Verständnis von Eisenerzen und Abbau von Eisenerz

Eisenerze verstehen und Eisenerzabbau

Eisen (Fe) ist ein in der Erdkruste reichlich vorhandenes und weit verbreitetes Element, das im Durchschnitt zwischen 2 % und 3 % in Sedimentgesteinen und 8,5 % in Basalt und Gabbro ausmacht. Sein Angebot ist in fast allen Regionen der Welt praktisch unbegrenzt.

Das meiste dieses Eisens liegt jedoch nicht in einer Form vor, die in den gegenwärtigen Praktiken der Eisenherstellung verwendet werden kann. Als Eisenerz darf daher nur der Teil des gesamten Eisens in der Erdkruste bezeichnet werden, der der Stahlindustrie wirtschaftlich und räumlich zur Verfügung steht. Was jedoch Eisenerz ausmacht, ist von Ort zu Ort und von Zeit zu Zeit sehr unterschiedlich. Ob ein eisenhaltiges Mineral als Eisenerz einzustufen ist, hängt von vielen Faktoren ab, aber grundsätzlich ist es eine Frage der Wirtschaftlichkeit. Unter Berücksichtigung dieses Konzepts ist eine logische Definition von Eisenerz für kommerzielle Zwecke „eisenhaltiges Material, das an einem bestimmten Ort und zu einer bestimmten Zeit unter den dann aktuellen Kosten- und Marktpreisbedingungen wirtschaftlich genutzt werden kann.“

Da Eisen in vielen Gebieten vorhanden ist, hat es einen relativ geringen Wert und daher muss eine Lagerstätte einen hohen Fe-Prozentsatz aufweisen, um als erzhaltig zu gelten. Mit dem Aufkommen verbesserter Verfahren zur Aufbereitung, Konzentration und Agglomeration wurde die Vielfalt der eisenhaltigen Materialien, die jetzt verwendet werden können, erweitert, und viele minderwertige Materialtypen, die einst als unwirtschaftlich galten, werden jetzt als Eisenerz betrachtet. Typischerweise muss eine Lagerstätte mindestens 25 % Fe enthalten, um als wirtschaftlich abbaubar zu gelten.

Über 300 Mineralien enthalten Eisen, aber fünf Mineralien sind die Hauptquellen für Eisenerz. Sie sind (i) Magnetit (Fe3O4), (ii) Hämatit (Fe2O3), (iii) Goethit (Fe2O3.H2O), (iv) Siderit (FeCO3) und (v) Pyrit (FeS2). Die ersten drei sind wegen ihres Vorkommens in großen wirtschaftlich abbaubaren Lagerstätten von großer Bedeutung. Der größte Teil des weltweit geförderten Eisenerzes fällt jedoch unter die ersten beiden Kategorien.

Hämatit hat eine chemische Zusammensetzung von Fe2O3 entsprechend 69,94 % Eisen und 30,06 % Sauerstoff. Es hat eine Farbe von stahlgrau bis mattrot oder hellrot, kann entweder erdig, kompakt oder kristallin sein und hat ein spezifisches Gewicht von 5,26. Übliche Sorten werden als kristallin, spiegelnd, Martit (pseudomorph nach Magnetit), Maghemit (magnetisches Eisenoxid), erdig, ockerfarben und kompakt bezeichnet. Hämatit ist eines der wichtigsten Eisenerze. Es ist in vielen Gesteinsarten weit verbreitet und hat unterschiedliche Ursprünge. Es tritt in Verbindung mit Aderablagerungen, magmatischen, metamorphen und Sedimentgesteinen und als Produkt der Verwitterung von Magnetit auf. Einige geringgradige Lagerstätten von disseminiertem kristallinem Hämatit wurden erfolgreich sowohl durch Schwerkraft- als auch durch Flotationstechniken behandelt, um qualitativ hochwertige Konzentrate zu produzieren.

