В 1896-1906 гг. были проведены первые специальные исследования по оценке возможности использования ванадия в металлургии. Результаты показали, что его применение способствует повышению качества целого ряда сталей. Поэтому уже в первые десятилетия XX в. в Англии, Германии, Франции и США вместо солей ванадия началось производство главным образом феррованадия, который широко применяется как легирующий элемент в сталеплавильном производстве.
К началу Первой мировой войны общий объем производства ванадия в мире превысил 1000 т в год В прошедшем столетии потребление ванадия многократно возросло, а сфера его использования существенно расширилась. Катализаторы на основе ванадия позволили заменить в сернокислотном производстве дорогостоящую платину. Впервые они были внедрены в производство в США в 1926 г.
Структура потребления ванадия в последние пятьдесят лет менялась незначительно. Основное направление его применения -- производство стали, в котором используется более 85 % всего производимого ванадия. Вторым по объему использования стало получение легированных титановых сплавов (8-10 %). Около 5 % ванадия в составе различных соединений используется в химической промышленности.
В настоящее время значение ванадия в народном хозяйстве в целом и в черной металлургии в частности трудно переоценить. Он -- один из важнейших легирующих элементов в производстве более чем 250 марок сталей и чугунов, незаменим при производстве таких видов стали, как быстрорежущие, жаропрочные, теплостойкие, штамповые с повышенной вязкостью и горячего деформирования, с особыми свойствами для агрессивных сред и суровых климатических условий Крайнего Севера.
Содержание ванадия в сталях и чугунах составляет от 0,04 до 6 %. Реагируя с углеродом и азотом, он образует твердые тугоплавкие карбиды, нитриды и карбонитриды, вследствие чего сталь приобретает мелкозернистую структуру. Это способствует повышению прочности, упругости и износостойкости при одновременном сохранении пластичности металла и его способности свариваться. Кроме того, ванадий повышает ударную вязкость металла при пониженных температурах, снижает его склонность к старению и чувствительность к перегреву. Поэтому его применяют для легирования сталей, часто в комбинации с Сг, N1, Mo, W.
Основная доля ванадия потребляется в производстве конструкционных низколегированных сталей, используемых при изготовлении труб большого диаметра для магистральных газо- и нефтепроводов, протяженных мостов, резервуаров большой емкости, в транспортном машиностроении и автомобилестроении.
Ванадийсодержащие стали используют в производстве листового и рельсового проката, сортовой стали для высотных строений. Добавка ванадия к рельсовым сталям увеличивает прочность на растяжение, тем самым повышает износостойкость рельсов. Полностью или поверхностно закаленные рельсы из ванадиевой стали используют там, где существуют особо тяжелые условия эксплуатации. В России, где тонны железной руды перевозят на дальние расстояния, рельсы делают из специальных ванадиевых сталей для продления срока их эксплуатации.
Ванадиевую сталь используют для обшивки корпусов судов. Возрастающая конкуренция в судостроении интенсифицирует внедрение сталей, позволяющих осуществлять скоростную сварку во влажной среде. Расширяется использование ванадия в производстве сплавов на основе титана и других тугоплавких металлов, предназначенных для новой техники (авиационной, ракетной, ядерной энергетики). Содержание ванадия в этих сплавах составляет 0,8-6,0 %. Ванадий в сочетании с алюминием используют с целью придания требуемой прочности в сплавах титана, идущего на создание специальных батисфер для исследования океана на глубине 10 000 м. Добавление ванадия в алюминиевые сплавы улучшает их жаропрочность и свариваемость.
Благодаря высокой коррозионной стойкости в агрессивных химических средах ванадий -- перспективный материал для химического машиностроения. Он служит основой сплавов со специальными свойствами, в том числе и сверхпроводящих. В последние годы перспективным стало применение ванадия в производстве аккумуляторных батарей. По оценкам ряда экспертов, использование его в окислительно-восстановительных батареях имеет много преимуществ для хранения энергии. Чистый металл используют в производстве электронных приборов, отдельных деталей рентгеновской аппаратуры и т. д.
Соединения ванадия находят широкое применение во многих областях промышленности, в частности в химической, как катализаторы, в органическом синтезе, при производстве полимерных материалов, в стекольной, керамической, текстильной, лакокрасочной, резиновой отраслях, в фотографии и кинематографии, медицине, сельском хозяйстве и т. д.
Мировые производственные мощности по выпуску"'оксида V205 на начало 2005 г. оценивались в 115 тыс. тонн в год. При этом его фактическое производство составило в период с 2000 по 2003 г. около 82 тыс. тонн в год (45-46 тыс. тонн ванадия). Соответствующие мощности по выплавке феррованадия достигают 80,5 тыс. тонн в год при фактическом объеме производства в 2000-2003 гг. около 56 тыс. тонн в год. Таким образом, загруженность мощностей в обоих случаях составляет около 70 %.
Мировой объем потребления ванадия в виде феррованадия в 2002-2003 гг. стабилизировался на уровне 35-37 тыс. тонн. Еще примерно 5-7 тыс. тонн ванадия в год потребляется на рынках ванадий-алюминиевых лигатур и химически чистого V205.
Подъему ванадиевой отрасли в 2004 г. способствовал рост производства и потребления стали в Китае. С учетом прогнозируемого увеличения производства стали до 1200 млн. тонн к 2010 г. можно предположить, что потребление феррованадия будет постепенно расти и достигнет уровня 43-47 тыс. тонн по ванадию.
