Хромовая руда. Магматические месторождения хрома

Наиболее интересным для строительства и промышленности является его коррозийная стойкость – химическая инертность. В нормальных условиях элемент взаимодействует только со фтором.

Однако главным достоинством вещества является то, что при добавке его к сталям и другим металлическим сплавам, он сообщает им такие же уникальные свойства. Структура и химический состав , добыча и производство металла будут рассмотрены нами в этой статье. Отдельно мы затронем и то, какая доля хрома входит в состав .

При температуре в 20 С и давлением в 1 атм. хром представляет собой твердый металл голубовато-серебристого цвета с сильным блеском. Его физические свойства очень сильно зависят от примесей. Поэтому, например, так сложно было установить температуру плавления металла: из-за малейших примесей азота величина изменялась разительно.

То же самое, можно сказать о других его физических свойствах. Так, чистейший хром является ковким, вязким, довольно тягучим металлам, в то время как содержащий ничтожные примеси углерода или азота становится хрупким и ломким.

Фазовые переходы хрому несвойственны. Он кристаллизируется с образованием объемно-центрированной кубической решетки.

• При температуре в 1830 С и соблюдением определенных условий можно получить модификацию с гранецентрированной решеткой.
• При температуре в 312 К металл переходит из парамагнитного в антиферромагнитное состояние. При температуре в районе 220 К фиксируют еще один переход, проходящий без изменения структуры.

Видео ниже расскажет, как получают хром:

Его производство

Хром к редким элементам не относится: его содержание в земной коре достигает 0,02%. Открыт он не так и давно: в 1761 г у подножья Уральских гор был найден красный минерал, получивший название крокоит – это был природный .

В качестве красителя.

В 1796 профессор химии Вокелен долго исследовал минерал и, в конце концов, выделил серебристо-серые кристаллы неизвестного металла. Металл получил название хром – от греческого краска, поскольку с разными веществами давал соединения всех цветов радуги.

Промышленное значение металл получил намного позже.

Нахождение в природе и добыча хрома

В свободном виде вещество не встречается. Хром, как выяснилось, можно обнаружить в составе очень многих и , но промышленное значение имеют только хромиты, а, точнее говоря, хромовая шпинель. Чаще ее называют хромовым железняком.

Хромиты имеет почти черный цвет, специфический металлический блеск, форма залегания – сплошной массив. Хром – металл глубинных пород земли, так что месторождения, богатые металлом, как правило, имеют магматическое происхождение. Лидером по запасу хромового железняка является ЮАР – на ее территории сосредоточено около 76% разведанных запасов. На втором месте – Казахстан, где месторождение разрабатывают еще с 1930 г.

Сам по себе хромит, то есть, соединение с , встречается редко. Чаще дело имеет с 3 другими видами минерала:

• манитохромит – соли железа и магния;
• хромпикотит;
• алюмохромит – в составе оказывается и .

Различают до 20 разных видов хромитов – хромовый хлорит, фуксит, хромдиопсид, хромовый гранат и другие. Однако все они промышленного значения не имеют. Перспективной для разработки является руда, содержащая не менее 40% хрома.

Добывают хромовую руду шахтным методом при помощи направленных взрывов. Из шахты она извлекается в смеси с другими рудами и пустыми породами. Первичное разделение производят на центрифуге в тяжелых жидкостях. Для этого в сепарационный барабан загружают ферросилиций. При вращении пустая порода, поскольку ее вес меньше, чем у ферросилиция, будет всплывать, а хромовая – собираться на дне.

Хромовая руда практически никогда не обогащается. Около 70% ее используется при получении сплавов стали с хромом, а 30% – для хромирования в специальных мастерских.

Технология получения

Основным сырьем при получении металла выступает хромистый железняк. Технология получения довольно сложна, однако проще по сравнению с получением хрома из крокоита. Для промышленных целей производить металл с массовой долей в 98,9–99,2% – этого достаточно для легирования сталей. Для получения химически чистого хрома прибегают к другим методам.

Алюмотермический метод

Плавку осуществляют в наклоняющей плавильной шахте, смонтированной на специальной вагонетке. Шахта футерована магнезитовым кирпичом. На первом этапе в шахту загружают 150–250 кг шихты, затем добавляют запальную смесь и поджигают. Как только процесс принимает устойчивый характер, загрузку осуществляют непрерывно.

