第1章　鐵礦物與鐵礦石

1.1　鐵礦物

鐵礦石是鋼鐵生產企業的重要原材料，種類繁多。在工業生產中，凡是含有可經濟利用的鐵元素的礦石叫作鐵礦石，天然鐵礦石經過破碎、磨碎、磁選、浮選、重選等程序逐漸選出其中的鐵礦物。目前自然界已發現的鐵礦物和含鐵礦物約有300余種，常見有170余種。可用作煉鐵原料的含鐵的礦物主要有磁鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦等。

1.1.1　磁鐵礦

磁鐵礦（相對分子質量為231.54），FeFe2O4或Fe3+（Fe2+Fe3+）O4，理論組成：FeO 31.03％，Fe2O368.96％或含Fe72.4％，O27.6％。其中Fe3+的類質同象代替有Al3+、Ti4+、Cr3+、V3+等；替代Fe2+的有Mg2+、Mn2+、Zn2+、Ni2+、Co2+、Cu2+、Ge2+等。當Ti4+代替Fe3+時，其中TiO2<25％時稱為含鈦磁鐵礦，TiO2>25％時稱為鈦磁鐵礦，還有釩磁鐵礦Fe2+（Fe3+，V3+）2O4，當含釩鈦較多，其中V2O5含量可達8.8％時稱為釩鈦磁鐵礦，鉻磁鐵礦Fe2+（Fe3+，Cr3+）O4，其中Cr2O5含量可達12％。

磁鐵礦為八面體晶形，等軸晶系，Oh7-Fd3m，a0=0.8396nm，Z=8。鐵黑色，條痕黑色，半金屬至金屬光澤，不透明，無解理，有時可見平行{111}的裂開，往往為含鈦磁鐵礦中呈顯微狀的鈦鐵晶石、鈦磁鐵礦的包裹體在{111}方向定向排列所致。性脆。硬度5.5～6。相對密度4.9～5.2。具強磁性，居里點（Tc）578℃。居里點是磁性礦物的一種熱磁效應，為磁性或反磁性物質加熱轉變為順磁性物質的臨界溫度值。磁鐵礦外形如圖1.1所示。

磁鐵礦產于還原性環境，主要成因類型有巖漿型、接觸交代型、高溫熱液型、區域變質型。

磁鐵礦分布廣，有多種成因。生于變質礦床和內生礦床中，巖漿成因礦床以瑞典基魯納為典型；火山作用有關的礦漿直接形成的以智利拉克鐵礦為典型；接觸變質形成的鐵礦以中國大冶鐵礦為典型；含鐵沉積巖層經區域變質作用形成的鐵礦品位低、規模大，俄羅斯、北美、巴西、澳大利亞和中國遼寧鞍山等地都有大量產出。磁鐵礦是煉鐵的主要礦物原料，也是傳統的中藥材。

1.1.2　赤鐵礦（鏡鐵礦）

赤鐵礦，分子式Fe2O3，同質多象變體：α-Fe2O3，三方晶系arh=0.5421nm，α=55°17'；Z=2。ah=0.5039nm，ch=1.3760nm；Z=6，剛玉型結構，在自然界中穩定；等軸晶系的磁赤鐵礦（γ-Fe2O3）是其同質多象體，尖晶石型結構，在自然界中呈亞穩定狀態。化學組成：Fe69.94％，O30.06％。常含類質同象替代的Ti、Al、Mn、Fe2+、Ca、Mg及少量的Ga、Co；常含金紅石、鈦鐵礦的微包裹體。隱晶質致密塊體中常有機械混入物SiO2、Al2O3。纖維狀或土狀者含水。據成分可劃分出鈦赤鐵礦、鋁赤鐵礦、鎂赤鐵礦、水赤鐵礦等變種。赤鐵礦外形如圖1.2所示。

