Самые древние находки железных изделий — бусы из прокованных полосок метеоритного железа. Они найдены в дофараонском Египте в стоянках раннего медного века. Этим бусам около 6 тыс. лет. В то время железо не было основой производства орудий труда, оно еще долго было драгоценным металлом. В одном из текстов на папирусе есть свидетельство о том, что правитель хеттов из Митании прислал фараону Аменхотепу III, жившему около 3,5 тыс. лет назад, и его сыну Эхнатону драгоценное железное оружие. Другой фараон Египта, живший около 32 столетий назад, в обращении к царю хеттов просил прислать ему железо в обмен на золото. Железный кинжал был найден в гробнице фараона Тутанхамона. В Месопотамии на месте древнего шумерского города — государства Ур найден кинжал с золотой рукояткой, изготовленный из метеоритного железа примерно 5100 лет назад.
Вероятнее всего первоначально человек использовал самородное железо метеоритов (из мирового пространства на поверхность Земли ежегодно выпадают многие тысячи тонн метеоритов, содержащих до 90 % железа, и только потом научился выплавлять его из руды, добываемой в месторождениях.
Крупнейшим из известных метеоритов является метеорит «Гоба», найденный на юго-западе Африки (60 т). Возможно, память человечества сохранилась в древнейших названиях железа: египтяне называли его «бени-пет» (небесный металл), шумеры — «ан-бар», что значит то же самое, а древние греки «сидорос — звездный».
В Араратской долине при раскопках холма Мохраблур были обнаружены остатки самой древней из известных на свете плавильной печи, сооруженной около 5 тыс. лет назад. Такие находки, хотя они и одиночные, говорят о возникновении производства железа и, следовательно, могут стать основанием для сдвига нижней границы железного века еще дальше от нашего времени. А вот более поздние находки известны и на территории нашей страны. Примерно 3500 лет назад у народа халибры, обитавшего в Закавказье, железо выплавлялось из железной руды уже в сыродутных горнах. Спустя некоторое время, примерно 3 тыс. лет назад, железные изделия широко распространились на Земле, в том числе и на юге современной территории нашей страны, вытесняя бронзовые изделия и знаменуя наступление железного века в истории человечества. Примерно 24 века назад во времена Боспорского государства разрабатывались керченские руды.
В Свентокшисских горах неподалеку от польского селения Слупя Нова у подножия Лысой горы ныне располагается музей древней металлургии. Здесь 35—40 лет назад археологи открыли остатки старых железоплавильных печей-дымарок, в которых металлурги плавили железо еще 22 века назад.
Мы не будем последовательно рассматривать историю развития металлургии. Это не наша задача. Вспомним только, что Россия вписала славные страницы в этот процесс: в конце XVII — начале XVIII вв. в России были сооружены крупные металлургические заводы, которые работали на рудах уральских, карельских, тульских и криворожских месторождений. Металл экспортировался, в том числе в Англию и другие страны.
Сегодня ясно, что железо — самое распространенное полезное ископаемое (ресурсы его в недрах только суши выходят за пределы 3,5 трлн. т, т. е. на каждого из живущих людей приходится около 700 т металла). Мощному прогрессу металлургии железа способствует не только огромное число крупнейших месторождений, но и возможность производить из железа путем легирования и специальной обработки металлы с самыми разнообразными свойствами, в результате уже сегодня используются более 12 000 видов железных сплавов, в основном сталей.
За прошедшие тысячелетия совершенствовались способы получения железа из железных руд, улучшались его качества, ширились области его применения. Однако в XX веке созданы синтетические материалы, которые вытесняют железо (сталь, чугун) в машинах, механизмах, приборах, они по некоторым конструкционным свойствам превосходят железо.
И все-таки, как бы ни было велико значение других металлов и материалов, железо, этот «патриарх» металлов, сохранило за собой роль главного конструкционного материала, без которого немыслимы современное хозяйство и техника. Масштабы его производства просто несопоставимы с выплавкой других металлов. Железа вырабатывают в несколько раз больше, чем всех остальных металлов, вместе взятых. Видимо, начавшись 3600 лет назад, все. еще длится на Земле «железный век».
Само слово «железо» происходит, очевидно, от санскритского «джальжа» — «металл», «руда». По-латыни «железо» — «феррум» (крепость). В Греции сталь называлась «халид», это имя имеет небольшое племя древних металлургов в Малой Азии.
