Rudy żelaza – Wikipedia, wolna encyklopedia

Rudy żelaza – rudy, w których głównym surowcem mineralnym są minerały żelaza^[1][2], podstawowy surowiec w hutnictwie żelaza.

Rudy żelaza są zróżnicowane genetycznie, wyróżnia się wśród nich złoża rud metamorficznych, osadowych, wietrzeniowych, magmowych, skarnowych i hydrotermalnych. Rudy żelaza zaczęto wydobywać celem uzyskania z nich metalu co najmniej 1,2 tys. lat p.n.e., przypuszczalnie w Azji Mniejszej. Aż do XVIII w. eksploatowano głównie złoża osadowe i wietrzeniowe, w których głównym minerałem rudnym był goethyt, pozyskiwano także złoża syderytowe różnej genezy. Od XIX w. upowszechniło się wydobycie rud ze złóż metamorficznych, hematytowo-magnetytowych i od XX w. są one głównym źródłem żelaza pozyskiwanego z rud. W wydobyciu stosuje się zarówno metody odkrywkowe, jak i podziemne, przy czym od drugiej połowy XX w. dominują kopalnie odkrywkowe. W 2018 r. wydobycie rud żelaza wyniosło 2,5 mld ton, a największymi producentami były: Australia (900 mln ton), Brazylia (490 mln ton), Chiny (340 mln ton) i Indie (200 mln ton). Światowe zasoby rud szacowano na ponad 800 mld ton. Rudy żelaza wydobywa się prawie wyłącznie w celu pozyskania z nich żelaza, niewielkie zastosowanie znajdowały niektóre rodzaje rud w budownictwie, przemyśle chemicznym i przy oczyszczaniu gazów przemysłowych.

 Osobny artykuł: Żelazo.

Głównymi minerałami rudnymi rud żelaza są: magnetyt (ponad 72% Fe), hematyt (70% Fe), goethyt – główny składnik limonitu (63% Fe), syderyt (62% Fe), szamozyt (ponad 45% Fe), turyngit^[3][4], piryt^[5]. Występuje też, choć bardzo rzadko, żelazo rodzime, zarówno o genezie ziemskiej, jak i pochodzące z meteorytów^[6].

Rudy żelaza mogą być określane nazwą głównego minerału rudnego, np. rudy magnetytowe, hematytowe, syderytowe. Jednak podstawowa klasyfikacja bazuje na typie genetycznym złóż tych rud, a mianowicie:

