота және Мичиган штаттарында, Канаданың шығысында және Швецияның солтүстігінде өндіріледі. Магнетит кені бар жолақты темір кені Бразилияда кеңінен өндіріледі, ол Азияға көп мөлшерде экспорттайды, сондай-ақ Австралияда да жаңа және ірі магнетит темір кені индустриясы дамып келеді.

Тікелей тасымалданатын (гематит) кендері

Тікелей кемемен тасымалданатын темір кені (DSO) кен орындары (әдетте гематиттен тұрады) қазіргі уақытта Антарктидадан басқа барлық құрлықтарда игерілуде, ең қарқындылығы Оңтүстік Америкада, Австралияда және Азияда байқалады. Көптеген ірі гематит темір кендері өзгерген қабатты темір формацияларынан және (сирек) магмалық жиналымдардан пайда болады. DSO кен орындары әдетте магниттік BIF немесе оның негізгі көзін құрайтын басқа тау жыныстарынан немесе бастапқы тау жынысынан (протолиттен) сирек кездеседі, бірақ темірдің жоғары құрамына байланысты оларды өндіру және өңдеу айтарлықтай арзан, себебі оларға аз өңдеу қажет. Дегенмен, DSO кендері жазалаушы элементтердің жоғары концентрациясын қамтуы мүмкін, әдетте фосфор, судың мөлшері (әсіресе пизолит шөгінді жиналымдарында) және алюминий (пизолиттердегі саз) жоғары болады. Экспорттық сападағы DSO кендері әдетте 62–64% Fe диапазонында болады.

Магматикалық магнит кендері

Гранит және ультрапотазды магмалық тау жыныстары кейде магнит кристалдарын бөліп, экономикалық шоғырлануға жарамды магнит массаларын қалыптастыру үшін қолданылған. Темір кенінің бірнеше кен орындары, әсіресе Чилиде, магнит фенокристалдарының маңызды жинақталуын қамтитын жанартау ағындарынан пайда болады. Чилидегі Атакама шөліндегі магнит темір кен орындары осы жанартаулық құрылымдардан басталатын өзендерде магниттің аллювиалды жинақталуын қалыптастырды. Кейбір магнит скарны және гидротермальдық кен орындары бұрын жоғары сапалы темір кен орындары ретінде, аздаған байытуды қажет ететіндей етіп, пайдаланылған. Малайзия мен Индонезияда осы сипаттағы бірнеше гранитке байланысты кен орындары бар. Магнит темір рудасының басқа көздері – Тасманиядағы Савидж өзеніндегідей, офиолит ультрамафикаларының қиылысынан пайда болған массивті магнит рудасының метаморфты жинақталуларын қамтиды. Темір рудасының тағы бір шағын көзі – қабатты интрузиялардағы магмалық жинақталулар, олар әдетте титанды магнитті, көбінесе ванадиймен бірге қамтиды. Бұл кендер арнайы нарық құрайды, онда темір, титан және ванадийді алу үшін арнайы қорыту заводтары қолданылады. Бұл кендер жолақты темір формациясы кендеріне ұқсас байытылады, бірақ әдетте ұсату және іріктеу арқылы оңай жақсартуға болады. Титаномагнетит концентратының стандартты сапасы 57% Fe, 12% Ti және 0,5% құрайды.

Кен орындарынан алынған қалдықтар

Әрбір тонна темір кен концентраты үшін шамамен 2,5–3,0 тонна темір кен қалдықтары шығарылады. Статистика көрсетсе, жыл сайын 130 миллион тонна темір кені шығарылады. Егер, мысалы, кен қалдықтарында орташа есеппен 11% темір болса, онда жыл сайын шамамен 1,41 миллион тонна темір ысырап болады. Бұл қалдықтарда мыс, никель және кобальт сияқты басқа да пайдалы металдар көп, оларды жол құрылысы материалдары ретінде – асфальт және толтырғыш, сондай-ақ цемент, төмен сапалы шыны және қабырға материалдары сияқты құрылыс материалдарына пайдалануға болады. Қалдықтар салыстырмалы түрде төмен сапалы кен болғанымен, оларды жинау арзан, себебі оларды қазып алу қажет емес. Осы себепті Magnetation сияқты компаниялар темір кен қалдықтарын металл темірдің көзі ретінде пайдаланатын қайта жаңарту жобаларын бастады. Тікелей тотығудан айырғанда (direct reduction) жоғары температура және 2–5 сағатқа созылатын ұзақ уақыт қажет болады. Тікелей тотығудан айырғанда (direct reduction) темір өндіру үшін қолданылатын «ұнтақ темірді» (sponge iron - Fe) өндіру үшін қолданылады. Тікелей тотығудан айырғанда (direct reduction) температурасы жоғары және уақыты ұзақ болғандықтан, магниттеу кезінде пісіруге қарағанда көбірек энергия және тотығудан айырғыш заттар қажет.

