中国战略性矿产——铬

学术   2024-11-16 16:55   北京  
铬作为一种战略性矿产,在全球经济中扮演着至关重要的角色。其独特的物理化学性质,如优良的耐腐蚀性、耐高温性和高强度,使得铬在多个领域有着广泛的应用,对国民经济和国防建设产生了深远的影响。

铬矿资源在全球范围内分布不均,主要集中在南非、哈萨克斯坦、俄罗斯、土耳其等国家。这些国家不仅储量丰富,而且开采条件相对较好。铬矿的开采和加工技术也较为复杂,涉及破碎、磨矿、选矿等多个环节,通过物理和化学方法将有用矿物与脉石矿物分离,得到不同品位的铬精矿。

图1 铬矿石

尽管全球铬矿资源总量丰富,但高品质铬矿资源相对稀缺。这使得铬矿成为具有战略价值的矿产之一,其价格稳定和市场供应对全球经济有着重要影响。

铬矿资源的开发利用不仅促进了采矿设备、选矿技术、冶炼工艺等相关产业的发展,还推动了环保治理技术的进步。通过深加工和高附加值产品的开发,如不锈钢、铝铬合金、铜铬合金等,铬矿资源的价值得到进一步提升。

一、铬的基本性质

(一)化学性质与物理特性

铬,其元素符号为Cr,原子序数为24,在元素周期表中属于ⅥB族。铬具有一系列独特的化学性质,其中最显著的是其易形成氧化物的特性。铬的常见化合价有+3、+6和+2,能够生成多种化合物,这些化合物往往具有美丽的颜色,这也是铬得名的原因(希腊字chroma意为颜色)。

在物理上,铬是一种银白色金属,具有质硬且延展性好的特点。纯铬的延展性较好,但含有杂质的铬则可能变得硬而脆。铬的密度约为7.20g/cm3,熔点为1857±20℃,沸点为2672℃。此外,铬还具有良好的磁性和抗腐蚀性,即使在赤热状态下,其氧化速度也相对较慢。在空气中,铬表面能形成一层致密的氧化物薄膜,从而阻止进一步的氧化,表现出显著的化学惰性。这种特性使得铬在多种环境中都能保持其性能的稳定。

图2 铬

(二)地壳中的含量与分布

铬在地壳中的含量相对较少,全球范围内地壳中铬的含量约为0.01%-0.03%,但仍然是地壳中分布较广的元素之一。铬主要以氧化物的形式存在,其中具备经济价值的铬矿物主要为铬尖晶石族矿物,即铬铁矿。

图3 铬铁矿石

铬铁矿是主要的含铬矿石,其矿床主要分布在东非大裂谷矿带、欧亚界山乌拉尔矿带、阿尔卑斯-喜马拉雅矿带和环太平洋矿带。近南北向褶皱带中的铬铁矿资源量占世界总量的90%以上。全球可用铬资源超过120亿吨,主要集中在哈萨克斯坦和南非两国,这两个国家所拥有的资源量约占世界总储量的95%。

二、铬的矿产分布与储量

(一)全球铬铁矿资源分布

全球铬铁矿资源丰富,但分布极不均衡。已探明的铬铁矿储量主要集中在南非、津巴布韦、哈萨克斯坦、巴基斯坦、土耳其和印度等国家。这些国家不仅储量丰富,而且开采条件相对较好,是全球铬铁矿的主要供应国。

南非:南非是全球最大的铬铁矿资源国,其储量约占世界资源总量的一半。南非的铬铁矿品质优良,开采条件优越,是全球最大的铬资源出口国。

其他主要资源国:津巴布韦、哈萨克斯坦、巴基斯坦、土耳其和印度等国也拥有丰富的铬铁矿资源。这些国家的铬铁矿储量虽然不及南非,但在全球铬铁矿市场中仍占据重要地位。

图4 全球铬储量分布

(二)中国铬铁矿资源现状

与全球丰富的铬铁矿资源相比,中国的铬铁矿资源相对匮乏。中国铬铁矿主要分布于西藏、甘肃、内蒙古和新疆等地区,但这些地区的铬铁矿矿床规模小、分布零散,开发利用条件较差。

图5 中国矿产资源分布示意图(铬)

储量与产量:中国铬铁矿储量有限,且产量较低。由于国内铬铁矿资源不足,中国对进口铬铁矿的依赖度超过90%。

贫矿与富矿:中国铬铁矿资源中,贫矿与富矿储量大体各占一半。这导致在开采过程中,需要投入更多的成本和技术来提取有价值的铬铁矿。

开采条件:中国铬铁矿资源分布零散,且露采矿少。这使得开采难度加大,成本增加。同时,由于小而易采的富铬铁矿都已采完,现有的铬铁矿资源更加难以开采和利用。

三、铬的开采与冶炼

(一)开采技术与方法

铬铁矿的开采涉及多种技术和方法,主要包括露天开采和地下开采两大类。

1.露天开采

在矿体内开拓巷道,为采矿作业提供通道。剥离矿体上的覆盖层,露出铬矿体。将矿体划分为一定高度的台阶,进行逐层开采。采用大型运输设备将矿石运至加工厂进行破碎、筛分和选矿。