赤鐵礦的形態特征與其形成條件的關系是：一般由熱液作用形成的赤鐵礦可呈板狀、片狀或菱面體的晶體形態；云母赤鐵礦是沉積變質作用的產物；鮞狀和腎狀赤鐵礦是沉積作用的產物。赤鐵礦結晶習性常呈板狀晶體，主要由板面與菱面等所成之聚形，在{0001}晶面上常出現有晶面條紋；集合體形態多樣，顯晶質的形態有鱗片狀、粒狀、塊狀，隱晶質及非晶質的形態有致密塊狀、腎狀、鮞狀、粉末狀等。強金屬光澤，片狀、鱗片狀的赤鐵礦稱為鏡鐵礦；細小鱗片狀或貝殼狀的鏡鐵礦稱為云母赤鐵礦，中國古稱“云子鐵”；依（0001）或近于（0001）連生的鏡鐵礦集合體為鐵玫瑰；呈鮞狀或腎狀者稱為鮞狀赤鐵礦或腎狀赤鐵礦；表面光滑明亮的紅色鐘乳狀赤鐵礦集合體為紅色玻璃頭；呈紅褐色土狀而光澤暗淡的稱為赭石，中國古稱“代赭”，而以“赭石”泛指赤鐵礦。顯晶質的赤鐵礦呈鋼灰色至鐵黑色，隱晶質及非晶質的赤鐵礦呈暗紅色至鮮紅色，但都具特征的櫻紅色條痕，金屬光澤至半金屬光澤，有時光澤暗淡。無解理；莫氏硬度5～6，密度5.0～5.3g/cm3。

赤鐵礦是在氧化條件下形成的，規模巨大的赤鐵礦礦床多與熱液作用和沉積作用有關。熱液型赤鐵礦的共生礦物除磁鐵礦、石英、重晶石、綠泥石、菱鐵礦及碳酸鹽礦物之外，常有方鉛礦、閃鋅礦、黃銅礦、毒砂等共生。沉積型赤鐵礦具有鮞狀、豆狀、腎狀等膠態特征。假象赤鐵礦是成礦環境富氧的一種標志。在氧濃度較低的環境條件下，赤鐵礦中的部分Fe3+被還原而形成磁鐵礦，這種磁鐵礦稱為穆磁鐵礦，穆磁鐵礦是成礦環境出現還原的一種證據。

鏡鐵礦（specularite），是赤鐵礦的變種，為一種較常見的鐵礦物，也是冶金工業的重要原料之一，屬復三方偏三角面體晶類。鏡鐵礦實質上是呈鐵黑色、金屬光澤的片狀赤鐵礦集合體，因具有晶面光亮如鏡而得名。細小鱗片狀、貝殼狀的鏡鐵礦集合體，則被稱為云母赤鐵礦。依（0001）連生的鏡鐵礦集合體，則被稱為鐵玫瑰。總體看來，鏡鐵礦是熱液作用的產物，可見于不同類型的熱液礦床中。

鏡鐵礦與赤鐵礦最大的不同在于：赤鐵礦無磁性，而鏡鐵礦常因含細小的磁鐵礦包裹體，具有一定的磁性。鏡鐵礦較赤鐵礦要穩定得多，在淺表風化剝蝕條件下，能夠較為穩定存在，與褐鐵礦、石英等共生，甚至能夠見于河流重砂中。與其他類型鐵礦床相比，鏡鐵礦獨立礦床比較少，常見于含鐵巖石中，如各類紅層、基性-超基性巖、中酸性巖及沉積變質巖的裂隙及構造巖帶中。也可以細脈浸染狀產于多數有色金屬-貴金屬礦區中，如云南姚安老街子鐵銅金銀礦、江西德興斑巖銅礦區、青海都蘭白石崖鐵多金屬礦、云南東川銅鐵礦、湖南瀏陽七寶山角礫巖筒型金銅礦等。

世界著名赤鐵礦（鏡鐵礦）礦床有美國的蘇必利爾湖、俄羅斯的克里沃伊洛格、意大利ELBA島、瑞士ST GOTTHARD、英國CUMBERLAND、巴西MINAS GEXAIS等。中國著名產地有遼寧鞍山、甘肅鏡鐵山、湖北大冶、湖南寧鄉和河北宣化等。