Экстракциялау

Темір кенінің төмен сапалы түрлері көбінесе байытуды қажет етеді, оған ұнтақтау, ажарлау, гравитациялық немесе ауыр ортаны бөлу, іріктеу және кремний көбігімен флотация сияқты техникалар қолданылады. Бұл процедуралар кеннің концентрациясын арттыру және қоспаларын жою үшін жасалады. Соның нәтижесінде алынған жоғары сапалы ұсақ кен ұнтақтары "құмдық кен" деп аталады.

Магнит

Магнетит магниттік қасиетке ие, сондықтан ол қоспалы минералдардан оңай бөлінеді және өте төмен мөлшерде қоспалары бар жоғары сапалы концентрат өндіруге мүмкіндік береді. Магнетиттің түйірлену өлшемі және оның кремнийлі негізбен араласу дәрежесі тау жынысын тиімді магниттік бөлуді қамтамасыз ету үшін, жоғары тазалықтағы магнит концентратын алуға қажетті ұнтақтау дәрежесін анықтайды. Бұл ұнтақтау операциясын жүргізуге қажетті энергия мөлшерін анықтайды. Жолақты темір кендерін өндіру ірі ұсату және ірілеу, содан кейін дөңгелектеу және ұнтақтау процестерін қамтиды, бұл кенді осылай ұнтақтауға дейін жеткізеді, нәтижесінде пайда болған ұнтақ магниттен өткізілгенде кристалдаған магнетит пен кварцтың мөлшері жеткілікті кішкентай болады, кварц қалдырылады. Әдетте, көптеген жолақты темір кендерін төмен кремнийлі магнетит концентратын алу үшін аралық өлшемге дейін ұнтақтау қажет. Магнит концентраттарының сапасы әдетте салмағы бойынша 70% темірден жоғары болады және әдетте фосфор, алюминий, титан және кремнийдің төмен мөлшерін қамтиды, сондықтан оларға жоғары баға талап етіледі.

Гематит

Гематиттің серік силикатты қоспаларға қарағанда жоғары тығыздығына байланысты, гематитті байыту әдетте байыту техникаларының комбинациясын қамтиды. Бір әдіс, ұсақ ұнтақталған кенді магнит немесе ферросилико сияқты оның тығыздығын арттыратын басқа да заттар қосылған суспензия арқылы өткізуге негізделген. Суспензияның тығыздығы дұрыс қалыптастырылса, гематит төмен түсіп, ал силикатты минералдардың бөлшектері бетке шығып, оларды алып тастауға болады.

Әлемдегі темір кенінің қолда бар ресурстары

Темір – Жердегі ең көп кездесетін элемент, бірақ ол жер қабығында емес. Қолжетімді темір кенінің қорлары қанша екені белгісіз, алайда 2006 жылы Worldwatch институтының Лестер Браун темір кеніне деген сұраныс жылына 2% артып жатса, ол 64 жылдың ішінде (яғни 2070 жылға дейін) таусылуы мүмкін деген пікірді айтты.

