Chroomverwerking, bereiding van het erts voor gebruik in verschillende producten.
Chroom (Cr) is een briljant, hard, vuurvast metaal dat smelt bij 1.857 ° C (3.375 ° F) en kookt bij 2.672 ° C (4.842 ° F). In pure toestand is het bestand tegen gewone corrosie, wat resulteert in zijn toepassing als gegalvaniseerde beschermende coating voor andere metalen. Het lost op in niet-oxiderende minerale zuren, maar niet in aqua regia of salpeterzuur, die het metaal passiveren.
Omdat chroom en chroomrijke legeringen bij kamertemperatuur bros zijn, hebben ze een beperkte toepassing. Veruit het grootste verbruik is als legeringstoevoeging aan ijzer. In hoeveelheden die variëren van 10 tot 26 procent, geeft chroom corrosiebestendigheid aan staal; het wordt ook gebruikt om de hardbaarheid, slijtvastheid en sterkte bij hoge temperaturen te verbeteren.
Als mineraal chromiet wordt chroom veel gebruikt als vuurvast materiaal. Andere chroomchemicaliën worden gebruikt als pigmenten en looistoffen.
Geschiedenis
Chroom is ongebruikelijk onder metalen omdat de ertsen en chemische verbindingen ervan veel werden gebruikt lang voordat het zuivere metaal werd bereid. Al in 1800 werden ze gebruikt om pigmenten en chemicaliën te maken voor het looien van leer, en in 1879 werden ze met succes gebruikt als vuurvaste materialen voor de bekleding van staalovens.
Chroommetaal werd in 1797 ontdekt door de Franse chemicus Louis-Nicolas Vauquelin; het volgende jaar isoleerde hij het metaal door de koolstofreductie van crocoite, of rood lood, een chromaatmineraal waarvan de briljante tint Vauquelin inspireerde om het metaal zijn huidige naam te geven (van Griekse chrōmos, "kleur"). Chroomhoudend ijzer werd voor het eerst geproduceerd in het midden van de 19e eeuw en het eerste gebruik van chroom als legeringsmiddel bij de vervaardiging van staal vond plaats in Frankrijk in de jaren 1860. In 1893 smolt Henri Moissan chroomerts en koolstof in een elektrische oven en produceerde ferrochromium; dit is de basis gebleven van de moderne commerciële methode voor het produceren van de legering, ook al is die methode voortdurend geëvolueerd onder invloed van veranderende markten, technologie en grondstoffen. In 1898 produceerde Hans Goldschmidt, een Duitse chemicus, zuiver chroom door de aluminiumthermische reductie van chroomoxide; het silicothermische proces voor de productie van ferrochroom met een laag koolstofgehalte werd ontwikkeld in 1907. Chroommetaal werd geproduceerd door elektrolyse in 1854, maar deze methode werd pas een eeuw later algemeen aanvaard.
Ertsen
Hoewel chroom in veel mineralen voorkomt, is chromiet het enige erts dat commercieel wordt geëxploiteerd. Dit spinelmineraal is ideaal samengesteld uit ferrooxide en chroomoxide met de chemische samenstelling FeO · Cr 2 O 3, maar het wordt vaak in de natuur gevonden met magnesiumoxide (MgO) dat FeO en aluminiumoxide (A1 2 O 3) of ijzeroxide (Fe 2 O 3) ter vervanging van Cr 2 O 3. Andere mineralen zoals silica (SiO 2) zijn ook aanwezig.
Tegen het begin van de 21e eeuw waren Zuid-Afrika, India, Kazachstan en Turkije 's werelds toonaangevende producenten van chromiet geworden. Het grootste deel van de chromietreserves wordt gevonden in stratiforme afzettingen (dunne, gelijkmatige lagen die een breed gebied bedekken), maar podiforme afzettingen (verspreide podvormige formaties van verschillende grootte) zijn ook belangrijk.
