Applying geoscience to Australia’s most important challenges

Introduction

Stalen brug. Bron: Wikimedia Commons

Izer is de ruggengraat van de wereld die we om ons heen hebben gebouwd en het is het basisingrediënt van staal (ijzer plus koolstof). IJzer is een zeer nuttig metaal omdat het met andere metalen kan worden gemengd om een hele reeks “legeringen” te maken die nog sterker zijn en niet gemakkelijk roesten en die kunnen worden gevormd tot producten van auto’s tot pennen, huishoudelijke apparaten tot gebouwen, bruggen tot spoorwegen, conservenblikken tot gereedschap. Kortom, we zijn afhankelijk van ijzer (als staal) om bijna alles te maken wat we nodig hebben om in de 21e eeuw te leven. Vandaag de dag gebruiken we twintig keer meer ijzer (in de vorm van staal) dan alle andere metalen bij elkaar.

Izer (Fe) is een van de meest overvloedige rotsvormende elementen, en vormt ongeveer 5% van de aardkorst. Het is het op drie na meest voorkomende element na zuurstof, silicium en aluminium en, na aluminium, het meest voorkomende en wijdst verspreide metaal. Het magnetisch veld van de aarde is te danken aan het ijzer (en nikkel) in zijn kern, dus wanneer we een kompas gebruiken, maken we gebruik van het ijzer onder ons. IJzer is een zilvergrijs metaal dat snel roest wanneer het aan lucht en water wordt blootgesteld. Het is verantwoordelijk voor de rode kleur in veel van onze rotsen en het dieprode zand van de Australische woestijnen. IJzer wordt meestal niet in zuivere vorm in gesteenten gevonden, maar gecombineerd met zuurstof in ertsmineralen zoals hematiet (van het Griekse woord dat ‘bloedsteen’ betekent).

Eigenschappen

In de aardkorst wordt ijzer vooral gevonden als ijzeroxidemineralen zoals hematiet, magnetiet, goethiet en limoniet. De mineralen die het meest worden gebruikt als erts voor het maken van ijzer zijn hematiet (Fe2O3) en magnetiet (Fe3O4). IJzer is vrij zacht en gemakkelijk te bewerken, maar het heeft een zeer hoog smeltpunt van 1538°C. IJzer en sommige legeringen van ijzer zijn ook magnetisch.

Hematiet en hematietpoeder op strepenplaat. Bron: Geoscience Australia

Izer is ongeveer acht keer zwaarder dan water (de relatieve dichtheid is 7,87). Wanneer ijzer aan de lucht wordt blootgesteld, verandert het in ijzeroxide en het rode poeder dat zich aan het oppervlak van ijzer vormt, noemen we roest. Je hebt misschien wel eens roest gezien op oude auto’s of oude ijzeren schuren. Om ijzer sterker te maken en minder snel te laten roesten kan het worden gecombineerd met koolstof en andere elementen om staal te maken. Staal is een van de meest gerecycleerde producten ter wereld: ongeveer 60% van het staal dat voor recycling beschikbaar is, wordt opnieuw gebruikt om nieuw staal te maken.

Toepassingen

Stalen pyloon die bovengrondse hoogspanningsleidingen ophangt. Bron: Wikimedia Commons

Bijna 98% van de wereldijzerertsproductie wordt gebruikt om ijzer te maken in de vorm van staal. Gietijzer heeft vele specifieke toepassingen (b.v. buizen, fittings, motorblokken) maar zuiver ijzer is vrij zacht. Door toevoeging van een kleine hoeveelheid koolstof (gewoonlijk minder dan 1%) wordt ijzer staal, dat aanzienlijk harder en uiterst veelzijdig is. Er zijn veel verschillende soorten staal die worden gemaakt door koolstof toe te voegen samen met andere elementen zoals chroom, mangaan, nikkel, molybdeen om een reeks legeringen met verschillende eigenschappen te vormen (b.v. roestvrij staal). Door de verhouding van deze toegevoegde elementen te wijzigen, is het mogelijk staalsoorten te maken die geschikt zijn voor een grote verscheidenheid van toepassingen. Onderstaande tabel toont de bijzondere eigenschappen en toepassingen van enkele ijzerverbindingen.

