Железная руда свойства, добыча и применение

Железная руда — это группа горных пород и минеральных образований, из которых можно с экономической выгодой извлекать железо. Начав добывать и перерабатывать железную руду примерно в конце II тысячелетия до нашей эры, наши предки заложили одну из фундаментальных основ современной  человеческой цивилизации. И от создания первых железных орудий труда до промышленной революции, начала космических запусков и постиндустриальной эпохи этот ресурс по-прежнему сохраняет свою стратегическую важность. В этой статье мы поговорим о природе железной руды, способах ее добычи и применения в прошлом и современности, а также перспективах этого материала в свете перехода к «зеленой» экономике.

Виды железных руд и их состав

Хотя железо является четвертым по распространенности элементом в земной коре, оно почти никогда не встречается в чистом виде, а входит в состав различных химических соединений. Чтобы породы, включающие эти соединения, могли считаться рудой, стоимость содержащегося в них железа должна превышать затраты на добычу и извлечение. Как правило, в  месторождении должно быть не менее 25% железа, однако чаще всего этот показатель достигает и 50–70%.

Значительная часть железа в земной коре содержится в силикатных и карбонатных минералах, то есть солях, образованных на основе кремниевых и угольных кислот соответственно. Однако выплавка железа из таких пород требует повышенных энергетических затрат. Поэтому почти все используемые в промышленности виды железной руды относятся к оксидному типу, так как окисленное железо достаточно легко извлекается и восстанавливается до металла при высоких температурах. Перечислим основные виды железной руды.

• Магнетит — Fe₃O₄, 72,4% железа. Черный или коричневатый минерал, имеющий кристаллическую структуру. Часто основой для его формирования является остывающая и затвердевающая магма в недрах Земли. Магнетит получил свое название не случайно: он обладает ферромагнитными свойствами, то есть притягивается магнитом и сам может быть намагничен. В прошлые годы этот минерал чаще называли термином «магнитный железняк».
• Гематит — Fe₂O₃, 69,9% железа. Минерал может иметь черный или серебристо-серый цвет, а также несколько оттенков красного. Зачастую осаждается из морской воды, в которой соли железа находятся в растворенном виде. Термин имеет древнегреческое происхождение — корень «гем» указывает на связь с красным цветом крови. К слову, красный цвет крови тоже является результатом содержания в ней железа.
• Гётит — FeO(OH), 62,9% железа. Минерал представляет собой игольчатый кристалл и может иметь бурый цвет или различные оттенки охры. Часто образуется в результате выветривания или осаждения богатых железом пород. При выветривании дождевая, грунтовая или морская вода вымывает из пород легкорастворимые щелочные металлы, например, калий и натрий. И так как оксиды железа плохо растворяются в воде, они остаются в составе породы. Гётит был назван в честь немецкого писателя Иоганна Вольфганга фон Гёте, который уделял много времени естественным наукам и коллекционировал различные минералы.

• Лимонит — FeO(OH)·n(H₂O), 55% железа. Представляет собой смесь гидроксидов железа, которая при нагревании теряет воду и превращается в гётит. Обычно материал имеет желтовато-коричневый цвет, однако его название никак не связано с лимонами. Оно происходит от древнегреческого слова «λειμών», что можно перевести на русский язык как «мокрый луг» или «заболоченная местность».
• Сидерит — FeCO₃, 48,2% железа. Единственный карбонат среди основных видов железных руд. Его цвет варьируется от желтого до темно-коричневого и черного. Часто встречается в крупных месторождениях, которые достаточно легко разрабатываются. Добыча сидерита является экономически целесообразной в регионах с дефицитом более качественных руд. Название происходит от древнегреческого слова «σίδηρος», что в переводе на русский означает «железо».

Историческая роль железной руды

Люди начали использовать железо для своих нужд в IV тысячелетии до нашей эры — задолго до изобретения технологий выплавки. Его источником служили метеориты, которые встречались настолько редко, что железо ценилось значительно выше, чем золото. Первыми железными артефактами считаются украшения и церемониальные предметы, использовавшиеся в Месопотамии и Древнем Египте додинастического периода.

Доподлинно неизвестно, где и когда люди научились выплавлять железо из руд. Согласно одной из распространенных гипотез первооткрывателями являются хетты — народ, живший на территории Малой Азии. К концу II тысячелетия до нашей эры выплавка из руды как способ производства железа активно использовался на обширной территории от Балкан до Индийского полуострова.

