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、锰、、钛、、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。

铁矿物种类繁多,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。

我国铁矿资源多而不富,以中低品位矿为主,富矿资源储量只占1.8%,而贫矿储量占47.6%。中小矿多,大矿少,特大矿更少。矿石类型复杂,难选矿和多组分共(伴)生矿所占比重大。难选赤铁矿和多组分共生铁矿石储量各占全国总储量的1/3,其共(伴)生组分主要包括V、Ti、Cu、Pb、Zn、Co、Nb、Se、Sb、W、Sn、Mo、Au、Ag、S、稀土元素等30余种,最主要的有Ti、V、Nb、Cu、Co、S和稀土元素等,有的共(伴)生组分的经济价值甚至超过铁矿价值,如白云鄂博铁矿中含有丰富的REO和Ta、Nb;攀枝花钒钛铁矿中的V和Ti储量居世界前位。随着分离和应用技术的提高,这些共(伴)生组分将得到充分的综合回收利用。有些红矿有用组分嵌布粒度细,或者与有害组分嵌布紧密,难以选别回收,造成铁矿物选矿回收率低,大量有用组分流失到尾矿中。有些以中低品位为主但易采易选的磁铁矿矿床,其中夹有大量边际效益的低品位矿石,如有适当的经济刺激政策,也可得到充分开发利用。

折叠磁铁矿

主要成分为Fe3O4,即四氧化三铁,每个Fe3O4分子中有两个+3价的铁原子和1一个+2价的铁原子,即Fe2O3-FeO,氧原子为-2价,其中Fe的质量分数约为72.3597945571%。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:

铁矿铁矿(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(假象赤铁矿褐铁矿),但仍能保持其原来的晶形

折叠赤铁矿

赤铁矿中主要成分为Fe2O3,即氧化铁。自然界中Fe2O3的同质多象变种已知有两种,即α-Fe2O3和γ-Fe2O3,其中Fe的质量分数约为69.9433034300%。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,称之为磁赤铁矿铁矿铁矿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、沉积作用区域变质作用为主。在氧化带里,赤铁矿可由褐铁矿纤铁矿针铁矿脱水作用形成。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。

折叠磁赤铁矿

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。

折叠褐铁矿

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。铁矿分布铁矿分布(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。

折叠钛铁矿

主要成分为FeTiO3,即钛酸亚铁,其中Fe的质量分数约为36.8031410549%。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

折叠菱铁矿

主要成分为FeCO3,即碳酸亚铁,其中Fe的质量分数约为49.0504689248%,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。亦有呈结核铁矿铁矿状、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。

折叠黄铁矿

主要成分为FeS2,即过硫化亚铁,其中Fe的质量分数约为46.5519684580%,黄铁矿因其浅黄铜的颜色和明亮的金属光泽,常被误认为是黄金。晶体属等轴晶系的硫化物矿物。成分中通常含钴、和硒,具有NaCl型晶体结构。常有完好的晶形,呈立方体、八面体五角十二面体及其聚形。立方体晶面上有与晶棱平行的条纹,各晶面上的条纹相互垂直。集合体呈致密块状、粒状或结核状。浅黄(铜黄)色,条痕绿黑色,强金属光泽,不透明,无解理,参差状断口。摩氏硬度较大,达6-6.5,小刀刻不动。比重4.9―5.2。在地表条件下易风化为褐铁矿。

黄铁矿是铁的二硫化物。一般将黄铁矿作为生产硫磺和硫酸的原料,而不是用作提炼铁的原料,因为提炼铁有更好的铁矿石,且炼制过程当中会产生大量SO2,造成空气污染。黄铁矿分布广泛,在很多矿石和岩石中包括煤中都可以见到它们的影子。一般为黄铜色立方体样子。黄铁矿风化后会变成褐铁矿黄钾铁矾

折叠编辑本段性质

铁矿铁矿铁元素(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,它易呈水铁矿铁矿解产物沉淀。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。

折叠