De gewenste eigenschappen van staal en de relatief lage kosten maken het tot het belangrijkste constructiemetaal in bouw- en constructieprojecten, Het vertegenwoordigt ongeveer 90% van al het metaal dat jaarlijks wordt gebruikt. Ongeveer 60% van de ijzer- en staalproducten wordt gebruikt in het vervoer en de bouw, 20% in de machinebouw, de rest in blikken en containers (in de olie- en gasindustrie) en in diverse apparaten en andere uitrusting, zie onderstaande tabel voor verdere toepassingen van ijzer en staal.

Geschiedenis

Coolac meteoriet – ijzermeteoriet. R21381. Bron: Geoscience Australia

Izer behoort tot de oudste metalen die de mens kent. De Paleolithische mens gebruikte fijngemalen hematiet als lichaamsverf. Rond 4000 v. Chr. gebruikten de Egyptenaren en Sumeriërs voor het eerst ijzer uit meteorieten om kralen, ornamenten, wapens en gereedschappen te maken. De tijdlijn van de IJzertijd varieerde geografisch; de Hettieten bijvoorbeeld smeedden ijzer (zij verhitten het, hameren het dan en koelen het dan snel af om ijzer te produceren dat harder is dan het brons dat de mensen daarvoor gebruikten) rond 1300 – 1100 v. Chr. en evenzo blijkt volgens Tewari (2003) uit archeologisch bewijsmateriaal dat ijzerbewerking in India rond 1800 tot 1000 v. Chr. plaatsvond. Tegen de tijd van het Romeinse Rijk werd ijzer gebruikt voor bedden, poorten, strijdwagens, spijkers, zagen, bijlen, speren, vishaken en gereedschap om te slijpen. Tijdens de Middeleeuwen, met de invoering van het ijzeren kanon en de kanonskogel, nam het verbruik van ijzer toe om koper en brons in te halen als het meest gebruikte metaal. Aan het eind van de 19e eeuw begon het tijdperk van het staal, met houten schepen die plaats maakten voor staal, de komst van machines in fabrieken en de uitvinding van de spoorlijn. IJzer is onmisbaar voor de moderne beschaving en de mens is al meer dan 3000 jaar bedreven in het gebruik ervan. Het gebruik ervan werd echter pas wijdverbreid in de 14e eeuw, toen smeltovens (de voorloper van hoogovens) de smederijen begonnen te vervangen.

Vorming

Banded Iron Formation bij Fortescue Falls, West-Australië. Bron: Wikimedia Commons

Izerertsen zijn gesteenten waaruit op economische wijze metallisch ijzer kan worden gewonnen. De meeste afzettingen van ijzererts in de wereld worden gevonden in gesteenten die bekend staan als bandijzerformaties (BIF’s). Dit zijn sedimentaire gesteenten met afwisselend lagen ijzerrijke mineralen en een fijnkorrelig silicagesteente dat chert wordt genoemd.

Veel van de ijzerertsafzettingen die nu worden ontgonnen, zijn miljoenen jaren geleden gevormd. Zo’n 3000 miljoen jaar geleden was er geen of heel weinig zuurstof opgelost in de oceanen. De oceanen bevatten echter wel veel opgelost kiezelzuur, afkomstig van de verwering van gesteenten. Zo nu en dan sloeg dit kiezelzuur uit het zeewater neer als lagen kiezelgelei, die langzaam verhardden tot het gesteente dat wij chert noemen. Ook oplosbaar ijzeroxide ontstond uit de verwering van gesteenten en werd door rivieren in zee gespoeld.