Чистое железо — вязкий и ковкий металл, блестящий, серебристо-белый. Оно обладает высокой теплопроводностью и электропроводностью. Температура плавления наиболее чистого железа 1538 °С, кипения — 2872 °С. Железо — мягкий металл, но его сплавы с углеродом отличаются твердостью. Из железных руд выплавляют: сталь (содержит от 0,2 до 2 %, чаще около 1,5 % углерода), чугун (от 2,5 % и выше; обычно до 4 %), железо (0,04—0,2 %). Сплавы, содержащие от 2 до 2,5 % углерода (сталистые чугуны), почти не используются.
Наибольшим применением в различных отраслях хозяйства пользуются стали, в меньшей степени — чугуны, еще реже железо.
По химическому составу стали разделяются на углеродистые и легированные (специальные), по назначению — на конструкционные (для изготовления деталей машин, строительных конструкций), инструментальные и сталь со специфическими свойствами (нержавеющая, жаропрочная, электротехническая и др.).
В настоящее время для промышленности потребовалось и чистое железо, имеющее три степени чистоты — технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь), выше — карбонильное и электролитическое железо, еще выше — железо зонной очистки. Все эти разновидности имеют чрезвычайно высокие пластические и магнитные свойства, хорошую свариваемость. Из-за слабых механических свойств чистейшее железо непригодно для изготовления конструкций: оно выносит нагрузки до 17—21 кг/мм2. Но, если чистое железо легировать примесями, оно способно выдержать до 600 кг/мм2, что примерно втрое превышает возможности стали. Вредными примесями в железных рудах считаются сера, фосфор, мышьяк, олово, цинк, свинец.
В природе известно до 500 минералов, содержащих железо, около 300 из них — типичные минералы железа, но промышленное значение имеет меньшее число, среди которых важнейшее место занимают четыре: магнетит (магнитный железняк), Fe3O4, 72 % металла; гематит (красный железняк), Fe2O3, 70 %; лимонит (бурый железняк), Fe2O3∙H2O, 60%; сидерит (железный шпат), FeCO3, 48% металла.
«Магнетит» — старый термин. Происхождение его названия чаще всего связывают с названием местности Магнезия (Греция), а в других случаях с именем легендарного пастуха Магнес, который якобы первым открыл этот минерал с магнитными свойствами на горе Ида, обнаружив, что железный наконечник посоха и гвозди башмаков прилипают к горной породе, содержащей магнетит.
Название «гематит» происходит от древнегреческого «гематикос» — «кроваво-красный» и дано по густо окрашенному цвету порошка и черты. Лимонит так назвали потому, что предполагали его луговое или болотное происхождение («леймос» — с греческого — луг). Этот минерал часто встречается в форме оолитовых скоплений прибрежно-морского происхождения, образующих крупные месторождения. «Сидерит» (сидерос) в переводе с греческого железо.
В связи с различным содержанием железа руды делятся на богатые (идут сразу в плавку без обогащения) и бедные (требуют обогащения). В зависимости от основного рудообразующего минерала различают магнетитовые, титаномагнетитовые, гематитовые и гидрогематитовые, лимонитовые, сидеритовые и мартитовые руды (последние — продукты окисления магнетита).
Магнетитовые руды могут содержать до 50—70 % железа. В докембрийских отложениях магнетит, гематит и мартит в форме включений заполняют поры кварцита (железистые кварциты). Среди последних выделяют породу джеспилит (от английского «джеспер» — яшма). Если вглядеться в строение этой густо-красной, стально-серой, темно-вишневой или лиловой полосчатой породы, смятой в мелкие складки, можно увидеть, что она состоит из тонкого чередования прослойков кварца и гематита или магнетита (яшмовидная порода). Порода эта содержит до 70 % чистого железа (в среднем 35 %) и является железной рудой. Кроме того она часто используется в качестве декоративного камня. Особенности образования джеспилита пока не выяснены. Например, академик Л. С. Берг в своих работах высказывал соображения, что железистые кварциты и джеспилиты — породы органогенные, образовавшиеся в древнейших морях в результате аккумулирующей жизнедеятельности пелагических микроорганизмов. Наличие слоистости он объяснял сезонным развитием планктонных микроорганизмов. Имеются и другие соображения.
Существуют доменная и бездоменная металлургия. Природная руда, как правило, не соответствует требованиям технологического процесса и поэтому подвергается предварительной обработке — обогащению. Мартитовые руды — наиболее ценные «мартеновские» руды (55 % железа). Они часто идут в плавку без обогащения (известны на КМА, в Кривом Роге, Магнитогорском и Высокогорском месторождениях на Урале, Соколовской и Сарбайской группах в Казахстане).
