การสะสมแร่ธาตุทั่วไป - คุณสมบัติแร่โครเมียมและเทคโนโลยีการแปรรูปแร่

ลักษณะของโครเมียม

โครเมียม สัญลักษณ์ธาตุ Cr เลขอะตอม 24 มวลอะตอมสัมพัทธ์ 51.996 จัดอยู่ในกลุ่มโลหะทรานซิชัน หมู่ VIB ในตารางธาตุ โลหะโครเมียมมีโครงสร้างผลึกแบบลูกบาศก์ศูนย์กลาง (body-centered cubic) สีขาวเงิน ความหนาแน่น 7.1 กรัม/ซม³ จุดหลอมเหลว 1860 องศาเซลเซียส จุดเดือด 2680 องศาเซลเซียส ความจุความร้อนจำเพาะที่ 25 องศาเซลเซียส 23.35 จูล/(โมล·เคลวิน) ความร้อนของการระเหย 342.1 กิโลจูล/โมล การนำความร้อน 91.3 วัตต์/(เมตร·เคลวิน) (0-100 องศาเซลเซียส) ความต้านทานจำเพาะ (20 องศาเซลเซียส) 13.2 ไมโครโอห์ม·เซนติเมตร และมีคุณสมบัติทางกลที่ดี

โครเมียมมีวาเลนซ์ 5 ระดับ คือ +2, +3, +4, +5 และ +6 โดยทั่วไปภายใต้สภาวะการทำงานภายใน โครเมียมจะมีวาเลนซ์ +3 สารประกอบที่มีโครเมียมวาเลนซ์ +3 มีความเสถียรมากที่สุด สารประกอบที่มีโครเมียมวาเลนซ์ +6 รวมถึงเกลือโครเมียม มีคุณสมบัติในการออกซิไดซ์สูง รัศมีไอออนของ Cr3+, Al3+ และ Fe3+ มีความคล้ายคลึงกัน ดังนั้นจึงสามารถมีคุณสมบัติคล้ายคลึงกันได้หลากหลาย นอกจากนี้ ธาตุที่สามารถแทนที่โครเมียมได้ ได้แก่ แมงกานีส แมกนีเซียม นิกเกล โคบอลต์ สังกะสี เป็นต้น ดังนั้นโครเมียมจึงพบได้ทั่วไปในแร่แมกนีเซียมเหล็กซิลิเกตและแร่ประกอบอื่นๆ

แอปพลิเคชัน

โครเมียมเป็นโลหะชนิดหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมสมัยใหม่ โดยส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมและเหล็กอัลลอยชนิดต่างๆ ในรูปของเฟอร์โรอัลลอย (เช่น เฟอร์โรโครม) โครเมียมมีคุณสมบัติแข็ง ทนต่อการสึกหรอ ทนความร้อน และทนต่อการกัดกร่อน แร่โครเมียมถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมโลหะวิทยา วัสดุทนไฟ อุตสาหกรรมเคมี และอุตสาหกรรมการหล่อโลหะ

ในอุตสาหกรรมโลหะวิทยา แร่โครเมียมส่วนใหญ่ใช้ในการถลุงเฟอร์โรโครมและโลหะโครเมียม โครเมียมใช้เป็นสารเติมแต่งในเหล็กเพื่อผลิตเหล็กชนิดพิเศษที่มีความแข็งแรงสูง ทนต่อการกัดกร่อน ทนต่อการสึกหรอ ทนต่ออุณหภูมิสูง และทนต่อการออกซิเดชัน เช่น เหล็กกล้าไร้สนิม เหล็กทนกรด เหล็กทนความร้อน เหล็กลูกปืน เหล็กสปริง เหล็กเครื่องมือ เป็นต้น โครเมียมสามารถเพิ่มคุณสมบัติทางกลและความทนทานต่อการสึกหรอของเหล็กได้ โลหะโครเมียมส่วนใหญ่ใช้ในการถลุงโลหะผสมพิเศษกับโคบอลต์ นิกเกล ทังสเตน และธาตุอื่นๆ การชุบโครเมียมและการเคลือบโครเมียมสามารถทำให้เหล็ก ทองแดง อลูมิเนียม และโลหะอื่นๆ มีพื้นผิวที่ทนต่อการกัดกร่อน เงางาม และสวยงาม