1. Перед загрузкой шихту перемешивают в барабанном сепараторе не менее 30 минут. Состав шихты таков: хромовый концентрат – с общей долей оксида хрома более 58,5%, окись хрома, алюминиевый порошок и натриевая селитра. Добавляется хромистый молотый шлак с величиной зерна 0,3–0,8 мм, он выполняет роль балласта. При поджигании запальной смеси начинаются реакции восстановления оксидов и разложения селитры. Они-то и служат термитной добавкой, обеспечивающий недостающее тепло.
2. На протяжении всей плавки загрузка шихты осуществляет элеватором так, чтобы шихта тонким слоем закрывала зеркало расплава.
3. В конец процесса вместе с последними порциями сырья добавляют флюс – 200–250 кг. В этом качестве используется известь – с величиной зерна до 3 мм: известь поддерживает кинетические условия реакции и облегчает извлечение металлического хрома.
4. Плавка длится около 12–20 минут.
5. По окончанию плавки следует 2–3 минуты выдержки, а затем в изложницу изливают первую порцию шлака – слоем в 200–300 мм. Затем плавильную шахту возвращают в исходное положение и спустя 1–2 минуты сливают металл и шлак.
6. После охлаждения блок шлака и хрома вынимают из изложницы и передают на разделку.

Таким образом получают сплав с содержанием хрома в 98,9–99,2 % с примесью , алюминия, железа и серы.

Металлотермическая плавка

Главная ее особенность – предварительное расплавление 30% окислов шихты. Как показывает практика здесь извлечение хрома увеличивается от 88 до 92,5%. При этом уменьшается расход алюминия при плавке: на 47 кг на каждую тонну продукции.

1. Плавка ведется в электропечном агрегате, шахта поворачивающаяся, футерованная магнезитовым кирпичом.
2. Шихта загружается дифференцированная и состоит из 3 частей: запальная – 200 кг хромового концентрата, 60 кг алюминиевого порошка и 35 кг натриевой селитры, рудная – 875 кг концентрата и 370 кг извести, восстановительная – 725 кг концентрата и 442 кг порошка алюминия.
3. Запальную часть предварительно проплавляют. Затем включают электропечь и постепенно вводят рудную часть шихты. Плавка длится 1,5–2 часа, после чего расплав нагревают еще 10–15 минут.
4. Печь выключают, а плавильную шахту перемещают в плавильную камеру, где восстановительную часть шихты загружают из бункера. Загрузка длится 3–5 минут, затем расплав выдерживают еще 3–5 минут для завершения процесса восстановления, а уже затем сплав и шлак сливают в изложницу.

Полученный таким образом сплав содержит до 80% хрома.

Лабораторный метод изготовления хрома описан ниже.

Лабораторный метод

Химически чистый металл получают электролитическим методом в лабораторных условиях. Для этого подвергают электролизу раствор хромового ангидрида в присутствии серной кислоты. При этом на катодах происходит выделение водорода и осаждение металлического чистейшего хрома.

Химически чистый металл используется довольно редко в очень специальных работах. Для хромирования вполне подойдет металл, получаемый алюмотермическим методом.

Известные производители

Около 70% добываемого в мире хромита используется внутри страны для получения феррохрома. Последний и является статьей экспорта. Соответственно, к лидерам по производству металла относят страны, где имеются наибольшие запасы хромовой руды.

На сегодня доминируют в производстве 4 страны: ЮАР, Казахстан, Индия и Китай. Первые три производят около 70% всего феррохрома. Однако китайские добывающие компании активно теснят их.

Стоимость хрома колеблется и сильно в зависимости от спроса на металл. В январе 2017 года цена 1 тонны хрома составляла в среднем 7655 $.

Добыча и производство хрома – процесс довольно тяжелый и затратный, поэтому конечный продукт имеет внушительную стоимость. Однако спрос на него очень устойчив, поскольку хром – обязательный легирующий элемент при получении нержавеющих и жаростойких сталей.

Основными минералами хромсодержащих руд являются минеральные образования типа хромита FеО∙Сr 2 О 3 (68% Cr 2 O 3 и 32% FeO), хотя в чистом виде хромит в земной коре не встречается, а обнаружен в метеоритах. Минерал хромит относится к изоморфным минералам кубической системы, так называемым шпинелям (МgO∙Аl 2 O 3) общей формулой МеО∙МеО 3 , где Ме – двух- (Mg 2+ , Fе 2+ и др.), а Ме / – трехвалентный металл (Cr 3+ , Аl 3+ , Fе 3+). В природных минералах хром замещается алюминием, а железо Fе 2+ – магнием. Поэтому хромиты - это минералы из группы шпинели состава (Мg 2+ , Fе 2+)(Сr 3+ , Аl 3+ , Fe 3+) 3 O 4 *.