Mijnbouw en concentreren
Chromietafzettingen worden gewonnen door zowel ondergrondse als oppervlaktetechnieken. Een groot deel van het erts is rijk genoeg om direct te worden gebruikt: voor de productie van ferrochromium verdient een rijk, klonterig erts met meer dan 46 procent Cr 2 O 3 en een chroom-ijzerverhouding groter dan 2: 1 de voorkeur, maar ertsen met een lagere verhouding en zo weinig als 40 procent Cr 2 O 3 worden ook gebruikt. (Ertsen met een hoog aluminiumoxide hebben de voorkeur voor verwerking tot vuurvaste baksteen.) Aangezien fijn verdeelde ertsen, die niet efficiënt smelten, meer worden benut, worden een aantal processen gebruikt om ze te agglomereren voor een bevredigender gebruik in ovens. Boetes kunnen worden gemengd met fluxen en cokes (de belangrijkste koolstofbron) en vervolgens worden voorverwarmd of 'voorgereduceerd' voordat ze in een elektrische smeltoven worden geladen.
Extractie en verfijning
Als koolstof en Cr 2 O 3 worden gecombineerd in een molverhouding van 3: 1 en onderworpen aan toenemende temperatuur, zullen er een aantal oxidatiereductiereacties optreden die eerst een reeks chroomcarbiden zullen produceren en ten slotte bij 2.080 ° C (3.775 ° F), puur chroom en koolmonoxide. (Dit zal plaatsvinden bij 1 atmosfeer, of ongeveer 100 kilopascal, druk, maar het verlagen van de druk zal alle reactietemperaturen verlagen.) Deze theoretische reactie houdt geen rekening met de aanwezigheid, in de commerciële praktijk, van onzuiverheden in het metaal en slakken die de reactietemperaturen kunnen veranderen en hun eigen ongewenste reacties kunnen veroorzaken. Om deze reden kan een ferrochromium met een zeer laag koolstofgehalte (minder dan 0,1 procent) in principe in één enkele smeltfase worden geproduceerd, maar in de praktijk wordt niet alle koolstof geëlimineerd door de aanwezigheid van magnesiumoxide, aluminiumoxide en silica in de erts en het gebruik van silica als vloeimiddel om het smeltpunt van de slak te verlagen. In de praktijk is het primaire product daarom meestal een ferrochroom met een hoog koolstofgehalte dat vervolgens kan worden verfijnd tot een product met een laag koolstofgehalte. Als puur chroom gewenst is, moet ijzer worden verwijderd uit het erts of uit een tussenproduct van ferrochromium door middel van hydrometallurgische technieken (zie hieronder).
Ferrochromium met hoog koolstofgehalte
De meeste ertsen die met cokes in een elektrische oven zijn gesmolten, produceren metalen die verzadigd zijn met koolstof. Voor ferrochromium is het verzadigingspunt ongeveer 9 procent, maar het werkelijke koolstofgehalte varieert met de toestand van het erts en de samenstelling van de slak. Met een klonterig, vuurvast erts en een slak die ongeveer gelijke hoeveelheden magnesiumoxide, aluminiumoxide en siliciumdioxide bevat, wordt bijvoorbeeld een ferrochroom geproduceerd dat 4 tot 6 procent koolstof en minder dan 1,5 procent silicium bevat. Dit is het gevolg van hoge temperaturen die worden opgewekt door een stroperige slak, van een langzaam reagerend volumineus erts, en mogelijk van verfijning van het gesmolten metaal door onopgelost erts in de slak. Wanneer de snelheid van de reductiereactie wordt verhoogd door fijn erts te gebruiken, of wanneer de slak minder viskeus wordt gemaakt door kalk aan de smelt toe te voegen, nadert het koolstofgehalte van het ferrochromium verzadiging.
Door meer silicium aan de lading toe te voegen, ontstaat de zogenaamde ladingferrochroom, een koolstofverzadigde legering met een verhoogd siliciumgehalte. Sommige Zuid-Afrikaanse ertsen produceren lading ferrochromium dat 52-54 procent chroom, 6-7 procent koolstof en 2-4 procent silicium bevat; ertsen uit Zimbabwe met een hogere chroom-ijzerverhouding leveren een product op dat 63-67 procent chroom, 5-7 procent koolstof en 3-6 procent silicium bevat.
Tijdens het smelten van koolstofrijk of geladen ferrochromium worden slakken en metaal uit de oven in een pollepel getapt en gescheiden door decanteren of afschuimen. De terugwinning van chroom uit het erts varieert: bij een goede werking wordt 90 procent teruggewonnen in het gesmolten metaal; van de 10 procent die in de slak achterblijft, is een deel in metaalvorm en kan worden teruggewonnen door minerale verwerkingstechnieken. Het smelten van lading ferrochromium verbruikt 4.000 kilowattuur elektrisch vermogen per geproduceerde ton legering, vergeleken met 4.600 kilowattuur per ton voor ferrochroom met hoog koolstofgehalte.