• złoża metamorficzne – związane z prekambryjskimi kwarcytami zbudowanymi z naprzemianległych warstewek bogatych w żelazo i bardzo ubogich w ten pierwiastek (wstęgowe rudy żelaziste). Zaczęto je eksploatować na większą skalę w XIX w. Jest to główny typ złóż, z których wydobywa się rudę żelaza w XX i XXI w.; na początku lat 70. XX w. pozyskiwano z nich przeszło 50% globalnej produkcji żelaza. Rudy związane z tym typem zawierają od 20 do 65% czystego żelaza^[7], do połowy XX w. wydobywano głównie te mające powyżej 50% żelaza, później opracowano technologię wzbogacania rud uboższych i zaczęto na szeroką skalę eksploatować również uboższe rudy^[7][8]. Minerałami rudnymi są głównie hematyt i magnetyt. Tego typu wielkie złoża są eksploatowane w rejonie Kurska (Rosja), Krzywego Rogu (Ukraina), w Kanadzie (region Labrador), w Minas Gerais w Brazylii^[7], USA (na południe i wschód od Jeziora Górnego) i w Australii^[9].
• złoża osadowe – mogą się wiązać zarówno z osadem powstałym w morzu, jak i na lądzie. Ważniejsze gospodarczo w XX w. były rudy powstałe w środowisku morskim, na początku lat 70. XX w. pochodziło z nich najwięcej wydobywanego żelaza – wśród wszystkich rud nie mających genezy metamorficznej. Są to złoża o niezbyt dużej zawartości procentowej żelaza, wynoszącej 28 do 40%. Minerałami rudnymi są głównie syderyt, limonit, hematyt, szamozyt. Budują one ooidy, tworzące skały oolitowe, tzw. oolitowe rudy żelaza. Tego typu złoża były eksploatowane na dużą skalę na półwyspie Kerczeńskim w Krymie oraz w Lotaryngii i przyległych obszarach^[10], a także w Anglii^[11]. Złoża te są ze skałami jury^[12]. Do złóż lądowych należą te, które utworzyły się w efekcie wietrzenia odmian skał magmowych bogatszych w żelazo i koncentracji minerałów żelaza w eluwium^[10], a także rudy darniowe i pokrewne (rudy bagienne, jeziorne)^[13].
• złoża wietrzeniowe – głównym minerałem rudnym jest goethyt, tworzący skupienia limonitu (żelaziak brunatny) lub będący istotnym składnikiem pokryw laterytowych. W warunkach klimatu gorącego i wilgotnego w efekcie wietrzenia skał zawierających żelazo wiele składników rozpuszczalnych jest odprowadzana, a nierozpuszczalne związki utlenionego żelaza pozostają na miejscu, wskutek czego koncentracja żelaza wzrasta w tworzącej się zwietrzelinie, co czasem prowadzi do powstania niskoprocentowej (zwykle do 30%) rudy żelaza. Wietrzeniowe złoża limonitu były przed rewolucją przemysłową dość powszechnie eksploatowane, jednak ze względu na niską zawartość metalu i małą wielkość poszczególnych złóż utraciły większe znaczenie gospodarcze. Z kolei złoża laterytowe zawierają wielkie ilości żelaza i rozpatrywane są jako przyszłościowy surowiec tego pierwiastka^[14][15], choć wydobywane były tylko lokalnie, np. na Mindanao i na Kubie^[7]. Wietrzenie górnych stref innych rud żelaza, np. wstęgowych, również może prowadzić do powstania wzbogaconych złóż wietrzeniowych, gdzie zawartość żelaza przekracza 55%^[14][15].
• złoża magmowe – głównymi minerałami rudnymi są magnetyt i tytanomagnetyt. Są to złoża o bardzo dużej zawartości procentowej żelaza, wynoszącej 55 do 70%. Tego typu złoża są eksploatowane m.in. koło miasta Kiruna (północna Szwecja)^[16].
• złoża skarnowe – związane ze skarnami. Głównymi minerałami rudnymi są magnetyt i hematyt, a zawartość żelaza jest dość wysoka (45–60%), choć częste są domieszki siarczków, negatywnie wpływających na jakość rudy. Duże złoża żelaza typu skarnowego występują na Uralu (np. Magnitnaja), w USA (Utah, Iron Springs), na Elbie i w Rumunii (Banatu)^[17].
• złoża hydrotermalne – są to zwykle dość niewielkie złoża, w postaci żył, współcześnie o małym znaczeniu gospodarczym, lecz ważne w przeszłości. Minerałami rudnymi są głównie syderyt i hematyt. Duże złoże tego typu, związane z okruszcowaniem syderytowym, istnieje w górze Erzberg (Styria, Austria)^[18].
• żelazo pozyskiwano też ze złóż siarczków żelaza: pirytu, markasytu oraz pirotynu w trakcie produkcji z tych minerałów kwasu siarkowego, gdy w procesie wyprażania minerałów tworzą się odpady, tzw. wypałki zawierające ponad 60% Fe. Główne złoża pirytów mają genezę magmowa i hydrotermalną^[19]. Żelazo z tych złóż pozyskiwano na szerszą skalę od XIX w. Od drugiej poł. XX w. pozyskanie żelaza z pirytu stopniowo zanikało ze względu zarówno na ochronę środowiska, jak i fakt, iż większość siarki pozyskuje się z oczyszczania gazów przemysłowych itp., a resztę ze złóż siarki rodzimej^[20].