Рис. 7.10. Диаграмма равновесного состояния системы СrО–SiO 2

__________________

* Хром Казахстана. Гриненко В.И., Поляков О.И., Гасик М.И., Петлюх П.С., Шашкин В.Н., Выходцев В.М., Елпышев Г.А., Амиралин К.А. – М.: Металлургия, 2001. – 416с.

зистым цементом. Компонентами пустой породы в рудах являются: серпентин, тальк Мg 6 (Si 8 О 20)ОН, хлорит, магнезит, кварц, гидрооксиды железа и др.

В странах СНГ (Казахстан, Россия) имеются достаточно большие разведанные и разрабатываемые месторождениия хромовых руд*. Наиболее разведаны и изучены месторождения Кемпирсайского хромитоносного массива (Казахстан), относящиеся к гистеромагматическому типу. Для Кемпирсайского массива характерны высокохромистые руды (45–65 % Сr 2 O 3). Столь высокие концентрации хрома относительно редки для месторождений других регионов, где количество Сr 2 O 3 снижается до 25–35 %.

Наряду с месторождениями Кемпирсайского массива промышленное значения имеют протяженные запасы Сарановского массива на Среднем Урале, содержащие руды с 33–39% Сr 2 O 3 и небольшие – Побужского месторождения на Украине. В последние годы открыто крупное месторождение хромовых руд на Ямале и в Карелии (Россия). В настоящее время добыча хромовой руды для выплавки феррохрома ведется на Южно–Кемпирсайском месторождении Донским горно-обогатительным комбинатом (ДонГОК) и на Сарановском месторождении.

Одним из важнейших показателей металлургической ценности хромитовых руд Донского ГОКа является отношение МgО:Аl 2 O 3 , которое при выработке верхних горизонтов руд постепенно повышается и достигает 2,0 против 0,8–1,2 в рудах ЮАР и других стран. По этим причинам шлаки становятся высокомагнезиальными, что затрудняет ведение процесса выплавки феррохрома. Учитывая большие потенциальные запасы низкосортных хромитовых руд и возможность успешного использования феррохрома с более низким содержанием Сr (45–55%), международная организация по стандартизации понизила уровень концентрации хрома в высокоуглеродистом феррохроме (~13% C) до 45–55%. В стандарте России ГОСТ 4757–91 содержание хрома установлено от 45 до 95%. При этом появляется возможность использования хромитовых руд и концентратов с более низким содержанием хрома. Это обеспечивает повышение извлечения хрома из руды до 90% и расширение сырьевой базы хрома. Ниже приводятся требования к химическому составу хромитовых руд Казахстана:

_________________________

* Хромовые руды называют также хромитами

Как указывалось выше, хром в рудах находится в хромшпинелидах, составы которых приведены ниже, %:

В шпинелидах Сарановского месторождения хромитов отношение МgO:Аl 2 O 3 ниже, чем в шпинелидах Кемпирсайского массива. Использование смеси хромитовых руд Донского ГОКа и Сарановского месторождений понижает это отношение в шлаке, что улучшает процесс шлакообра-зования при выплавке феррохрома.

Свойства и применение хрома

Хром – серебристо-белый металл, устойчив от коррозии при комн. темп-ре. Т плавления =1890°С, Т кипения =2327°С. Плотность – 7,19 г/см 3 .

Применение:

1 металлург. пром-ть (нержавеющая сталь и др.);

2 огнеупоры (до 2000°С);

3 хим. пром-ть (получ-е хромпиков в кач-ве дубителя и красителя).

Геохимические особенности хрома

В табл. Д. И. Менд. 24-е место, атомная масса 51,996.Степень окисления изменяется: +2, +3, +5 и +6, наиболее устойчивая +3.

Это литофильный элемент, который в 3К образует кислор. соедин-я (99,9%).

Среднее содержание в 3К по А. П. Виноградову:

ультраосновных породах - 0,20%; основных - 0,02%; кислых - тысячные доли %.

При кристаллизации ультраосновной магмы выделяются акцессорные хромшпинелиды . Иногда образуются крупные концентрации хромитовых руд (Бушвельский массив).

Но чаще хром накапливается в остаточных расплавах. В магматическом процессе Сr ассоциирует с Fe и Mg, а также платиноидами. Для гидротермальных процессов не характерен. В зоне гипергенеза устойчив, образует россыпи.

