Ruda żelaza

Żelazo i stal są integralną częścią współczesnego życia. Wykorzystanie dostępnych niemal wszędzie rud żelaza do produkcji żelaza datuje się na III tysiąclecie p.n.e., ale dopiero wynalezienie pierwszych metod hartowania stali w I tysiącleciu p.n.e. umożliwiło sensowne wykorzystanie stosunkowo miękkiej surówki, która bardzo szybko rozpoczęła triumfalny pochód przeciwko stosowanej do tej pory broni z brązu. Wojna jest zawsze matką wszystkich rzeczy. Nawiasem mówiąc, przed odkryciem ziemskich rud żelaza, używano żelaza z meteorytów (“niebiańskie żelazo”).

Ziemskie rudy żelaza są mieszaninami związków zawierających żelazo (w przypadku rud żelaza wydobywanych z dzisiejszych złóż, zazwyczaj tlenków lub węglanów żelaza, znanych w terminologii technicznej jako “minerały rud żelaza”) ze skałami, które poza tym nie zawierają żelaza lub zawierają go bardzo mało. W nielicznych złożach występują również związki siarki i żelaza (np. piryt) w skale.

Wśród minerałów rud żelaza można wyróżnić trzy główne związki, które występują ze szczególną częstotliwością:

• Magnetyt (Fe3O4)
• Hematyt (Fe2O3) i
• Syderyt (FeCO3)

Magnetyt i hematyt mają najwyższą zawartość żelaza – około 70 %, syderyt tylko nieco mniej niż 50 %. .

Drogi powstawania rudy żelaza

Ruda żelaza powstaje głównie w wyniku procesów magmowych: lawa wzbogacona o wiele metali przenika w głąb skorupy ziemskiej, a gdy ostygnie, krystalizują się związki zawierające żelazo. W ten sposób powstają różnej wielkości złoża rud żelaza, otoczone tzw. skałą płonną (warstwami skał nieżelaznych).

Inną możliwością jest redepozycja stopionej skały, w której skała jest najpierw rozpuszczana przez topienie, a następnie redeponowana w innym miejscu.

Bardzo małe i nieznaczące osady powstały również w wyniku działalności bakterii utleniających żelazo w beztlenowym jeszcze okresie historii Ziemi. Złoża wytrąconego żelaza tworzą dziś tzw. rudy wstęgowe (warstwy czerwono-szare).

Konsolidacja gliniastych lub torfowych i silnie zżelazionych gleb w historii Ziemi doprowadziła do powstania tzw. darniowych rud żelaza, które na niektórych obszarach nazywane są również rudami Bohnera lub rudami Doggera (np. w Szwabii). Jednak dopiero w bardzo wczesnym okresie wydobycia rud, rudy żelaza trawiastego tworzyły złoża, które w ogóle warto było wydobywać.

Główne złoża na świecie

Największe złoża na świecie znajdują się w Australii, Chinach, Brazylii i Indiach. Te cztery kraje produkują również prawie 85% całkowitej ilości żelaza wydobywanego na świecie.

W Europie stosunkowo dużą rolę odgrywają również obszary górnicze w Szwecji, na Ukrainie i w Rosji, ale ich udział nie jest zbliżony do poziomu czterech największych krajów. Ze względu na korzystne możliwości wydobycia stosunkowo wysokiej jakości żelaza, większość krajów europejskich zaprzestała obecnie własnego wydobycia, ponieważ wydobywane rudy nie mogły konkurować cenowo.

W styryjskiej kopalni Erzberg, największej kopalni odkrywkowej w Europie Środkowej, kontynuowane jest wydobycie. W pobliżu miasta Eisenerz – nazwa mówi sama za siebie – w Styrii od XI wieku wydobywano rudę żelaza, która do dziś stanowi najważniejszą bazę gospodarczą całego regionu Eisenwurzen. Żelazo przez wiele wieków zmieniało i determinowało tu praktycznie wszystko, i tak w dużej mierze pozostało do dziś. Tutejsze złoża rud zawierają głównie syderyt, dlatego rudy żelaza z Erzbergu mają niższą zawartość żelaza niż inne złoża na świecie.

