הצטברות של תכונות וטכנולוגיית הטמעת מינרלים נפוצים - עפרת כרום

טבעו של כרום

כרום, סמל היסוד Cr, מספר אטומי 24, מסה אטומית יחסית 51.996, שייך ליסוד מתכת המעבר מקבוצה VIB בטבלה המחזורית של היסודות הכימיים. מתכת הכרום היא גביש קובי ממורכז גוף, לבן-כסף, צפיפות 7.1 גרם/סמ"ק, נקודת התכה 1860 ℃, נקודת רתיחה 2680 ℃, קיבול חום סגולי ב-25 ℃ 23.35 ג'ול/(מול·קלווין), חום אידוי 342.1 קילו-ג'ול/מול, מוליכות תרמית 91.3 וואט/(מ·קלווין) (0-100°C), התנגדות (20°C) 13.2uΩ·סמ"ר, בעל תכונות מכניות טובות.

ישנן חמש ערכיות של כרום: +2, +3, +4, +5 ו-+6. בתנאי פעולה אנדוגניים, כרום הוא בדרך כלל בעל ערכיות +3. תרכובות עם כרום תלת-ערכי הן היציבות ביותר. תרכובות כרום שישה-ערכיות, כולל מלחי כרום, בעלות תכונות חמצון חזקות. רדיוסי היוניים של Cr3+, AI3+ ו-Fe3+ דומים, כך שיכול להיות ביניהם מגוון רחב של קווי דמיון. בנוסף, היסודות שניתן להחליף בכרום הם מנגן, מגנזיום, ניקל, קובלט, אבץ וכו', ולכן כרום מופץ באופן נרחב במינרלי מגנזיום ברזל סיליקט ובמינרלים נלווים.

בַּקָשָׁה

כרום הוא אחת המתכות הנפוצות ביותר בתעשייה המודרנית. הוא משמש בעיקר בייצור פלדת אל-חלד ופלדות סגסוגת שונות בצורת סגסוגות ברזל (כגון פרוכרום). לכרום יש מאפיינים של קשיחות, עמידות בפני שחיקה, עמידות בחום ועמידות בפני קורוזיה. עפרת כרום נמצאת בשימוש נרחב במטלורגיה, חומרים עקשן, בתעשייה הכימית ובתעשיות היציקה.

בתעשיית המתכת, עפרת כרום משמשת בעיקר להתכת פרוכרום וכרום מתכתי. כרום משמש כתוסף פלדה לייצור מגוון פלדות מיוחדות בעלות חוזק גבוה, עמידות בפני קורוזיה, עמידות בפני שחיקה, עמידות בטמפרטורה גבוהה וחמצון, כגון נירוסטה, פלדה עמידה בחום, פלדה עמידה בחום, פלדת מיסבים כדוריים, פלדת קפיץ, פלדת כלים ועוד. כרום יכול לשפר את התכונות המכניות ואת עמידות הבלאי של הפלדה. כרום מתכתי משמש בעיקר להתכת סגסוגות מיוחדות עם קובלט, ניקל, טונגסטן ויסודות אחרים. ציפוי כרום וכרוםיזציה יכולים לגרום לפלדה, נחושת, אלומיניום ומתכות אחרות ליצור משטח עמיד בפני קורוזיה, שהוא בהיר ויפה.

בתעשיית החומרים החסיני אש, עפרת כרום היא חומר חסין אש חשוב המשמש לייצור לבני כרום, לבני כרום-מגנזיה, חומרים חסיני אש מתקדמים וחומרים חסיני אש מיוחדים אחרים (בטון כרום). חומרים חסיני אש מבוססי כרום כוללים בעיקר לבנים עם עפרת כרום ומגנזיה, קלינקר מגנזיה-כרום מסונטר, לבני מגנזיה-כרום מותכות, לבני מגנזיה-כרום מותכות, טחונות דק ולאחר מכן מלוכדות. הן נמצאות בשימוש נרחב בתנורי אש פתוחים, תנורי אינדוקציה וכו'. ממיר מתכות וציפוי תנור סיבובי של תעשיית המלט וכו'.

בתעשיית היציקה, עפרת כרום לא תגיב עם יסודות אחרים בפלדה מותכת במהלך תהליך היציקה, יש לה מקדם התפשטות תרמית נמוך, עמידה בפני חדירת מתכת, ובעלת ביצועי קירור טובים יותר מאשר זירקון. עפרת כרום ליציקה מצריכה דרישות מחמירות לגבי הרכב כימי ופיזור גודל החלקיקים.

