تراكم المعادن الشائعة - خصائص خام الكروم وتقنية التخصيب

طبيعة الكروم

الكروم، رمزه Cr، عدده الذري 24، وكتلته الذرية النسبية 51.996، ينتمي إلى عناصر المجموعة السادسة (VIB) من الجدول الدوري للعناصر الكيميائية، وهو عنصر فلزي انتقالي. يتميز الكروم ببنية بلورية مكعبة مركزية الجسم، لونه أبيض فضي، كثافته 7.1 غ/سم³، درجة انصهاره 1860 درجة مئوية، ودرجة غليانه 2680 درجة مئوية، وسعته الحرارية النوعية عند 25 درجة مئوية 23.35 جول/(مول·كلفن)، وحرارة تبخره 342.1 كيلوجول/مول، وموصليته الحرارية 91.3 واط/(متر·كلفن) (0-100 درجة مئوية)، ومقاومته النوعية (عند 20 درجة مئوية) 13.2 ميكرو أوم·سم، ويتمتع بخواص ميكانيكية جيدة.

يوجد الكروم بخمس حالات تكافؤ: +2، +3، +4، +5، و+6. في الظروف الطبيعية، يكون الكروم عادةً في حالة التكافؤ +3. وتُعدّ مركبات الكروم الثلاثي التكافؤ الأكثر استقرارًا. أما مركبات الكروم السداسي التكافؤ، بما فيها أملاح الكروم، فتتميز بخواص أكسدة قوية. تتشابه أنصاف أقطار أيونات Cr3+ وAl3+ وFe3+، مما يُفسر وجود تشابهات واسعة بينها. إضافةً إلى ذلك، تشمل العناصر التي يُمكن أن تحل محل الكروم: المنغنيز، والمغنيسيوم، والنيكل، والكوبالت، والزنك، وغيرها، ولذلك ينتشر الكروم بكثرة في معادن سيليكات المغنيسيوم والحديد والمعادن الثانوية.

طلب

يُعدّ الكروم من أكثر المعادن استخدامًا في الصناعة الحديثة، حيث يُستخدم بشكل أساسي في إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ وأنواع مختلفة من سبائك الفولاذ على شكل سبائك حديدية (مثل الفيروكوم). يتميز الكروم بصلابته ومقاومته للتآكل والحرارة والتآكل الكيميائي. ويُستخدم خام الكروم على نطاق واسع في صناعات المعادن والمواد الحرارية والصناعات الكيميائية والمسابك.

في صناعة المعادن، يُستخدم خام الكروم بشكل أساسي في صهر الفيروكوم والكروم المعدني. يُستخدم الكروم كمادة مضافة للصلب لإنتاج أنواع مختلفة من الفولاذ الخاص عالي القوة، والمقاوم للتآكل، والتآكل الناتج عن الاحتكاك، ودرجات الحرارة العالية، والأكسدة، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، والفولاذ المقاوم للأحماض، والفولاذ المقاوم للحرارة، وفولاذ محامل الكرات، وفولاذ الزنبركات، وفولاذ الأدوات، وغيرها. يُحسّن الكروم الخواص الميكانيكية ومقاومة التآكل للصلب. يُستخدم الكروم المعدني بشكل أساسي في صهر سبائك خاصة مع الكوبالت والنيكل والتنغستن وعناصر أخرى. تُضفي عملية طلاء الكروم والكرومة على الفولاذ والنحاس والألومنيوم والمعادن الأخرى سطحًا مقاومًا للتآكل، يتميز بلمعانه وجماله.

في صناعة المواد الحرارية، يُعد خام الكروم مادة حرارية مهمة تُستخدم في صناعة طوب الكروم، وطوب الكروم والمغنيسيا، والمواد الحرارية المتقدمة، وغيرها من المواد الحرارية الخاصة (الخرسانة الكرومية). تشمل المواد الحرارية القائمة على الكروم بشكل أساسي الطوب المصنوع من خام الكروم والمغنيسيا، والكلنكر المُلبّد من المغنيسيا والكروم، وطوب المغنيسيا والكروم المصهور، وطوب المغنيسيا والكروم المصهور والمطحون ناعماً والمُلصق. تُستخدم هذه المواد على نطاق واسع في أفران الصهر المفتوحة، وأفران الحث، وغيرها، وفي محولات المعادن، وبطانات الأفران الدوارة في صناعة الإسمنت، وغيرها.

في صناعة المسابك، لا يتفاعل خام الكروم مع العناصر الأخرى في الفولاذ المنصهر أثناء عملية الصب، ويتميز بمعامل تمدد حراري منخفض، ومقاومة عالية لاختراق المعادن، وأداء تبريد أفضل من الزركون. ويخضع خام الكروم المستخدم في المسابك لمتطلبات صارمة فيما يتعلق بالتركيب الكيميائي وتوزيع حجم الجسيمات.