Австралия

Geoscience Australia компаниясының есептеуінше, елдің темірдің "экономикалық дәлелденген қорлары" қазіргі уақытта 24 гигатоннаны құрайды. Тағы бір бағалау бойынша Австралияның темір кенінің қоры – әлемдегі шамамен бағаланған қордың 30 пайызы, оның ішінде Батыс Австралия үлесі басым. Қазіргі кезде Батыс Австралияның Пильбара аймағынан жылына шамамен өндірілді, және бұл көрсеткіш өсуде. Гевин Мудд (RMIT университеті) мен Джонатон Лоу (CSIRO) оның 30–50 жыл және 56 жыл ішінде таусылатынын күтеді. Бұл 2010 жылғы бағалаулар, төмен сапалы темір кеніне деген сұраныстың өзгеруін және тау-кен өндірісі мен байыту техникасының жақсаруын (жер асты сулары деңгейінен төменгі тереңдікте тау-кен өндірісін жүргізуге мүмкіндік беру) ескере отырып, үнемі қайта қарастыруды талап етеді.

Бразилия

Бразилия Австралиядан кейін темір кенін өндіруші елдердің арасында екінші орында тұрады. 2015 жылы Бразилия пайдалы темір кенін тонналармен экспорттады.

Үндістан

АҚШ Геологиялық қызметінің 2021 жылғы темір кені жөніндегі есебіне сәйкес,

Украина

АҚШ Геологиялық зерттеулер басқармасының 2021 жылғы темір кені туралы есебіне сәйкес, Украина 2020 жылы темір кенінің белгілі бір көлемін өндірген, бұл елді Австралия, Бразилия, Қытай, Үндістан, Ресей және Оңтүстік Африкадан кейінгі темір кені өндірісінің жетінші ірі орталығына қойды. Украинадағы темір кені өндірушілеріне Ferrexpo, Metinvest және ArcelorMittal Kryvyi Rih кіреді.

Америка Құрама Штаттары

2014 жылы АҚШ-тағы кен орындары 5,1 миллиард долларлық құны бар темір кенін өндірді. АҚШ-тағы темір кенін өндіру әлемдік темір кенін өндірудің 2%-ын құрады деп есептеледі. АҚШ-та он екі темір кен орны бар, олардың тоғызы ашық карьерлер, ал үші – кен орындарын қайта жаңарту операциялары. 2014 жылы сондай-ақ он гранулациялық зауыт, тоғыз концентрлеу зауыты, екі тікелей тотықталған темір (DRI) зауыты және бір темір кесегі зауыты жұмыс істеді.

Канада

2017 жылы Канаданың темір кен орындары темір кенін концентратталған түйіршіктер түрінде және 13,6 миллион тонна шикі болат өндірді. Өндірілген болаттың бір бөлігі экспортталды, ал темір кенінің бір бөлігі 4,6 миллиард долларлық құнмен экспортталды. Экспортталған темір кенінің 38,5 пайызы 2,3 миллиард долларлық құнмен темір кенінің түйіршіктерінен тұрды, ал 61,5 пайызы 2,3 миллиард долларлық құнмен темір кенінің концентратынан тұрды. Канаданың темір рудасының 46 пайызы Ньюфаундленд штатындағы Лабрадор-Ситиде орналасқан «Канада темір рудасы компаниясының» кенінен, ал қалған көздерінің ішінде Нунавуттағы Мэри-Ривер кенінен келеді.

Тiршi элементтер

Кейбір элементтердің тіпті шамалы мөлшерде қосылуы темірдің қасиеттеріне немесе доменді пештің жұмысына айқын әсер ете алады. Бұл әсерлер жақсы да, жаман да болуы мүмкін, тіпті апатқа әкелуі де мүмкін. Кейбір химиялық заттар, мысалы, флюс, мақсатты түрде қосылады, ол доменді пештің тиімділігін арттырады. Ал басқалары темірді ерітілген, қаттырақ ету үшін немесе оған қажетті басқа да қасиеттер беру үшін қосылады. Кен, отын және флюстың таңдалуы шлактің қалай өтетінін және алынған темірдің жұмыс сипаттамаларын анықтайды. Идеалды жағдайда темір кенінде тек темір мен оттегі ғана болуы керек. Бірақ шындығында, мұндай жағдай сирек кездеседі. Көбінесе темір кенінде қазіргі болат өндірісінде қажет емес элементтер болады.

