Хром: свойства, способы добычи и применение

Заслуга открытия этого природного минерала, выделенного в чистом виде Ф. Тассертом на рубеже XVIII-XIX веков, принадлежит французскому профессору химии Никола Луи Воклену и немецким учёным М. Г. Клапротом и Т. Е. Ловицем.

Физические характеристики:

• Один из самых твёрдых и пластичных материалов (при проведении по стеклу, оставляет след).
• Металл становится очень хрупким (легко ломается при незначительных физических воздействиях) при наличии примесей в виде: азота, кислорода и углерода.
• Хорошо поддаётся механической обработке.
• Электро- и теплопроводен.
• Обладает металлическим блеском.
• При температуре +37…+39⁰C начинает менять ряд физических характеристик: снижается упругость, изменяется электропроводность и коэффициент линейного расширения.
• Плотность металла =" 7,19 гм/см³.
• Температура плавления составляет +1875⁰C.
• Температура кипения равняется +2680⁰C.

Химические свойства:

• В нормальных условиях малоактивен, что позволяет использовать его в качестве антикоррозийной добавки при выплавке железа.
• При контакте с водой и кислородом воздуха не окисляется и не теряет своего блеска.
• Не вступает в реакцию с азотной и серной кислотами.
• Проявляет химическую активность при повышенных температурах, вступая в реакции с бромом, хлором и кислородом.
• В определённых условиях образует множество химических соединений, обладающих окислительными и восстановительными свойствами, и при этом являющихся ядами!

Структура и состав металла

Как металл, хром имеет кристаллическую структуру в виде объёмно-центрированной кубической решётки, подверженной гранецентрированной модификации при температуре в +1830⁰C. Сама решётка состоит из ионов минерала и подвижных электронов. Имеется провал одного электрона с подуровня на другой подуровень.

Виды хромовых руд

В достаточной степени распространённый в земной коре металл, хром представлен среди полезных ископаемых двумя своими основными соединениями:

• Хромитом – называемым также железняком или шпинелем.
• Крокоитом – красной свинцовой рудой класса хроматов.

Всего в природе насчитывается более 20 хромовых минералов, но промышленное значение имеют только шпинели: магнохромит, люмохромит, хромпикотит. Как те, так и другие минералы обладают определённой спецификой природного или производственно-хозяйственного происхождения. Второе справедливо в случае использования технологических отходов.

Эндогенные

Эндогенные хромовые руды представляют собой залежи ископаемых, образовавшихся в результате извержения магмы или жидких, а также газовых растворов, содержащих в себе минералы, располагающиеся в глубинах земных недр. Процесс их внутри земного формирования в своё время происходил под воздействием высоких температур и значительного давления.

В свою очередь, по времени образования эндогенные руды подразделяются:

• на раннемагматические (в их нижних горизонтах и залегают хромовые руды)
• и позднемагматические (те, в которых образуются линзы, столбы и жилы искомого минерала).

Кроме того, в зависимости от физико-химических процессов и содержания, насчитывается пять основных генетических групп руд:

• магматические,
• пегматитовые,
• карбонатитовые,
• скарновые,
• гидротермальные.

Промышленное значение имеют альпинотипный и стратиформный типы месторождений. Оба они отличаются высоким содержанием хрома, железа и глинозёма.

Экзогенные

Разрушение эндогенных руд посредством процессов выветривания привело к возникновению экзогенных (россыпных) залежей, подразделяющихся на прибрежно-морские, элювиальные, делювиальные отложения.

Техногенные

Фактически представляют собой остатки технологических процессов освоения и переработки хромовых промышленных руд: специальные отвалы и хвосты. Их освоение требует соответствующих специфике исследований, а также научно-исследовательских и конструкторских разработок.

Способы добычи хрома

Основными технологиями добычи хрома, как и ряда других полезных ископаемых, выступают открытый, подземный и комбинированный способы.

Самым распространённым и популярным является открытый, карьерный способ. Это объясняется доступностью залежей и возможностью быстрой организации широкого фронта работ с привлечением максимума тяжёлой техники.

Однако такое бывает далеко не всегда. В случае глубинных залежей хромовых руд приходится строить шахты, прокладывать горизонтальные квершлаги, штольни, штреки. Способ достаточно затратный, но эффективный в плане добычи самых богатых залежей полезных ископаемых.

Если рудное тело располагается на разных глубинах, то уместным становится совмещение открытого и закрытого способа, то есть комбинированного, позволяющего в наибольшей степени освоить месторождение.

Так как добытое перечисленными способами сырьё насыщено примесями, а для потребителей нужен чистый хром, то для его получения прибегают к разнообразным физико-химическим способам переработки извлечённых руд.

Алюмотермический метод

Частный случай металлотермии, изобретённый в 1859 году российским академиком Н. Н. Бекетовым и внедрённый в промышленную эксплуатацию на рубеже XIX-XX веков Г. Гольдшмидтом, представляет собой не что иное, как метод восстановления оксида хрома с помощью алюминия сопровождающийся значительным выделением тепла. Температура подобного процесса может достигать 3000⁰C.

Для осуществления процесса используется облицованная магнезитовым кирпичом специальная шахта, смонтированная на вагонетке. Внутри полости размещается шихта и запальная смесь. Для усиления реакции добавляются хромовокислые соли и флюсы. В результате чего исходное сырьё преобразуется в сплав, содержащий в своём составе до 92% хрома и предназначенный для слива шлак.