С наступлением «железного века» около 1200 года до нашей эры бронзовые оружие и инструменты начали повсеместно замещаться железными и стальными, то есть созданными в результате переработки железа сначала в чугун, а затем в сталь. Возросшая доступность этого прочного материала поспособствовала началу нового этапа общественного устройства:

• массовое производство железного оружия ускорило прогресс в военном деле;
• усовершенствованные сельскохозяйственные инструменты позволяли более эффективно обрабатывать почву;
• развитие кузнечных ремесел обеспечило технологический скачок в строительстве и разработке новых видов транспорта.

Таким образом, железная руда стала катализатором цивилизационного сдвига, на многие века став определяющим ресурсом в экономике большинства регионов. И в наши дни более 90% используемых в производстве металлов приходится на различные железные сплавы.

Месторождения и добыча железной руды

Совокупные масштабы месторождений железной руды до сих пор точно неизвестны — по приблизительной оценке, планетарные запасы составляют 160 млрд тонн со средним 50%-ным содержанием железа. В 2006 году американский экологический аналитик Лестер Браун провел исследование, в котором рассчитал, что при сохранении динамики роста добычи запасы железной руды истощатся к 2070 году. На основании исследования 2019 года геологическая служба США приводит следующую статистику по странам, на территории которых находится больше всего месторождений (в млрд тонн):

• Австралия — 48;
• Бразилия — 29;
• Россия — 25;
• Китай — 20;
• Украина — 6,5.

В России крупнейшим месторождением железной руды является Курская магнитная аномалия. На этот бассейн, охватывающий площадь 160 000 км², приходится более половины добываемой в нашей стране руды. Также крупные месторождения находятся в Карелии, Белгородской и Свердловской областях.

Добыча железной руды

Производственная организация и экономическая эффективность добычи железной руды в первую очередь зависят от глубины ее залегания. Немаловажным фактором является и толщина пластов, также влияющая на технологии. Существует 2 основных способа добычи железной руды.

• Открытый (карьерный) — применяется при залегании толстых пластов руды на глубине до 500 метров. Сначала в карьерах проводят вскрышные работы, то есть удаляют пустые породы, покрывающие руду. Затем руду отделяют посредством бурения или взрывных работ и готовят к транспортировке. В России более 70% руды добывают именно открытым способом.
• Закрытый (шахтный) — применяется при залегании тонких пластов руды на глубине более 500 метров. Для доступа к рудным месторождениям строят шахты, от стволов которых отводят горные выработки — искусственные горизонтальные и наклонные полости. Затем минералы извлекают посредством буровых систем и поднимают на поверхность.

Независимо от способа добычи для последующего использования в производстве руда нуждается в обогащении, то есть повышении концентрации железа в исходном материале. Распространенным методом обогащения магнетитов является магнитная сепарация, при которой руда контактирует с вращающимся барабаном, оснащенным электромагнитами и улавливающим ферромагнитные частицы. Для немагнитных руд чаще используют флотацию — в смесь руды и воды добавляют реагенты, слипающиеся с частицами железа и поднимающие их на поверхность в виде пены.

Процесс переработки в чугун и сталь

Руды, еще до обогащения содержащие от 57% железа, называют богатыми. Богатые железные руды используют для выплавки чугуна в доменных печах. До изобретения домен железо получали сыродутным способом. Для этого в земле рыли горны, в которые загружали «сырую», необработанную руду и чередовали ее со слоями древесного угля, служившего топливом. Температуры горения порядка 1 200 °C не хватало для выплавки чугуна, но было достаточно для получения крицы — смеси железа и шлаков. В процессе ковки крицы мастера отделяли железо от шлаков и уплотняли материал.

Доменные печи были изобретены в Китае, в период правления династии Хань в Iвеке нашей эры, а до Европы эта технология дошла только к XV веку. Первая промышленная доменная печь была изобретена в Англии в 1709 году, и с тех пор принцип выплавки практически не изменился. Доменная печь представляет собой устройство шахтного типа, в которую послойно загружают исходный материал — шихту. Слои шихты состоят из следующих материалов:

• подготовленная руда;
• кокс — твердый пористый уголь, служащий топливом и восстановителем железа из руды;
• флюс — чаще всего известняк, отделяющий пустые породы от жидкого чугуна с образованием шлаков.

Сгорая при температуре от 1 800 до 2 000 °C, из кокса выделяется углекислый газ (CO₂), который поступает в бескислородную среду и преобразуется в угарный газ (CO). В процессе восстановления железа угарный газ забирает кислород у его оксидов. Затем чистое железо плавится и насыщается углеродом из слоев несгоревшего кокса. В результате образуется чугун — соединение железа с углеродом, доля содержания которого варьируется от 2 до 5%. Параллельно с этим образуются шлаки — расплавленные соединения известняка с примесями руды.

