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（本文發(fā)表于2024年第4期）

> 鉻鐵合金

第一作者簡(jiǎn)介蔡鵬捷，博士，主要從事鉻鐵礦成因研究。

通信作者簡(jiǎn)介連東洋，副教授，主要從事地幔巖與鉻鐵礦研究。

鉻（chromium），元素符號(hào)Cr，原子序數(shù)為24，是一種在元素周期表中位于第Ⅵ B族的過(guò)渡金屬。鉻的名稱來(lái)源于希臘文“chroma”，意為“顏色”，因?yàn)殂t的化合物大多具有鮮明的顏色。鉻在地殼中的含量雖然不高，僅為0.01%，但它對(duì)人類的生產(chǎn)生活有著不可估量的價(jià)值。鉻是一種銀白色帶有光澤的金屬，純鉻具有良好的延展性，而含有雜質(zhì)的鉻則變得硬而脆。鉻的密度約為7.15克/立方厘米，熔點(diǎn)高達(dá)1907℃，沸點(diǎn)為2679℃。鉻不溶于水，但可以溶于強(qiáng)堿溶液。在空氣中，鉻的表面會(huì)迅速形成一層致密氧化鉻薄膜，這層薄膜能有效阻止其進(jìn)一步氧化和腐蝕。鉻與濃硫酸反應(yīng)會(huì)生成二氧化硫和硫酸鉻，但與濃硝酸反應(yīng)時(shí)，由于其表面生成的致密氧化物薄膜，鉻會(huì)呈現(xiàn)鈍化狀態(tài)，不會(huì)被溶解。鉻的價(jià)態(tài)多樣，常見(jiàn)的有+6、+3和+2價(jià)。其中，+6價(jià)的鉻化合物如重鉻酸鈉（Na2Cr2O7）具有強(qiáng)氧化性，而+3價(jià)的鉻在酸性溶液中最穩(wěn)定。鉻與氧形成的氧化物中，三價(jià)鉻的氧化物Cr2O3和六價(jià)鉻的氧化物CrO3最為常見(jiàn)。

鉻的發(fā)現(xiàn)是一段迷人的旅程，從豐富多彩的礦物開(kāi)始，到化學(xué)上的突破，它見(jiàn)證了人類對(duì)自然界奧秘的探索與理解不斷深化的過(guò)程?？茖W(xué)家們通過(guò)不懈努力，從無(wú)數(shù)礦石中識(shí)別出這一獨(dú)特的金屬元素，隨后在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)一系列精巧實(shí)驗(yàn)揭示了鉻的獨(dú)特化學(xué)性質(zhì)與廣泛應(yīng)用，為材料科學(xué)、冶金學(xué)乃至現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展鋪設(shè)了基石。早在鉻被確認(rèn)為一種元素之前，人們就欣賞并使用含鉻的礦物，因?yàn)樗鼈兙哂幸俗⒛康念伾Ｎ覈?guó)古代西夏時(shí)期的工匠就使用含鉻的紅色礦物用于制作釉下彩。這種顏色鮮紅的礦物，暗示著里面有什么特別的物質(zhì)。直到18世紀(jì)末的法國(guó)，一位名叫路易斯—尼古拉斯·瓦奎林（Louis-Nicolas Vauquelin）的化學(xué)家才揭開(kāi)這些彩色礦物的秘密。1797年，瓦奎林在俄羅斯烏拉爾山脈發(fā)現(xiàn)了一條鉻鉛礦的礦脈，被它強(qiáng)烈的顏色吸引，他決定進(jìn)一步調(diào)查。瓦奎林對(duì)鉻鉛礦進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。用鹽酸處理后，他得到了一種黃色溶液和一種紅色沉淀物，這讓他更加堅(jiān)定自己發(fā)現(xiàn)了新的物質(zhì)。通過(guò)堅(jiān)持不懈和反復(fù)實(shí)驗(yàn)，瓦奎林在1798年成功地用碳還原氧化鉻，分離出一種新元素。發(fā)現(xiàn)這種新元素后，瓦奎林將其命名為“鉻”。由于其獨(dú)特的性質(zhì)，鉻的應(yīng)用價(jià)值被迅速開(kāi)發(fā)。起初，它被用來(lái)制造充滿活力的顏料和染料，徹底改變了藝術(shù)界。后來(lái)，鉻進(jìn)入皮革工業(yè)，成為制革必不可少的原料。特別是鉻作為制造不銹鋼的關(guān)鍵成分，改變了現(xiàn)代工業(yè)和人們的日常生活。鉻的發(fā)現(xiàn)打開(kāi)了一個(gè)色彩和創(chuàng)新的世界，展示了一個(gè)化學(xué)家的好奇心如何導(dǎo)致科學(xué)技術(shù)的重大進(jìn)步。