1.1.3　菱鐵礦

菱鐵礦分子式FeCO3。理論組成：FeO62.01％，CO237.99％。FeCO3與MnCO3和MgCO3可形成完全類質同象系列，與CaCO3形成不完全類質同象系列，因而其中常有Mn、Mg、Ca替代，形成變種的錳菱鐵礦、鈣菱鐵礦、鎂菱鐵礦等。

菱鐵礦為三方晶系，方解石型結構，復三方偏三角面體晶類。晶體呈菱面體狀、短柱狀或偏三角面體狀。通常呈粒狀、土狀、致密塊狀集合體。沉積層中的結核狀菱鐵礦呈球形隱晶質偏膠體，稱球菱鐵礦。

菱鐵礦為淺灰白或淺黃白色，有時微帶淺褐色；典型菱鐵礦外形如圖1.3所示。風化后為褐、棕紅、黑色。玻璃光澤，隱晶質無光澤。透明至半透明。解理完全。硬度4。相對密度3.7～4.0，隨Mn、Mg含量增高而降低。有的菱鐵礦在陰極射線下呈橘紅色。

沉積成因者，常產于黏土或頁巖層、煤巖層中，具有膠狀、鮞狀、結核狀形態，與鮞狀赤鐵礦、鮞狀綠泥石和針鐵礦等共生。在我國元古代、古生代地層中，都產有菱鐵礦層。東北遼河群的大栗子富鐵礦床，即由赤鐵礦體、磁鐵礦體及菱鐵礦體所組成，歷經成巖變質作用，菱鐵礦呈粒狀或致密塊狀。熱液成因者，可單獨存在或與鐵白云石和方鉛礦、閃鋅礦、黃銅礦、磁黃鐵礦等硫化物共生。有時交代石灰巖、白云巖等碳酸鹽巖，呈不規則的交代礦層出現。菱鐵礦在氧化帶不穩定，易分解成水赤鐵礦、褐鐵礦而成鐵帽。

菱鐵礦大量聚集時可作為鐵礦石。一般工業要求：煉鐵用礦石，同褐鐵礦石；需選礦石，邊界品位TFe≥20％，工業品位TFe≥25％。

我國菱鐵礦資源較為豐富，儲量居世界前列，已探明儲量18.34億噸，占鐵礦石探明儲量的3.4％，另有保有儲量18.21億噸。我國菱鐵礦主要分布在湖北、四川、云南、貴州、新疆、陜西、山西、廣西、山東、吉林等省（區），特別是在貴州、陜西、山西、甘肅和青海等西部省（區），菱鐵礦資源一般占全省鐵礦資源總儲量的一半以上，如陜西省柞水縣大西溝菱鐵礦礦床儲量超過3億噸。菱鐵礦多以碎屑穎粒或以膠結物的形式廣泛分布于不同環境沉積巖中，特別是在湖泊和海相沉積物中十分常見。從成因類型來看，主要有與中酸性（包括偏基性與偏堿性）巖漿侵入活動有關的接觸交代-熱液鐵礦床，如湖北大冶、福建馬坑、內蒙古黃崗等；與中性鈉質或偏鈉質火山侵入活動有關的鐵礦，如江蘇、安徽兩省的寧蕪鐵礦、云南大紅山鐵礦等；沉積型赤鐵礦和菱鐵礦床主要產于地臺型碎屑碳酸鹽建造中，如鄂西、贛西、湘東地區的赤鐵礦-菱鐵礦；變質沉積鐵礦，形成于中晚元古代及震旦紀的沉積鐵礦，如甘肅鏡鐵山、陜西大西溝、河北張家口等；風化淋濾殘積型鐵礦，主要是第四紀表生風化作用對早先形成的鐵礦床的改造，如廣東大寶山、貴州觀音山等。