Промышленные минералы и типы руд

Всего 30 хромсодержащих минералов. Промышленное значение имеют несколько минералов с общей формулой: (Mg, Fe,)(Cr, Al, Fe) 2 O 4 .

Хромит – FeCr 2 O 4 очень редок.

Промышленные руды массивные и густо вкраплённые.

Металлогения

Местор-ния хромитов связаны с ультрабазитами разл. происх-ния и возраста (рифмогенные разломы, офиолитоподобные пояса, при активизации платформ).

Промышленные типы месторождений

1 магматические месторождения в габроидных и ультрабазитовых (пластового типа). Бушвельдский район (ЮАР), район Великой Дайки (Зимбабве);

2 магматические месторождения в ультраосновных массивах (разной морфологии ). Кемпирсайский рудный район (Казахстан).

В 1-ом типе сосред-ны главные запасы хромитов зарубежных стран (80%). В СССР этот тип был не развит.

2-й тип - главн. для бывш. СССР (95% добычи). В кап. странах добыча 41%.

Примеры месторождений.

Кемпирсайский район (Казахстан). Нах-ся на Южном Урале. Местор-ния связаны с крупн. массивом ультрабазитов плитообразн. формы. Связаны с породами дунит-перидотитового ряда. Изв-ны местор-ния: Молодёжное, 40 лет КазССР и др.

Форма рудных тел – линзовая или в виде шлироподобных тел. Длина сотни метров, мощность до 80 м. Сближенные рудные тела образуют залежи. Контролируются разломами.

Текстуры руд: массивные, вкраплённые и модулярные.

Главные рудные минералы: хромшпинелиды, оливин и серпентин.

Нерудные минералы: антигорит; актинолит; карбонат; хлорит и др.

Содерж-е Cr 2 O 3 в густовкрапл-ых рудах: 50 – 60%, FeO 12 –14%, SiO 2 4 – 10%.

Запасы, добыча и потребление

Запасы за рубежом: 1680 млн. т., сосред-ны в ЮАР 1050 млн. т. (63%) и Зимбабве 550 млн. т. (30%).

Годовая добыча - 5,4 млн. т. (ЮАР, Зимбабве, Турция и др.). Главн. страны потребители и импортёры – США, Яп. и Зап. Европа.

«Периодическая система химических элементов» - 8-11 баллов – «3» -красный вагончик. Расположить элементы в порядке возрастания металлических свойств. Станция теоретическая «Менделеевская викторина». Итоги путешествия: А. 2 Б. 8 В. 18 Г. 32. А. 4 Б. 29 В. 63 Г. 64. Строение атома». Как формула, как график трудовой, Строй менделеевской системы строгий.

«Элемент хром» - Наглядное применение хрома. Соединениями хрома протравливают ткани при крашении. Значительные запасы хромовых руд есть на Урале. Хром. В земной коре хрома довольно много – 0,02%. Месторождения хрома. Выделить этот элемент в чистом виде он не смог. В сравнительно чистом виде новый элемент был выделен в 1799г. Ф.Тассером.

«Химические элементы» - Что общего между «АРГЕНТИНОЙ» и «СЕРЕБРОМ»? Знатоки физики 400. Знатоки химии 300. Назовите химический элемент, электронная формула атома которого 1s22s22p63s23p5. Назовите химический элемент, который имеет заряд ядра атома + 30. Химические элементы 100. Как называется химический элемент, одноименный с городом Мурманской области?

«Вопросы по химическим элементам» - 1.Какой элемент распространён в космосе? 7. Какой элемент изображали в 18 веке в виде воина? Связана с изменением числа энергетических уровней в главных подгруппах. Что помогла открыть хозяину шкодливая кошка? 8. Какой элемент не имеет постоянной «прописки» в Периодической системе? Могут быть стабильными и радиактивными, естественными и искуственными.

«Кислород в воздухе» - Кислород входит в состав почти всех окружающих нас веществ (вода, минералы, песок…). Нахождение в природе. В свободном виде кислород - газ без цвета, запаха и вкуса. История открытия. Кислород. Общая характеристика. Физические и химические свойства кипения жидкого кислорода. Получение. Атмосферный кислород состоит из двухатомных молекул.

«Применение серы» - В промышленном масштабе выплавка цинка началась в 17 веке. Название «натрий» (natrium) происходит от араб. Латинское zincum. Сам натрий ранее именовался содием (лат. Sodium). Натрий использовался с давних времён. В чистом виде цинк - довольно пластичный серебристо-белый металл. Общеупотребительным название «цинк» стало только в 1920-х гг.

