Applying geoscience to Australia’s most important challenges

Introduction

Stahlbrücke. Quelle: Wikimedia Commons

Eisen ist das Rückgrat der Welt, die wir um uns herum aufgebaut haben, und es ist der Grundbestandteil von Stahl (Eisen plus Kohlenstoff). Eisen ist ein sehr nützliches Metall, weil es mit anderen Metallen gemischt werden kann, um eine ganze Reihe von „Legierungen“ herzustellen, die noch stärker sind und nicht so leicht rosten und zu Produkten geformt werden können, von Autos bis zu Stecknadeln, Haushaltsgeräten bis zu Gebäuden, Brücken bis zu Eisenbahnen, Konservendosen bis zu Werkzeugen. Kurz gesagt, wir sind auf Eisen (als Stahl) angewiesen, um fast alles herzustellen, was wir zum Leben im 21. Heute verwenden wir zwanzigmal mehr Eisen (in Form von Stahl) als alle anderen Metalle zusammen.

Eisen (Fe) ist eines der am häufigsten vorkommenden gesteinsbildenden Elemente und macht etwa 5 % der Erdkruste aus. Es ist nach Sauerstoff, Silizium und Aluminium das vierthäufigste Element und nach Aluminium das am häufigsten vorkommende und weit verbreitete Metall. Das Magnetfeld der Erde ist auf das Eisen (und Nickel) in ihrem Kern zurückzuführen. Wenn wir also einen Kompass benutzen, nutzen wir das Eisen unter uns. Eisen ist ein silbergraues Metall, das schnell rostet, wenn es der Luft und dem Wasser ausgesetzt wird. Es ist verantwortlich für die rote Farbe in vielen unserer Gesteine und die tiefroten Sande der australischen Wüsten. Eisen kommt normalerweise nicht in reiner Form in Gesteinen vor, sondern ist mit Sauerstoff in Erzmineralien wie Hämatit (vom griechischen Wort für „Blutstein“) verbunden.

Eigenschaften

In der Erdkruste kommt Eisen hauptsächlich als Mineralien aus Eisenoxid wie Hämatit, Magnetit, Goethit und Limonit vor. Die Mineralien, die am häufigsten als Erz für die Eisenherstellung verwendet werden, sind Hämatit (Fe2O3) und Magnetit (Fe3O4). Eisen ist recht weich und leicht zu bearbeiten, hat aber einen sehr hohen Schmelzpunkt von 1538°C. Eisen und einige Legierungen aus Eisen sind auch magnetisch.

Hämatit und Hämatit-Pulver auf einer Schlierenplatte. Quelle: Geoscience Australia

Eisen ist etwa achtmal schwerer als Wasser (seine relative Dichte beträgt 7,87). Wenn Eisen der Luft ausgesetzt wird, beginnt es, sich wieder in Eisenoxid zu verwandeln und das rote Pulver, das sich auf der Oberfläche von Eisen bildet, ist das, was wir Rost nennen. Sie haben vielleicht schon Rost an alten Autos oder alten Eisenschuppen gesehen. Um Eisen stärker und weniger rostanfällig zu machen, kann es mit Kohlenstoff und anderen Elementen kombiniert werden, um Stahl herzustellen. Stahl ist eines der am häufigsten recycelten Produkte der Welt, wobei etwa 60 % des für das Recycling verfügbaren Stahls wieder in die Herstellung von neuem Stahl fließt.

Verwendung

Stahlmast zur Aufhängung von Freileitungen. Quelle: Wikimedia Commons

Ungefähr 98 % der weltweiten Eisenerzproduktion wird zur Herstellung von Eisen in Form von Stahl verwendet. Eisen in gegossener Form hat viele spezifische Verwendungszwecke (z. B. Rohre, Armaturen, Motorblöcke), aber reines Eisen ist ziemlich weich. Durch Hinzufügen einer kleinen Menge Kohlenstoff (normalerweise weniger als 1 %) wird Eisen zu Stahl, der wesentlich härter und extrem vielseitig ist. Es gibt viele verschiedene Arten von Stahl, die durch Hinzufügen von Kohlenstoff zusammen mit anderen Elementen wie Chrom, Mangan, Nickel, Molybdän hergestellt werden, um eine Reihe von Legierungen mit unterschiedlichen Eigenschaften zu bilden (z. B. rostfreier Stahl). Durch Veränderung der Anteile dieser zusätzlichen Elemente ist es möglich, Stähle für eine Vielzahl von Verwendungen herzustellen. Die folgende Tabelle zeigt die besonderen Eigenschaften und Verwendungen einiger Eisenverbindungen.