Zo’n 2500 miljoen jaar geleden werden de oceanen bewoond door bacteriën die het vermogen ontwikkelden tot fotosynthese en de productie van zuurstof. Er waren seizoensgebonden “blooms” waarbij enorme hoeveelheden zuurstof in het zeewater vrijkwamen die met het oplosbare ijzeroxide reageerden tot onoplosbaar ijzeroxide. Dit sloeg neer als de mineralen magnetiet en hematiet en vormde ijzeroxidelagen tussen de andere sedimentlagen op de zeebodem.

Over vele miljoenen jaren heen werden deze processen van het neerslaan van siliciumdioxide en ijzeroxide steeds herhaald, wat resulteerde in de afzetting van afwisselende lagen van chert, hematiet en magnetiet. De naam bandijzervorming komt van de karakteristieke kleurbanden in deze enorme afzettingen. Dit proces ging bijna een miljard jaar door en leidde uiteindelijk tot de ophoping van zuurstof in de atmosfeer.

Bronnen

De meeste belangrijke ijzerertsvoorraden in de wereld komen voor in ijzerertsbandformaties, die vrijwel uitsluitend van Precambrische ouderdom zijn (d.w.z. meer dan 541 miljoen jaar oud). BIF’s komen op alle continenten voor.

Izer was het eerste metaal dat in Australië werd ontdekt door ontdekkingsreiziger Edward John Eyre in de Middleback Ranges in Zuid-Australië. Hoewel ijzerertsvoorraden in alle Australische staten en territoria voorkomen, bevindt bijna 90% van de geïdentificeerde voorraden zich in West-Australië, waarvan bijna 80% in de Hamersley Province, een van ’s werelds belangrijkste ijzerertsproducerende regio’s. Australië is een van de grootste producenten van ijzererts. Australië is een van de grootste producenten van ijzererts ter wereld en ijzererts vormt de basis voor een van de belangrijkste exportindustrieën van Australië.

De grote ijzerafzettingen en mijnen van Australië (2016). Bron: Geoscience Australia

In de Hamersley Ranges in het Pilbara-district in West-Australië zijn er drie hoofdtypen ijzerafzettingen: ijzeroxideverrijkingen binnen BIF’s bijv. Mt Tom Price; ijzeroxiden die zijn afgezet langs oude, voornamelijk uit het Tertiair stammende rivierkanalen (paleokanalen); en ijzeroxideafzettingen die zijn ontstaan door erosie van bestaande ertslagen (detritische ijzerertsafzettingen).

De BIF-verrijkingsafzettingen bestaande uit hematiet en hematiet goethiet zijn het belangrijkst wat betreft voorraden en productie. Het ijzergehalte van deze ertsen varieert sterk en tot voor kort moesten de meeste afzettingen een gemiddelde ijzergehalte van meer dan 60% hebben om commercieel levensvatbaar te zijn. Sommige afzettingen kunnen nu echter ijzergehaltes tussen 56%-59% ijzer hebben en commercieel levensvatbaar zijn. BIF-verrijkingsafzettingen komen voor in West-Australië in de Pilbara (bijv. Yarrie) en het Yilgarn Block (bijv. Koolyanobbing) en in Zuid-Australië (bijv. Iron Duke, Middleback Range). De paleokanaalafzettingen die uit pisolitische limoniet bestaan, zijn de volgende in belang en worden gewaardeerd om hun lage gehalte aan onzuiverheden zoals fosfor. Zij zijn niet zo rijk aan ijzer als de BIF verrijkte ertsen. De gedolven ertsen bevatten gewoonlijk 57%-59% ijzer. Detritische ijzerertsafzettingen worden bergafwaarts van de BIF-verrijkingsafzettingen aangetroffen, waaruit zij zijn geërodeerd. Ze zijn meestal gemakkelijk terug te winnen en hebben een ijzergehalte tussen 40%-55%.

Volgende informatie over hulpbronnen en productie.