Всего в теме 46 презентаций

Хромом называется твердый металл, который имеет голубовато-белый окрас. В периодической системе химических элементов находится под номером 24. Название металла в переводе с греческого означает цвет. Элемент так стали именовать в связи с тем, что его соединения имеют разнообразную окраску.

Стоит отметить, что хром достаточно распространен в природе. Среди приоритетных его соединений необходимо выделить хромистый железняк (хромит), а также минерал крокоит, который, однако, менее значим от хромита.

Добыча хрома

Использовать минералы в качестве основного источника для добычи хрома представляется очень невыгодным. Поэтому главное сырье, из которого получают хром, - это хромовая руда.

Зачастую в камнях процентное содержание хрома очень мало, поэтому большая часть камней, в которых присутствует данный металл, являются драгоценными и используются, как правило, в целом виде.

Впервые в руде хром был обнаружен немецким химиком в 18 веке. Это знаменательное событие как для химии, так и для человечества в целом, случилось в Сибири. Именно там Леман обнаружил крокоит - свинцовую руду, имеющую красный окрас. В состав данной руды входит два основных элемента - свинец и хром.

Опыты по извлечению металла из руды были проведены Леманом в Петербурге. Благодаря ему, в настоящее время хром извлекается из руды двумя основными способами:

1. С помощью электролиза концентрированных водных растворов оксида хрома.
2. С помощью электролиза сульфата.

В процессе как одного, так и другого способа происходит разрушение молекулы оксида или сульфата в тигле, в котором и поджигают исходные соединения.

Использование хрома

При абсолютно обычных условиях с металлом ничего не происходит - он не окисляется и не ржавеет. В связи с тем, что основой всех сталей выступает железо, которое вступает в активную реакцию с кислородом и может ржаветь и окисляться, то хром добавляют во время выплавки сталей в качестве легирующего элемента. Это позволяет в разы повысить антикоррозионные свойства сталей.

Силикотермический хром используется при выплавке нихрома - сплав хрома и никеля. Благодаря соединению этих двух компонентов сплав обладает пластичностью, твердостью и устойчивостью к окислению.

Также выпускают соединения хрома и кобальта, в результате чего образуется сплав под названием стеллит, который обладает очень высокой твердостью. К данному сплаву также может добавляться молибден и вольфрам. Такой сплав отличается своей дороговизной, однако он оправдывает себя. Его используют в качестве элемента, который наплавляется на машинные детали, рабочие станки и инструменты для того, чтобы существенно повысить их устойчивость к износу.

Соединения хрома также активно используются при производстве декоративных покрытий, как элементы, повышающие устойчивость к коррозии.

Порошковый хром используется в качестве добавки в нижний слой зубных коронок с целью повышения их прочности.

Хром также применяется в ювелирных изделиях, поскольку он является составной частью уваровита, минерала из группы гранатов. Уваровит имеет зеленый цвет, который достигается именно наличием хрома. Ценность такого камня существенно выше, чем красного в силу своей редкости. Кроме того, уваровит обладает чуть большей твердости, чем стандартные гранаты, что также является преимуществом.

Добыча хромовых руд

Месторождения хрома находятся на территории разных стран. Однако, наиболее крупное из них расположено в ЮАР. Данной республике принадлежит мировое лидерство по хромовым запасам. Второе место занимает Казахстан, на территории которого запасы разведанных месторождений превышают 350 млн. тонн. Также среди крупнейших залежей металла стоит отметить месторождения, расположенные на территории России, Зимбабве, Мадагаскара. Залежи хрома были обнаружены в Турции, Индии, Армении, Бразилии, а также на Филиппинах.

Хромовые руды России, главным образом, сосредоточены на территории Урала (Донские и Сарановские).

Так как хром является металлом глубинных пород земли, его месторождения имеют магматическое происхождения. Таким образом, хромовая руда залегает на значительных глубинах. В связи с этим существует единственно возможный способ их добычи - с помощью шахт. При этом, используются направленные взрывы. Руда из шахты извлекается не в чистом виде: вместе с ней на поверхность также поднимаются другие руды и пустые породы. После этого осуществляется отделение хромовой руды от примесей с помощью центрифуги с использованием тяжелых жидкостей - в сепарационный барабан загружаются ферросилиции и запускают его. В результате вращения барабана пустая порода, имеющая существенно меньший вес, поднимается на верх, а хромовая руда оседает на дне.