Magnetit hat eine chemische Zusammensetzung von Fe3O4, entsprechend 72,36 % Eisen und 27,64 % Sauerstoff. Es hat eine dunkelgraue bis schwarze Farbe und ein spezifisches Gewicht von 5,16 bis 5,18. Es ist stark magnetisch und besitzt manchmal eine Polarität, sodass es als natürlicher Magnet wirkt. Magnetit kommt in magmatischen, metamorphen und Sedimentgesteinen vor. Die magnetische Eigenschaft von Magnetit ist wichtig, da sie die Exploration durch magnetische Methoden erlaubt und die magnetische Trennung von Magnetit von Gangartmaterialien zur Herstellung eines hochqualitativen Konzentrats ermöglicht. Aufgrund der kontinuierlichen Verbesserung der magnetischen Konzentrationstechniken und der erweiterten Verwendung der hochwertigen Produkte ist es als Eisenquelle immer wichtiger geworden.

Bergbau von Eisenerzen

Bergbau (Gewinnung), Aufbereitung und Verarbeitung von Eisenerz produziert Eisen und Stahl. Bergbau ist definiert als das Entfernen von Erzmaterial aus einer Lagerstätte und umfasst alle Aktivitäten vor der Aufbereitung. Hochwertige Eisenerze (Eisengehalt über 62 %) werden einfach zerkleinert, gesiebt und direkt zur Eisenerzeugungseinheit (z. B. Hochofen) transportiert. Niedriggradige Eisenerze mit einem niedrigeren Eisengehalt erfordern andere Aufbereitungsaktivitäten als Brechen, Sieben und Waschen, um ihren Eisengehalt zu erhöhen. Um wettbewerbsfähig zu sein, muss der Eisenerzabbau in sehr großem Umfang erfolgen. Es gibt zwei Mining-Methoden, die üblicherweise eingesetzt werden. Sie sind (i) Tagebau, (ii) Untertage- oder Schachtbergbau.

Die Entscheidung, Untertage- oder Tagebautechniken einzusetzen, hängt von der Nähe des Erzkörpers zur Oberfläche ab. Der Großteil des weltweit abgebauten Eisenerzes wird ausschließlich durch Tagebautechniken abgebaut. Es gibt jedoch auch einige unterirdische Eisenminen auf der Welt. Es gibt zwei grundlegende Methoden des Tagebaus, die entwickelt wurden, um Eisenerz aus Oberflächenvorkommen zu gewinnen. Dies sind Tagebau- und Tagebauverfahren. Nahezu alle großen Eisenerzminen der Welt, mit Ausnahme einiger weniger, werden im Tagebau betrieben.

Der Prozess des Abbaus von Eisenerz erfordert enorme Ressourcen. Zu diesen Ressourcen gehören Bergbaumaschinen für die Schwerindustrie und qualifizierte Arbeitskräfte. Die eingesetzte Ausrüstung umfasst Planierraupen, Schürfkübel, Muldenkipper (Schwerlaster), Muldenkipper, Frontlader, Hydraulikbagger, Hydraulik- und Elektrobagger (Räumschaufeln, Ladeschaufeln), Schürfkübelbagger, Schaufelradbagger, Schwimmbagger, Wassertanker, Sprenglochbohrer (Diamantbohrer) und Schwerlastförderer. Außerdem werden Brecher und Siebe mit zugehöriger Ausrüstung zum Brechen und Sieben von Erz zu marktfähigen Produkten benötigt.

Planung und Entwicklung

Der Prozess des Abbaus von Eisenerz von der Entdeckung einer Eisenerzlagerstätte über die Gewinnung von Eisenerz bis hin zur Rückführung des Landes in seinen natürlichen Zustand besteht aus mehreren unterschiedlichen Schritten. Die erste ist die Entdeckung der Eisenerzlagerstätte, die durch Prospektion oder Exploration durchgeführt wird, um das Ausmaß, die Lage und den Wert des Erzkörpers zu finden und dann zu definieren. Dies führt zu einer mathematischen Ressourcenschätzung, um die Größe und den Gehalt der Lagerstätte abzuschätzen.