图6 铬矿露天开采

这种方法适用于矿体埋藏较浅、储量大、适合大规模机械化开采的铬铁矿床。

2.地下开采

在露天开采到一定深度后,转入地下开采,实现露天与地下的有机结合。

地下开采需要建立完善的通风、排水、供电等系统,以确保采矿作业的安全进行。

图7 铬矿地下开采

适用于矿体埋藏较深、地表条件复杂或储量较小的铬铁矿床。

在开采过程中,需要注重环境保护和安全生产。采取先进的开采技术,减少对地表的破坏,合理规划矿区的土地使用,实施雨水与矿井水的分流,减少对水资源的污染,并加强对周边水体的监测,确保水质安全。同时,还需要采取湿式凿岩、洒水降尘等措施,有效控制开采过程中的粉尘污染,对产生的废气进行收集和处理,确保达标排放。

(二)冶炼工艺与流程

铬的冶炼主要包括选矿、冶炼和精炼等步骤。

1.选矿

提高铬矿石的品位和回收率。

重选法:利用铬矿石与废石在密度上的差异进行分离。适用于处理粗粒嵌布的铬矿石。

磁选法:利用铬矿石的磁性差异进行分离。适用于处理具有磁性差异的铬矿石。

浮选法:利用铬矿石与废石表面物理化学性质的差异,通过药剂作用使铬矿石选择性地附着于气泡上,从而实现与废石的分离。适用于处理细粒嵌布、品位较低的铬矿石。

电选法:利用铬矿石与废石在电性质上的差异进行分离。

综合选矿技术:将重选、磁选、浮选和电选等方法结合起来,充分利用各种方法的优点,实现铬矿石的高效回收。

图8 铬矿选矿

2.冶炼

将铬矿石中的铬提取出来,制成粗金属铬或铬合金。

金属热还原法(铝热法):用铝等还原剂在高温下还原铬的氧化物,制得金属铬。

电解法:以碳素铬铁或铬铵矾为原料,通过电解过程将铬从化合物中分离出来。

湿法冶金法:利用化学溶剂将铬矿中的铬溶解出来,再通过化学反应或电化学反应将铬分离和提纯。

3.精炼

进一步提高铬的纯度,去除杂质。

吹氧法精炼:用液态碳素铬铁做原料,吹炼时向熔池中加入少量石灰、萤石造渣,出铁前加硅铬合金或硅铁以回收渣中的铬。

真空固态脱碳法精炼:用磨细的高碳铬铁为原料,配加水玻璃或其他粘合剂,压成团块,在真空炉内加热还原,可得到含碳量极低的微碳铬铁。

四、铬矿产业链分析

(一)上游产业链

1.铬矿的开采和初加工环节

铬矿的开采主要集中在铬铁矿的挖掘上,这是一种岩浆成因的矿物,常产于超基性岩中,也见于砂矿中。全球铬资源分布高度集中,南非、哈萨克斯坦、印度三个国家的铬资源储量占据全球93%的比例,其他国家仅占比7%。这些国家的铬矿开采活动对全球铬矿市场有着举足轻重的影响。

初加工环节主要包括对开采出的铬矿石进行破碎、筛分、选矿等处理,以提高铬矿石的品位和利用率。这一环节的技术水平和设备条件直接影响到铬矿资源的供应质量和数量。

2.上游产业链对铬矿资源供应的影响

上游产业链的稳定性对铬矿资源供应具有重要影响。一方面,铬矿资源的分布不均导致部分国家拥有绝对的资源优势,这些国家的政策变动、开采能力、出口政策等都会直接影响到全球铬矿的供应情况。另一方面,上游产业链的初加工环节也决定了铬矿资源的可利用程度,技术水平和设备条件的好坏直接影响到铬矿的供应质量。

(二)中游产业链

1.铬铁、铬盐等产品的生产制造过程

中游产业链主要包括铬铁、铬盐等产品的生产制造。铬铁的生产过程通常是将铬矿石与还原剂(如焦炭、煤等)在高温下还原冶炼,得到不同碳含量的铬铁合金,如高碳铬铁、中碳铬铁、低碳铬铁等。这些铬铁合金是生产不锈钢和特钢的重要原材料。