Чугун является исходным материалом для производства стали. Чтобы получить прочный и пластичный материал, из него необходимо удалить лишний углерод и некоторые примеси, например, кремний или марганец. Для этого жидкий чугун помещают в специальный сосуд, печь-конвертер, и подвергают воздействию технически чистого кислорода. Окисленный углерод и примеси легко отделяются от сплава, вступают в реакцию с известью и образуют шлаки. При необходимости расплавленную сталь легируют, то есть добавляют компоненты, улучшающие определённые свойства. Например, благодаря добавлению хрома удаётся создать нержавеющую сталь.

Применение железной руды

Примерно 98% добываемой во всем мире железной руды используется для производства чугуна и стали. При этом порядка 90% чугуна уходит на сталелитейное производство.

Бытует мнение, что чугун постепенно становится материалом прошлого, однако это неверно: его востребованность, напротив, растет. Чугун ценится за высокую теплопроводность, устойчивость к износу и коррозии, а также низкую стоимость производства. В 2010 году во всем мире было выпущено 346 млн тонн чугуна, а в 2024 году — 1,4 млрд тонн, то есть в 4 раза больше. Помимо производства стали, чугун используется в следующих сферах:

• автомобильная промышленность — изготовление блоков цилиндров и коленчатых валов двигателей, а также тормозных дисков;
• строительство — производство труб, радиаторов отопления, ограждений и крышек канализационных люков;
• энергетика — благодаря высокой теплопроводности чугун часто входит в состав корпусов котлов и печей;
• производство товаров для кулинарии — сковород, горшков, казанов, грилей, фритюрниц и вафельниц.

В наши дни сталь является настолько распространенным материалом, что объем сталелитейной промышленности считают одним из важнейших индикаторов экономического развития государств. Сталь используется повсеместно — при возведении зданий и мостов, производстве компонентов транспортных средств, морских нефтяных платформ, обшивки космических аппаратов и многого другого. Кроме того, сталь находит применение в электротехнике и электронике, так как она экранирует электромагнитные помехи, обладает высокой магнитной проницаемостью, а также повышает устойчивость приборов к износу и коррозии.

Экономика и рынок железной руды

Ежегодная мировая добыча и переработка железной руды составляет порядка 2 млрд тонн. Лидерами в этом сегменте являются страны, на территориях которых находятся крупнейшие месторождения. Производство железной руды — это низкорентабельный бизнес, так как по своей стоимости она существенно уступает цветным металлам. Поэтому подобную деятельность осуществляют исключительно крупные компании, лидером среди которых является бразильская горнодобывающая корпорация «Vale».

Рыночная цена железной руды достигла своего пика — $220 за тонну — в середине 2021 года, однако затем в течение 4 месяцев потеряла 57,5% и снизилась до $93,5. Ключевым фактором обвала стало снижение спроса на сталь в Китае, связанное с замедлением роста экономики. В 2025 году цена на железную руду колеблется в диапазоне $94–107 за тонну.

Экологические проблемы и устойчивое развитие

При всей важности железной руды в современном мире черная металлургия сопряжена с серьезными экологическими последствиями. Из-за добычи и переработки руды возрастает нагрузка на окружающую среду, что выражается в следующих ключевых проблемах:

• порядка 7% антропогенных выбросов углекислого газа во всем мире происходит из-за работы коксовых доменных печей; 
• разработка карьеров при открытой добыче руды наносит ощутимый ущерб экосистемам и ведет к снижению плодородности почвы;
• в промышленности используется лишь малая часть производственных отходов, полученных при добыче руды: например, пустые вскрышные породы служат сырьем для производства щебня, а металлургические шлаки используют в цементной промышленности. Однако бо́льшую часть отходов отправляют в хранилища, часто загрязняющие сточные воды.

Чтобы сократить перечисленные негативные эффекты, предприятия горнодобывающей промышленности разрабатывают меры по устойчивому развитию. Одной из них является декарбонизация производства — при замене кокса водородом вместо углекислого газа в окружающую среду выбрасывается вода, которую можно использовать повторно в рамках замкнутого цикла. Ощутимый эффект также приносит восстановление карьеров и рекультивация земель. 

