Ванадий: свойства, способы добычи и применение

Ванадий – твёрдый пластичный металл серебристо-белого цвета. Самый редко встречающийся из чёрных металлов в земной коре, получивший своё название в честь древней скандинавской богини за красивую окраску соединений.

Свойства физические:

• Прочный, пластичный минерал кристаллической структуры.
• Хорошо поддаётся сварке.
• Тугоплавкий элемент, температура плавления порядка +1900⁰C.
• Температура кипения равняется +3400⁰C.
• Плотность составляет 6,11т/м³.
• При нагревании свыше +300⁰C теряет пластичность, и приобретает хрупкость. То же самое происходит и при соединении ванадия с азотом, водородом и кислородом. Однако в подобных случаях повышается его твёрдость.

В химическом отношении ванадий достаточно стоек к коррозии и воздействию неконцентрированных кислот, а также щелочей. При вступлении в реакцию с кислородом образует целый набор оксидов.

Методы добычи

Главной проблемой при добыче ванадия является то, что сам металл пребывает в земной коре только в рассеянном состоянии и собственных минералов не образует. Его присутствие ощущается в железных и титанованадиевых рудах, являющихся основными источниками промышленного получения минерала. Наиболее важными минералами в таком случае выступают ванадинит, патронит, титановые минералы, встречающиеся в биолитах, бокситах, битумных сланцах и ооливитовых рудах.

Йодидный

В основе метода, используемого для термической диссоциации йодида, с целью получения ванадия высокой степени чистоты, лежит:

• Первичное образование летучего соединения в одной из зон закрытой камеры при нагревании до +400-600⁰C. Именно при таких условиях происходит химическая реакция соединения, в результате которой появляется иодид ванадия в газообразной форме.
• Вторичное разложение иодида с осаждением чистого металла на камерных поверхностях. Осуществляется данный процесс при температуре в +1300-1700⁰C.

Кальциетермический

Процесс восстановления оксида ванадия в герметичной стальной бомбе, предварительно заключённой внутрь магнезитового тигля, носит название кальциетермического метода добычи. Так как в роли восстановителя выступает кальций. Реакция связана со значительным выделением тепла, вполне достаточного для плавки ванадия, чистота которого по окончании процесса достигает 99,5%.

Тем не менее, способ не получил широкого распространения вследствие необходимости тщательной предварительной подготовки исходных материалов: кальция в виде металлической стружки и пятиокиси ванадия.

Алюмотермический

Алюмотермия, основы которой были заложены в середине XIX века выдающимся русским химиком Н. Н. Бекетовым, представляет собой способ восстановления оксидов металлов (в нашем случае ванадиевого ангидрида) металлическим алюминием. При этом температура проводимой реакции может достигать нескольких тысяч градусов по Цельсию.

Естественно, что столь жёсткие технологические условия приводят к целому ряду проблем, среди которых:

• Необходимость особо тщательной подготовки, как самих исходных материалов, так и места проведения реакции (футеровка, розжиг, защита от взрывов).
• Большой расход алюминия.
• Нестабильность процесса при разной концентрации кислорода в сырье.
• Пониженное количество продукции на выходе.

Вакуумный углетермический

Один из самых перспективных методов, суть которого заключается в предварительном восстановлении пятиокиси ванадия до трёхокиса в водородной среде при температуре +500-600⁰C. После чего в специально созданном вакууме под воздействием углерода, содержащегося в газовой саже, подмешиваемой к перерабатываемому продукту, осуществляется реакция восстановления ванадия до спектрально чистых материалов. Температурный режим реакции поддерживается на уровне +1250-1700⁰C.

Преимуществом данной технологии является возможность непрерывного контроля, возможность организации удаления газов и низкая стоимость восстановительного компонента.

Хлоридный

Используемый в качестве сырья феррованадий подвергают хлорированию. Далее, полученный хлорид ванадия восстанавливают с помощью жидкого расплавленного в газообразном аргоне магния. В результате этого процесса получают губчатый металлический ванадий 99,5% чистоты.

Процесс более безопасен и эффективен в экономическом плане, чем кальцие- и алюмотермические технологии.

Повышение чистоты металла

Уровень современного потребления требует получения ванадия высокого уровня чистоты. Так как даже незначительное количество примесей в виде азота, водорода, кислорода и углерода существенным образом снижают его механические свойства. При этом они ещё и трудно удаляемые. Другие химические элементы не оказывают столь негативного влияния на качество металла.

Электронная бомбардировка

Один из способов повышения частоты ванадия заключается в вакуумной переплавке методом электронной бомбардировки. Нагрев в таком случае весьма эффективен и позволяет получать специальные сорта металла, востребованные даже в атомных реакторах.