由于菱鐵礦的理論鐵品位較低，且經常與鈣、鎂、錳呈類質同象共生，因此采用物理選礦方法鐵精礦品位很難達到45％以上，但焙燒后因燒損較大而可大幅度提高鐵精礦品位。菱鐵礦比較經濟的選礦方法是重選、強磁選，但該法難以有效地降低鐵精礦中的雜質含量。采用強磁選-浮選聯合工藝能有效地降低鐵精礦中的雜質含量，菱鐵精礦焙燒后可作為優質的煉鐵原料。世界著名的菱鐵礦產地有：波蘭的捷克波西米亞（Bohemia），德國的Harz山脈和Freiberg，法國Lorraine，英國Cornwall，葡萄牙BieraBaixa，美國賓州、密歇根州、猶他州、俄亥俄州東部、科羅拉多州、康乃狄格州Roxbury、新澤西州Franklin、加州San-BernardinoCounty、威斯康辛州Ladysmith、亞利桑那州AntlerMine、紐約州，育空Rapid-Creek，加拿大蒙特利爾FranconQuarry、魁北克MontSaint-Hilaire，巴西MinasGerais，秘魯Huancavelica，玻利維亞Tatasi，澳洲新南威爾州BrokenHill、ProspectHi。

1.1.4　鐵的氫氧化物（針鐵礦、纖鐵礦及褐鐵礦）

鐵的氫氧化物包括針鐵礦、水針鐵礦、纖鐵礦和水纖鐵礦及褐鐵礦等。

（1）針鐵礦

分子式為FeOOH，含有不定量吸附水者稱水針鐵礦（FeOOH·nH2O），理論組成：Fe2O389.86％，H2O10.14％。它們與纖鐵礦（FeOOH）、水纖鐵礦（FeOOH·nH2O）、更富水的氫氧化鐵膠凝體、鋁的氫氧化物、泥質等混合物。有時還含有Cu、Pb、Ni、Co、Au等，肉眼很難區分，統稱為褐鐵礦。

針鐵礦顏色紅褐、暗褐至黑色，經風化而成的粉末狀呈黃褐色；條痕褐黃色；金剛光澤至暗淡，纖維狀或鱗片狀的具絲絹光澤；解理{010}完全，{100}中等；斷口參差狀；莫氏硬度5～5.5；密度4～4.3g/cm3。針鐵礦形成于氧化條件下，是含低價鐵礦物風化的典型產物，也直接由無機和生物沉淀而形成于湖沼和泉水中，也見于大洋底的錳結核中。它是褐鐵礦的最主要組分，分布廣但很少大量富集，僅在少數產地可構成重要的鐵礦，如法國洛林沿法德邊界的所謂云煌巖礦等。針鐵礦是次要的煉鐵原料。針鐵礦外形如圖1.4所示。

（2）纖鐵礦

分子式FeOOH或α-FeOOH，理論組成：Fe2O389.9％，H2O10.1％。組分中常有少量的SiO2和CO2雜質存在，部分Mn3+代替Fe3+。含有不定量的吸附水量稱水纖鐵礦（FeOOH·nH2O）。斜方晶系，晶體結構為一水軟鋁石型。斜方雙錐晶類，晶體呈板狀或片狀；通常以鱗片狀、纖維狀或塊狀集合體產出。紅至紅褐色；條痕橘紅色。半金屬光澤。具三組相互垂直的解理。莫氏硬度4～5，密度4.09～4.10g/cm3。纖鐵礦石在氧化條件下含鐵礦物風化的產物，常與針鐵礦共生，但比針鐵礦少見。片狀纖鐵礦晶體有時是熱液礦床。纖鐵礦經脫水作用可形成磁赤鐵礦（γ-Fe2O3）。纖鐵礦外形如圖1.5所示。