Der Abbau von Eisenerz beginnt am Boden. Erz wird durch Diamantbohrkernproben auf einem Raster mehrere Meter tief in der Erde identifiziert. Eisenerzgestein umfasst einen beträchtlichen Prozentsatz an Eisen und der Rest sind Verunreinigungen wie Aluminiumoxid und Siliziumoxid. Diese Proben werden analysiert und kategorisiert, sodass Bergbauingenieure einen genauen Minenplan entwickeln können.

Die Erschließung der Mine umfasst die Minenplanung zur Bewertung des wirtschaftlich gewinnbaren Teils der Lagerstätte, der metallurgischen Eigenschaften der Erze, der Erzgewinnbarkeit, der technischen Bedenken, der Zerkleinerung und der Infrastrukturanforderungen. Der wirtschaftlich gewinnbare Anteil einer Lagerstätte hängt vom Anreicherungsfaktor des Erzes in der Umgebung ab.

Um Zugang zu den Mineralvorkommen innerhalb eines Gebiets zu erhalten, ist es oft notwendig, Abfallmaterial, das nicht von unmittelbarem Interesse ist, abzubauen oder zu entfernen. Die Gesamtbewegung von Erz und Abfall bildet den Abbauprozess. Während der Lebensdauer einer Mine wird oft mehr Abfall als Erz abgebaut, je nach Art und Lage des Erzvorkommens. Die Entfernung und Entsorgung von Abfall ist ein großer Kostenfaktor für den Bergbaubetrieb.

Das allgemeine Vorkommen, die Größe und die Form einer Eisenerzlagerstätte werden während der Explorationsphase bestimmt. Die Kenntnis der Lagerstätte wird durch Entwicklungsarbeit näher bestimmt. Während der Erschließung einer Mine ist es oft notwendig, die Position und Art geologischer Strukturen, die die Erzverteilung und -verfügbarkeit beeinflussen, sehr detailliert zu bestimmen.

Nach Erhalt ausreichender Detailinformationen werden verschiedene Kombinationen von Betriebsplänen unter Verwendung von Karten und Schnitten untersucht, die zu diesem Zweck erstellt wurden. Diese zeigen die Größe und Form des Erzkörpers, Erzzusammensetzungen und Labortestergebnisse. Aus diesen grafischen Darstellungen werden die Mengen an Erzen und Abfallstoffen durch Anwendung von Volumengewichtsfaktoren ermittelt. Computer werden üblicherweise bei der Erstellung von Tonnageschätzungen und bei der Erstellung detaillierter Abbaupläne verwendet. Durch die Verwendung dieser Systeme werden vergleichende Bewertungen verschiedener Abbaumethoden und -pläne vorgenommen, um den günstigsten Plan für jede einzelne Lagerstätte zu bestimmen und den Abbau der Lagerstätte zu planen.

Dementsprechend ist es notwendig, die Minenproduktion so zu planen, dass ein stetiger Strom von Eisenerz erzeugt wird, dessen Zusammensetzung durchweg nahe an den Zielgehalten liegt. Dieser Bedarf treibt den Prozess der Entwicklung eines Explorationsprojekts in ein rentables Bergbauprojekt voran. Da die Zusammensetzung des Erzvorkommens vor dem Abbau nur grob beprobt werden kann und die wirtschaftlichen und finanziellen Bedingungen dazu neigen, sehr volatil zu sein, ist jeder Minenplan bestenfalls vorläufig und kann im Lichte sich ändernder Kenntnisse über das Erzvorkommen überarbeitet werden da es während des Bergbaubetriebs zunehmend freigelegt wird.

Die Minenerschließung und -planung hört nicht auf, wenn die Produktion beginnt, da auf sich ändernde Bedingungen als Ergebnis der Entfaltung des Wissens über den Erzkörper reagiert werden muss, da mehr Bohrlöcher mehr Proben liefern, die über das Volumen des Erzkörpers verteilt sind wird abgebaut.

