Eisenerze erklärt: Arten, Verbreitung und Abbaupraktiken

Eisenerze und ihr Abbau verstehen

Eisen (Fe) ist ein häufiges und weit verbreitetes Element in der Erdkruste. Sein Gehalt schwankt im Durchschnitt von 2 % bis 3 % in Sedimentgesteinen bis zu 8,5 % in Basalt und Gabbro. Die Vorkommen sind in nahezu allen Regionen der Welt praktisch unbegrenzt.

Dennoch liegt der größte Teil dieses Eisens nicht in einer Form vor, die mit den heutigen Verfahren der Eisenherstellung genutzt werden kann. Daher kann nur der Teil des Gesamteisens in der Erdkruste, der der Stahlindustrie sowohl wirtschaftlich als auch räumlich zur Verfügung steht, korrekt als Eisenerz bezeichnet werden. Was als Eisenerz gilt, variiert jedoch stark von Ort zu Ort und von Zeit zu Zeit. Viele Faktoren entscheiden, ob ein eisenhaltiges Mineral als Eisenerz klassifiziert werden kann, doch im Kern ist es eine Frage der Wirtschaftlichkeit. Unter diesem Aspekt lautet 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.“

Erzgehalt und wirtschaftliche Abbaubarkeit

Da Eisen in vielen Gebieten vorkommt, hat es einen relativ geringen Wert. Daher muss ein Lagerstätte einen hohen Fe-Gehalt aufweisen, um als abbauwürdig zu gelten. Durch verbesserte Methoden der Aufbereitung, Konzentration und Agglomeration wurde die Bandbreite der nutzbaren eisenhaltigen Materialien erweitert. Viele einst als unwirtschaftlich geltende niedriggradige Materialien werden heute als Eisenerz betrachtet. Typischerweise muss ein Lagerstätte mindestens 25 % Fe enthalten, um als wirtschaftlich gewinnbar zu gelten.

Wichtige Eisenerzminerale

Über 300 Minerale enthalten Eisen, aber fünf sind die primären Quellen für Eisenerz:

• Magnetit (Fe₃O₄)
• Hämatit (Fe₂O₃)
• Goethit (Fe₂O₃·H₂O)
• Siderit (FeCO₃)
• Pyrit (FeS₂)

Die ersten drei sind aufgrund ihres Vorkommens in großen, wirtschaftlich abbauwürdigen Lagerstätten von größter Bedeutung. Der größte Teil des weltweit abgebauten Eisenerzes fällt jedoch in die Kategorien Magnetit und Hämatit.

Hämatit

Hämatit hat die chemische Zusammensetzung Fe₂O₃, was 69,94 % Eisen und 30,06 % Sauerstoff entspricht. Er tritt in Farben von stahlgrau bis mattrot oder leuchtendrot auf, kann erdig, kompakt oder kristallin sein und hat ein spezifisches Gewicht von 5,26. Zu den gängigen Varietäten zählen kristalliner, spekulärer, Martit (pseudomorph nach Magnetit), Maghemit (magnetisches Ferricoxid), erdiger, ockeriger und kompakter Hämatit. Hämatit ist eines der wichtigsten Eisenerze und kommt in vielen Gesteinstypen und unterschiedlichen Entstehungsbedingungen vor. Er tritt in Verbindung mit Gangerzlagerstätten, magmatischen, metamorphen und sedimentären Gesteinen sowie als Verwitterungsprodukt von Magnetit auf. Einige niedriggradige Lagerstätten mit disseminiertem kristallinem Hämatit wurden erfolgreich durch Gravitations- und Flotationsverfahren zu hochwertigen Konzentraten aufbereitet.

Magnetit

Magnetit hat die Zusammensetzung Fe₃O₄, entsprechend 72,36 % Eisen und 27,64 % Sauerstoff. Er ist dunkelgrau bis schwarz, hat ein spezifisches Gewicht von 5,16 bis 5,18 und ist stark magnetisch, manchmal mit Polarität, sodass er als natürlicher Magnet wirkt. Magnetit kommt in magmatischen, metamorphen und sedimentären Gesteinen vor. Seine magnetische Eigenschaft ist wichtig für die Exploration durch magnetische Methoden und ermöglicht die magnetische Trennung von Magnetit vom tauben Gestein, um hochwertige Konzentrate zu erzeugen. Durch kontinuierliche Verbesserungen der magnetischen Konzentrationstechniken und die erweiterte Nutzung hochwertiger Produkte hat Magnetit als Eisenquelle an Bedeutung gewonnen.