鉻鐵礦雙生花：

“層狀”與“豆莢狀”

鉻元素在地殼中的含量約為0.01%。值得注意的是，自然界中并不存在游離狀態(tài)的鉻，而鉻鐵礦則是含鉻的主要礦石類型。根據(jù)鉻鐵礦的產(chǎn)出形態(tài)，主要分為“層狀鉻鐵礦”和“豆莢狀鉻鐵礦”。

層狀鉻鐵礦，就像是 “千層蛋糕”一樣，巖石和礦石互相堆疊起來(lái)，主要產(chǎn)出于大陸克拉通中的層狀鎂鐵質(zhì)和超鎂鐵質(zhì)雜巖體中，其分布范圍廣泛，主要包括南非、津巴布韋、芬蘭和美國(guó)等地。其礦石類型主要以塊狀（鉻尖晶石含量超過(guò)90%）和浸染狀（鉻尖晶石含量超過(guò)60%）為主。具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的層狀鉻鐵礦的形成時(shí)代主要可以分為三個(gè)階段：約27億年前形成的，如美國(guó)的斯蒂爾沃特雜巖體和加拿大的鳥(niǎo)河席狀巖體；約25億年前形成的，如津巴布韋的大巖墻、芬蘭的凱米侵入體和俄羅斯的普拉科夫斯特侵入體；約20億年前形成的，如南非的布什維爾德雜巖體和巴西的巖床。層狀鉻鐵礦的巖體規(guī)模通常非常巨大，例如，南非的布什維爾德，作為全球最大的層狀侵入巖體，其出露面積約65000平方千米，占據(jù)了全球鉻鐵礦產(chǎn)量的45%和儲(chǔ)量的40%?？傮w而言，層狀鉻鐵礦的資源量非常豐富，約占全球鉻鐵礦總資源量的75%。

> 典型層狀鉻鐵礦

豆莢狀鉻鐵礦則是以不規(guī)則形態(tài)（如豆莢狀、透鏡狀、板狀等）產(chǎn)于蛇綠巖地幔和殼幔過(guò)渡帶中的鉻鐵礦類型。其分布也相對(duì)廣泛，主要分布在土耳其、哈薩克斯坦、菲律賓、阿爾巴尼亞、阿曼和俄羅斯等國(guó)家。豆莢狀鉻鐵礦在全球鉻鐵礦總產(chǎn)量中的占比約為25%。與層狀鉻鐵礦相比，豆莢狀鉻鐵礦體的規(guī)模通常較小，大型礦體的延伸往往僅數(shù)百米。這類鉻鐵礦的圍巖多為純橄巖，部分可與二輝/方輝橄欖巖直接接觸，其礦石結(jié)構(gòu)相比層狀鉻鐵礦則顯得更為豐富多樣。

> 豆莢狀鉻鐵礦中豐富多變的礦石類型

地球深部的秘密：

鉻鐵礦裹挾的信息

鉻鐵礦的成因模式一直是科學(xué)家們深入探索的課題，它與地球的動(dòng)力學(xué)背景及物質(zhì)循環(huán)緊密相連。對(duì)于層狀鉻鐵礦的成因，科學(xué)界已達(dá)成共識(shí)，認(rèn)為其與巖漿作用密切相關(guān)。這一認(rèn)知主要基于層狀鉻鐵礦的產(chǎn)出特征及相關(guān)巖石組合的研究，明確了巖漿混合作用、分離結(jié)晶過(guò)程及同化混染作用在成礦過(guò)程中的重要作用。