Титано-магнетитовые — это обычно, комплексные, легко обогатимые руды, которые помимо железа (до 55 %) содержат титан (двуокиси титана до 20 %) и ванадий (разведаны на Урале, в Карелии). Гематитовые и гидрогематитовые руды (50—68 % железа) приурочены в основном к зонам выветривания железистых кварцитов (Кривой Рог и Белозерское месторождения на Украине, Гостищевское месторождение на КМА и др.).
Лимонитовые руды (бурые железняки) — наиболее распространенный тип железных руд в осадочных, инфильтрационных и остаточных месторождениях. Руды осадочных месторождений обычно оолитовые. Они содержат железо (до 30—55 %), кремнезем (20—30 %), глинозем (5—6%), марганец (до 4—5 %) и ванадий (до 0,1 %). Сидеритовые руды (25—39 % железа) используются редко, главным образом в качестве флюса или после окислительного обжига как рудная составляющая в доменной шихте.
Вопрос о том, надолго ли хватит железных руд, давно волнует человечество и подчас ответ на него звучал весьма драматично. Так, в 1910 г. на Международном геологическом конгрессе в Стокгольме перед учеными была поставлена задача по борьбе с железным голодом, хотя в то время в мире добывалось примерно в 1000 раз меньше железа, чем сейчас. Подсчеты тогда показали, что железа на Земле хватит человечеству только до 1970 г. (!). Позднее на Международном геологическом конгрессе в Брюсселе (1922 г.) мрачные прогнозы были вновь подтверждены. Однако спустя всего год, 7 апреля 1923 г. у г. Щигры впервые из неглубокой скважины были извлечены железистые кварциты будущей КМА. Несколько позднее аналогичные кварциты были открыты на древних платформах и в других странах. Хотя в большинстве случаев содержание железа в них составляло 35 %, все же огромные размеры залежей вселяли оптимизм.
Распространение докембрийских железистых кварцитов имеет вид трех межконтинентальных полос — поясов. Западный пояс пересекает с юга на север Восточную Европу, Северный Ледовитый океан, восточные части Северной и Южной Америки, южную часть Атлантического океана. В пределах этого пояса и располагаются узлы железонакопления КМА, Кривого Рога, Кременчуга, Белозерки, месторождений Кольского полуострова, Бразилии, Канады. Восточный пояс располагается в восточной части Евразии и в Австралии. Он протягивается через Колыму, по Уссурийскому краю, КНР, КНДР, Бирме, Индии, через восточную часть Индийского океана к западной Австралии. Третий пояс пересекает Евразию в форме довольно узкой полосы от Пиренейского полуострова через Францию, центральную и южную части Восточно-Европейской равнины (в месте пересечения с Западным поясом размещается железорудный узел, представленный КМА, Кривым Рогом, Кременчугом и т. д.), через Казахстан и Южный Урал, Алтай, Туву, Северное Прибайкалье, Южный Алдан, Восточный и Западный Саян, Становой хребет.
Существует несколько гипотез происхождения докембрийских железорудных поясов Земли. Если учесть современные представления о процессе образования Земли (например, гипотезы О. Ю. Шмидта, В. Г. Фесенкова и др.) в результате сгущения космической материи, то получается, что наиболее тяжелые и магнитные тела (а это, конечно же, прежде всего обломки железа) в силу законов гравитации и магнетизма скопились в центральной части и образовали ядро Земли Сегодня это подтверждается разделением плотности вещества Земли: средняя ее плотность 5,5 г/см3, поверхностные слои имеют 2,5—2,7 г/см3 (слои «гранитный» и «осадочный»), зато плотность ядра равна 11,5—17,3 г/см3. Итак, получается, что то железо, которое находится в верхних оболочках Земли, накопилось уже после образования основных сфер Земли. В связи с этим сформировалось две точки зрения — о проблеме накопления железа в верхних оболочках Земли.
Первая гипотеза объясняет это тем, что в глубинных слоях Земли наблюдается движение веществ в форме конвекционных потоков. О. Г. Сорохтин в 1983 г. убедительно показал, что одни потоки (наиболее тяжелые) опускаются до ядра (почти на 3000 км), а другие потоки (облегченные), наоборот, выносят вещество ядра к поверхности. Последние и захватывают железо. Замечено, что некоторые вулканы содержат в своих лавах очень много железа. На Сибирской платформе многие месторождения железа имеют вулканическое происхождение (например, Ангаро-Илимская группа).