Abbau von Eisenerzen

Abbau (Gewinnung), Aufbereitung und Verarbeitung von Eisenerz erzeugen Eisen und Stahl. Abbau wird als das Entfernen von Erzmaterial aus einer Lagerstätte definiert und umfasst alle Aktivitäten vor der Aufbereitung. Hochwertige Eisenerze (Eisengehalt über 62 %) werden lediglich zerkleinert, gesiebt und direkt an die Eisenherstellungseinheit (z. B. Hochofen) geliefert. Niedriggradige Eisenerze mit geringerem Eisengehalt benötigen neben Zerkleinerung, Siebung und Waschen weitere Aufbereitungsschritte zur Erhöhung des Eisengehalts. Um wettbewerbsfähig zu sein, muss der Eisenerzabbau in sehr großem Maßstab erfolgen. Es gibt zwei gängige Abbaumethoden:

• Tagebau (Oberflächenabbau)
• Untertagebau (Schachtbau)

Die Wahl zwischen Untertage- und Tagebau hängt von der Nähe des Erzlagers zur Oberfläche ab. Der Großteil des weltweit geförderten Eisenerzes wird ausschließlich im Tagebau gewonnen. Es gibt jedoch auch einige betriebene Untertage-Eisenminen. Für den Abbau von Oberflächenlagerstätten gibt es zwei grundlegende Tagebaumethoden: Offengruben- und Offenschnittverfahren. Fast alle großen Eisenerzminen der Welt, mit wenigen Ausnahmen, werden im Offengrubenverfahren betrieben.

Ressourcenbedarf beim Abbau

Der Abbau von Eisenerz erfordert massive Ressourcen: schwere industrielle Abbauausrüstung und qualifizierte Arbeitskräfte. Zur Ausrüstung gehören Bulldozer, Schürfkübel, Muldenkipper, Dumper, Frontlader, Hydraulikbagger, Hydraulik- und Elektroschaufeln (Abtragschaufeln, Ladeschaufeln), Schürfkübel, Eimerkettenbagger, Saugbagger, Wassertankwagen, Bohranlagen für Sprenglöcher (Diamantbohrkronen) und schwere Förderbänder. Zusätzlich werden Brecher und Siebe mit zugehöriger Ausrüstung für die Zerkleinerung und Siebung des Erzes zu verkaufsfähigem Produkt benötigt.

Planung und Erschließung

Der Prozess vom Entdecken eines Eisenerzlagers über die Gewinnung bis zur Rekultivierung des Geländes besteht aus mehreren Schritten. Zunächst wird das Lager durch Prospektion oder Exploration entdeckt, um Ausdehnung, Lage und Wert des Erzkörpers zu definieren. Darauf folgt eine mathematische Ressourcenschätzung zur Bestimmung von Größe und Gehalt der Lagerstätte.

Der Abbau beginnt auf Geländeebene. Das Erz wird durch Diamantbohrkernproben auf einem Gitter mehrere Meter tief in der Erde identifiziert. Das Eisenerzgestein enthält einen erheblichen Anteil Eisen, der Rest sind Verunreinigungen wie Aluminiumoxid und Siliziumdioxid. Diese Proben werden analysiert und kategorisiert, damit Bergbauingenieure einen genauen Abbauplan erstellen können.

Die Minenerschließung umfasst die Abbauplanung zur Bewertung des wirtschaftlich gewinnbaren Teils der Lagerstätte, der metallurgischen Eigenschaften der Erze, der Erzgewinnung, ingenieurtechnischer Belange, Zerkleinerung und Infrastrukturanforderungen. Der Anteil der wirtschaftlich gewinnbaren Lagerstätte hängt vom Anreicherungsfaktor des Erzes im Gebiet ab.

Um Zugang zum Mineralvorkommen zu erhalten, muss oft taubes Material abgebaut oder entfernt werden, das nicht von unmittelbarem Interesse ist. Die Gesamtbewegung von Erz und Taubematerial stellt den Abbauprozess dar. Oft wird über die Lebensdauer einer Mine mehr Taubes als Erz gefördert, abhängig von Art und Lage des Erzkörpers. Die Beseitigung und Lagerung von Taubematerial ist ein Hauptkostenfaktor im Bergbau.