Ustalenie, kiedy ludzie nauczyli się wytapiać żelazo z rudy jest trudne i budzi spory naukowe, gdyż najstarsze wyroby żelazne pochodzące z epoki brązu są bardzo nieliczne i mogły być wykonane z żelaza wytopionego z rud lub z żelaza meteorytowego^[21]. Do początków XXI w. sądzono, że genezę żelaza w artefaktach da się określić dzięki pomiarowi zawartości w nim niklu. Bogate w nikiel traktowano jako meteorytowe, a ubogie lub pozbawione tego pierwiastka jako pochodzenia ziemskiego^[22] i ustalono, że w epoce brązu wykonywano przedmioty z obu rodzajów żelaza, choć najstarsze były tylko z surowca meteorytowego^[23]. Uważano, że wytapiać żelazo z rudy zaczęto około 2 tys. lat p.n.e., przypuszczalnie w Azji Mniejszej^[24]. Jednak wyniki badań opublikowane w 2017 r. wykazały, iż zawartość niklu w żelazie nie jest pewnym wskaźnikiem pochodzenia żelaza, a zastosowana nowa metoda określania pochodzenia żelaza w artefaktach epoki brązu doprowadziła do konkluzji, że większość żelaznych artefaktów tych czasów, o ile nie wszystkie, wykonano z żelaza meteorytowego^[21]. Niewątpliwe pozyskiwanie tego metalu z rud zaczęło się około 1300–1200 r. p.n.e.^[25][22], czyli na początku epoki żelaza na Bliskim Wschodzie. Później techniki wytopu żelaza, a więc i wydobycie rud, szybko upowszechniły się w pasie Eurazji od strefy śródziemnomorskiej do Chin. Od tej epoki, aż do początków XXI w., żelazo pozyskiwane z rud stało się podstawowym metalem użytkowanym przez człowieka w Eurazji, a później i na innych kontynentach^[26]. W Amerykach żelazo zaczęto stosować i wydobywać dopiero w wyniku pojawienia się tam Europejczyków^[27]. Do XVIII w. podstawowymi eksploatowanymi złożami były rudy ze stref wietrzeniowych i złóż osadowych^[28][29], dla Europy Zachodniej, Środkowej (na północ od Alp i Karpat), centralnej i północnej części Wschodniej i dla Skandynawii ważne były rudy darniowe, eksploatowane od VIII w. p.n.e. do połowy XX w.^[28][30], w których głównym minerałem złożowym był goethyt^[31][32]. Były to rudy ubogie w żelazo, a ich złoża niewielkie^[33]. Eksploatowano też już od starożytności syderyty, na mniejszą skalę także inne typy rud^[29].

Zapotrzebowanie na żelazo i stopy żelaza (głównie stal) oraz wynikłe z tego wydobycie rud tego metalu zaczęło znacząco wzrastać w wyniku rewolucji przemysłowej, najpierw w Europie w XVIII w., a w Stanach Zjednoczonych w połowie XIX w.^[34] Pojawiło się więc zapotrzebowanie na eksploatację złóż znacznie większych i o większej zawartości żelaza niż dotychczasowo wykorzystywane darniowe lub wietrzeniowe. W Europie wielkie znaczenie zyskało wówczas wydobycie rud powstałych w fanerozoiku w środowisku morskim, w tym oolitowych rud żelaza^[35], zawierających zwykle 28 do 40% żelaza, zawartego w syderycie, goethycie, hematycie i szamozycie^[10]. Tego typu rudy zaczęto też wydobywać w Appalachach w USA, zwłaszcza w okolicach miasta Birmingham, jednak w odróżnieniu od Europy złoża tego typu rud były relatywnie niewielkie^[35]. Dlatego przełomowym dla hutnictwa żelaza USA stało się odkrycie potężnych magnetytowych złóż żelazistej formacji wstęgowej w skałach prekambru nieopodal południowych wybrzeży Jeziora Górnego, które zaczęto wydobywać od 1848 r., a w latach 1885–1903 uruchomiono wydobycie także na wschód od tego jeziora^[36].

W XX w. wydobycie rud żelaza dalej rosło, przy czym gwałtowny wzrost nastąpił od połowy wieku, co wiązało się, oprócz wzrostu zapotrzebowania, także z wdrożeniem do produkcji technologii wzbogacania niskoprocentowych (20–40% żelaza) wstęgowych rud żelazistych, co umożliwiło ekonomicznie eksploatację tego typu złóż, ocenianych jako największe na świecie, w dodatku występujących też w wielu rejonach świata, gdzie koszt ich wydobycia jest niższy niż w USA i Europie Zachodniej^[37]. Jednocześnie udział rud żelaza jako surowca w produkcji żelaza i stali zaczął się istotnie zmniejszać na rzecz złomu wyrobów żelaznych i stalowych. Udział surowców żelaznych pozyskanych z recyklingu wynosił na przełomie XX/XXI w. 57% całej produkcji żelaza i stali^[38].

Rudy żelaza, w zależności m.in. od głębokości zalegania i formy złoża, wydobywa się odkrywkowo lub metodami podziemnymi, przy czym o ile w połowie XX w. stosunkowo liczne były kopalnie podziemne, to już pod koniec XX w. dominowała eksploatacja w kopalniach odkrywkowych, ze względu na wielkopowierzchniowy charakter złóż rud wstęgowych, ich dość płytkie zaleganie i niższy koszt takiej eksploatacji^[39].

Światowe zasoby rud żelaza szacowano zarówno w 1910 r., jak i w 1937 r. na ok. 146 mln ton, prawie wyłącznie z Europy i obu Ameryk^[40].