Кремний

Кремний темір рудасында көбінесе кездеседі. Оның көп бөлігі қорыту процесінде шлак ретінде шығарылады. Жоғары температурада кремнийдің бір бөлігі тотығып, темірмен қорытпа түзеді. Пештің температурасы жоғары болған сайын, темірде кремнийдің мөлшері де артады. 16-18 ғасырлардағы еуропалық құйма темірде 1,5% дейін кремний кездесуі жиі кездеседі. Кремнийдің басты әсері – сұр темірдің түзілуін жеделдету. Сұр темір ақ темірге қарағанда аз сынып, өңдеуі де оңай. Сондықтан оны құю үшін пайдалану артықшылықты болады. Британдық металлург Томас Тернер кремний ыдырауды және газ көпіршіктерінің пайда болуын азайтатынын, соның салдарынан нашар құймалардың санын кемітетінін хабарлаған. Дегенмен, темірде кремнийдің шамадан көп болуы оның сынуға бейімділігін арттырады және орташа қаттылыққа алып келеді.

Фосфор

Фосфор (P) темірге төрт негізгі әсер етеді: қаттылық пен беріктікті арттыру, балқу температурасын төмендету, сұйықтықтың артуы және суыққа сезімталдық. Темірдің қандай мақсатта қолданылатынына байланысты бұл әсерлер пайдалы немесе зиянды болуы мүмкін. Қаңқалы кенде көбінесе фосфордың құрамы жоғары болады. Темірдің беріктігі мен қаттылығы фосфор концентрациясымен бірге артады. 0,05% фосфор балқытылған темірді орташа көміртекті болаттай қатты етеді. Жоғары фосфорлы темірді салқындатып соғу арқылы да қатайтуға болады. Бұл қатайту әсері фосфордың кез келген концентрациясында байқалады. Фосфордың мөлшері неғұрлым көп болса, темір соғұрлым қатты болады және балғамен соғу арқылы оны одан әрі қатайтуға болады. Қазіргі заманғы болат өндірушілер фосфор деңгейін 0,07 мен 0,12% аралығында ұстап, соққыға төзімділігін төмендетпей, қаттылығын 30%-ға дейін арттыра алады. Сондай-ақ, ол қатаю тереңдігін арттырады, бірақ бір мезгілде жоғары температурада темірдегі көміртектің ерігіштігін төмендетеді. Бұл оның көміртек сіңіру жылдамдығы мен мөлшері маңызды болатын көміртектеу (цементация) процесінде пайдалануын шектеуі мүмкін. Фосфордың қосылуының кемшіліктері де бар. 0,2%-дан жоғары концентрацияда темір суыққа сезімтал болады, яғни төмен температурада сынып қалуға бейім. Суыққа сезімталдық, әсіресе, темір таяқшалар үшін маңызды. Темір таяқшалар көбінесе ыстықтай өңделеді, бірақ олардың қолданылуы жиі бөлме температурасында беріктікке, иілгіштікке және соққыға төзімділікке талап етеді. Мысқылмен соққанда сынып қалатын шеге немесе тасқа тигенде сынған арба дөңгелегі жақсы сатылмайды. Фосфордың жеткілікті мөлшері кез келген темірді қолдануға жарамсыз етеді. Суыққа сезімталдықтың әсері температурамен күшейеді. Сондықтан, жазда жақсы жұмыс істейтін темір қыста өте хрупті болуы мүмкін. Орта ғасырларда бай адамдарда жазға арналған жоғары фосфорлы және қысқа арналған төмен фосфорлы қылыштар болған деген болжам бар. Фосфорды мұқият бақылау құю процесінде үлкен пайда әкелуі мүмкін. Фосфор балқу температурасын төмендетеді, темірдің ұзаққа созылып балқып тұруына және сұйықтығын арттыруына мүмкіндік береді. 1% фосфор қосу балқытылған темірдің ағып кету қашықтығын екі есеге арттыра алады. Ең жоғары әсер, шамамен 10,2% концентрациясында қол жеткізіледі. Құю жұмыстары үшін Тернер идеалды темірде 0,2–0,55% фосфор болуын қалаған. Нәтижесінде алынған темір қалыптарды аз көлемдік кемшіліктермен толтырды және аз қысқарды. 19 ғасырда әсемдік құйма темір өндірушілердің кейбіреулері 5%-ға дейін фосфорлы темірді қолданды. Өте сұйық болу оларға өте күрделі және нәзік құймаларды жасауға мүмкіндік берді, бірақ олардың беріктігі болмағандықтан, салмақты көтере алмады. Фосфордың жоғары құрамы бар темірді түзетудің екі жолы бар. Ең көнесі, ең оңайы және ең арзаны – одан аулақ болу. Егер кеннен алынған темір суыққа сезімтал болса, темір кенінің жаңа көзін іздеу керек. Екінші әдіс – фосфорды тотықтандыру үшін қорыту процесінде темір оксидін қосу. Бұл әдіс көбінесе 19 ғасырда қорытумен байланысты және бұрын түсінілмеген болуы мүмкін. Мысалы, 1772 жылы Марлборо темір зауытының иесі Исаак Зейн бұл туралы білмеген сияқты. Зейннің соңғы жаңалықтармен таныс болуына байланысты, бұл техника Вирджиния мен Пенсильванияның теміршілеріне белгісіз болған болуы мүмкін. Фосфор, әдетте, зиянды қоспа деп есептеледі, өйткені ол 0,6% концентрациясында тіпті болатты хрупті етеді. 1870 жылдары Гилкрист-Томас процесі темірден элементтің көп бөлігін алып тастауға мүмкіндік бергенде, бұл үлкен жетістік болды, өйткені сол кездегі континенттік Еуропада өндірілетін темір кендерінің көпшілігі фосфорлы болды. Алайда, флюс немесе балқыту арқылы барлық қоспаларды жою қиын, сондықтан қажетті темір кендерінің құрамында фосфор аз болуы керек.