Planung, Erschließung und Betrieb eines Tagebaus basieren in der Regel auf einem rechteckigen Blockmodell. Dieses Blockmodell besteht aus einer Reihe rechteckiger Blöcke mit Abmessungen, die der kleinsten abbaubaren Einheit entsprechen, sagt 50 Quadratmeter horizontal mal 10 Meter vertikal. Für jeden Block werden Schätzungen des Gehalts vorgenommen (Eisen plus alle Verunreinigungen wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und Phosphor).

Das Blockmodell ist ein sich entwickelndes und adaptives Informationssystem. Es basiert zunächst auf der Interpolation von Daten aus Proben, die während der Erkundungsbohrungen entnommen wurden. Während der Entwicklung und des Betriebs der Mine wird das Blockmodell kontinuierlich durch Infill-Bohrungen, Daten aus Sprenglöchern, die zum Einbringen von Sprengstoffen gebohrt wurden, und aus den Untersuchungsergebnissen des abgebauten Erzes, während es zerkleinert und analysiert wird, überarbeitet. In jeder Phase des Betriebs müssen Bergbauauswahl und Sequenzierungsentscheidungen auf den derzeit verfügbaren unvollkommenen Blockmodellinformationen basieren, um Erz für den Versand zu produzieren, das dem Zielgehalt innerhalb der angegebenen Toleranzen entspricht.

Tagebaubergbau

Surface-Mining-Methoden sind darauf ausgelegt, Erz aus Oberflächenvorkommen zu gewinnen. Die Erzlagerstätte wird freigelegt, indem eine teilweise nur wenige Meter dicke Erdschicht abgetragen wird. Dieses Material, das abgetragen werden muss, wird als „Abraum“ bezeichnet. Abraum kann aus lockerem Material, Gestein, Ton, Kies und magerem Erzmaterial bestehen. Die Tiefe, bis zu der der Tagebau durchgeführt wird, hängt vom Gehalt des Erzes, der Art der Deckschicht und dem Abraumverhältnis ab. Das Abraumverhältnis ist die Menge an Abraum und Abfall, die für jede abgebaute Erzeinheit gehandhabt werden muss. Es wird als die Einheit des Abraums beschrieben, die für jede Einheit abgebauten Roherzes entfernt werden muss. Die Abraumverhältnisse steigen mit der Qualität des abgebauten Erzes und den Kostenfaktoren im Zusammenhang mit der Aufbereitung und dem Transport.

Das wirtschaftliche Abraumverhältnis variiert stark von Mine zu Mine, abhängig von einer Reihe von Faktoren. Im Falle von Direktversanderzen kann es bis zu 6:1 oder 7:1 betragen. Bei minderwertigem Erz wird oft ein Abraumverhältnis von weniger als 1,5:1 als wirtschaftliche Grenze angesehen.

Für den Abbau des Eisenerzes ist es unabdingbar, das Abbaugebiet durch Abtragen des Deckgebirges freizulegen. Der Abraum wird mit großen Hydraulikbaggern auf Produktionslastwagen geladen, die ihn zu Konturhalden transportieren. Diese Deponien sind ökologisch so gestaltet, dass sie zur Umgebung passen.

Beim Tagebau kann die Abtragung des Abraums während eines großen Teils der Lebensdauer einer Mine fortgesetzt werden, da die Grubenwände zurückgeschnitten werden, um eine Vertiefung der Mine zu ermöglichen, um Erz im Boden zu gewinnen. Lockeres Material wird je nach örtlichen Gegebenheiten mit Baggern, Schürfkübeln oder Baggern abgebaut. Andere Materialien werden im Allgemeinen mit Schaufelbaggern ausgehoben.