في الصناعة الكيميائية، يتمثل الاستخدام الأكثر مباشرة للكروم في إنتاج محلول ثنائي كرومات الصوديوم (Na2Cr2O7·H2O)، ثم تحضير مركبات الكروم الأخرى لاستخدامها في صناعات مثل الأصباغ والمنسوجات والطلاء الكهربائي وصناعة الجلود، بالإضافة إلى المحفزات.

يُعدّ مسحوق خام الكروم المطحون ناعماً عامل تلوين طبيعي في صناعة الزجاج والسيراميك والبلاط المزجج. عند استخدام ثنائي كرومات الصوديوم في دباغة الجلود، يتفاعل البروتين (الكولاجين) والكربوهيدرات الموجودة في الجلد الأصلي مع مواد كيميائية لتكوين مركب مستقر، يُشكّل أساس المنتجات الجلدية. في صناعة النسيج، يُستخدم ثنائي كرومات الصوديوم كمادة مُثبّتة في صباغة الأقمشة، حيث يُساعد على ربط جزيئات الصبغة بالمركبات العضوية بكفاءة؛ كما يُمكن استخدامه كعامل مؤكسد في صناعة الأصباغ والمواد الوسيطة.

معدن الكروم

تم اكتشاف أكثر من 50 نوعًا من المعادن المحتوية على الكروم في الطبيعة، إلا أن معظمها يتميز بانخفاض محتواه من الكروم وتوزعه المتناثر، مما يحد من قيمته الصناعية. تنتمي هذه المعادن إلى الأكاسيد والكرومات والسيليكات، بالإضافة إلى عدد قليل من الهيدروكسيدات واليودات والنتريدات والكبريتيدات. ومن بينها، لا يوجد نتريد الكروم وكبريتيد الكروم إلا في النيازك.

يُعد الكروميت، وهو أحد أنواع المعادن في عائلة خامات الكروم، المعدن الصناعي الوحيد المهم للكروم. صيغته الكيميائية النظرية هي (MgFe)Cr2O4، حيث يُمثل Cr2O3 نسبة 68%، وFeO نسبة 32%. يتكون الكروميت بشكل أساسي من كاتيون ثلاثي التكافؤ Cr3+، وغالبًا ما توجد إحلالات متماثلة الشكل بين Al3+ وFe3+ وMg2+ وFe2+. في الكروميت المُنتَج، غالبًا ما يُستبدل جزء من Fe2+ بـ Mg2+، ويُستبدل Cr3+ بـ Al3+ وFe3+ بدرجات متفاوتة. لا تتسق درجة الإحلال المتماثل الشكل بين مكونات الكروميت المختلفة. أما كاتيونات التنسيق الرباعي فهي بشكل أساسي المغنيسيوم والحديد، ويحدث إحلال متماثل الشكل كامل بين المغنيسيوم والحديد. وفقًا لطريقة التقسيم الرباعي، يمكن تقسيم الكروميت إلى أربع مجموعات فرعية: كروميت المغنيسيوم، وكروميت الحديد والمغنيسيوم، وكروميت الحديد المافي، وكروميت الحديد. إضافةً إلى ذلك، غالبًا ما يحتوي الكروميت على كمية ضئيلة من المنغنيز، وهو خليط متجانس من التيتانيوم والفاناديوم والزنك. يتميز الكروميت ببنية الإسبينيل العادية.

4. معيار جودة مركز الكروم

بحسب طرق المعالجة المختلفة (التمعدن والخام الطبيعي)، يُقسم خام الكروم المستخدم في صناعة المعادن إلى نوعين: المركز (G) والخام الكتلي (K). انظر الجدول أدناه.

متطلبات الجودة لخام الكروميت المستخدم في صناعة المعادن

تكنولوجيا إثراء خام الكروم

1) إعادة الانتخاب
يحتل الفصل بالجاذبية حاليًا مكانةً هامةً في معالجة خام الكروم. ولا تزال هذه الطريقة، التي تعتمد على الترسيب الطبقي غير المحكم في الوسط المائي، الطريقة الرئيسية لإثراء خام الكروم عالميًا. تتكون معدات الفصل بالجاذبية من منزلق حلزوني وجهاز تركيز طرد مركزي، وتتميز بنطاق واسع نسبيًا لأحجام الجسيمات المعالجة. عمومًا، يكون فرق الكثافة بين معادن الكروم ومعادن الشوائب أكبر من 0.8 جم/سم³، ويمكن فصل أي جسيمات يزيد حجمها عن 100 ميكرومتر بنجاح. بعد ذلك، تُفرز أو تُنتقى الكتل الخشنة (100-0.5 مم) من الخام باستخدام المعالجة بالوسط الثقيل، وهي طريقة اقتصادية للغاية.