Phosphorus (P) has four major effects on iron: increased hardness and strength, lower solidus, increased fluidity, and cold shortness. Depending on the use intended for the iron, these effects are either good or bad. Bog ore often has a high phosphorus content. The strength and hardness of iron increases with the concentration of phosphorus. 0.05% phosphorus in wrought iron makes it as hard as medium carbon steel. High phosphorus iron can also be hardened by cold hammering. The hardening effect is true for any concentration of phosphorus. The more phosphorus, the harder the iron becomes and the more it can be hardened by hammering. Modern steel makers can increase hardness by as much as 30%, without sacrificing shock resistance by maintaining phosphorus levels between 0.07 and 0.12%. It also increases the depth of hardening due to quenching, but at the same time also decreases the solubility of carbon in iron at high temperatures. This would decrease its usefulness in making blister steel (cementation), where the speed and amount of carbon absorption is the overriding consideration. The addition of phosphorus has a downside. At concentrations higher than 0.2%, iron becomes increasingly cold short, or brittle at low temperatures. Cold short is especially important for bar iron. Although bar iron is usually worked hot, its uses often require it to be tough, bendable, and resistant to shock at room temperature. A nail that shatters when hit with a hammer or a carriage wheel that breaks when it hit a rock would not sell well. High enough concentrations of phosphorus render any iron unusable. The effects of cold shortness are magnified by temperature. Thus, a piece of iron that is perfectly serviceable in summer might become extremely brittle in winter. There is some evidence that during the Middle Ages the very wealthy may have had a high phosphorus sword for summer and a low phosphorus sword for winter. Careful control of phosphorus can be of great benefit in casting operations. Phosphorus depresses the liquidus, allowing the iron to remain molten for longer and increasing fluidity. The addition of 1% can double the distance molten iron will flow. The maximum effect, about , is achieved at a concentration of 10.2%. For foundry work Turner felt the ideal iron had 0.2–0.55% phosphorus. The resulting iron filled molds with fewer voids and also shrank less. In the 19th century some producers of decorative cast iron used iron with up to 5% phosphorus. The extreme fluidity allowed them to make very complex and delicate castings, but they could not be weight bearing, as they had no strength. There are two remedies for high phosphorus iron. The oldest, easiest, and cheapest, is avoidance. If the iron that the ore produced was cold short, one would search for a new source of iron ore. The second method involves oxidizing the phosphorus during the fining process by adding iron oxide. This technique is usually associated with puddling in the 19th century, and may not have been understood earlier. For instance, Isaac Zane, owner of Marlboro Iron Works, did not appear to know about it in 1772. Given Zane's reputation for keeping abreast of the latest developments, the technique was probably unknown to the ironmasters of Virginia and Pennsylvania. Phosphorus is generally considered to be a deleterious contaminant because it makes steel brittle, even at concentrations of as little as 0.6%. When the Gilchrist–Thomas process allowed the removal of bulk amounts of the element from cast iron in the 1870s, it was a major development because most of the iron ores mined in continental Europe at the time were phosphorous. However, removing all the contaminant by fluxing or smelting is complicated, and so desirable iron ores must generally be low in phosphorus to begin with.