ในอุตสาหกรรมวัสดุทนไฟ แร่โครเมียมเป็นวัสดุทนไฟที่สำคัญที่ใช้ในการผลิตอิฐโครเมียม อิฐโครเมียมแมกนีเซีย วัสดุทนไฟขั้นสูง และวัสดุทนไฟพิเศษอื่นๆ (คอนกรีตโครเมียม) วัสดุทนไฟที่มีโครเมียมเป็นส่วนประกอบหลัก ได้แก่ อิฐที่ทำจากแร่โครเมียมและแมกนีเซีย ปูนเม็ดแมกนีเซีย-โครเมียมเผา อิฐแมกนีเซีย-โครเมียมหลอมเหลว และอิฐแมกนีเซีย-โครเมียมหลอมเหลว บดละเอียด แล้วเชื่อมติดกัน วัสดุเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในเตาหลอมแบบเปิด เตาหลอมแบบเหนี่ยวนำ ฯลฯ และใช้ในเตาแปลงโลหะและเตาหมุนในอุตสาหกรรมปูนซีเมนต์ เป็นต้น

ในอุตสาหกรรมการหล่อโลหะ แร่โครเมียมจะไม่ทำปฏิกิริยากับธาตุอื่นๆ ในเหล็กหลอมเหลวระหว่างกระบวนการเท มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ ทนต่อการแทรกซึมของโลหะ และมีประสิทธิภาพในการระบายความร้อนได้ดีกว่าเซอร์คอน แร่โครเมียมสำหรับการหล่อโลหะมีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมีและการกระจายขนาดอนุภาค

ในอุตสาหกรรมเคมี การใช้โครเมียมโดยตรงที่สุดคือการผลิตสารละลายโซเดียมไดโครเมต (Na2Cr2O7·H2O) จากนั้นจึงนำไปเตรียมสารประกอบโครเมียมอื่นๆ เพื่อใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น สี สิ่งทอ การชุบโลหะด้วยไฟฟ้า และการผลิตเครื่องหนัง รวมถึงตัวเร่งปฏิกิริยาด้วย

ผงแร่โครเมียมที่บดละเอียดเป็นสารให้สีธรรมชาติในการผลิตแก้ว เซรามิก และกระเบื้องเคลือบ เมื่อใช้โซเดียมไดโครเมตในการฟอกหนัง โปรตีน (คอลลาเจน) และคาร์โบไฮเดรตในหนังเดิมจะทำปฏิกิริยากับสารเคมีเพื่อสร้างสารประกอบเชิงซ้อนที่เสถียร ซึ่งกลายเป็นพื้นฐานของผลิตภัณฑ์หนัง ในอุตสาหกรรมสิ่งทอ โซเดียมไดโครเมตใช้เป็นสารช่วยยึดเกาะในการย้อมผ้า ซึ่งสามารถยึดโมเลกุลของสีย้อมเข้ากับสารประกอบอินทรีย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นสารออกซิไดซ์ในการผลิตสีย้อมและสารตัวกลางได้อีกด้วย

แร่โครเมียม

มีการค้นพบแร่ธาตุที่มีโครเมียมเป็นองค์ประกอบมากกว่า 50 ชนิดในธรรมชาติ แต่ส่วนใหญ่มีปริมาณโครเมียมต่ำและกระจายตัวไม่สม่ำเสมอ ทำให้มีคุณค่าในการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมต่ำ แร่ธาตุที่มีโครเมียมเหล่านี้อยู่ในกลุ่มออกไซด์ โครเมต และซิลิเกต รวมถึงไฮดรอกไซด์ ไอโอเดต ไนไตรด์ และซัลไฟด์บางส่วน ในบรรดาแร่ธาตุเหล่านี้ แร่โครเมียมไนไตรด์และโครเมียมซัลไฟด์พบได้เฉพาะในอุกกาบาตเท่านั้น