Die wünschenswerten Eigenschaften von Stahl und seine relativ geringen Kosten machen ihn zum wichtigsten Konstruktionsmetall in Ingenieur- und Bauprojekten, Es macht etwa 90 % des gesamten jährlich verwendeten Metalls aus. Etwa 60 % der Eisen- und Stahlprodukte werden im Transport- und Bauwesen verwendet, 20 % im Maschinenbau, der Rest in Dosen und Behältern (in der Öl- und Gasindustrie) sowie in verschiedenen Geräten und anderen Ausrüstungen, siehe Tabelle unten für weitere Verwendungen von Eisen und Stahl.

Geschichte

Coolac Meteorit – Eisenmeteorit. R21381. Quelle: Geoscience Australia

Eisen gehört zu den ältesten Metallen, die der Mensch kennt. Der paläolithische Mensch verwendete fein gemahlenen Hämatit als Körperbemalung. Um 4000 v. Chr. verwendeten die Ägypter und Sumerer erstmals Eisen aus Meteoriten, um Perlen, Schmuck, Waffen und Werkzeuge herzustellen. Die Zeitlinie der Eisenzeit variierte geographisch; zum Beispiel schmiedeten die Hethiter Eisen (sie erhitzten es, hämmerten es und kühlten es dann schnell ab, um Eisen zu produzieren, das härter war als die Bronze, die die Menschen zuvor benutzt hatten) um den Zeitraum von 1300 – 1100 v. Chr. und ähnlich laut Tewari (2003), zeigen archäologische Beweise, dass die Eisenverarbeitung in Indien um 1800 bis 1000 v. Chr. stattfand. Zur Zeit des Römischen Reiches wurde Eisen für Betten, Tore, Streitwagen, Nägel, Sägen, Äxte, Speere, Angelhaken und Werkzeuge zum Schärfen verwendet. Während des Mittelalters, mit der Einführung der Eisenkanone und der Kanonenkugel, stieg der Verbrauch von Eisen und überholte Kupfer und Bronze als das am meisten verwendete Metall. Im späten 19. Jahrhundert begann das Zeitalter des Stahls: Holzschiffe wichen dem Stahl, Maschinen kamen in die Fabriken und die Erfindung der Eisenbahn. Eisen ist für die moderne Zivilisation unverzichtbar, und die Menschen sind seit mehr als 3.000 Jahren in seinem Gebrauch geübt. Seine Verwendung verbreitete sich jedoch erst im 14. Jahrhundert, als Schmelzöfen (der Vorläufer der Hochöfen) die Schmieden zu ersetzen begannen.

Formation

Banded Iron Formation bei den Fortescue Falls, Western Australia. Quelle: Wikimedia Commons

Eisenerze sind Gesteine, aus denen metallisches Eisen wirtschaftlich abgebaut werden kann. Die meisten Eisenerzvorkommen der Welt befinden sich in Gesteinen, die als „Banded Iron Formations“ (BIFs) bekannt sind. Dabei handelt es sich um Sedimentgestein, das abwechselnd aus eisenhaltigen Mineralien und einem feinkörnigen Silikatgestein namens Hornstein besteht.

Viele der heute abgebauten Bändereisen-Formationen sind vor Millionen von Jahren entstanden. Vor etwa 3000 Millionen Jahren gab es keinen oder nur sehr wenig gelösten Sauerstoff in den Ozeanen. Allerdings enthielten die Ozeane eine Menge gelöster Kieselsäure, die aus der Verwitterung von Gesteinen stammte. Hin und wieder fiel diese Kieselsäure aus dem Meerwasser als Schichten von Kieselgel aus, die langsam zu dem Gestein aushärteten, das wir Hornstein nennen. Auch lösliches Eisenoxid entstand bei der Verwitterung von Gesteinen und wurde ebenfalls von Flüssen ins Meer gespült.