Алюминий

Алюминийдің (Al) шағын мөлшері көптеген кендерде, соның ішінде темір кенінде, құмда және кейбір әктастарда кездеседі. Оны балқыту алдында кенді жуу арқылы жоюға болады. Кірпішпен қапталған пештер пайдалынына дейін алюминийдің ластану деңгейі өте төмен болғандықтан, ол темірге де, шлакқа да әсер етпеді. Бірақ, пеш қабырғаларын кірпішпен қаптағанда, алюминийдің ластану деңгейі күрт артты. Бұл сұйық шлактан пеш қабырғаларының тозуына байланысты болды. Алюминийді тотықтыру қиын. Сондықтан, темірдің алюминиймен ластануы мәселе емес. Дегенмен, ол шлақтың тұтқырлығын арттырады. Бұл пеш жұмысына бірқатар кері әсер етеді. Қалың шлак зарядтың түсуін баяулатып, процесті ұзартады. Алюминийдің жоғары мөлшері сұйық шлақты шығаруды қиындатады. Ең нашар жағдайда, бұл пештің қатып қалуына әкелуі мүмкін. Алюминий шлагының жоғары деңгейін шешудің бірнеше жолы бар. Біріншісі – сақтану: алюминийдің жоғары құрамы бар кенді немесе әкті пайдаланбаңыз. Әк ағынының мөлшерін арттыру тұтқырлықты азайтады.

Күкірт

Күкірт (S) көмірде жиі кездесетін қоспа. Ол көптеген кендерде шағын мөлшерде кездеседі, бірақ кальцинация арқылы алынып тастауға болады. Күкірт темірді балқыту температурасында сұйық және қатты темірде оңай ериді. Күкірттің тіпті аз мөлшерінің де әсері бірден байқалады және ауыр болады. Олар темір өндірушілердің алғашқы зерттеген мәселелерінің бірі болды. Күкірт темірдің қызыл немесе ыстыққа сезімтал болуына себеп болады. Ыстыққа сезімтал темір ыстық күйде сынғыш болады. Бұл 17-ші және 18-ші ғасырларда қолданылған темірдің көп бөлігі – таяқша немесе ұрып жасалған темір болғандықтан, маңызды мәселе болды. Ұрып жасалған темірді ыстық күйде қайта-қайта соққымен қалыпқа келтіреді. Ыстыққа сезімтал темірге соққы бергенде ол жарылады. Ыстық темір немесе болат жарылса, ашық қалған беті бірден тотығады. Оксидтің бұл қабаты жарықты дәнекерлеу арқылы жазуға мүмкіндік бермейді. Үлкен жарықтар темірдің немесе болаттың сынуына себеп болады. Кіші жарықтар қолдану кезінде бұйымның бүлінуіне әкелуі мүмкін. Ыстыққа сезімталдықтың деңгейі күкірт мөлшеріне тікелей пропорционалды. Бүгінде 0,03% -дан астам күкірт бар темірден аулақ болады. Ыстыққа сезімтал темірді өңдеуге болады, бірақ оны төмен температурада өңдеу керек. Төмен температурада жұмыс істеу үшін ұста немесе балқытушыдан көбірек күш-жігер талап етіледі. Металлға бірдей нәтижеге қол жеткізу үшін жиі және күштірек соққы беру қажет. Шамалы күкіртпен ластанған таяқшаны өңдеуге болады, бірақ бұл көбірек уақыт пен күш-жігерді қажет етеді. Құйма темірде күкірт ақ темірдің пайда болуына көмектеседі. Тіпті 0,5% дейін салқындатудың әсерін және кремнийдің жоғары құрамын тежеуге болады. Ақ құйма темір сынығыш, бірақ сонымен бірге қаттырақ. Онымен жұмыс істеу қиын болғандықтан, көбінесе одан аулақ болады, бірақ Қытайда көмір және кокспен жасалған, кейде 0,57% дейін күкірт мөлшері бар құйма темір қоңыраулар мен дабылдар жасау үшін қолданылған. Жақсы құйма темірдің 0,15% -дан кем күкірт болуы керек. Әлемнің қалған бөлігінде күкірттің жоғары құрамы бар құйма темір құймаларды жасау үшін қолданылуы мүмкін, бірақ нашар ұрып жасалған темірді жасауға жарамсыз. Күкіртпен ластанудың бірнеше жолы бар. Біріншісі және тарихи және ежелгі операцияларда ең көп қолданылатын жолы – одан аулақ болу. Еуропада (Қытайдан айырмашылығы) көмірді балқыту үшін отын ретінде қолданбады, өйткені ол күкірт қамтиды және осылайша ыстыққа сезімтал темірге себеп болады. Егер кен ыстыққа сезімтал металлға әкелсе, теміршілер басқа кен іздеді. Минералды көмір алғаш рет 1709 жылы (немесе одан бұрын) еуропалық домендік пештерде қолданылғанда, ол кокспен өңделді. Тек 1829 жылдан бастап ыстық үрлеу енгізілгеннен кейін ғана шикі көмір қолданылды.