（3）褐鐵礦

“褐鐵礦”一詞并不是礦物的種名，通常是針鐵礦、水針鐵礦的統稱。因為這些礦物顆粒細小，難于區分，故統稱為“褐鐵礦”。早先研究者通常認為褐鐵礦是成分為2Fe2O3·3H2O的一種獨立礦物，但目前X射線衍射分析表明，它們大部分是隱晶質的針鐵礦，可混有纖鐵礦、赤鐵礦、石英、黏土等，含吸附水及毛管水，成分可變，物理性質亦可變，但基本上為FeO（OH）·nH2O。褐鐵礦外形如圖1.6所示。

褐鐵礦常呈致密塊狀或膠態（腎狀、鐘乳狀、葡萄狀、結核狀、鮞狀），似膠態條帶狀，或土狀、疏松多孔狀等。亦有呈細小針狀結晶者，則多為針鐵礦。呈細小鱗片狀者，多為纖鐵礦（又稱紅云母）。有時褐鐵礦由黃鐵礦氧化而來，并保存有黃鐵礦的假象，稱假象褐鐵礦。在腎狀、鐘乳狀褐鐵礦表面常有一層光亮瀝青黑色的薄殼（由褐鐵礦脫水而來）并現錆色，通稱為“玻璃頭”。

褐鐵礦呈黃色、褐色、褐黑-紅褐色。條痕黃褐色或棕黃色，硬度1～4，土狀者硬度較小，相對密度3.3～4.0。褐鐵礦是表生作用產物，主要成因類型為風化型及沉積型。

風化型；含鐵的硫化物（如黃鐵礦、黃銅礦）、氧化物（如赤鐵礦、磁鐵礦）、碳酸鹽（如菱鐵礦）、硅酸鹽（如海綠石、黑云母）等礦物，經過基本上同時進行的氧化和水化作用之后一般轉化為褐鐵礦。這一作用稱為褐鐵礦化作用。褐鐵礦化在地表幾乎到處可見。當褐鐵礦在金屬礦床氧化帶露頭上分布有一定面積時稱為“鐵帽”，多由原生礦石和圍巖中含鐵礦物褐鐵礦化而成。一般根據“鐵帽”的顏色、構造和所含微量元素及次生的伴生礦物等標志（次生礦物常與原生礦物的種類和結構構造有一定的關系），可推斷深部原生礦床的種類，因此鐵帽是很好的找礦標志。當褐鐵礦呈大面積分布并大量富集時，可作鐵礦床開采。

沉積型：常為海相和湖相沉積。系由氫氧化鐵的膠體溶液凝聚而成。大量聚集時可成礦床。

褐鐵礦礦石一般含鐵在35％～40％之間，高者可達50％，有害雜質S、P通常較高。我國探明褐鐵礦儲量12.3億噸，占全國礦石探明儲量的2.3％。主要分布于云南、廣東、廣西、山東、貴州、江西、新疆和福建。由于褐鐵礦中富含結晶水，因此采用物理選礦方法，鐵礦精礦品位很難達到60％，但與菱鐵礦相同，焙燒后因燒失較大而大幅度提高鐵精礦品位。褐鐵礦在磨礦過程中極易泥化，難以獲得較高的金屬回收率。近年來，隨著新型高梯度強磁選機和新型高效反浮選藥劑的研制成功，強磁選、反浮選、正浮選、焙燒-磁選聯合流程等都取得明顯進展。

褐鐵礦的含鐵量雖低于磁鐵礦和赤鐵礦，但因它較疏松，易于冶煉，所以也是重要的鐵礦石。世界著名礦產地是法國的洛林、德國的巴伐利亞、瑞典等地。

1.1.5　鈦鐵礦

鈦鐵礦分子式為FeTiO3，理論組成：TiO252.66％，FeO47.34％。晶體屬三方晶系的氧化物礦物，arh=0.553nm，α=54°49'；Z=2。或ah=0.509nm，ch=1.407nm；Z=6，Fe2+與Mg2+、Mn2+間可為完全類質同象代替，形成FeTiO3-MgTiO3或FeTiO3-Mn-TiO3系列。以FeO為主時稱為鈦鐵礦，MgO為主時稱為鎂鈦礦，MnO為主時稱為紅鈦錳礦。常有Nb、Ta等類質同象替代。在>960℃的高溫條件下，FeTiO3-Fe2O3可形成完全固溶體。隨溫度下降，在約600℃，FeTiO3-Fe2O3固溶體出溶，在鈦鐵礦中析出赤鐵礦的片晶，并平行于（0001）定向排列。