בתעשייה הכימית, השימוש הישיר ביותר בכרום הוא לייצור תמיסת נתרן דיכרומט (Na2Cr2O7·H2O), ולאחר מכן להכנת תרכובות כרום אחרות לשימוש בתעשיות כגון פיגמנטים, טקסטיל, ציפוי אלקטרוליטי וייצור עור, כמו גם זרזים.

אבקת עפרת כרום טחונה דק היא חומר צביעה טבעי בייצור זכוכית, קרמיקה ואריחים מזוגגים. כאשר משתמשים בנתרן דיכרומט להסרת עור, החלבון (קולגן) והפחמימות בעור המקורי מגיבים עם חומרים כימיים ליצירת קומפלקס יציב, ההופך לבסיס למוצרי עור. בתעשיית הטקסטיל, נתרן דיכרומט משמש כחומר צביעה בצביעת בדים, שיכול לחבר ביעילות מולקולות צבע לתרכובות אורגניות; ניתן להשתמש בו גם כחומר מחמצן בייצור צבעים וחומרי ביניים.

מינרל כרום

בטבע התגלו יותר מ-50 סוגים של מינרלים המכילים כרום, אך לרובם תכולת כרום נמוכה ופיזור מפוזר, ולכן ערך השימוש התעשייתי שלהם נמוך. מינרלים אלה המכילים כרום שייכים לתחמוצות, כרומטים וסיליקטים, בנוסף לכמה הידרוקסידים, יודאטים, ניטרידים וסולפידים. ביניהם, מינרלים של כרום ניטריד וכרום גופרתי נמצאים רק במטאוריטים.

כמין מינרל בתת-משפחת עפרות הכרום, כרומיט הוא המינרל התעשייתי החשוב היחיד של כרום. הנוסחה הכימית התיאורטית היא (MgFe)Cr2O4, שבה תכולת Cr2O3 מהווה 68%, ו-FeO מהווה 32%. בהרכב הכימי שלו, הקטיון התלת-ערכי הוא בעיקר Cr3+, ולעתים קרובות ישנן החלפות איזומורפיות של Al3+, Fe3+ ו-Mg2+, Fe2+. בכרומיט המיוצר בפועל, חלק מ-Fe2+ מוחלף לעתים קרובות ב-Mg2+, ו-Cr3+ מוחלף ב-Al3+ ו-Fe3+ בדרגות שונות. מידת ההחלפה האיזומורפית המלאה בין המרכיבים השונים של כרומיט אינה עקבית. קטיוני הקואורדינציה מסדר ארבע הם בעיקר מגנזיום וברזל, וההתחלפה האיזומורפית המלאה בין מגנזיום לברזל. על פי שיטת ארבעת החלוקות, ניתן לחלק את הכרומיט לארבע תת-קבוצות: כרומיט מגנזיום, כרומיט ברזל-מגנזיום, כרומיט ברזל-מאפי וברזל-כרומיט. בנוסף, כרומיט מכיל לעיתים קרובות כמות קטנה של מנגן, תערובת הומוגנית של טיטניום, ונדיום ואבץ. מבנה הכרומיט הוא מסוג ספינל רגיל.

4. תקן איכות של תרכיז כרום

בהתאם לשיטות עיבוד שונות (מינרליזציה ועפרה טבעית), עפרת כרום למטלורגיה מחולקת לשני סוגים: מרוכז (G) ועפרה גושית (K). ראה טבלה להלן.

דרישות איכות לעפרת כרומיט למטלורגיה

טכנולוגיית הטמעת עפרות כרום

1) בחירה מחדש
כיום, הפרדת כבידה תופסת מקום חשוב בהעשרת עפרות כרום. שיטת הפרדת הכבידה, המשתמשת בשכבות רופפות במדיום המימי כדרך הבסיסית, היא עדיין השיטה העיקרית להעשרת עפרות כרום ברחבי העולם. ציוד הפרדת הכבידה הוא תעלה ספירלית ומרכז צנטריפוגלי, וטווח גודל החלקיקים לעיבוד רחב יחסית. באופן כללי, הפרש הצפיפות בין מינרלי כרום ומינרלי גנגה גדול מ-0.8 גרם/סמ"ק, והפרדת כבידה של כל גודל חלקיקים גדול מ-100 מיקרון יכולה להיות משביעת רצון. עפרות גושים גסים (100 ~ 0.5 מ"מ) ממוינות או נבחרות מראש על ידי העשרת בינונית-כבדה, שהיא שיטת העשרת כרום חסכונית מאוד.

