铁矿石 (ironore)

在理论上来说，凡是含有铁元素或铁化合物的矿石都可以叫做铁矿石；但是，在工业上或者商业上来说，铁矿石不但是要含有铁的成份，而且必须有利用的价值才行。

在现有的技术和经济条件下能提炼出铁的含铁岩石，是主要的钢铁冶金原料。根据含铁品位的高低，铁矿石可分为富铁矿及贫铁矿。富铁矿铁品位一般在50％以上，经过整粒(见铁矿石整粒)，即可直接用作高炉炼铁原料或作炼钢的氧化剂、冷却剂使用。贫铁矿铁品位一般为30％～40％(或以下)，入炉冶炼前需要进行选矿与造块(见铁矿石造块)处理。

类型   根据矿石主要含铁矿物的性质，铁矿石可分为赤铁矿石、磁铁矿石、褐铁矿石、菱铁矿石4种类型。

赤铁矿石   主要含铁矿物为赤铁矿，化学式为Fe₂O₃，理论含铁量为70％，含氧量为30％，密度4.8～5.1g/cm3，莫氏硬度(HM)5.5～6.5，结晶的赤铁矿石外形为片状和板状集合体。其他则为鲕状、豆状及肾状集合体。结晶的赤铁矿石外表颜色为铁黑色或钢灰色，其他为暗红色，但它们的条痕色都是暗红色，故赤铁矿石又称红铁矿石。根据外表形状及物理性质，赤铁矿石又可分为：(1)镜铁矿石(结晶的赤铁矿石)，外表具有金属光泽，明亮如镜；(2)云母片状赤铁矿石，外表呈云母状结晶；(3)红色土状赤铁矿石，无光泽、质地松软，含有黏土等杂质；(4)鲕状赤铁矿石，外表形状像鱼子粘结在一起的集合体；(5)肾状赤铁矿石，外表像猪肾，表面很光滑；(6)外表为致密块状的赤铁矿石。赤铁矿石往往含有1％～8％残余磁铁矿石以及部分风化而生成的褐铁矿石，脉石常为石英质。自然界蕴藏的富赤铁矿石含铁可高达69.5％。这种矿石一般含硫较低，大部含磷不高，还原性好，可用来冶炼优质生铁。赤铁矿石是世界上最重要的工业铁矿石，它以各种形态广泛分布于各种地质时期的岩层中，占世界总储量的60％以上。世界著名的赤铁矿床有巴西米纳斯吉拉斯(MinasGeraiS)矿，澳大利亚哈默斯利(Hamersley)矿，印度比哈尔--奥里萨(Bihar--Orissa)矿等。

磁铁矿石   主要含铁矿物为磁铁矿，化学式为Fe₃O₄。纯磁铁矿含铁72.4％，含氧27.6％，其结晶体为八面体，但通常的磁铁矿石为致密的块状和粒状集合体。外表颜色从灰色到黑色，条痕色均为黑色。最显著的特性是具有磁性。磁铁矿晶体密度4.9～5.2g/cm3，硬度(Hm)为5.5～6.5，有金属光泽，但比一般金属所呈现的光泽要暗。磁铁矿当受大气的氧化作用时，一部分氧化成Fe₂O₃，但仍保持原来的结晶构造。根据氧化的程度磁铁矿可分：(1)假象赤铁矿：氧化程度最大，已失去磁性，但仍保持原来的结晶构造，矿石中TFe/FeO>7；(2)半假象赤铁矿：矿石中TFe/FeO=3.5～7；(3)磁铁矿；TFe/FeO<3.5。当铁矿中存在含铁脉石矿物，特别是含二价铁的脉石矿物时，TFe/FeO比值不能确切反应铁矿石的氧化程度。磁铁矿石的脉石常为石英、各种硅酸盐(如绿泥石等)及碳酸盐，有的还有少量黏土。此外由于矿石中含有黄铁矿及磷灰石，有时还有闪锌矿及黄铜矿，故一般磁铁矿石含硫、磷高，并含有铜和锌。含钛较多的磁铁矿石称为钛磁铁矿石，这种铁矿中一般含有0.2％～0.4％的钒，故又称为钒钛磁铁矿石。世界上著名的磁铁矿床有俄罗斯库尔斯克磁力异常区(kMA)以及中国鞍山式铁矿和攀枝花铁矿。

褐铁矿石   主要含铁矿物为含结晶水的Fe₂O₃，它的化学式可用mFe₂O₃•nH₂O来表示。褐铁矿有下列变种：水赤铁矿(2Fe₂O₃•H₂O)，含铁66.1％；针赤铁矿(Fe₂O₃•H₂O)，含铁62.9％；水针铁矿(3Fe₂O₃•4H₂O)，含铁60.9％；褐铁矿(2Fe₂O₃•3H₂O)，含铁60％；黄针铁矿(Fe₂O₃•2H₂O)，含铁57.2％；黄赭石(Fe₂O₃•3H₂O)，含铁52.2％。各种褐铁矿实际上只有一种结晶体，即斜方晶系针铁矿(FeO•OH)的晶体，只是含有不同量的结晶水而已。褐铁矿是其他铁矿石风化后生成的，在自然界分布很广，常与黏土及石英等混合在一起。一般褐铁矿石含铁量为37％～55％，它含有磷(由磷灰石及蓝铁矿带入的)，有时还含有硫(黄铁矿带入)和砷等杂质和元素钒。褐铁矿石在冶炼时，受热后水分挥发并分解，组织变得疏松，所以它比磁铁矿石及赤铁矿石还原性好。褐铁矿石根据其生成情况及外部形状可分以下6种：(1)致密状褐铁矿石。极坚固致密的块状矿石、呈深褐色或黄褐色。(2)卵石组织的褐铁矿石。呈小环状.常与黏土混在一起。(3)多孔状或结核状褐铁矿石。为带空心的球状凝集体，空隙中填满砂质物质、黏土及水。(4)沼铁矿及贫褐铁矿石。沉积于池沼或湖泊底部，一般都是疏松或呈颗粒状，并和黏土混在一起。(5)晶球状褐铁矿石。由肾状、瘤状或者钟乳状的褐铁矿组成，这种矿石是晶质最纯、含铁最富的褐铁矿石，但很少以大量的集合体存在，常与较贫的褐铁矿石混生在一起。(6)细粉末的赭石褐铁矿石。一般呈黄褐色，其断面自深褐色至灰黑色不等，条痕色为黄色或褐色，此种矿石较松软，易开采。世界上著名的褐铁矿床有法国米奈特(Minette)铁矿。中国较大褐铁矿床为广东大宝山铁矿。