Sulfur (S) is a frequent contaminant in coal. It is also present in small quantities in many ores, but can be removed by calcining. Sulfur dissolves readily in both liquid and solid iron at the temperatures present in iron smelting. The effects of even small amounts of sulfur are immediate and serious. They were one of the first worked out by iron makers. Sulfur causes iron to be red or hot short. Hot short iron is brittle when hot. This was a serious problem as most iron used during the 17th and 18th centuries was bar or wrought iron. Wrought iron is shaped by repeated blows with a hammer while hot. A piece of hot short iron will crack if worked with a hammer. When a piece of hot iron or steel cracks, the exposed surface immediately oxidizes. This layer of oxide prevents the mending of the crack by welding. Large cracks cause the iron or steel to break up. Smaller cracks can cause the object to fail during use. The degree of hot shortness is in direct proportion to the amount of sulfur present. Today, iron with over 0.03% sulfur is avoided. Hot short iron can be worked, but it must be worked at low temperatures. Working at lower temperatures requires more physical effort from the smith or forgeman. The metal must be struck more often and harder to achieve the same result. A mildly sulfur contaminated bar can be worked, but it requires a great deal more time and effort. In cast iron, sulfur promotes the formation of white iron. As little as 0.5% can counteract the effects of slow cooling and a high silicon content. White cast iron is more brittle, but also harder. It is generally avoided, because it is difficult to work, except in China where high sulfur cast iron, some as high as 0.57%, made with coal and coke, was used to make bells and chimes. According to , good foundry iron should have less than 0.15% sulfur. In the rest of the world, a high sulfur cast iron can be used for making castings, but will make poor wrought iron. There are a number of remedies for sulfur contamination. The first, and the one most used in historic and prehistoric operations, is avoidance. Coal was not used in Europe (unlike China) as a fuel for smelting because it contains sulfur and therefore causes hot short iron. If an ore resulted in hot short metal, ironmasters looked for another ore. When mineral coal was first used in European blast furnaces in 1709 (or perhaps earlier), it was coked. Only with the introduction of hot blast from 1829 was raw coal used.