Das Erz wird aus großen offenen Gruben durch fortschreitenden Abbau entlang von Stufen oder Bänken abgebaut. Die Bänke bieten Zugang zu zunehmend tieferem Erz, wenn das Erz der oberen Ebene entfernt wird. Nachdem der Boden und das darüber liegende Gestein geräumt sind, wird das Erz gebohrt und gesprengt. Das Ziel des Sprengens besteht darin, den Erzkörper für den Abbau freizulegen oder Zugänge (horizontale Passagen) zu schaffen, die für den Zugang zum Erzkörper verwendet werden können. Sprengungen werden auch verwendet, um Erz aufzubrechen.

Bohren und Sprengen werden durchgeführt, um konsolidiertes Material in Größen zu zerkleinern, die von Bergbaumaschinen sowie Brech- und Siebanlagen verarbeitet werden können. Es wird manchmal auch getan, um Erzbänke vor Schaufelbaggern zu lockern, um die Ladeeffizienz zu erhöhen.

Der zu entfernende Teil des Erzkörpers wird zunächst in einem bestimmten Muster gebohrt. Die Bohrungen werden mit großen mechanisierten Bohrgeräten durchgeführt. Das Hauptziel von Bohrarbeiten besteht darin, ein Loch mit geeignetem Durchmesser, Tiefe und Richtung im Gestein zu schaffen, in dem Sprengstoffe für Sprengarbeiten platziert werden können. Typischerweise haben die gebohrten Sprenglöcher einen Durchmesser von 400 mm und eine Tiefe von etwa 10 bis 12 Metern. Etwa 400 Löcher werden in einem Sprengmuster gebohrt.

Vor der Sprengung werden die Bohrlöcher mit Sprengstoffgemischen gefüllt. Die Hauptanforderung an einen Explosivstoff, der beim Sprengen von Minen verwendet werden soll, ist die Fähigkeit, eine vollständige Verbrennung ohne externe Sauerstoffzufuhr zu erreichen. In der Vergangenheit bestanden beim Sprengen verwendete Sprengstoffe aus Nitroglyzerin, kohlenstoffhaltigem Material und einem Oxidationsmittel. Die heute am häufigsten verwendeten Sprengstoffe sind Mischungen aus Ammoniumnitratdünger und Heizöl (genannt ANFO). Der Sprengstoff wird durch eine hochexplosive Sprengkapsel und/oder Zündkapsel gezündet. In einigen Fällen werden Emulsions- oder Gel-Sprengstoffpatronen verwendet.

Nach der Vorbereitung wird das Minengelände von Arbeitern und Ausrüstung geräumt und die Explosion wird gezündet. Jedes der Löcher wird im Abstand von nur einer Millisekunde gezündet, was zu einem Haufen Roheisenerz führt, der auf eine Größe von minus 2 m x 2 m zerbrochen wird. Die großen Löcher im Boden, die durch Bohren, Sprengen und Erzabbau entstanden sind, werden als „Tagebaugruben“ bezeichnet.

Nach dem Sprengen wird das gebrochene Erz als Run of Mine (ROM)-Erz bezeichnet. ROM-Erz wird von riesigen Elektrobaggern, Hydraulikbaggern oder Frontladern auf Muldenkipper mit großer Kapazität geladen, die es zur Brech- und Siebstation transportieren.

Zerkleinern und Sieben

Eisenerz von handelsüblicher Qualität muss vor dem Einbringen in den Hochofen die richtige Größe haben. Die derzeitige Hochofentechnologie erfordert üblicherweise das Zerkleinern und Sieben von direkt beschicktem Stückerz, das feiner als 10 mm und gröber als 30 mm ist. Die ausgewählte spezifische Größe basiert auf den Eigenschaften des Erzes und ist so spezifiziert, dass eine hohe Schornsteindurchlässigkeit aufrechterhalten wird und auch ausreichend Zeit für die Reduktion von gröberem Material gelassen wird. Folglich sind Brechen und Sieben ein integraler Bestandteil von Erzproduktionsanlagen.