W 1931 r. wydobywano rocznie ok. 119 mln ton rudy, największymi dostawcami rudy były w kolejności: Francja, USA i ZSRR^[41].

W 1941 wydobywano rocznie ok. 218 mln ton rudy, największymi dostawcami rudy były: USA, ZSRR, Wielka Brytania^[41].

Na przełomie lat 50/60 XX w. wydobywano rocznie ok. 400 mln ton, największymi dostawcami rudy były: USA, ZSRR i Francja^[42].

W roku 1990 zasoby przemysłowe rud żelaza wynosiły prawie 150 mld ton. Wydobycie rud na świecie w tym roku wyniosło ponad 990 mln ton, a największymi producentami były: Chiny (ponad 200 mln ton), Brazylia (190 mln ton) i Australia (150 mln ton). Żaden z pozostałych krajów nie osiągał 80 mln ton rocznego wydobycia^[43].

W 2018 r. wydobycie rud żelaza wyniosło 2,5 mld ton, a największymi producentami były: Australia (900 mln ton), Brazylia (490 mln ton), Chiny (340 mln ton) i Indie (200 mln ton). Światowe zasoby rud szacowano na ponad 800 mld ton^[44].

Opłacalność wydobycia rud ze złóż zależy od zawartości żelaza w rudzie, geologicznych warunków złoża, zwłaszcza głębokości jego zalegania oraz wielkości, uwarunkowań logistycznych dostępu do rejonu, w którym złoże się znajduje, a także od obecności w rudzie kopalin towarzyszących i domieszek korzystnych (np. manganu) lub szkodliwych domieszek^[45]. Do tych ostatnich zalicza się fosfor i arsen, a także siarkę, kobalt, miedź. Szkodliwe domieszki nie dyskwalifikują rudy, czasem wystarczy mieszać rudę z takimi domieszkami z rudą bez nich celem obniżenia zawartości danego pierwiastka we wsadzie hutniczym, zwykle jednak sprawiają, że konieczne jest poniesienie kosztów na ich redukcję albo neutralizację lub ograniczają zakres stosowalności uzyskanego z rudy żelaza. Skutkuje to niższą ceną rudy z takimi domieszkami^[46][47].

 Osobny artykuł: Rudy żelaza w Polsce.

 Osobny artykuł: Hutnictwo.

Rudy żelaza wydobywa się prawie wyłącznie w celu pozyskania z nich żelaza i ewentualnie pierwiastków towarzyszących (np. wanad, tytan)^[48]. Rudy darniowe wykorzystywane też były jako materiał budowlany^[49], ochrę, czyli zwietrzałe rudy bogate w limonit i hematyt stosowano do wyrobu barwników, odpowiednio żółtych i czerwonych^[32][50][51], a rudy bogate w goethyt w produkcji filtrów oczyszczających gazy^[31]. Jaspility (wstęgowe rudy żelaziste) wykorzystuje się jako kamień ozdobny i szlifierski^[52], hematyt używany jest do produkcji środków polerujących oraz jako kamień ozdobny^[50], a magnetyty jako materiał ścierny, ponadto w przeszłości robiono z nich igły kompasów^[53].

• KarolK. Bohdanowicz KarolK., Surowce mineralne świata, t. I, Państwowy Instytut Geologiczny, 1952 (Prace Specjalne nr 3), OCLC 496420464 .
• JamesJ. Craig JamesJ., David J.D.J. Vaughan David J.D.J., Brian J.B.J. Skinner Brian J.B.J., Zasoby Ziemi, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2003, ISBN 83-01-14035-6 .
• AlbertA. Jambon AlbertA., Bronze Age iron: Meteoritic or not? A chemical strategy, „Journal of Archaeological Science”, 88, 2017, s. 47–53, DOI: 10.1016/j.jas.2017.09.008 .
• AntoniA. Polański AntoniA., Geochemia i surowce mineralne, Warszawa: Wydawnictwa Geologiczne, 1974, OCLC 9261679 .
• TadeuszT. Ratajczak TadeuszT., GrzegorzG. Rzepa GrzegorzG., Polskie rudy darniowe, Kraków: Wydawnictwa AGH, 2011, ISBN 978-83-7464-391-7 .
• JerzyJ. Żaba JerzyJ., Ilustrowana encyklopedia skał i minerałów, Chorzów: Wydawnictwa Videograf, 2014, ISBN 978-83-7835-297-6 .

• Iron Ore Statistics and Information (ang.) – strona U.S. Geological Survey (Służby Geologicznej USA) z danymi statystycznymi o wydobyciu rud żelaza na świecie