โครไมต์เป็นแร่ชนิดหนึ่งในกลุ่มแร่โครเมียม และเป็นแร่โครเมียมที่สำคัญในอุตสาหกรรมเพียงชนิดเดียว สูตรเคมีตามทฤษฎีคือ (MgFe)Cr2O4 โดยมี Cr2O3 คิดเป็น 68% และ FeO คิดเป็น 32% ในองค์ประกอบทางเคมี ไอออนบวกที่มีประจุสามหลักคือ Cr3+ และมักมีการแทนที่แบบไอโซมอร์ฟิกของ Al3+, Fe3+ และ Mg2+, Fe2+ ในโครไมต์ที่ผลิตได้จริง ส่วนหนึ่งของ Fe2+ มักถูกแทนที่ด้วย Mg2+ และ Cr3+ ถูกแทนที่ด้วย Al3+ และ Fe3+ ในระดับที่แตกต่างกัน ระดับการแทนที่แบบไอโซมอร์ฟิกที่สมบูรณ์ระหว่างส่วนประกอบต่างๆ ของโครไมต์นั้นไม่สม่ำเสมอ ไอออนบวกที่มีการประสานงานลำดับที่สี่หลักคือแมกนีเซียมและเหล็ก และการแทนที่แบบไอโซมอร์ฟิกที่สมบูรณ์ระหว่างแมกนีเซียมและเหล็ก ตามวิธีการแบ่งกลุ่มแบบสี่ส่วน โครไมต์สามารถแบ่งออกเป็นสี่กลุ่มย่อย ได้แก่ แมกนีเซียมโครไมต์ เหล็ก-แมกนีเซียมโครไมต์ เหล็ก-แมกมา และเหล็ก-โครไมต์ นอกจากนี้ โครไมต์มักมีแมงกานีสในปริมาณเล็กน้อย และส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันของไทเทเนียม วานาเดียม และสังกะสี โครงสร้างของโครไมต์เป็นแบบสปิเนลปกติ

4. มาตรฐานคุณภาพของสารเข้มข้นโครเมียม

ตามวิธีการแปรรูปที่แตกต่างกัน (การทำให้เกิดแร่และการใช้แร่ธรรมชาติ) แร่โครเมียมสำหรับอุตสาหกรรมโลหะวิทยาแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ แร่เข้มข้น (G) และแร่ก้อน (K) ดูตารางด้านล่าง

ข้อกำหนดด้านคุณภาพสำหรับแร่โครไมต์สำหรับอุตสาหกรรมโลหะวิทยา

เทคโนโลยีการเพิ่มคุณภาพแร่โครม

1) การเลือกตั้งใหม่
ในปัจจุบัน การแยกด้วยแรงโน้มถ่วงมีบทบาทสำคัญในการเพิ่มคุณภาพแร่โครเมียม วิธีการแยกด้วยแรงโน้มถ่วงซึ่งใช้การเรียงตัวเป็นชั้นหลวมๆ ในตัวกลางที่เป็นของเหลวเป็นพฤติกรรมพื้นฐาน ยังคงเป็นวิธีการหลักในการเพิ่มคุณภาพแร่โครเมียมทั่วโลก อุปกรณ์การแยกด้วยแรงโน้มถ่วง ได้แก่ รางเกลียวและเครื่องแยกแบบแรงเหวี่ยง และช่วงขนาดอนุภาคที่สามารถประมวลผลได้ค่อนข้างกว้าง โดยทั่วไป ความแตกต่างของความหนาแน่นระหว่างแร่โครเมียมและแร่ที่ไม่ใช่แร่โครเมียมจะมากกว่า 0.8 กรัม/ซม³ และการแยกด้วยแรงโน้มถ่วงของอนุภาคขนาดใดๆ ที่ใหญ่กว่า 100 ไมโครเมตรก็สามารถให้ผลลัพธ์ที่น่าพอใจ ก้อนแร่ขนาดใหญ่ (100 ~ 0.5 มม.) จะถูกคัดแยกหรือคัดเลือกเบื้องต้นโดยการเพิ่มคุณภาพด้วยตัวกลางหนัก ซึ่งเป็นวิธีการเพิ่มคุณภาพที่ประหยัดมาก

2) การแยกด้วยแม่เหล็ก
การแยกด้วยแม่เหล็กเป็นวิธีการเพิ่มคุณค่าแร่ที่ใช้สนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอในการแยกแร่ โดยอาศัยความแตกต่างทางแม่เหล็กของแร่ในแร่ดิบ โครไมต์มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กอ่อน และสามารถแยกได้ด้วยเครื่องแยกแม่เหล็กแบบวงแหวนแนวตั้งที่มีความชันสูง เครื่องแยกแม่เหล็กแบบแผ่นเปียก และอุปกรณ์อื่นๆ ค่าสัมประสิทธิ์ความไวต่อแม่เหล็กจำเพาะของแร่โครเมียมที่ผลิตในพื้นที่ผลิตแร่โครเมียมต่างๆ ทั่วโลกนั้นไม่แตกต่างกันมากนัก และคล้ายคลึงกับค่าสัมประสิทธิ์ความไวต่อแม่เหล็กจำเพาะของวุลแฟรมไมต์และวุลแฟรมไมต์ที่ผลิตในภูมิภาคต่างๆ