铬盐的生产则主要是将铬矿石经过酸浸、氧化、中和等步骤,得到重铬酸钠等铬化合物,这些化合物在化工、纺织、电镀等行业有着广泛的应用。

2.中游产业链的技术水平、产品质量和市场竞争情况

中游产业链的技术水平直接影响到产品的质量和生产效率。随着科技的进步和工艺的不断优化,铬铁和铬盐的生产效率和质量都在不断提高。同时,市场竞争也日益激烈,企业需要通过技术创新和成本控制来提升竞争力。

产品质量方面,铬铁和铬盐等产品的化学成分、物理性质等指标都需要严格控制,以确保其在下游产业链中的应用效果。

市场竞争方面,全球铬铁和铬盐市场都呈现出寡头垄断的态势,少数几家大型企业占据了市场的大部分份额。这些企业通过技术创新、成本控制和市场拓展等手段来保持竞争优势。

(三)下游产业链

1.铬矿产品在不锈钢、特钢、涂料等行业的应用情况

下游产业链主要包括不锈钢、特钢、涂料、电镀等行业。其中,不锈钢是铬矿产品的主要应用领域,其耐腐蚀性能主要得益于铬元素的添加。特钢中也需要添加一定量的铬元素来提高其强度和耐腐蚀性。此外,铬盐在涂料、电镀等行业也有着广泛的应用。

具体来说,在不锈钢领域,铬元素可以提高钢的耐腐蚀性和耐热性,使其在各种恶劣环境下都能保持稳定的性能。在特钢领域,铬元素可以与其他合金元素一起作用,提高钢的强度、硬度和耐磨性。在涂料和电镀行业,铬盐可以作为颜料、催化剂和触媒剂等使用。

2.下游产业链对铬矿资源需求的拉动作用

下游产业链对铬矿资源的需求具有显著的拉动作用。随着全球经济的发展和城市化进程的加快,不锈钢、特钢等金属材料的需求量不断增加,这直接推动了铬矿资源的开采和利用。同时,涂料、电镀等行业的快速发展也为铬矿产品提供了广阔的市场空间。

此外,下游产业链的技术进步和产业升级也对铬矿资源的需求产生了积极的影响。例如,不锈钢和特钢的生产工艺不断优化,使得这些材料在更多领域得到了应用,从而进一步推动了铬矿资源的需求增长。

五、铬的应用领域

铬作为一种重要的金属元素,在多个领域都有着广泛的应用。

(一)冶金工业

生产铬铁合金和金属铬:铬是制造不锈钢和特种钢的关键元素,通过添加铬,可以显著提高钢材的强度、抗腐蚀性、耐磨性、耐高温和耐氧化性能。

钢的添加料:在冶金工业中,铬常被用作钢的添加料,以生产多种具有特殊性能的钢材,如高强度钢、抗腐蚀钢、耐磨钢等。

(二)军工制造业

不锈钢和合金结构钢的生产:铬在军工制造业中主要用于制造不锈钢和合金结构钢,这些材料具有优异的力学性能和抗腐蚀性能,是制造枪械、导弹、火箭等武器的重要材料。

图9 高碳铬不锈钢棒

武器制造中的应用:由于铬合金钢具有高强度、高硬度和良好的抗腐蚀性,因此在枪械的枪管、弹壳等部件的制造中得到了广泛应用。

(三)化工行业

生产铬盐:铬在化工行业中主要用于生产铬盐,如重铬酸盐、铬的氧化物及铬的硫酸盐等。

颜料、涂料和皮革行业的应用:铬盐是颜料、涂料和皮革行业的重要原料,可以用于生产各种颜色鲜艳、耐光性强的颜料和涂料,以及用于皮革的鞣制和染色。

(四)耐火材料

制造铬砖、铬镁砖等:铬的氧化物,特别是三氧化二铬,具有良好的高温抗侵蚀性能,是制造耐火材料的重要原料。通过添加铬的氧化物,可以显著提高耐火材料的耐高温性能和抗侵蚀性能。

特殊耐火材料的制造:除了铬砖和铬镁砖外,铬还可以用于制造其他特殊耐火材料,如铬质耐火浇注料等,这些材料在有色冶金、钢铁冶金、玻璃等行业的高温环境中得到了广泛应用。

(五)其他领域

电镀行业:铬电镀赋予金属材料持久的耐腐蚀性能和银色光泽,被广泛应用于汽车部件、卫浴设备和家具饰品中。

医学领域:钴铬合金可作为医用金属材料,适用于制造体内承重植入体,如各种人工关节、人工骨以及骨固定等。

新兴产业:含铬10%-25%的超合金主要用于制造喷气发动机、航天机具及材料、火箭发动机和热交换器等。

六、中国铬产业的发展趋势

(一)中国铬产业面临的机遇与挑战

1.机遇

市场需求增长:随着全球经济的复苏和新兴市场的崛起,铬矿及其相关产品的市场需求持续增长。特别是在不锈钢、特钢、耐火材料、化工等领域,铬的应用越来越广泛,为铬产业提供了广阔的发展空间。