菱铁矿石   主要含铁矿物为菱铁矿，化学式为FeCO₃，理论含铁48.2％，或62.1％FeO及37.9％CO₂。自然界常见的一种是坚硬致密的菱铁矿石，其颜色为带黄褐的灰色，常常夹杂有镁、锰及钙等的碳酸盐。其结晶体都是同一类型的菱面体。菱铁矿石露出地表部分，很容易风化变成褐铁矿石。自然界分布较广的是黏土质菱铁矿石，沉积于泥沙中。有时还和泥炭状的物质共生而呈黑色称为炭质铁矿。菱铁矿密度为3.8g/cm³，硬度(HM)3.5～4.0，还原性很好。菱铁矿石经过焙烧后含铁量显著提高，且变得多孔易碎。一般含铁40％左右的菱铁矿石可认为是富矿。世界著名菱铁矿床分布在加拿大瓦瓦地区，俄罗斯巴卡尔地区和中国陕西大西沟。

使用价值评价   影响铁矿石使用价值的主要因素有：矿石含铁量、脉石化学成分、矿石的物理性质、矿石的高温冶金性能和矿石的可选性等。

矿石含铁量   决定铁矿石贫富程度的最主要指标，也是决定矿石能否直接冶炼的重要指标。含铁量的最低界限是根据冶炼的社会经济效益和技术条件而定，且对每一种矿石都是不同的。工业上使用的矿石其含铁范围大约为23％～70％。炼钢用的块矿要求含铁品位在55％以上，含硫、磷低。高炉冶炼时入炉矿石含铁品位每提高1％，焦比约下降2％，生铁产量约提高3％；含铁品位过低，则渣量过大，焦炭消耗过高，经济上极不合理。但在一些特定地区如法国洛林(Lorraine)地区，含铁小于25％的矿石尚在高炉中治炼，英国伯明翰亚拉巴马(Alabama)地区使用含铁37％矿石冶炼商品生铁，则是由该地区的其他有利条件所决定的。表1列出作为钢铁冶金原料的各种铁矿石的最低含铁量以及工业上用之仍有利的贫铁矿的最低含铁量。

表1   铁矿石的工业要求

脉石化学成分脉石中的有益及有害成分是决定矿石使用价值的重要因素之一。世界上多数铁矿石脉石的主要成分为SiO₂和Al₂O₃。炼铁时必须加入碱性熔剂方能得到碱度接近于1.0的高炉渣。脉石成分中碱性氧化物(CaO)与酸性氧化物(SiO₂)的比例接近于高炉渣碱度的矿石，称为自熔性矿石。脉石中碱性氧化物含量愈高，则矿石的价值愈高；脉石中SiO₂/Al₂O₃的比值决定了此种矿石适合于冶炼何种生铁。该比值小时，(使炉渣中Al₂O₃含量达到15％～20％)则宜于冶炼铸造生铁；该比值大时，则适合于冶炼制钢生铁。矿石中含Al₂O₃特高时，会使炉渣中的Al₂O₃大于20％，从而导致炉渣难以熔化，这种矿石需与低Al₂O₃的矿石混合使用。脉石中主要杂质有硫、磷、砷、锌、铅、铜、氟、钛及碱金属等。

(1)硫。硫能使钢坯在轧制或锻造时发生断裂，此现象称为热脆。生铁中的硫除主要来自焦炭外，还来自矿石。国际先进高炉要求入炉矿石的含硫量小于0.05％，中国规定，含硫量小于0.06％的矿石为一级品，0.06％～0.2％的为二级品，大于0.3％者称为高硫矿石，这种矿石入炉前应通过选矿及造块加以处理。硫在矿石中常以FeS2的形态存在，也有以磁黄铁矿(FekSk+1、黄铜矿(FeCuS₂)、石膏(CaSO₄•2H₂O)及重晶石(BaSO₄)等形态存在的。在高炉炼铁过程中，炉料中的硫一部分呈气体挥发，大部分进入炉渣，约有3％～5％进入生铁。

(2)磷。矿石中主要含磷矿物为磷灰石Ca₃(PO₄)₂，也有少量磷以蓝铁矿存在。磷使钢冷脆，但能增加铁水的流动性，故在铸造厚度小、形状较复杂、强度不需要很大的铸件时，希望使用含磷较高的铁水。以往在托马斯生铁中，磷还是炼钢过程中的主要热源。磷在高炉冶炼过程中几乎全部进入生铁。要得到含磷低的生铁，必须限制加入高炉的矿石和其他原、燃料的含磷量。根据矿石含磷量的不同将它分为几个等级，每一等级与不同的炼钢方法相对应(见表2)。