В настоящее время главные производители ванадия -- ЮАР, Китай, США и Россия (свыше 90 % выпуска). Получают ванадий и в Австралии, Новой Зеландии, Японии и Великобритании. Основными экспортерами ванадийсодержащих материалов (ванадиевый шлак, V205 и феррованадий) выступают ЮАР, Китай и Россия.
Российская ванадиевая отрасль представлена четырьмя основными предприятиями:
Качканарский горно-обогатительный комбинат "Ванадий" добывает ванадийсодержащую титаномагнетитовую руду, производит концентрат, агломерат и окатыши;
Нижнетагильский металлургический комбинат (НТМК), используя поставляемое ему сырье, производит ванадиевый чугун и ванадийсодержащий шлак;
Чусовской металлургический завод на основе того же сырья производит ванадиевый чугун, ванадийсодержащий шлак, V205, феррованадий;
ОАО "Ванадий-Тула", перерабатывая ванадийсодержащие шлаки НТМК, производит V205 и феррованадий.
Основные потребители ванадия -- страны Западной Европы, США и Япония, которые выступают в роли нетто-импортеров.
Структура внутреннего потребления феррованадия в российской экономике принципиально не отличается от мировой. Предполагается, что в 2005 г. оно несколько вырастет и достигнет 2-2,2 тыс. тонн в год.
Существуют три основных способа извлечения ванадия: пирометаллургический, гидрометаллургический и гидрохимический.
При пирометаллургическом способе ванадий извлекают из ванадийсодержащего сталеплавильного (конвертерного) шлака. На долю пирометаллургии приходится около 70 % всего производимого ванадия, ее используют большинство производителей ванадия, в том числе китайские и российские предприятия, а также некоторые производители в ЮАР и США.
Технологическая схема переработки конвертерных ванадиевых шлаков (16-18 % V205) состоит из следующих этапов:
подготовки шлака к обжигу (дробление, размол, очистка от металловключений, смешение с реакционной добавкой);
окислительного обжига шихты в присутствии реакционно-способной добавки (Na2C03 или СаС03);
выщелачивания обожженной шихты водой и раствором серной кислоты;
осаждения ванадия из растворов в виде химического концентрата V205 или NH4V03;
сушки, плавки и грануляции химического концентрата V205.
Ванадиевые шлаки поступают на производство в кусках и измельчаются до тонкого порошка с размером частиц менее 0,1 мм. Наличие металлической фазы в шлаках требует их многократной обработки на магнитных сепараторах. Металлоотсев возвращают в начало металлургического процесса или используют для прямого легирования сталей и чугунов.
Одна из важнейших задач обжига ванадиевых шлаков -- окисление низших оксидов железа, ванадия и марганца в высшие и образование растворимых соединений ванадия. При обжиге шлаков оксид V2О3 переходит в легкорастворимые соединения ванадия(У), окисляются дисперсное железо, монооксид железа и низшие оксиды марганца, перекристаллизовываются силикаты.
Процесс окисления шлаков может быть представлен следующими основными реакциями:
Оптимальный температурный интервал реакций -- от 700 до 900 °С.
Окислительный обжиг шлаков ведут в трубчатых вращающихся печах. Обычно шлаки обжигают в присутствии солей натрия, что позволяет получать ванадаты, хорошо растворяющиеся в воде и разбавленных растворах кислот и карбонатов. Обжиг шлаков совместно с содой позволяет осуществлять процесс при более низких температурах, чем при добавлении других солей натрия.
Шихта из обжиговой печи с температурой от 550 до 620 °С поступает в барабанный холодильник, где орошается водой или оборотным раствором. Одновременно с охлаждением в барабане происходит измельчение спека до 0,15 мм помещенными в барабан металлическими катками.
Выщелачивание шихты начинается в барабанном холодильнике. Пульпа, проходя ряд насосов и реакторов с мешалками, выщелачивается и поступает на вакуум-фильтр. После фильтра раствор направляют на осаждение концентрата V205, а твердый остаток влажностью до 20 % -- на сернокислотное выщелачивание. Применение серной кислоты как выщелачивающего реагента связано с тем, что разбавленные растворы этой кислоты в меньшей степени, чем другие минеральные кислоты, растворяют сопутствующие ванадию компоненты шлака.
Трехстадийное выщелачивание позволяет перевести в растворы 97,5-99,0 % V205, в том числе около 65 % на стадии водного выщелачивания.
Существующие способы выделения ванадия из растворов позволяют осадить его в виде химического концентрата, в состав которого входит один или несколько металлов или аммонийная группа NH. При осаждении V205 происходит нейтрализация щелочных растворов минеральными кислотами, а кислых -- содой до рН 1,5-2,0. Затем раствор нагревают до 85-95 °С и выдерживают. При этом из него выпадает красно-коричневый осадок. Процесс осаждения пятивалентного ванадия можно представить в общем виде следующими реакциями:
Фильтрацию гидратной пульпы проводят на барабанных вакуум-фильтрах. Сырой остаток, содержащий около 60 % влаги, загружают в плавильную печь. Плавление осадка происходит при температурах 950-1100 °С. Расплавленный продукт вытекает через отверстие на боковой стенке плавильной печи по железному желобу на охлаждаемую водой вращающуюся поверхность стола, на котором застывает тонким слоем. С помощью съемного ножа слой разделяют на небольшие пластинки и направляют их в контейнеры.
Страницы: 1, 2, 3