2) الفصل المغناطيسي
الفصل المغناطيسي هو أسلوب لمعالجة المعادن يعتمد على فصلها في مجال مغناطيسي غير منتظم، وذلك بناءً على اختلاف خصائصها المغناطيسية في الخام. يتميز الكروميت بخصائص مغناطيسية ضعيفة، ويمكن فصله باستخدام فواصل مغناطيسية عمودية حلقية عالية التدرج، وفواصل مغناطيسية ذات ألواح رطبة، وغيرها من المعدات. لا تختلف معاملات الحساسية المغناطيسية النوعية لمعادن الكروم المنتجة في مختلف مناطق إنتاج خام الكروم حول العالم اختلافًا كبيرًا، وهي مشابهة لمعاملات الحساسية المغناطيسية النوعية للولفراميت المنتج في مناطق مختلفة.

توجد حالتان لاستخدام الفصل المغناطيسي للحصول على مركزات الكروم عالية الجودة: الأولى هي إزالة المعادن المغناطيسية القوية (وخاصة الماغنيتيت) من الخام باستخدام مجال مغناطيسي ضعيف لزيادة نسبة الفيروكوم، والثانية هي استخدام مجال مغناطيسي قوي لفصل معادن الشوائب واستخلاص خام الكروم (المعادن المغناطيسية الضعيفة).

3) الاختيار الكهربائي
الفصل الكهربائي هو طريقة لفصل خام الكروم ومعادن السيليكات المصاحبة له باستخدام الخصائص الكهربائية للمعادن، مثل الاختلافات في الموصلية وثابت العزل الكهربائي.

4) التعويم
في عملية الفصل بالجاذبية، غالبًا ما يُهمل خام الكروميت ذو الحبيبات الدقيقة (أقل من 100 ميكرومتر) كمخلفات، إلا أن هذا الحجم من الكروميت لا يزال ذا قيمة استخدام عالية، لذا يمكن استخدام طريقة التعويم لاستخلاص خام الكروميت الحبيبي الدقيق منخفض الجودة. يتم تعويم خام الكروم الذي يحتوي على 20% إلى 40% من أكسيد الكروم الثلاثي (Cr2O3) في المخلفات، بالإضافة إلى معادن السربنتين والأوليفين والروتيل وكربونات الكالسيوم والمغنيسيوم كمعادن شوائب. يُطحن الخام طحنًا ناعمًا إلى 200 ميكرومتر، ويُستخدم زجاج الماء والفوسفات والميتافوسفات والفلوروسيليكات وغيرها لتشتيت الرواسب ومنع ترسبها، بينما يُستخدم الحمض الدهني غير المشبع كعامل تجميع. يُعد تشتيت رواسب الشوائب ومنع ترسبها أمرًا بالغ الأهمية لعملية التعويم. يمكن لأيونات المعادن مثل الحديد والرصاص تنشيط الكروميت. عندما تكون قيمة الرقم الهيدروجيني للمحلول المعلق أقل من 6، يصعب على الكروميت الطفو. باختصار، يستهلك كاشف التعويم كمية كبيرة من المواد، ويكون تركيز الخام غير مستقر، ومعدل الاستخلاص منخفضاً. كما أن أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم المذابة من المعادن المصاحبة تقلل من انتقائية عملية التعويم.

5) المعالجة الكيميائية
تُستخدم الطريقة الكيميائية لمعالجة خام الكروميت مباشرةً، خاصةً الخامات التي لا يمكن فصلها بالطرق الفيزيائية أو التي تكون تكلفتها مرتفعة نسبيًا. وتكون نسبة الكروم إلى الحديد في المُركّز المُنتَج بهذه الطريقة أعلى من تلك المُنتَجة بالطريقة الفيزيائية التقليدية. تشمل الطرق الكيميائية: الترشيح الانتقائي، والاختزال بالأكسدة، والفصل بالصهر، والترشيح بحمض الكبريتيك وحمض الكروميك، والاختزال والترشيح بحمض الكبريتيك، وغيرها. ويُعدّ الجمع بين الطرق الفيزيائية والكيميائية، والمعالجة المباشرة لخام الكروم بالطرق الكيميائية، من أبرز الاتجاهات الحديثة في إثراء الكروميت. إذ تُتيح هذه الطرق استخلاص الكروم مباشرةً من الخام، وإنتاج كربيد الكروم وأكسيد الكروم.