Vor etwa 2500 Millionen Jahren wurden die Ozeane von Bakterien besiedelt, die die Fähigkeit zur Photosynthese und Sauerstoffproduktion entwickelten. Es gab saisonale „Blüten“, die riesige Mengen an Sauerstoff ins Meerwasser abgaben, der mit dem löslichen Eisenoxid zu unlöslichem Eisenoxid reagierte. Dieses fiel als Magnetit und Hämatit aus und bildete Eisenschichten zwischen den anderen Sedimentschichten auf dem Meeresboden.

Über viele Millionen Jahre hinweg wiederholten sich diese Prozesse der Ausfällung von Kieselsäure und Eisenoxid immer wieder, so dass sich abwechselnd Schichten aus Hornstein, Hämatit und Magnetit ablagerten. Der Name Bändereisenbildung kommt von der charakteristischen Farbbänderung dieser riesigen Ablagerungen. Der Prozess dauerte fast eine Milliarde Jahre an und führte schließlich zur Anreicherung von Sauerstoff in der Atmosphäre.

Ressourcen

Die meisten der wichtigen Eisenerzvorkommen der Welt kommen in Bändereisen-Formationen vor, die fast ausschließlich präkambrischen Alters sind (d.h. älter als 541 Millionen Jahre). BIFs kommen auf allen Kontinenten vor.

Eisen war das erste Metall, das in Australien vom Entdecker Edward John Eyre in den Middleback Ranges in Südaustralien entdeckt wurde. Obwohl Eisenerzvorkommen in allen australischen Bundesstaaten und Territorien vorkommen, befinden sich fast 90 % der identifizierten Vorkommen in Westaustralien, davon fast 80 % in der Hamersley-Provinz, einer der wichtigsten Eisenerzförderregionen der Welt. Australien ist einer der größten Eisenerzproduzenten der Welt und Eisenerz ist die Grundlage für eine der wichtigsten Exportindustrien Australiens.

Australiens wichtigste Eisenvorkommen und -minen (2016). Quelle: Geoscience Australia

In den Hamersley Ranges im Pilbara-Distrikt in Westaustralien gibt es drei Haupttypen von Eisenlagerstätten: Eisenoxidanreicherungen innerhalb von BIFs, z. B.. Mt Tom Price; Eisenoxide, die entlang alter, hauptsächlich tertiärer Flusskanäle (Paläokanäle) abgelagert wurden; und Eisenoxid-Lagerstätten, die durch die Erosion bestehender Erzkörper entstanden sind (detritische Eisenerz-Lagerstätten).

Die BIF-Anreicherungslagerstätten, die Hämatit und Hämatit-Goethit umfassen, sind die wichtigsten in Bezug auf Ressourcen und Produktion. Der Eisengehalt dieser Erze variiert stark und bis vor kurzem mussten die meisten Lagerstätten einen durchschnittlichen Eisengehalt von mehr als 60 % aufweisen, damit der Abbau wirtschaftlich rentabel war. Einige Lagerstätten können jetzt jedoch Eisengehalte zwischen 56%-59% Eisen aufweisen und wirtschaftlich rentabel sein. BIF-Anreicherungslagerstätten kommen in Westaustralien in der Pilbara (z.B. Yarrie) und im Yilgarn Block (z.B. Koolyanobbing) sowie in Südaustralien (z.B. Iron Duke, Middleback Range) vor. Die Paläokanal-Lagerstätten, die aus pisolithischem Limonit bestehen, sind die nächstwichtigen und werden wegen ihrer geringen Verunreinigungen wie Phosphor geschätzt. Sie sind nicht so reich an Eisen wie die BIF-Anreicherungserze. Diejenigen, die abgebaut werden, enthalten in der Regel 57%-59% Eisen. Detrital-Eisenerzlagerstätten finden sich bergab der BIF-Anreicherungslagerstätten, aus denen sie erodiert wurden. Sie sind in der Regel leicht zu gewinnen und haben einen Gehalt von 40-55% Eisen.

Weitere Informationen zu Ressourcen und Produktion.