Ferrochroom silicium
Als silica aan de lading wordt toegevoegd totdat het gewicht ervan gelijk is aan dat van het erts, zullen de smeltprocessen zogenaamd ferrochroom silicium opleveren. Deze legering, die 38–42 procent silicium en minder dan 0,1 procent koolstof bevat, wordt gebruikt als deoxidatiemiddel bij de productie van roestvrij staal en als tussenmateriaal bij de productie van ferrochroom met een laag koolstofgehalte. Vanwege de grotere energie die nodig is om silicium tot silicium te reduceren, verbruikt het smelten van ferrochroom silicium 7600 kilowattuur per ton product.
Koolstofarm ferrochromium
Wanneer chromiet en kalk worden gesmolten in een open vlamboogoven en vervolgens in contact worden gebracht met ferrochroom silicium, kan een ferrochroom met een laag koolstofgehalte (0,05 procent) worden verkregen. In een alternatief proces wordt ferrochromium met hoog koolstofgehalte geoxideerd en vervolgens gemengd met extra ferrochromium met hoog koolstofgehalte. Het briketmengsel wordt in een grote vacuümoven geplaatst, die door grafietweerstanden wordt verwarmd tot 1.400 ° C (2.550 ° F) bij een onderdruk van 30 pascal. De koolstof wordt verwijderd uit de legering (gaat uit als koolmonoxide) tot een niveau zo laag als 0,01 procent.
Chroom metaal
Zuiver chroom wordt geproduceerd door thermische reductie van Cr 2 O 3 met aluminium of door elektrolyse van driewaardige chroomoplossingen.
Het aluminiumthermische proces begint met het roosteren van fijn erts, frisdrank en kalk in de lucht bij 1100 ° C (2000 ° F). Hierdoor wordt een gerooste erts bevattende natriumchromaat, die geloogd uit het onoplosbare ganggesteente en vervolgens gereduceerd en geprecipiteerd als Cr 2 O 3. De Cr 2 O 3 wordt gemengd met fijn verdeeld aluminiumpoeder, geladen in een vuurvaste beklede container en ontstoken. De verbranding genereert snel temperaturen van meer dan 2.000 ° C (3.600 ° F), wat zorgt voor een zuivere scheiding van chroom en slak. De zuiverheid van het metaal, variërend van 97 tot 99 procent chroom, hangt af van de uitgangsmaterialen.
In het elektrolytische proces wordt gemalen hoog-koolstof ferrochromium uitgeloogd door een mengsel van gereduceerd anolyt (elektrolytische oplossing gerecycled vanaf de anodezijde van de smeltcel), een moederloog van chroomaluin op basis van een oplossing van ammoniumsulfaat gerecycled uit een later stadium in het proces en zwavelzuur. De resulterende slurry wordt gekoeld en silica en andere onopgeloste vaste stoffen worden uit de oplossing gefiltreerd. Het ijzer vormt ruwe ferro-ammoniumsulfaatkristallen, die ook worden uitgefilterd. De moederloog wordt vervolgens geklaard in een filterpers en ongeveer 80 procent van het chroom wordt gestript door neerslaan als ammoniumchroomaluin. De moederloog wordt teruggestuurd naar het uitloogcircuit terwijl de chroomaluinkristallen worden opgelost in heet water en in het kathodegedeelte van een elektrolytische cel worden gevoerd. De cel wordt door een diafragma gedeeld om te voorkomen dat de aan de anode gevormde chroom- en zwavelzuren zich vermengen met de katholyt (kathode-elektrolyt). Bij het passeren van elektrische stroom van een loodanode naar een dunne roestvrijstalen kathodeplaat, wordt chroom op de kathode geplateerd en om de 72 uur van de plaat verwijderd, in roestvrijstalen blikken verzegeld en tot 420 ° C verwarmd (790 ° F) om water en waterstof te verwijderen. Dit elektrolytische chroom bevat 0,5 procent zuurstof, wat voor sommige toepassingen te hoog is; het combineren met koolstof en het verwarmen van de briketten tot 1.400 ° C (2.550 ° F) bij 13 pascal verlaagt het zuurstofgehalte tot 0,02 procent, wat resulteert in een metaal dat voor meer dan 99,9 procent zuiver is.