ในการใช้การแยกด้วยแม่เหล็กเพื่อให้ได้แร่โครเมียมเข้มข้นคุณภาพสูงนั้น มีสองสถานการณ์ คือ สถานการณ์แรกคือการกำจัดแร่ที่มีคุณสมบัติแม่เหล็กแรงสูง (ส่วนใหญ่คือแมกเนไทต์) ในแร่ภายใต้สนามแม่เหล็กอ่อนเพื่อเพิ่มอัตราส่วนของเฟอร์โรโครม และสถานการณ์ที่สองคือการใช้สนามแม่เหล็กแรงสูงเพื่อแยกแร่ที่ไม่ต้องการออกและกู้คืนแร่โครเมียม (แร่ที่มีคุณสมบัติแม่เหล็กอ่อน)

3) การเลือกแบบไฟฟ้า
การแยกด้วยไฟฟ้าเป็นวิธีการแยกแร่โครเมียมและแร่ซิลิเกตที่ไม่ต้องการโดยใช้คุณสมบัติทางไฟฟ้าของแร่ธาตุ เช่น ความแตกต่างของค่าการนำไฟฟ้าและค่าคงที่ไดอิเล็กตริก

4) การลอยตัว
ในกระบวนการแยกด้วยแรงโน้มถ่วง แร่โครไมต์ที่มีขนาดเล็กละเอียด (-100 ไมโครเมตร) มักถูกทิ้งเป็นกาก แต่โครไมต์ขนาดนี้ยังมีคุณค่าในการใช้ประโยชน์สูง ดังนั้นจึงสามารถใช้วิธีการลอยตัวเพื่อกู้คืนแร่โครไมต์เม็ดละเอียดคุณภาพต่ำได้ การลอยตัวของแร่โครเมียมที่มี Cr2O3 20% ~40% ในกาก และมีแร่เซอร์เพนไทน์ โอลิวีน รูไทล์ และแคลเซียมแมกนีเซียมคาร์บอเนตเป็นแร่ที่ไม่ต้องการ แร่จะถูกบดละเอียดให้มีขนาด 200 ไมโครเมตร ใช้สารละลายต่างๆ เช่น น้ำแก้ว ฟอสเฟต เมตาฟอสเฟต ฟลูออโรซิลิเกต เป็นต้น เพื่อกระจายและยับยั้งตะกอน และใช้กรดไขมันไม่อิ่มตัวเป็นสารดักจับ การกระจายและการยับยั้งตะกอนที่ไม่ต้องการมีความสำคัญมากในกระบวนการลอยตัว ไอออนโลหะ เช่น เหล็กและตะกั่วสามารถกระตุ้นโครไมต์ได้ เมื่อค่า pH ของสารละลายต่ำกว่า 6 แร่โครไมต์แทบจะไม่ลอยตัว กล่าวโดยสรุปคือ การสิ้นเปลืองสารเคมีในการลอยตัวมีมาก คุณภาพของแร่เข้มข้นไม่คงที่ และอัตราการฟื้นตัวต่ำ ไอออน Ca2+ และ Mg2+ ที่ละลายออกมาจากแร่ที่ไม่ต้องการจะลดประสิทธิภาพการเลือกสรรของกระบวนการลอยตัว

5) การเพิ่มคุณค่าทางเคมี
วิธีทางเคมีคือการบำบัดแร่โครไมต์บางชนิดโดยตรงที่ไม่สามารถแยกได้ด้วยวิธีทางกายภาพ หรือวิธีทางกายภาพมีต้นทุนค่อนข้างสูง อัตราส่วน Cr/Fe ของแร่เข้มข้นที่ได้จากวิธีทางเคมีจะสูงกว่าวิธีทางกายภาพทั่วไป วิธีทางเคมีได้แก่ การชะล้างแบบเลือกสรร การรีดิวซ์ออกซิเดชัน การแยกโดยการหลอม การชะล้างด้วยกรดซัลฟิวริกและกรดโครมิก การรีดิวซ์และการชะล้างด้วยกรดซัลฟิวริก เป็นต้น การผสมผสานระหว่างวิธีทางกายภาพและเคมี และการบำบัดแร่โครเมียมโดยตรงด้วยวิธีทางเคมีเป็นหนึ่งในแนวโน้มหลักในการเพิ่มคุณค่าแร่โครไมต์ในปัจจุบัน วิธีทางเคมีสามารถสกัดโครเมียมจากแร่โดยตรงและผลิตโครเมียมคาร์ไบด์และโครเมียมออกไซด์ได้