Das allgemeine Vorkommen, die Größe und Form eines Eisenerzlagers werden in der Explorationsphase bestimmt. Detailliertere Kenntnisse über das Lager ergeben sich durch Erschließungsarbeiten. Während der Minenentwicklung ist es oft notwendig, die Lage und Beschaffenheit geologischer Strukturen, die die Erzverteilung und -verfügbarkeit beeinflussen, detailliert zu ermitteln.

Nach Erhalt ausreichender Detailinformationen werden verschiedene Betriebspläne mithilfe von Karten und Profilen untersucht. Diese zeigen Größe und Form des Erzkörpers, Erzzusammensetzungen und Laborergebnisse. Daraus werden die Mengen an Erz und Taubematerial mittels Volumengewichtsfaktoren berechnet. Computer werden häufig für Tonnage-Schätzungen und detaillierte Abbaupläne eingesetzt. Damit lassen sich verschiedene Abbaumethoden und -pläne vergleichen, um den günstigsten Plan für jedes Lager zu bestimmen und den Abbau zu terminieren.

Entsprechend muss die Minenproduktion so geplant werden, dass ein stetiger Strom an Eisenerz erzeugt wird, dessen Zusammensetzung konsistent nahe an den Zielwerten liegt. Diese Notwendigkeit treibt den Prozess voran, ein Explorationsprojekt in ein rentables Bergbauprojekt zu verwandeln. Da die Zusammensetzung des Erzkörpers vor dem Abbau nur grob beprobt werden kann und die wirtschaftlichen und finanziellen Bedingungen volatil sind, ist jeder Abbauplan bestenfalls vorläufig und muss revidiert werden, sobald während des Abbaus mehr Wissen über das Lager gewonnen wird.

Die Minenentwicklung und -planung endet nicht mit Produktionsbeginn, da auf veränderte Bedingungen reagiert werden muss, die sich aus dem wachsenden Wissen über den Erzkörper ergeben, je mehr Bohrlöcher mehr Analysen über das Volumen des Erzkörpers liefern, während er abgebaut wird.

Die Planung, Entwicklung und der Betrieb eines Tagebaus basieren meist auf einem rechteckigen Blockmodell. Dieses besteht aus einer Reihe rechteckiger Blöcke, deren Dimensionen der kleinsten abbauwürdigen Einheit entsprechen, z. B. 50 Meter quadratisch horizontal und 10 Meter vertikal. Für jeden Block werden Gehaltsschätzungen (Eisen sowie Verunreinigungen wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid und Phosphor) erstellt.

Das Blockmodell ist ein sich entwickelndes, adaptives Informationssystem. Es basiert zunächst auf der Interpolation von Daten aus Proben, die während der Explorationsbohrungen entnommen wurden. Während der Erschließung und des Betriebs wird das Modell kontinuierlich durch Auffüllbohrungen, Daten aus Sprenglöchern für die Sprengstoffplatzierung und Analysen des abgebauten Erzes beim Brechen und Analysieren überarbeitet. In jedem Betriebsstadium müssen Abbauauswahl und -sequenzierung auf der Grundlage des aktuell verfügbaren, unvollkommenen Blockmodells erfolgen, um Erz für den Versand zu produzieren, das den Zielgehalt innerhalb festgelegter Toleranzen trifft.

Tagebau

Tagebaumethoden sind darauf ausgelegt, Erz aus Oberflächenlagerstätten zu gewinnen. Das Erzlager wird freigelegt, indem eine Erdschicht, manchmal nur wenige Meter dick, abgetragen wird. Dieses abzutragende Material wird als „Abraum“ bezeichnet. Abraum kann aus unkonsolidiertem Material, Fels, Ton, Kies und magerem Erzmaterial bestehen. Die Tiefe, bis zu der der Tagebau betrieben wird, hängt vom Erzgehalt, der Beschaffenheit des Abraums und dem Abraum-Erz-Verhältnis (Stripping Ratio) ab. Das Stripping Ratio ist die Menge an Abraum und Taubematerial, die pro Einheit gefördertes Erz bewegt werden muss. Es wird als Einheit des Abraums beschrieben, die für jede Einheit Roherz entfernt werden muss. Stripping Ratios steigen mit der Qualität des abgebauten Erzes und den Kostenfaktoren für Aufbereitung und Transport.