Согласно другой гипотезе, считается, что накопление железа в докембрии на поверхности Земли связано с поступлением магнетита из космической пыли. Эту точку зрения высказал М. И. Калганов, исследователь КМА. Дело в том, что в Космосе существуют темные туманности, грандиозные скопления космической пыли, почти нацело состоящей из мельчайших шариков магнетита. Астроном, академик В. А. Амбарцумян считает, что каждые 200 млн. лет (а по другим данным каждые 180—250 млн. лет) Солнечная система совершает один оборот вокруг центра Галактики. При этом движении она в прошлом многократно пересекла Млечный путь с его темными туманностями. Это пересечение охватывало по времени долгие миллионы и десятки миллионов лет. В связи с гравитационным и магнитным притяжением со стороны Земли и происходило накопление железистых осадков. Полагают, что темные туманности Земля «проходила» в раннем архее, раннем, среднем и позднем протерозое. Докембрийские железистые скопления имеют именно эти четыре возраста, но самыми крупными среди них являются позднепротерозойские.
Общие запасы железных руд несоциалистического мира на 1987 г. оцениваются в 242 млрд. т, при этом одна половина заключена в недрах развитых капиталистических стран, вторая — в месторождениях развивающихся стран. Подтвержденные запасы этой группы стран составляют около 110 млрд. т. Примерно 80 % общих запасов железа здесь размещено в 12 несоциалистических государствах (в млрд. т): в Бразилии (45), Австралии (40,7), Канаде (26,4), США (25,4), Индии (17,5), ЮАР (9,5), Ливии (5,6), Перу (4,9), Швеции (4,7), Франции (4), Гвинеи (4), Великобритании (3,1).
По балансовым запасам СССР занимает первое место в мире (более 110 млрд. т). В Советском Союзе разведано более 350 месторождений. Их особенностью является равномерное размещение по стране, но все же основные разведанные запасы (87 %) сосредоточены на Украине (где в 80 месторождениях сконцентрирована треть общесоюзных запасов, в 35 осваиваемых месторождениях извлекается более половины общесоюзной добычи металла — в основном в Криворожском бассейне, Кременчугском, Белозерском районах), на Урале, в Северном Казахстане, в Западной и Восточной Сибири. Среднее содержание металла во всех разведанных месторождениях СССР составляет более 37 %. Примерно седьмую часть от разведанных запасов составляют богатые руды, среднее содержание железа в которых превышает 55%.
В европейской части СССР (и на Кавказе) выделяется 4 железорудных района: Центральный, Украинский, Северо-Западный, Кавказский.
В Центральном железорудном районе размещается один из самых уникальных в мире по запасам и качеству руды железорудный бассейн — Курская магнитная аномалия. Этот бассейн протянулся в северо-западном направлении на 600 км, при ширине до 250 км. Он располагается на территории 11 областей. В нем сосредоточено более 45 млрд. т богатых гематит-мартитовых и сидерит-мартитовых руд, размещенных в месторождениях Яковлевском, Гостищевском, Михайловском, Лебединском, Коробковском. Здесь сооружен Оскольский электрометаллургический комбинат — первенец отечественной бездоменной металлургии. Тут нет традиционных и дорогостоящих производств — коксохимического и доменного. Технологический процесс начинается прямо с изготовления окатышей. Сегодня район КМА формируется как территориально-промышленный комплекс. В его освоении на основе взаимовыгодного сотрудничества участвуют страны — члены СЭВ.
Украинский железорудный бассейн является одним из старейших в мире. Здесь размещаются Криворожский, Керченский, Кременчугский и Белозерский железорудные районы. Они составляют сырьевую базу многих металлургических заводов европейской части нашей страны, а также соседних социалистических стран — Чехо-Словакии, Польши, Болгарии и др. Бурые железняки Керченского бассейна добываются преимущественно открытым способом и всюду здесь красная земля, обогащенная оксидами железа.
Исследования ученых показали, что накопление осадочных железных руд здесь происходило в условиях прибрежной части теплого киммерийского (плиоцен) моря за счет сноса железистых соединений с окружающей территории суши.
На Северо-Западе СССР месторождения железных руд размещаются на Кольском полуострове — Оленегорское и Енское, а также в Карелии — Пудож-Гора и Костамукшское.
Урал, как и Украина, один из стародавних металлургических регионов страны. Здесь много месторождений. По тяготению добываемой руды к ближайшим металлургическим комбинатам выделено семь рудных районов.