然而，豆莢狀鉻鐵礦的成因模式則顯得更為復(fù)雜多變，這反映了科學(xué)是一個(gè)不斷發(fā)展、不斷觀察、再認(rèn)識(shí)、再突破的過(guò)程。很久以前，科學(xué)家們就開(kāi)始研究這些豆莢狀鉻鐵礦是怎么形成的。他們認(rèn)為，豆莢狀鉻鐵礦的形成與基性—超基性巖漿在位于地?；驓め＿^(guò)渡帶中的巖漿通道或巖漿房中的分離結(jié)晶作用有關(guān)，與層狀鉻鐵礦的成因有相似之處。而這個(gè)過(guò)程并不是那么簡(jiǎn)單?？茖W(xué)家們還提出了一個(gè)叫作“部分熔融殘余”的理論，即地幔巖石在高溫高壓下部分熔融，形成了鉻鐵礦。豆莢狀鉻鐵礦還有個(gè)特別之處，就是它們外部經(jīng)常披著的“純橄巖薄殼”外衣?？茖W(xué)家們認(rèn)為，這是巖石和熔體之間“親密互動(dòng)”的證據(jù)，也就是“巖石—熔體反應(yīng)”的結(jié)果。最令人興奮的是，科學(xué)家們?cè)诙骨v狀鉻鐵礦中竟然發(fā)現(xiàn)了原位的金剛石。楊經(jīng)綏院士領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在全球十多個(gè)國(guó)家的造山帶蛇綠巖地幔橄欖巖和鉻鐵礦中，都找到了金剛石的蹤跡。這些金剛石告訴我們，這些鉻鐵礦可能來(lái)自地球非常深的地方，那里的壓力之大和溫度之高都是我們無(wú)法想象的，瞬間打開(kāi)了通往地球深部秘密世界的大門。

> a. 全球構(gòu)造背景下鉻鐵礦的深部成因模式；

b,c. 豆莢狀鉻鐵礦內(nèi)金剛石

鉻的跨界之旅：

從礦石到現(xiàn)代工業(yè)的奇妙應(yīng)用

鉻是一種多功能元素，憑借其獨(dú)特的物化性質(zhì)，在眾多行業(yè)中展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

在冶金工業(yè)中，鉻是制造不銹鋼的關(guān)鍵元素之一。不銹鋼之所以具備出色的耐腐蝕性能，主要?dú)w功于鉻在其中形成的致密氧化鉻膜。此外，鉻還廣泛應(yīng)用于各種金屬合金中，以提高材料的硬度、強(qiáng)度和耐磨損、耐腐蝕性能。例如，鎳鉻合金常用于加熱元件，而特定的高溫合金則用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)中。在電鍍領(lǐng)域，鉻電鍍層因其優(yōu)異的耐腐蝕性和美觀性，廣泛應(yīng)用于汽車、家電、電子等行業(yè)。鉻鍍層不僅能有效提升金屬制品的防腐性能，還能為其賦予獨(dú)特的光澤。鉻及其化合物還在耐火材料中發(fā)揮著重要作用，這些材料能夠承受極高的溫度，對(duì)于窯爐和其他高溫工業(yè)設(shè)備的襯里至關(guān)重要。在化工與催化劑方面，鉻及其化合物作為催化劑在化學(xué)工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，能夠加速多種化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。例如，鉻可用于制造合成氨的催化劑，而氧化鉻（Cr2O3）則用于有機(jī)合成和合成橡膠的生產(chǎn)中。鉻化合物以其鮮艷的顏色而著稱，能夠調(diào)制出色彩鮮明的紅、黃、橙、綠等色調(diào)，是非常穩(wěn)定的顏料成分。由鉻鐵礦加工制成的鉻鹽，在顏料、染料、陶瓷等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如，氧化鉻是一種綠色顏料，常用于油漆、油墨和陶瓷中；而鉻酸鉛（PbCrO4）則能生產(chǎn)亮黃色顏料，常用于校車、道路標(biāo)志的涂裝。在醫(yī)療領(lǐng)域，鉻也有著重要的應(yīng)用。它可用于制造人工心臟瓣膜、人工關(guān)節(jié)等人工器官。此外，鉻還是人體必需的微量元素之一，其參與胰島素的活動(dòng)并在葡萄糖代謝中發(fā)揮作用。因此，鉻也用于治療糖尿病等疾病，吡啶甲酸鉻是一種常見(jiàn)的膳食補(bǔ)充劑。在半導(dǎo)體制造過(guò)程中，鉻被用作掩膜版的關(guān)鍵材料。由于其在紫外光下表現(xiàn)出的高光學(xué)密度，鉻能夠有效阻擋光線，確保光刻過(guò)程的精確性。在航空航天領(lǐng)域，鉻被用作保護(hù)涂層，以提高部件的耐用性并減少維護(hù)需求。這些應(yīng)用進(jìn)一步展示了鉻在多個(gè)行業(yè)中的廣泛價(jià)值和重要性。