Кенді қыздыру

Күкіртті рудадан қыздыру және жуу арқылы бөліп алуға болады. Қыздыру күкіртті тотықтырып, күкірт диоксидін (SO2) түзетіп, ол атмосфераға таралады немесе жуылып кетеді. Жылы аймақтарда пирит кенін жаңбырға қалдыруға болады. Жаңбыр, бактериялар және жылудың бірлескен әсері сульфидтерді суда еритін күкірт қышқылы мен сульфаттарға айналдырады, олар жуылып кетеді. Дегенмен, тарихи тұрғыдан (кем дегенде), темір сульфиді (темір пириті), кең таралған темір минералы болғанымен, темір металлын өндіру үшін кен ретінде қолданылмаған. Швецияда табиғи әсерлер де пайдаланылған. Осы процесс геологиялық жылдамдықпен жүргенде госсан лимонит кендері түзіледі. Төмен күкіртті темірдің маңыздылығы 16-18 ғасырларда Швеция, Ресей және Испаниядан алынған темірге төленген жоғары бағалармен дәлелденеді. Бүгінде күкірт проблема тудырмайды. Қазіргі шешім – марганец қосу, бірақ оператор темірдегі күкірт мөлшерін білуі керек, себебі оны бейтараптандыру үшін кем дегенде бес есе көп марганец қосу қажет. Кейбір тарихи темірлерде марганец деңгейі байқалады, бірақ көпшілігі күкіртті бейтараптандыруға қажетті деңгейден төмен. Марганец сульфиді (MnS) түріндегі сульфидтер AISI 304 болат сияқты төмен сапалы тот баспайтын болатта ауыр шұңқырлы коррозияға себеп болуы мүмкін. Окистендіру жағдайында және ылғал болғанда, сульфид тотыққанда, ол аралық зат ретінде тиосульфат аниондарын түзетіп, оның қос теріс электр зарядының арқасында хлорид анионынан жоғары эквивалентті электр қозғалғыштығына ие болғандықтан, шұңқырдың өсуін күшейтеді. Шындығында, шұңқырдың ішіндегі анодтық аймақта Fe2+ катиондарының босатылуынан туындаған оң электр зарядтарын капиллярлық шұңқырдағы аниондардың электрокинетикалық қозғалысы арқылы әкелінетін теріс зарядтармен тез өтеу/бейтараптандыру қажет. Капиллярлық шұңқырда жүретін кейбір электрохимиялық процестер капиллярлық электрофорезде кездесетін процестермен ұқсас. Анионның электрокинетикалық қозғалу жылдамдығы неғұрлым жоғары болса, шұңқырлы коррозия жылдамдығы да соғұрлым жоғары болады. Шұңқырдың ішіндегі иондардың электрокинетикалық тасымалы шұңқырдың өсу жылдамдығын шектеуші фактор болуы мүмкін.

Sulfur can be removed from ores by roasting and washing. Roasting oxidizes sulfur to form sulfur dioxide (SO2), which either escapes into the atmosphere or can be washed out. In warm climates, it is possible to leave pyritic ore out in the rain. The combined action of rain, bacteria, and heat oxidize the sulfides to sulfuric acid and sulfates, which are water soluble and leached out. However, historically (at least), iron sulfide (iron pyrite ), though a common iron mineral, has not been used as an ore for the production of iron metal. Natural weathering was also used in Sweden. The same process, at geological speed, results in the gossan limonite ores. The importance attached to low sulfur iron is demonstrated by the consistently higher prices paid for the iron of Sweden, Russia, and Spain from the 16th to 18th centuries. Today sulfur is no longer a problem. The modern remedy is the addition of manganese, but the operator must know how much sulfur is in the iron because at least five times as much manganese must be added to neutralize it. Some historic irons display manganese levels, but most are well below the level needed to neutralize sulfur. Sulfide inclusion as manganese sulfide (MnS) can also be the cause of severe pitting corrosion problems in low grade stainless steel such as AISI 304 steel. Under oxidizing conditions and in the presence of moisture, when sulfide oxidizes, it produces thiosulfate anions as intermediate species, and because the thiosulfate anion has a higher equivalent electromobility than the chloride anion due to its double negative electrical charge, it promotes pit growth. Indeed, the positive electrical charges born by Fe2+ cations released in solution by Fe oxidation on the anodic zone inside the pit must be quickly compensated / neutralized by negative charges brought by the electrokinetic migration of anions in the capillary pit. Some of the electrochemical processes occurring in a capillary pit are the same as those encountered in capillary electrophoresis. The higher the anion electrokinetic migration rate, the higher the rate of pitting corrosion. Electrokinetic transport of ions inside the pit can be the rate limiting step in the pit growth rate.

Жалпы және келтірілген сілтемелер

Раманаиду, Е. Р. және Уэллс, М. А. (2014 ж.). 13.13 "Шөгінділік темір кендері". Голландия, Х. Д. және Түркиян, К. К. ред., Геохимия туралы трактат (екінші басылым). Оксфорд: Elsevier. 313–355. .