На территории Западной Сибири крупные запасы имеют месторождения Западно-Сибирского (Нарымского) железорудного бассейна, протянувшегося в Среднем Приобье почти от Транссибирской железнодорожной магистрали у г. Новосибирска на север на 1400 км до р. Большой Хеты. Здесь известны крупнейшие месторождения: Бакчарское (18 млрд. т) на юге и Колпашевское (20 млрд. т) на севере. Геологические запасы оолитовых железных руд Западной Сибири со средним содержанием железа до 36—38 % составляют 350 млрд. т (в 8 раз больше КМА). В перспективе здесь можно будет получить самые дешевые руды в стране.
Месторождения Алтае-Саянской горной области являются базой для Кузнецкого и Западно-Сибирского металлургических комбинатов. В Восточной Сибири находятся Ангаро-Питский и Нижне-Тунгусский (прогнозные запасы 1,5 трлн. т) железорудные бассейны. В пределах Нижне-Тунгусского бассейна выделяют два крупнейших месторождения — Эмельдакское и Сурингдаконское. Важное экономическое значение имеет Ангаро-Илимский железорудный район с крупными месторождениями Коршуновским и Рудногорским, а также Южно-Якутский, или Алданский, железорудный район. Последний — база будущих металлургических предприятий, тяготеющих к Байкало-Амурской магистрали.
В Казахстане первое место занимают магнетитовые и оолитовые руды Кустанайского железорудного бассейна, в состав которого входят месторождения Соколовское, Сарбайское, Качарское, Лисаковское (бурые железняки) и Аятское.
Крупные запасы железных руд имеет Китай: группа месторождений Аньшань и месторождение Байюнь-Эбо.
В Бразилии богатые железные руды сосредоточены в рудных полях «Железного четырехугольника» — в центральном Минас-Жерайсе (Итабира и др.), Серра-дус-Караджас (Караджас), Моору-ду-Урукун (Урукун).
Основная масса железной руды Индии находится на северо-востоке страны — месторождения Сингхбхум и другие. На юго-западе размещается железо-марганцевое месторождение.
В Канаде имеются крупные месторождения: на юго-востоке о-ва Ньюфаундленд месторождение оолитовых руд Уобана (общие запасы 20 млрд. т), на п-ове Лабрадор известные месторождения железистых кварцитов с магнетитовыми и гематитовыми рудами.
В Австралии на северо-западе находится железорудный бассейн Хамерсли, или Пилбара, (общие запасы 20 млрд. т, при содержании железа 55—60 %).
В США примерно 90 % разведанных запасов сосредоточено в месторождениях района озера Верхнего, представленных магнетитовыми и гематитовыми рудами. Здесь на западе размещаются уникальные месторождения Месаби-Рейндж, Миномайни-Рейндж и др.
Во Франции основные запасы и практически вся добыча железных руд связаны с уникальным Лотарингским бассейном. В ЮАР разрабатываются руды высококачественных гематитовых месторождений Трансвааля (содержание железа 66 %). Одно из уникальных месторождений мира — Кирунавара (или Кируна) находится в Швеции. Крупные месторождения имеются в Норвегии, Великобритании, Гвинее, Алжире, Танзании, Ливии, Венесуэле, Боливии, Перу и др.
Месторождения железных руд известны, таким образом, на всех, материках. Они образовывались в течение всех геологических периодов и имеют самое разное происхождение. Однако три четверти всех запасов железа в уникальных и крупных месторождениях являются докембрийскими: все они размещены в пределах щитов (и их склонов) древних платформ, приурочены в основании к нижнепротерозойской толще, сформировавшейся 2,6—2,0 млрд. лет назад. Эти залежи представлены железистыми кварцитами (называемыми у нас джеспилитами, а в Скандинавии — таконитами, на американских континентах — итабиритами). Мезозойские железорудные месторождения представлены осадочными оолитовыми рудами месторождений Западной Сибири, Западной Европы.
Мировая добыча в 1986 г. составила 906 млн. т товарной железной руды (в том числе в социалистических странах около 300 млн. т), а в середине 70-х гг. она достигала уже 1130 млн. т. Снижение производства в последние годы произошло за счет уменьшения добычи в капиталистических и развивающихся странах.
Железные руды добываются в 54 странах. Однако основных добывающих стран всего семь: СССР (250 млн. т), КНР (151 млн. т), Бразилия (132 млн. т), Австралия (86 млн. т), Индия (49 млн. т), США (40 млн. т), Канада (37 млн. т). На международном капиталистическом рынке цены на железные руды (51,5—60 % железа) составляют 15—30 долл. за 1 т. Экспортируется примерно половина добываемой руды.
Источник: В.Д. Войлошников, Н.А. Войлошникова. Книга о полезных ископаемых. Издательство «Недра». Москва. 1991