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（本文發(fā)表于2024年第4期）

> 鉻鐵合金

第一作者簡介蔡鵬捷，博士，主要從事鉻鐵礦成因研究。

通信作者簡介連東洋，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族的過渡金屬。鉻的名稱來源于希臘文“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。

鉻的發(fā)現(xiàn)是一段迷人的旅程，從豐富多彩的礦物開始，到化學(xué)上的突破，它見證了人類對(duì)自然界奧秘的探索與理解不斷深化的過程。科學(xué)家們通過不懈努力，從無數(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?。我國古代西夏時(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，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)值被迅速開發(fā)。起初，它被用來制造充滿活力的顏料和染料，徹底改變了藝術(shù)界。后來，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，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、芬蘭和美國等地。其礦石類型主要以塊狀（鉻尖晶石含量超過90%）和浸染狀（鉻尖晶石含量超過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，如美國的斯蒂爾沃特雜巖體和加拿大的鳥河席狀巖體；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)晶過程及同化混染作用在成礦過程中的重要作用。

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)、再突破的過程。很久以前，科學(xué)家們就開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幔或殼幔過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)過程并不是那么簡單。科學(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)家們在豆莢狀鉻鐵礦中竟然發(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法想象的，瞬間打開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的膳食補(bǔ)充劑。在半導(dǎo)體制造過程中，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)，主要的鉻鐵礦開采國有芬蘭、印度、哈薩克斯坦、南非和土耳其等國家。相比之下，我國的鉻鐵礦資源則顯得相對(duì)匱乏。根據(jù)中國礦產(chǎn)資源報(bào)告2014—2023年的數(shù)據(jù)，2019年我國鉻鐵礦的資源保有量還有1210.8萬噸，但到了2022年，資源保有量已經(jīng)銳減至279.47萬噸。這一減少趨勢反映了我國鉻鐵礦資源的緊缺狀況。

根據(jù)2023年中國海關(guān)總署的最新數(shù)據(jù)，中國進(jìn)口了1833.26萬噸鉻鐵礦，與2022年同期的1500.74萬噸相比，同比增長22.16%。近十年來，我國的鉻鐵礦進(jìn)口量一直保持著高速增長的態(tài)勢，而對(duì)外依存度更是高達(dá)99%以上，凸顯了我國在鉻鐵礦資源方面嚴(yán)重依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀。

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

（數(shù)據(jù)來源：USGS美國地質(zhì)調(diào)查局報(bào)告）

當(dāng)前，我國高碳鉻鐵的產(chǎn)量已穩(wěn)居世界第一，2023年年產(chǎn)量達(dá)到了驚人的792萬噸（數(shù)據(jù)來源：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4240萬噸，與上一年相比有1.9%的增幅（數(shù)據(jù)來源：Mysteel年報(bào)）。由于我國是不銹鋼消費(fèi)市場的最大占比國，2023年的不銹鋼表觀消費(fèi)量達(dá)到了約3108.22萬噸，比上年增加了296.97萬噸，增幅為10.56%（數(shù)據(jù)來源：中國特鋼企業(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)，未來鉻鐵礦的需求仍將保持不斷增長的趨勢，對(duì)外依存度也將持續(xù)上升。然而，國內(nèi)鉻鐵礦儲(chǔ)量已經(jīng)接近枯竭，這使得我國的資源安全保障面臨著重大的挑戰(zhàn)。

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

為了降低鉻鐵礦進(jìn)口國家單一的風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)“一帶一路”沿線“富鉻”國家之間的資源合作，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)尤為重要。我們應(yīng)該進(jìn)一步開展境外鉻資源的調(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。