Globalne zapotrzebowanie na surowe żelazo gwałtownie wzrosło w ostatnich latach, podobnie jak produkcja rudy żelaza na całym świecie. Eksperci szacują zatem, że jeśli popyt będzie nadal wzrastał, obecne światowe rezerwy, szacowane na około 170 mld ton, mogą zostać w znacznym stopniu wyczerpane w najbliższej przyszłości. Już w 2019 r. cena tony rudy żelaza wzrosła o 66% po zamknięciu kilku kopalń w Brazylii, głównym kraju wydobycia. Większość światowego wydobycia jest ograniczona do dwóch krajów – Brazylii i Australii. Produkcja stali, która wkrótce osiągnie około 2 miliardów ton rocznie, może tylko w bardzo niewielkim stopniu opierać się na recyklingu – mimo wszystko do produkcji potrzebne są duże ilości rudy żelaza.

Dalsza obróbka rudy żelaza

W celu obniżenia kosztów transportu, wydobyta ruda żelaza jest zwykle oddzielana od skały płonnej na miejscu. Nie dzieje się to jednak całkowicie, lecz tylko w przeważającej części.

Pozostała ruda żelaza jest następnie stopniowo kruszona (“rozbijana”) za pomocą kruszarek szczękowych lub w specjalnych młynach. Kruszona skała jest następnie sortowana w zależności od zawartości żelaza przy użyciu różnych procesów. W ten sposób powstaje “skoncentrowana” ruda żelaza o stałej, bardzo wysokiej zawartości żelaza, która jest następnie przetwarzana w ostatnim etapie na tzw. pelety z rudy żelaza. Te kuliste granulki o średnicy ok. 1 – 2 cm zawierają ok. 70 % żelaza i są materiałem wyjściowym do wielkiego pieca.

Transport do wielkiego pieca to początek tzw. procesu wytapiania, czyli właściwego pozyskiwania żelaza. Tak zwany wsad, czyli ruda żelaza i trochę kruszywa (piasek kwarcowy i wapno), jest podawany w górnej części pieca. Dodatki służą do wiązania i usuwania niepożądanych składników podczas wytopu. Jako paliwo stosowany jest koks, a tlen potrzebny do spalania dostarczany jest pod ciśnieniem przez specjalne dysze (technicznie nazywane “gorącym nadmuchem”).

Po wytopieniu surówki należy usunąć z niej fosfor i siarkę, a także część węgla zawartego w żelazie. Proces ten nazywany jest “odświeżaniem”. Powstający podczas spalania gaz wielkopiecowy jest z jednej strony wykorzystywany jako gaz grzewczy, ale z drugiej strony stanowi również źródło wytwarzania energii elektrycznej poprzez produkcję pary technologicznej i wtłaczanie jej do turbin parowych. W większości przypadków gaz wielkopiecowy jest jednak używany do napędzania sprężarek, które wtłaczają gorący podmuch do wielkiego pieca.

Bardzo toksyczny gaz wielkopiecowy (wysoka zawartość tlenku węgla) może być również wykorzystany do produkcji etanolu (alkohol, ważny surowiec dla przemysłu chemicznego, a przede wszystkim źródło energii) w bioreaktorze przy zastosowaniu biotechnologii. W związku z tym kosztowne procesy produkcji chemicznej i fermentacji biomasy mogą być w przyszłości ograniczone. Obecnie jednak taki bioreaktor jest eksploatowany tylko przez firmę LanzaTech w pięciu lokalizacjach (dwie w Chinach, jedna na Tajwanie, jedna w Nowej Zelandii); tylko jedna z instalacji w Chinach działa komercyjnie.

Wniosek

Żelazo zmieniło świat. Po wynalezieniu wytopu i hartowania na stal, żelazo i stal stosunkowo szybko wyparły wiele innych metali z ich dotychczas tradycyjnych obszarów. W ostatnich dziesięcioleciach zużycie żelaza stale rośnie, więc stosunkowo duże rezerwy światowe mogą zostać całkowicie wyczerpane w najbliższej przyszłości. Nasza ziemia dostarczyła nam ogromnych ilości rudy żelaza – dziś już w bardzo dużym stopniu je wykorzystaliśmy. Nie znaleziono jeszcze prawdziwych rozwiązań tego problemu.

Zmiany są również konieczne w samej produkcji żelaza, ponieważ spalanie produktów węglowych (koksu) do wytopu żelaza z pewnością nie jest rozwiązaniem ze względu na problemy klimatyczne. W tym przypadku jednak wodór jako paliwo alternatywne jest co najmniej rozsądnie realnym rozwiązaniem, które można by wdrożyć przy użyciu dzisiejszej technologii, pod warunkiem że poczynione zostaną odpowiednie inwestycje.