Электрорафинирование

Применяется для дальнейшей очистки чернового ванадия от примесей. Кальциетермический ванадий в виде кусков используемых в качестве анода и молибденовый стержень, являющийся катодом, помещают в расплав при температуре +620⁰C. Двухступенчатый процесс, осуществляемый в инертной газовой среде под воздействием напряжения в 0,5 В, позволяет получить пластичный материал для ядерной энергетики.

Сфера применения

Водородная энергетика

Водород в качестве топлива начинает играть всё большую роль в современной энергетической отрасли. Существует много способов его получения. Один из них – термохимическое разложение воды проводится при помощи катализатора, в качестве которого выступает хлорид ванадия. Технология, основанная на использовании тепла ядерных реакторов, была в своё время разработана крупнейшей американской компанией «Дженерал Моторс».

Производство серной кислоты

Более ста лет назад ванадий смог заменить платину при производстве серной кислоты. Его присутствие значительно ускоряет медленно текущую реакцию между сернистым ангидридом и кислородом, да и в количественном отношении ванадия требуется значительно меньше, чем драгоценного металла.

Автомобильная промышленность

Благодаря своим уникальным свойствам ванадий находит широкое применение в автомобилестроении. Важность этого элемента в данной отрасли подчёркивал ещё Генри Форд – знаменитый американский предприниматель.

Дело в том, что даже десятые доли процента присутствия этого элемента в стали значительно увеличивают её прочность и упругость. А это, в свою очередь уменьшает вес готового автомобиля, увеличивает срок службы элементов его конструкции, сокращает расход топлива и позволяет сохранять долговечность покрышек и дорожного полотна.

Причиной такой экономии является использование ванадиевой стали для изготовления валов, осей, шестерён, рессор и моторов.

Металлургия

Львиную долю – свыше 90% производимого ванадия потребляет металлургия. Использование этого металла в качестве легирующего материала позволяет получать быстрорежущие, высокопрочные, конструкционные, инструментальные, нержавеющие марки сталей. Кроме того, с его помощью создаются титановые сплавы, обладающие повышенной прочностью. Не зря ванадий занимает лидирующие позиции среди элементов, используемых для легирования в чёрной и цветной металлургии.

Понятно, что столь ценные по своим качествам металлические сплавы находят широкое применение в машиностроении, производстве средств вооружения, на транспорте, в энергетике и космической отрасли.

Нефтедобыча

Помимо того, что ванадиевая сталь отлично зарекомендовала себя в качестве материала для строительства морских нефтяных платформ, сам металл очень часто присутствует в тяжёлых фракциях нефти. Кроме того, ванадий является катализатором ряда нефтеперерабатывающих процессов.

Месторождения в России и мире

Хотя ванадий встречается гораздо чаще цветных металлов, но непосредственно собственные месторождения этого химического элемента достаточно редки. Гораздо чаще он является сопутствующим элементом других минералов.

По своему происхождению залежи этого минерала, имеющие практическое значение подразделяются на месторождения выветривания, магматические, метаморфогенные, осадочные и россыпные.

На территории России:

• Магматические залежи представлены:

• Восточно-Уральскими месторождениями – Первоуральским, Качканарским, Гусевогорским.
• Западно-Уральскими – Копанским, Кусинским, Маткальским и Медведевским.
• Карело-Кольскими. Елеть Озером и Пудожгорским.
• Кузнецко-Саянскими. Кедранским и Лысаковским.
• Восточно-Забайкальскими. Кручининским.
• Сибирскими трапповыми. Байкитиковым и Камышевским месторождениями.

• Осадочные залежи с высоким уровнем содержания ванадия – это нефтяные сернистые месторождения Поволжья и Урала.

Крупнейшие зарубежные ванадиевые месторождения:

• Магматические. Лак-Тио, Миллз, Пьюиджелон в Канаде; Тегавус в США; Родсенд и Сельвог в Норвегии; Таберг в Швеции; Бушвельд в ЮАР; Баррамби в Австралии.
• Выветривания. Брокен-Хилл на территории Замбии. Абенаб, Берг-Аунас, Тсумеб в Намибии. Также месторождения подобного типа распространены в США, Мексике, Аргентине, Австралии.
• Прибрежно-морские россыпи ванадия находятся на берегах Индии, Австралии и Новой Зеландии.
• Характерным представителем осадочного асфальтитного месторождения с высоким содержанием патронита, является МинасРагра в Перу.
• Метаморфенные залежи имеются в США, Норвегии и Финляндии (Отанмяки).

Мировые запасы

По данным 2012 года разведанные запасы ванадия в месторождениях составляли 14 млн. тонн. Из них:

• 5,1 млн. тонн приходилось на Китай.
• 5 млн. тонн – на Россию.
• 3,5 млн. тонн на ЮАР.
• 0,4 млн. тонн на другие страны мира.

Страны, добывающие ванадий

Мировое производство ванадия в 2018 году составило 73 тыс. тонн. Лидерами на рынке выпуска этого минерала к тому времени стали: Китай, Россия, ЮАР и Бразилия.