政策引导与支持:中国政府高度重视铬等战略性矿产资源的勘查、开发和利用,出台了一系列政策措施,旨在加强资源保护、推动技术创新、优化产业结构,为铬产业的健康发展提供了有力保障。

2.挑战

资源短缺:中国铬矿资源相对匮乏,且分布零散、品位较低,导致开采和加工难度较大,成本较高。同时,随着国内铬矿资源的不断开采,资源短缺问题日益突出。

环保压力:铬矿开采和冶炼过程中会产生大量的废水、废气和固体废弃物,对环境造成严重污染。随着国家对环保要求的不断提高,铬产业面临的环保压力日益增大。

国际市场竞争:全球铬矿资源主要集中在南非、哈萨克斯坦等国家,这些国家拥有丰富的铬矿资源和先进的开采、冶炼技术,对中国铬产业构成了一定的竞争压力。

(二)中国铬产业的发展方向

勘查与开采:加大对国内铬矿资源的勘查力度,提高资源储量,同时积极开拓国外市场,获取更多的铬矿资源。在开采过程中,要采用先进的开采技术和设备,提高开采效率和资源利用率。

冶炼技术:加强铬矿冶炼技术的研发和创新,提高冶炼效率和产品质量。同时,要积极引进和消化吸收国外先进的冶炼技术和设备,提升中国铬产业的整体竞争力。

应用领域:加大对铬及其合金产品的研发力度,拓展其应用领域。特别是在新能源汽车、航空航天等高科技领域,要积极探索铬及其合金的新用途,提高产品的附加值和市场竞争力。

绿色发展:加强铬产业的环境保护和治理工作,推动铬产业向绿色、低碳、循环方向发展。要加大对环保技术的研发和应用力度,降低铬矿开采和冶炼过程中的环境污染。

(三)中国政府对铬产业的政策支持和引导

战略性矿产资源勘查:中国政府高度重视铬等战略性矿产资源的勘查工作,出台了一系列政策措施,鼓励企业加大勘查投入,提高资源储量。

技术创新:中国政府积极推动铬产业的技术创新和产业升级,鼓励企业加强技术研发和创新能力建设,提高产品的技术含量和附加值。同时,还加大了对科技创新人才的引进和培养力度,为铬产业的发展提供了有力的人才保障。

政策法规:中国政府不断完善铬产业的相关政策法规,加强市场监管和行业自律,规范市场秩序。同时,还加大了对铬产业的环保监管力度,推动企业实现绿色发展。

七、结束语

铬作为一种重要的战略性矿产,在中国经济发展中具有举足轻重的地位。其广泛应用于不锈钢、特钢、耐火材料、化工及铸造等多个关键领域,是支撑这些行业发展的基础材料之一。然而,中国铬产业在发展过程中也面临着诸多挑战。

首先,中国铬矿资源相对匮乏,且分布零散,导致国内铬矿供应紧张,高度依赖进口。这种资源短缺的状况不仅增加了铬产业的成本,还可能受到国际市场价格波动的影响,给产业安全带来隐患。

其次,随着全球环保意识的增强,铬矿开采和加工行业面临着越来越严格的环保要求。如何在保护环境的前提下,实现铬矿资源的可持续利用,是中国铬产业必须面对的重要课题。

面对这些挑战,加强铬矿资源勘查、提高冶炼技术水平、拓展应用领域等举措对中国铬产业的发展具有重要意义。

加强铬矿资源勘查,有助于发现新的矿藏资源,提高资源储量,降低对进口的依赖,增强产业的安全性。同时,通过优化开采工艺,提高开采效率,可以降低开采成本,提升产业的竞争力。

提高冶炼技术水平,是提升铬产品质量和附加值的关键。通过引进和研发先进的冶炼技术,可以降低能耗和排放,实现绿色冶炼。这不仅可以满足市场对高性能铬产品的需求,还可以提升中国铬产业在全球市场的地位。

拓展应用领域,有助于增加铬产品的市场需求,推动产业的持续发展。通过积极开发铬的新应用领域,提高铬产品的附加值,可以为中国铬产业带来新的增长点。

综上所述,铬作为战略性矿产在中国经济发展中具有重要地位,但面临资源短缺和环保压力等挑战。加强铬矿资源勘查、提高冶炼技术水平、拓展应用领域等举措,对于推动中国铬产业的健康发展具有重要意义。未来,中国铬产业应继续加大技术创新和政策支持力度,以实现更加可持续和高效的发展。

致谢:四川省金属学会、高考网、网易、东方财富网、人人文库、知乎、E书联盟、百家号、金投网等,百度及微信等网络媒体。

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