Интересные факты о железной руде

• В Древней Руси добывали в основном болотные бурые железняки, известные в наши дни как лимониты. Благодаря характерному  красноватому цвету гидроксидов железа вещество получило название «руда». В индоевропейских языках этот корень изначально обозначал понятие «красный»: вспомним английское «red» или французское «rouge». Позже общий индоевропейский корень попал в праславянский язык, где от него произошли также и такие слова, как «рдеть» и «ржавчина».
• В конце 2024 года австралийские ученые объявили об открытии крупнейшего месторождения железной руды, которое, предположительно, содержит 55 млрд тонн минералов. Если данные подтвердятся, обнаруженные запасы руды в Австралии увеличатся более чем в 2 раза, а общемировые — на 34%.
• Сталь на 100% пригодна для вторичной переработки, то есть ее можно использовать повторно неограниченное количество раз и без каких-либо потерь исходного материала. Каждая тонна переработанной стали позволяет сэкономить 1,5 тонны железной руды, 750 килограммов кокса и 120 килограммов известняка.

Железная руда в вопросах и ответах

1. Что такое железная руда и каково ее значение в промышленности?

Железная руда — это собирательное название железосодержащих минеральных соединений, добыча которых является экономически целесообразной. Железная руда имеет важнейшее значение в промышленности, так как является основой для производства чугуна и стали.

2. Какие основные виды железных руд существуют и чем они отличаются?

Основные виды железной руды: магнетит, гематит, гётит, лимонит и сидерит. Они отличаются по химическому составу, доле содержания железа и структуре вещества.

3. Где расположены крупнейшие месторождения железной руды в мире?

Крупнейшие месторождения железной руды расположены в Австралии, Бразилии и России.

4. Как добывают железную руду? 

Железную руду, залегающую неглубоко от поверхности, добывают открытым способом, разрабатывая карьеры. Для более глубоких месторождений используют «закрытый», подземный способ со строительством шахт.

5. Какие технологии используют для обогащения железной руды?

Основными технологиями обогащения являются магнитная сепарация и флотация. Оба этих метода позволяют повысить долю содержания железа в руде.

6. Как происходит переработка руды в доменной печи?

В доменной печи образуется жидкое расплавленное железо, которое затем обогащается углеродом и преобразуется в чугун.

7. Чем отличается производство чугуна от производства стали?

Производство чугуна и стали — это 2 этапа металлургического производства. Сначала железо обогащается углеродом, чтобы получился чугун, а затем доля содержания углерода в чугуне снижают и производят сталь.

8. Какие современные методы переработки железной руды существуют?

Современные технологии позволяют перерабатывать железную руду без использования углеродосодержащего кокса — вместо него в доменных печах используют водород.

9. Где и как применяется железная руда в промышленности?

98% железной руды переплавляется на чугун и сталь, которые затем используются в строительстве, машиностроении, энергетике и других отраслях промышленности.

10. Какие страны являются лидерами по добыче и экспорту железной руды?

Абсолютными лидерами по добыче и экспорту руды являются Австралия и Бразилия.

11. Как формируются цены на железную руду на мировом рынке?

Цены на железную руду на мировом рынке формируются по результатам торгов, на основании соотношения спроса и предложения.

12. Какое влияние оказывает добыча железной руды на экологию?

Добыча железной руды негативно влияет на экологию, уничтожая экосистемы, повышая уровень выбросов CO₂ и загрязняя сточные воды.

13. Существуют ли способы снижения вреда от добычи руды?

Ключевыми способами снижения негативных последствий считаются декарбонизация переработки и рекультивация карьеров.

14. Какие инновации применяются в железорудной промышленности?

Среди инноваций в железорудной промышленности можно отметить системы 3D-моделирования взрывных работ и использование искусственного интеллекта для оптимизации добычи.

15. Какое будущее у железной руды в условиях «зеленой» экономики?

Под давлением новых экологических норм будет снижаться спрос на низкокачественные руды с содержанием железа менее 60%. Если строгие нормативы будут приняты повсеместно, такие страны, как США и Китай, могут полностью прекратить добычу железных руд.

***

На протяжении последних 3 000 лет железная руда продолжает играть роль «фундамента» цивилизации, от которого зависит развитие промышленности, транспорта и городской инфраструктуры. Несмотря на начавшийся «зеленый» переход, железная руда, вероятно, сохранит свое стратегическое значение благодаря технологиям экологически чистой металлургии. И хотя история железа на нашей планете продолжается, человечеству пора задуматься об альтернативных материалах или способах добычи, пока запасы этого ресурса в земной коре не будут истощены.

Автор текста Иван Стефанов

Изображение на обложке: Peter Craven, CC BY 2.0, via Wikimedia Commons

• #Металлургия