Mijnbouw

Banded Iron Formation bij Fortescue Falls, West-Australië. Bron: Wikimedia Commons

De meeste ijzerertsen die tegenwoordig worden gedolven, bestaan uit de ijzeroxidemineralen hematiet, Fe2O3, (70% Fe); goethiet, Fe2O3s H2O, (63% Fe); limoniet, een mengsel van gehydrateerde ijzeroxiden (tot 60% Fe); en magnetiet, Fe3O4, (72% Fe). Zoals de meeste ijzerertsmijnen in de wereld, zijn alle grote Australische ijzerertsmijnen open groeven. Het ijzerertshoudende gesteente wordt eerst opgeblazen en opgegraven in dagbouwmijnen. De ertsen uit de grote mijnen in de Pilbara-regio van West-Australië worden van de werkvloer naar de breek- en zeefinstallaties getransporteerd met vrachtwagens die meer dan 300 ton kunnen vervoeren. Er zijn drie grote ijzerertsproducenten in Pilbara: BHP Billiton Ltd (BHP), Rio Tinto Ltd (Rio) en Fortescue Metals Group Ltd (FMG).

Verwerking

Hematiet- en magnetieterts worden gebroken, gezeefd en gemalen om hematietklompen en -fijn erts te produceren. Magnetieterts wordt verder verwerkt via magnetische scheiding, een belangrijk proces voor de productie van magnetietijzerconcentraat.

Concentratie omvat alle processen die het ijzergehalte van een erts verhogen (opwaarderen) door onzuiverheden te verwijderen. Beneficiation, een iets ruimere term, omvat deze processen alsmede die welke een erts bruikbaarder maken door de fysische eigenschappen ervan te verbeteren (b.v. pelletiseren en sinteren). Veel ijzerertsmijnen passen een of andere vorm van veredeling toe om de kwaliteit en de eigenschappen van hun producten te verbeteren. In veel mijnen, waaronder Mount Tom Price, Paraburdoo, Mount Whaleback en Christmas Creek, zijn ertsverwerkingsinstallaties gebouwd om laagwaardige ijzerertsen, waaronder ertsen die met leisteen zijn verontreinigd, te kunnen winnen en na opwaardering als hoogwaardige producten te kunnen verkopen.

Pelletiseren is een behandelingsproces dat wordt gebruikt voor zeer fijne of poedervormige ertsen. Pellets zijn een ideale grondstof voor hoogovens omdat zij hard zijn en een regelmatige grootte en vorm hebben. In Australië worden de concentraten die uit Savage River worden gepompt in Port Latta gepelletiseerd voor verzending naar binnenlandse en overzeese markten en worden de fijne ertsen uit de Middleback Range gepelletiseerd voordat zij in de hoogoven van Whyalla worden gesmolten.

Sinteren is een proces dat wordt gebruikt om ijzerertsfijn erts te agglomereren ter voorbereiding op het smelten in hoogovens en dat gewoonlijk wordt uitgevoerd in ijzer- en staalfabrieken. Bij het sinteren worden gebroken kalksteen, cokes en andere bij de ijzer- en staalproductie verkregen additieven gebruikt. Deze additieven omvatten afval dat wordt gewonnen uit de uitlaatgassen van ovens, kalkaanslag afkomstig van walserijen en cokesfijnsel afkomstig van het zeven van cokes.

Witgloeiend staal dat uit een vlamboogoven wordt gegoten. Bron: Wikimedia Commons

Pig ijzer is een tussenstap in de productie van staal en wordt geproduceerd door ijzererts (gewoonlijk in brok-, pellet- of sintervorm) te smelten in hoogovens. Hoogovens in Australië bevinden zich in Port Kembla en Whyalla. De verwijdering, door oxidatie, van onzuiverheden in ruwijzer zoals silicium, fosfor en zwavel en de vermindering van het koolstofgehalte, resulteert in de productie van staal.

Het toevoegen van metalen zoals nikkel, chroom, mangaan of titanium geeft staal speciale eigenschappen zoals elektrische weerstand en weerstand tegen slijtage, roest, schokken of uitzetting bij verhitting.

Het afgekoelde staal wordt gevormd en kan worden bekleed met tin, zink of verf om het te helpen beschermen tegen roesten, waardoor producten zoals Zincalume en Colorbond ontstaan.