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

Für den Abbau des Eisenerzes ist es unerlässlich, das Abbaugebiet zunächst durch Abräumen des Abraums freizulegen. Der Abraum wird von großen Hydraulikschaufeln in Muldenkipper geladen, die ihn zu Konturhalden transportieren. Diese Halden sind umweltgerecht so gestaltet, dass sie sich in die Umgebung einfügen.

Im Tagebau kann die Abraumentfernung über einen großen Teil der Lebensdauer einer Mine andauern, da die Grubenwände zurückgeschnitten werden, um die Grube zu vertiefen und Erz am Grund zu gewinnen. Unkonsolidierte Materialien werden je nach lokalen Bedingungen mit Hydraulikschaufeln, Schürfkübeln oder Schürfschrappern abgebaut. Andere Materialien werden generell mit Hydraulikschaufeln abgebaut.

Das Erz wird aus großen offenen Gruben durch fortschreitende Förderung entlang von Stufen oder Sohlen gewonnen. Die Sohlen ermöglichen den Zugang zu tiefer liegendem Erz, sobald das obere Erz entfernt wurde. Nachdem Boden und Überdeckgestein beseitigt sind, wird das Erz gebohrt und gesprengt. Ziel des Sprengens ist es, den Erzkörper für die Gewinnung freizulegen oder Anfahrtswege (horizontale Stollen) zu schaffen, um an den Erzkörper heranzukommen. Sprengen dient auch dazu, das Erz zu zerkleinern.

Bohren und Sprengen zerkleinert festes Material in Größen, die von Abbaugeräten sowie Brech- und Siebanlagen bewältigt werden können. Es wird manchmal auch eingesetzt, um Erzfronten vor Hydraulikschaufeln zu lockern und die Ladeeffizienz zu erhöhen.

Der zu entfernende Teil des Erzkörpers wird zunächst in einem bestimmten Muster gebohrt. Die Bohrarbeiten erfolgen mit großen mechanisierten Bohranlagen. Hauptziel der Bohrarbeiten ist es, ein Loch mit geeignetem Durchmesser, Tiefe und Richtung im Gestein für die Platzierung von Sprengstoffen zu schaffen. Typischerweise haben die gebohrten Sprenglöcher einen Durchmesser von 400 mm und eine Tiefe von 10–12 Metern. In einem Sprengmuster werden etwa 400 Löcher gebohrt.

Vor dem Sprengen werden die gebohrten Löcher mit Sprengstoffgemischen gefüllt. Die Hauptanforderung an einen Sprengstoff für den Grubensprengbetrieb ist die Fähigkeit, ohne externe Sauerstoffzufuhr vollständig zu verbrennen. In der Vergangenheit bestanden Sprengstoffe aus Nitroglyzerin, kohlenstoffhaltigem Material und einem Oxidationsmittel. Heute sind die gängigsten Sprengstoffe Gemische aus Ammoniumnitrat-Dünger und Heizöl (ANFO). Die Zündung erfolgt durch einen Hochexplosions-Sprengkapsel und/oder Primer. In einigen Fällen werden Emulsions- oder Gele-Sprengstoffkartuschen verwendet.

Nach der Vorbereitung wird die Abbaustelle von Arbeitern und Geräten geräumt und die Sprengung gezündet. Jedes Loch wird nur wenige Millisekunden versetzt gezündet, was zu einem Haufen rohen Eisenerzes führt, das auf eine Größe von minus 2 m × 2 m zerkleinert ist. Die weiten Löcher im Boden, die durch Bohren, Sprengen und Erzausbau entstehen, werden als „Tagebaue“ bezeichnet.

Nach dem Sprengen wird das zerkleinerte Erz als „Run-of-Mine“ (ROM) Erz bezeichnet. ROM-Erz wird von riesigen Elektroschaufeln, Hydraulikbaggern oder Frontladern auf Großraum-Muldenkipper geladen, die es zur Brech- und Siebstation transportieren.