Viele Minen verwenden zwei bis drei Zerkleinerungsstufen. In einigen Minen befindet sich der Primärbrecher in der Mine, wobei Förderbänder verwendet werden, um das zerkleinerte Erz zu den Sekundär- und Tertiärbrechern oder direkt zu den Mühlen zu transportieren. Die Brechstufen werden das Eisenerz von mehreren Fuß Durchmesser in der Primärstufe auf sechs Zoll bis auf einen halben oder drei Achtel Zoll als Endprodukt reduzieren. Das Brecherprodukt wird dem Mahlbetrieb zur weiteren Zerkleinerung zugeführt

Das Brechen umfasst üblicherweise einen primären Backenbrecher mit sekundären Brechern, die in einem geschlossenen Kreislauf mit Vibrationssieben arbeiten. Die Auswahl der Ausrüstung wird weitgehend von der Brüchigkeit des Erzes bestimmt. Die meisten Siebvorgänge an hochgradigen Erzen sind trocken, außer wenn die Feinfraktion durch Entschleimung effektiv aufgewertet werden kann.

Die durch Brechen und Sieben erzeugten Feinteile von minus 10 mm werden am häufigsten durch Sintern agglomeriert oder manchmal zum Pelletisieren gemahlen.

Das Abbauprogramm in den einzelnen Minen wird entwickelt, um ein einheitliches Produkt herzustellen. Obwohl bei den meisten Verlade- und Versandsystemen mehrere Handhabungsschritte erforderlich sind, bieten sie oft nicht genug Mischung, um die jetzt von den Stahlwerken geforderten Qualitätssicherungsstandards zu erfüllen, insbesondere wenn sowohl Größenkonsistenz als auch chemische Standards festgelegt sind. Ausgeklügelte kombinierte Misch- und Verladeanlagen sind jetzt fast überall in den Eisenerzminen vorhanden.

Stapel- und Rückladesysteme werden häufig verwendet. Das Stapeln führt zu einer Schichtung der Eisenerze. Jede aufeinanderfolgende Schicht stellt ein Eisenerz dar, das sich in Größenkonsistenz oder chemischer Zusammensetzung von benachbarten Schichten unterscheiden kann. Der längliche Stapel wird bis zu einer Höhe aufgebaut, die durch die Stapelfähigkeit der Stapelmaschine begrenzt ist. Das Erz kann dann zur Verwendung durch Schaufelradbagger, Frontlader oder einen Kratzquerförderer zurückgewonnen werden. Das Entfernen von Erz von der Stirnseite des Haufens führt zu einem Materialstrom, der eine gleichmäßige Erzmischung aus allen Schichten ist. Das gemischte Erz wird dann an die Kunden versandt.

Die verschiedenen Schritte beim Mining sind in Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1 Schritte beim Abbau von Eisenerz im Tagebau

Umweltprobleme

Materialien, die als Ergebnis des Tagebaus anfallen, umfassen Abraum, Abfallgestein und Grubenwasser. Andere Abfälle können kleine Mengen an Öl und Fett sein, die während der Extraktion verschüttet wurden. Grubenwasser enthält normalerweise gelöste oder suspendierte Bestandteile, die denen ähneln, die im Erzkörper selbst gefunden werden. Diese können Spuren von Aluminium, Antimon, Arsen, Beryllium, Cadmium, Chrom, Kupfer, Mangan, Nickel, Selen, Silber, Schwefel, Titan und Zink enthalten.

Wasser verursacht eine Vielzahl von Problemen im Eisenerzbergbau. Außer in seltenen Fällen, wie z. B. im Bergbergbau oder im Bergbau unter Wüstenbedingungen, muss Wasser in Sümpfen, Brunnen oder unterirdischen Anlagen gesammelt und aus der Mine gepumpt werden. Solches Drainagewasser wird oft direkt verwendet, um Wasserverluste bei Konzentrationsvorgängen auszugleichen.