> 鉻在各個(gè)行業(yè)的用途

全球鉻鐵礦資源版圖：

現(xiàn)狀與未來(lái)的雙重奏

全球鉻鐵礦的資源分布呈現(xiàn)出極不均衡的特點(diǎn)，主要的鉻鐵礦開(kāi)采國(guó)有芬蘭、印度、哈薩克斯坦、南非和土耳其等國(guó)家。相比之下，我國(guó)的鉻鐵礦資源則顯得相對(duì)匱乏。根據(jù)中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告2014—2023年的數(shù)據(jù)，2019年我國(guó)鉻鐵礦的資源保有量還有1210.8萬(wàn)噸，但到了2022年，資源保有量已經(jīng)銳減至279.47萬(wàn)噸。這一減少趨勢(shì)反映了我國(guó)鉻鐵礦資源的緊缺狀況。

根據(jù)2023年中國(guó)海關(guān)總署的最新數(shù)據(jù)，中國(guó)進(jìn)口了1833.26萬(wàn)噸鉻鐵礦，與2022年同期的1500.74萬(wàn)噸相比，同比增長(zhǎng)22.16%。近十年來(lái)，我國(guó)的鉻鐵礦進(jìn)口量一直保持著高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，而對(duì)外依存度更是高達(dá)99%以上，凸顯了我國(guó)在鉻鐵礦資源方面嚴(yán)重依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀。

> 2014-2023年世界主要開(kāi)采鉻鐵礦國(guó)家的鉻鐵礦儲(chǔ)量與產(chǎn)量

（數(shù)據(jù)來(lái)源：USGS美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局報(bào)告）

當(dāng)前，我國(guó)高碳鉻鐵的產(chǎn)量已穩(wěn)居世界第一，2023年年產(chǎn)量達(dá)到了驚人的792萬(wàn)噸（數(shù)據(jù)來(lái)源：Mysteel年報(bào)），這一數(shù)字約占全球總產(chǎn)量的半壁江山。展望2024年，全球鉻鐵礦的供應(yīng)預(yù)期總產(chǎn)量將達(dá)到4240萬(wàn)噸，與上一年相比有1.9%的增幅（數(shù)據(jù)來(lái)源：Mysteel年報(bào)）。由于我國(guó)是不銹鋼消費(fèi)市場(chǎng)的最大占比國(guó)，2023年的不銹鋼表觀消費(fèi)量達(dá)到了約3108.22萬(wàn)噸，比上年增加了296.97萬(wàn)噸，增幅為10.56%（數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)特鋼企業(yè)協(xié)會(huì)不銹鋼分會(huì)網(wǎng)站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）。隨著經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步恢復(fù)，未來(lái)鉻鐵礦的需求仍將保持不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，對(duì)外依存度也將持續(xù)上升。然而，國(guó)內(nèi)鉻鐵礦儲(chǔ)量已經(jīng)接近枯竭，這使得我國(guó)的資源安全保障面臨著重大的挑戰(zhàn)。

因此，我國(guó)必須加大對(duì)鉻鐵礦的勘查力度，積極尋找新的鉻資源，以提升我國(guó)的資源安全保障能力。值得注意的是，我國(guó)的鉻鐵礦進(jìn)口來(lái)源十分單一，高度集中，面對(duì)當(dāng)前復(fù)雜的國(guó)際形勢(shì)，保障鉻資源的供應(yīng)變得刻不容緩。

為了降低鉻鐵礦進(jìn)口國(guó)家單一的風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)“一帶一路”沿線“富鉻”國(guó)家之間的資源合作，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)尤為重要。我們應(yīng)該進(jìn)一步開(kāi)展境外鉻資源的調(diào)查，摸清境外鉻資源及其成礦規(guī)律，這一任務(wù)迫在眉睫。

> 2024-2023年中國(guó)鉻鐵礦儲(chǔ)量、進(jìn)口量與全球鉻鐵礦產(chǎn)量對(duì)比

（數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告2013-2023；中國(guó)海關(guān)總署網(wǎng)）

作者： 蔡鵬捷 連東洋 芮會(huì)超 陳 鑫

編輯： 何陳臨秋

排版： 何陳臨秋

審核： 刁淑娟

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