Brechen und Sieben

Eisenerz handelserfüllender Güte muss vor der Beschickung in den Hochofen richtig dimensioniert sein. Die heutige Hochofentechnologie erfordert üblicherweise Brechen und Sieben von direkt beschickbarem Lumpenz auf eine Korngröße feiner als 10 mm und gröber als 30 mm. Die spezifische Größe wird basierend auf den Erzeigenschaften festgelegt, um eine hohe Gasdurchlässigkeit im Schacht zu gewährleisten und ausreichend Zeit für die Reduktion groberer Partikel zu lassen. Daher sind Brechen und Sieben integraler Bestandteil der Erzproduktionsanlagen.

Viele Minen setzen zwei bis drei Brechstufen ein. Einige Minen haben den Primärbrecher im Grubenbereich, der das zerkleinerte Erz über Förderbänder zu den Sekundär- und Tertiärbrechern oder direkt zu den Mühlen transportiert. Die Brechstufen reduzieren das Eisenerz von mehreren Fuß Durchmesser in der Primärstufe auf sechs Zoll bis zu einem halben oder drei Achteln Zoll als Endprodukt. Das Brecherprodukt wird dem Mahlbetrieb zur weiteren Größenreduzierung zugeführt.

Das Brechen umfasst üblicherweise einen Primärbackenbrecher mit Sekundärbrechern im geschlossenen Kreislauf mit Schwingsieben. Die Geräteauswahl wird weitgehend durch die Bröckelbarkeit des Erzes bestimmt. Die meisten Siebvorgänge bei hochgradigen Erzen sind trocken, es sei denn, der Feinanteil kann durch Entschlammung effektiv aufbereitet werden.

Die durch Brechen und Sieben entstehenden Feinanteile unter 10 mm werden meist durch Sintern agglomeriert oder manchmal für die Pelletierung gemahlen.

Das Abbauprogramm einzelner Minen wird entwickelt, um ein einheitliches Produkt zu erzeugen. Obwohl die meisten Belade- und Versandsysteme mehrere Handhabungsschritte umfassen, bieten sie oft nicht genug Mischung, um die heute von Stahlwerken geforderten Qualitätssicherungsstandards zu erfüllen, insbesondere wenn sowohl Größenkonstanz als auch chemische Standards vorgegeben sind. Fortschrittliche kombinierte Misch- und Verladestationen werden heute in Eisenerzminen fast universell bereitgestellt.

Stapel- und Rückgewinnungssysteme werden häufig eingesetzt. Beim Stapeln entsteht eine Schichtung der Eisenerze. Jede aufeinanderfolgende Schicht repräsentiert ein Eisenerz, das in Größenkonstanz oder chemischer Zusammensetzung von den angrenzenden Schichten abweichen kann. Der langgezogene Haufen wird bis zu einer Höhe aufgeschichtet, die durch die Stapelkapazität der Stapelmaschine begrenzt ist. Das Erz kann dann durch Eimerkettenbagger, Frontlader oder Querförderer zurückgewonnen werden. Die Entnahme vom Haufenfront ergibt einen Materialstrom, der eine einheitliche Mischung aus Erz aller Schichten darstellt. Das gemischte Erz wird dann an die Kunden versandt.

Die verschiedenen Schritte im Abbau sind in Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1 Schritte im Tagebau von Eisenerz

Umweltaspekte

Materialien, die durch Tagebau entstehen, umfassen Abraum, taubes Gestein und Grubenwasser. Weitere Abfälle können geringe Mengen an Öl und Fett sein, die während der Gewinnung verschüttet werden. Grubenwasser enthält normalerweise gelöste oder schwebende Bestandteile, die denen im Erzkörper ähnlich sind. Dazu können Spuren von Aluminium, Antimon, Arsen, Beryllium, Cadmium, Chrom, Kupfer, Mangan, Nickel, Selen, Silber, Schwefel, Titan und Zink gehören.

Wasser verursacht eine Vielzahl von Problemen im Eisenerzbergbau. Außer in seltenen Fällen, wie beim Bergbau auf Hügelkuppen oder unter Wüstenbedingungen, muss Wasser in Sickern, Brunnen oder untertägigen Grubenbauen gesammelt und aus der Grube gepumpt werden. Solches Abwasser wird oft direkt genutzt, um Wasserverluste in Aufbereitungsprozessen auszugleichen.