2) הפרדה מגנטית
הפרדה מגנטית היא שיטת הטבה המבוססת על הפרדת מינרלים בשדה מגנטי לא אחיד המבוססת על ההבדל המגנטי של המינרלים בעפרה. לכרומיט תכונות מגנטיות חלשות וניתן להפרידו באמצעות מפרידי מגנטיים אנכיים בעלי גרדיאנט גבוה, מפרידי מגנטיים בעלי פלטות רטובות וציוד אחר. מקדמי הרגישות המגנטית הספציפיים של מינרלי כרום המיוצרים באזורי ייצור שונים של עפרות כרום בעולם אינם שונים בהרבה, ודומים למקדמי הרגישות המגנטית הספציפיים של וולפרמיט וולפראמיט המיוצרים באזורים שונים.

ישנם שני מצבים לשימוש בהפרדה מגנטית להשגת תרכיז כרום באיכות גבוהה: האחד הוא הסרת המינרלים המגנטיים החזקים (בעיקר מגנטיט) בעפרה תחת שדה מגנטי חלש כדי להגדיל את יחס הפרוכרום, והשני הוא שימוש בשדה מגנטי חזק. הפרדת מינרלי גנגה והפקת עפרת כרום (מינרלים מגנטיים חלשים).

3) בחירה חשמלית
הפרדה חשמלית היא שיטה להפרדת עפרות כרום ומינרלי גנגה סיליקט באמצעות התכונות החשמליות של מינרלים, כגון הבדלים במוליכות ובקבוע הדיאלקטרי.

4) ציפה
בתהליך הפרדת הכבידה, עפרת כרומיט עדינה (-100 מיקרון) נזרקת לעתים קרובות כפסולת, אך לכרומיט בגודל זה עדיין יש ערך ניצול גבוה, כך שניתן להשתמש בשיטת ההצפה כדי להפיק עפרת כרומיט עדינה בדרגה נמוכה. ציפה של עפרת כרום עם 20% ~ 40% Cr2O3 בפסולת ומינרלים של סרפנטין, אוליבין, רוטיל וסידן מגנזיום פחמתי כמינרלי גנג. העפרה נטחנת דק ל-200 מיקרון, מים, פוספט, מטאפוספט, פלואורסיליקט וכו' משמשים לפיזור ועיכוב הבוצה, וחומצת שומן בלתי רוויה משמשת כאספן. פיזור ודיכוי בוצת הגנג חשובים מאוד לתהליך ההצפה. יוני מתכת כמו ברזל ועופרת יכולים להפעיל את הכרומיט. כאשר ערך ה-pH של התרחיף נמוך מ-6, הכרומיט כמעט ולא יצוף. בקיצור, צריכת ריאגנט ההצפה גדולה, דרגת הריכוז אינה יציבה וקצב ההפקה נמוך. Ca2+ ו-Mg2+ המומסים ממינרלי גנגה מפחיתים את הסלקטיביות של תהליך הציפה.

5) הטבה כימית
שיטה כימית היא טיפול ישיר בעפרות כרומיט מסוימות שלא ניתן להפרידן בשיטה פיזיקלית או שעלות השיטה הפיזיקלית גבוהה יחסית. יחס Cr/Fe של תרכיז המיוצר בשיטה הכימית גבוה מזה של שיטה פיזיקלית רגילה. שיטות כימיות כוללות: שטיפה סלקטיבית, חיזור חמצון, הפרדת התכה, שטיפה של חומצה גופרתית וחומצה כרומית, חיזור ושטיפה של חומצה גופרתית וכו'. השילוב של שיטות פיזיקליות-כימיות וטיפול ישיר בעפרות כרום בשיטות כימיות הם אחד המגמות העיקריות בהטבת כרומיט כיום. שיטות כימיות יכולות להפיק ישירות כרום מהעפרה ולייצר כרום קרביד ותחמוצת כרום.