Bergbau

Banded Iron Formation bei Fortescue Falls, Western Australia. Quelle: Wikimedia Commons

Die meisten Eisenerze, die heute abgebaut werden, bestehen aus den Eisenoxid-Mineralen Hämatit, Fe2O3 (70 % Fe); Goethit, Fe2O3s H2O, (63 % Fe); Limonit, einer Mischung aus hydratisierten Eisenoxiden (bis zu 60 % Fe); und Magnetit, Fe3O4 (72 % Fe). Wie die meisten Eisenerzminen auf der ganzen Welt werden auch alle großen australischen Eisenerzminen im Tagebau betrieben. Das eisenerzhaltige Gestein wird zunächst gesprengt und im Tagebau abgebaut. Die Erze aus den großen Minen in der westaustralischen Pilbara-Region werden mit LKWs, die mehr als 300 Tonnen tragen können, von den Abbaustellen zu den Brech- und Siebanlagen transportiert. Es gibt drei große Pilbara-Eisenerzproduzenten: BHP Billiton Ltd (BHP), Rio Tinto Ltd (Rio) und Fortescue Metals Group Ltd (FMG).

Verarbeitung

Die Verarbeitung von Hämatit- und Magnetit-Erz umfasst das Brechen, Sieben und Mahlen, um Hämatit-Brocken und -Feinanteile zu produzieren. Magnetit-Erz wird durch Magnetscheidung weiterverarbeitet, ein wichtiger Prozess zur Herstellung von Magnetit-Eisenkonzentrat.

Die Aufbereitung umfasst alle Prozesse, die den Eisengehalt eines Erzes durch Entfernen von Verunreinigungen erhöhen (aufwerten). Die Aufbereitung, ein etwas weiter gefasster Begriff, umfasst diese Prozesse sowie solche, die ein Erz durch Verbesserung seiner physikalischen Eigenschaften nutzbar machen (z.B. Pelletieren und Sintern). Viele der Eisenerzminen wenden irgendeine Form der Aufbereitung an, um die Qualität und die Eigenschaften ihrer Produkte zu verbessern. In vielen in Betrieb befindlichen Minen, darunter Mount Tom Price, Paraburdoo, Mount Whaleback und Christmas Creek, wurden Erzaufbereitungsanlagen errichtet, um die Aufbereitung von minderwertigen Eisenerzen, einschließlich mit Schiefer verunreinigter Erze, zu ermöglichen, damit diese abgebaut und nach der Aufbereitung als hochwertige Produkte verkauft werden können.

Das Pelletieren ist ein Aufbereitungsverfahren, das für sehr feine oder pulverförmige Erze verwendet wird. Pellets sind ein ideales Hochofenmaterial, da sie hart sind und eine regelmäßige Größe und Form haben. In Australien werden Konzentrate, die aus Savage River gepumpt werden, in Port Latta für den Versand an inländische und überseeische Märkte pelletiert, und feine Erze aus der Middleback Range werden vor der Verhüttung im Hochofen von Whyalla pelletiert.

Das Sintern ist ein Verfahren zur Agglomeration von Eisenerz-Feinteilen als Vorbereitung für die Hochofenverhüttung und wird normalerweise in Eisen- und Stahlerzeugungszentren durchgeführt. Dabei werden zerkleinerter Kalkstein, Koks und andere Zusatzstoffe aus der Eisen- und Stahlerzeugung eingearbeitet. Zu diesen Zusatzstoffen gehören Abfälle aus den Abgasen der Hochöfen, Zunder aus dem Walzwerk und Koksfeingut aus der Kokssiebung.

Weißglühender Stahl, der aus einem Lichtbogenofen fließt. Quelle: Wikimedia Commons

Eisen ist ein Zwischenschritt in der Stahlherstellung und wird durch Schmelzen von Eisenerz (meist in Klumpen-, Pellet- oder Sinterform) in Hochöfen hergestellt. Hochöfen in Australien befinden sich in Port Kembla und Whyalla. Die Entfernung von Verunreinigungen im Roheisen wie Silizium, Phosphor und Schwefel durch Oxidation und die Verringerung des Kohlenstoffgehalts führen zur Herstellung von Stahl.

Die Zugabe von Metallen wie Nickel, Chrom, Mangan oder Titan verleiht dem Stahl besondere Eigenschaften wie elektrische Widerstandsfähigkeit und Beständigkeit gegen Verschleiß, Rost, Stöße, Erschütterungen oder Ausdehnung beim Erhitzen.

Der abgekühlte Stahl wird geformt und kann mit Zinn, Zink oder Farbe beschichtet werden, um ihn vor Rost zu schützen, wodurch Produkte wie Zincalume und Colorbond entstehen.