鈦鐵礦顏色為鐵黑色或鋼灰色。條痕為鋼灰色或黑色。含赤鐵礦包體時呈褐色或帶褐的紅色條痕。金屬-半金屬光澤。不透明，無解理。硬度5～6.5，相對密度4～5。弱磁性。鈦鐵礦外形如圖1.7所示。斜長石、白云母、石英、磁鐵礦等共生。鈦鐵礦往往在堿性巖中富集。由于其化學性質穩定，故可形成沖積砂礦，與磁鐵礦、金紅石、鋯石、獨居石等共生。根據晶形、條痕、弱磁性可與赤鐵礦或磁鐵礦區別。鈦鐵礦是最重要的鈦礦石礦物。

鈦鐵礦主要為巖漿型和偉晶型。巖漿型鈦鐵礦常作為副礦物，或在基性、超基性巖中分散于磁鐵礦中成條片狀，與頑輝石、斜長石等共生。偉晶型鈦鐵礦產于花崗偉晶巖中，與微

我國鈦磁鐵礦主要礦床分布在四川省的攀枝花和紅格，米易的白馬，西昌的太和；河北省承德的大廟、黑山，豐寧的招兵溝，崇禮的南天門；山西省左權的桐峪；陜西省洋縣的畢機溝；新疆的尾亞；河南省舞陽的趙案莊；廣東省興寧的霞嵐；黑龍江省的呼瑪；北京市昌平的上莊和懷柔的新地。其中四川省表內儲量占全國同類儲量的95.1％，河北省占3.3％，陜西省占0.46％，山西省占0.35％。

截至2010年年底，我國保有原生鈦（磁）鐵礦儲量3.6億噸（其中A+B+C級別2.3億噸）；鈦鐵礦（砂礦）儲量3803.19萬噸（其中A+B+C級別2147.17萬噸）；若將我國2010年保有鈦鐵礦砂礦的A+B+C級礦物儲量2147.17萬噸按含TiO248％折算，則其TiO2儲量為1030.64萬噸，僅占同年世界鈦鐵礦（TiO2）27000萬噸的3.83％；若再將其與原生鈦磁鐵礦巖礦（TiO2）的A+B+C級儲量（23191.50萬噸）中目前可利用的約占50％以粒狀鈦鐵礦產出的（TiO2）儲量11595.75萬噸相加，其TiO2總儲量為12626.4萬噸，則占同年世界鈦鐵礦（TiO2）儲量27000萬噸的47.76％，從這個意義上說，我國可稱為世界鈦鐵礦資源最豐富的國家。

除我國以外，世界上著名鈦鐵礦礦山還有俄羅斯的伊爾門山、挪威的克拉格勒和美國懷俄明州的鐵山、加拿大魁北克的埃拉德湖等。

1.1.6　含鐵硅酸鹽礦物

硅酸鹽礦物在自然界分布較廣泛，已知的硅酸鹽有800余種，約占已知礦物種的1/3。含鐵硅酸鹽礦物很多，如：橄欖石（Mg，Fe）2SiO4，電氣石Na（Mg，Fe，Mn，Li，Al）3Al6［Si6O18］［BO3］（OH，F）4，角閃石（Ca，Mg，Al，Fe，Mn，Na2，K2）SiO3，黑云母K（Mg，Fe）3［AlSi3O10］（OH）2等，在鐵礦物中不同程度地會含有鐵硅酸鹽礦物。以這種形式賦存的鐵礦物在目前的選冶條件下難以回收，因此將其作為合理的金屬損失而以尾礦的形式丟棄。