Металлотермическая плавка

Суть металлотермии заключается в восстановлении металлов (в нашем случае – хрома) из их соединений под воздействием высокой температуры с помощью других, более активных в химическом отношении металлов. Сами процессы металлотермии могут протекать в вакууме, электрических печах и вне печей, если позволяет температура реакции.

Дифференцированное сырьё, включает в себя:

• Рудную часть =" концентрат + известь.
• Восстановительные материалы =" концентрат + алюминиевый порошок.
• Запальную смесь =" концентрат + алюминиевый порошок + натриевая селитра.

Всю эту массу загружают в электропечной агрегат. В течение 1-1,5 часа смесь плавят и восстанавливают, чтобы затем слить в изложницу, отделив, содержащий 80% хрома сплав от шлака.

Лабораторный метод

Фактически – электролиз, осуществляемый в лабораторных условиях. Для чего используется специальная ёмкость – электролизёр, заполненный серной кислотой, куда добавляется хромой ангидрид. При пропускании электрического тока, на катоде оседает чистый хром с попутным выделением водорода. Метод не имеет большого практического применения, вследствие малой востребованности получаемого состава.

Хранение и транспортировка

Изготовленный в виде кусков металлический хром, относящийся к третьему классу опасности, следует хранить в специализированных контейнерах или стальных барабанах. При необходимости длительного хранения, барабаны должны быть окрашены в серый цвет.

Транспортировка упакованного материала может осуществляться всеми видами транспорта с соблюдением действующих норм и правил перевозки грузов.

Область применения хрома

Производство стали

Благодаря своим свойствам, хром находит широкое применение в сталелитейном производстве. Этот легирующий элемент позволяет защитить железо от коррозии, повысить его твёрдость и уменьшить критическую скорость охлаждения во время закалки.

Хромистые стали используются для изготовления оружия, броневых плит, несгораемых шкафов, а также корпусов кораблей и подводных лодок.

Хромирование

Электролитическим способом на поверхность готового изделия или детали наносится тончайшая плёнка, толщиной порядка 0,005 мм, что позволяет сформировать хромированную поверхность. Такой защитный слой – хромовое покрытие или хромирование не только делает изделие изящным и красивым, но и защищает его от влаги и воздуха в течение длительного времени.

Сохранение древесины и обработка кожи

Не только металлы нуждаются в защите, но и древесина. Обработанная хромовыми солями, она становится не доступной для разрушения микроорганизмами, насекомыми и плюс к тому имеет меньшую вероятность механического повреждения.

В процессе производства обуви или галантереи кожевенные изделия проходят стабилизацию под воздействием хромовых квасцов.

Изготовление красок

Благодаря богатейшей палитре цветов ряда химических соединений, хрома входит в состав разнообразных красителей и пигментирующих веществ. Оксиды хрома и некоторых металлов служат художественными красками, также они применятся при протравливании тканей перед крашением.

Характерный для некоторых декоративных стеклянных изделий зелёный или жёлтый цвет имеет в своей основе этот же минерал.

Ювелирная промышленность

Драгоценные камни, столь незаменимые в готовых ювелирных изделиях часто содержат в своём составе хром. Это – прежде всего рубин, который к тому же используется в лазерных установках, а также шпинель и уваровит.

Безусловно, все перечисленные отрасли не исчерпывают области применения этого минерала. Он находит достаточно широкое употребление при изготовлении:

• Фотографий (желатин).
• Полиграфической продукции.
• Электронной аппаратуры.
• Пластмасс.
• Фармацевтических веществ.
• Огнеупоров.
• Металлокерамики.
• Электродов.

Месторождения в России и мире

Хром – достаточно распространённый в природе металл (0,03% массы земной коры), поэтому его залежи встречаются в Европе, Азии и Африке. Однако наиболее крупные месторождения располагаются в ЮАР, Казахстане, Российской Федерации, Мадагаскаре и Зимбабве. Менее богаты залежами Армения, Турция, Индия, Бразилия, Филиппины.

На территории нашей страны существуют несколько достаточно крупных месторождений с запасами от 1 до 10 млн. тонн руды:

• Сопчеозёрское в Мурманской области.
• Аганозерское в Карелии.
• Цетральное в Ямало-Ненецком Автономном Округе.
• Главное Сарановское и Южно-Сарановское в Пермском крае, Свердловской и Челябинской областях.

Также запасами руд этого минерала располагают Башкортостан, Оренбургская и Читинская области, Ханты-Мансийский АО, Красноярский и Алтайские края, остров Сахалин.

Мировые запасы

15 млрд. тонн – таковы выявленные мировые запасы хромовых руд на территории 47 стран мира. В процентном отношении ресурсы распределены таким образом:

• Север ЮАР – 78%.
• Актюбинская область Казахстана – 7%.
• Зимбабве – 6%.
• США – 1,5%.
• Гренландия – 1,1%.
• Финляндия – 1%.
• Индия – 0,9%.

К началу III тысячелетия подтверждённые запасы 300 месторождений в 32 странах мира составляли 4,5 млрд. тонн.

Страны, добывающие хром

Общемировое ежегодное потребление хрома оценивается в 15 млн. тонн. Значительную долю в эту цифру вносят страны, добывающие руды:

• закрытым способом: ЮАР, Зимбабве, Турция, Греция;
• открытым методом – Бразилия, Финляндия, Мадагаскар, Индия.
• комбинированным способом – Филиппины.

Кроме того, в этот список входят такие страны. Казахстан, Китай, Россия. В целом можно отметить, что ситуация на мировом рынке хрома в последнее десятилетие несколько стабилизировалась. А подтверждённых запасов этого природного полезного ископаемого хватит на ближайшие несколько десятков лет.