Ванадий

Ванадий – самый редкий представитель черных металлов. Главная область применения ванадия – производство марочных чугунов и сталей. Добавка ванадия обеспечивает высокие характеристики титановых сплавов для аэрокосмической промышленности. Он широко используется также в качестве катализатора при получении серной кислоты. В природе ванадий встречается в составе титаномагнетитовых руд, редко фосфоритов, а также в урансодержащих песчаниках и алевролитах, где его концентрация не превышает 2%. Главные рудные минералы ванадия в таких месторождениях – карнотит и ванадиевый мусковит-роскоэлит. Значительные количества ванадия иногда присутствуют также в бокситах, бурых углях, битуминозных сланцах и песках. Ванадий обычно получают как побочный продукт при извлечении главных компонентов минерального сырья (например, из титановых шлаков при переработке титаномагнетитовых концентратов, или из золы от сжигания нефти, угля и т.д.).

В России ванадий впервые  был найден в Ферганской долине, позднее его обнаружили в керченских железных рудах, после чего было налажено производство отечественного феррованадия. Богатейшими источниками ванадия  оказались уральские титаномагнетиты.

Основные производители  ванадия – ЮАР, США, Россия (главным  образом Урал) и Финляндия. По учтенным запасам ванадия лидируют ЮАР, Австралия  и Россия.

Добыча и производство ванадия 

Добыча руд и производство ванадийсодержащих концентратов осуществляется в ЮАР, США, Финляндии, Норвегии, России, Намибии и в некоторых других странах. Минимальное содержание металла  в титаномагнетитовом концентрате 0,3 %; вредные примеси — СаО  и Р. Производство ванадиевых концентратов в 1985—1990 гг. составляло около 35—40 тыс. т. Основной страной-производителем этого  вида продукции является ЮАР (около 70 % мирового производства).

Ведущее место  в мире по запасам ванадиевых руд занимает Россия, затем следуют Китай, ЮАР, Венесуэла, США. Крупнейшее в мире магматическое месторождение – Гусевогорское (на Урале) – заключает 8,2 млн. т V₂O₅ с содержанием 0,08–0,17 % ванадия. Добывают ванадий в осн. в 6 странах мира: в Китае, ЮАР, России, США, Новой Зеландии, Казахстане.

Мировые запасы ванадиевого  сырья значительны. Подтвержденные запасы в зарубежных странах, по данным ВНИИзарубежгеология, составляют 10.15 млн. т V2O5 (или 5.66 млн. т V). Из них 52.2% от всех запасов находятся в ЮАР; 25.6% в Китае; 6.5% в Австралии; 4.8% в Новой Зеландии; 1.6% в Венесуэле и 9.3% в других странах. Общие запасы V2O5 за рубежом достигают 47.6 млн. т (или 26.66 млн. т V).

Запасы ванадия в РФ сопоставимы с его запасами в  ЮАР. Достаточно сказать, что утвержденные запасы только одного Гусевогорского месторождения составляют 4.4 млн. т ванадия (или 8 млн. т V2O5). Вообще во всем мире запасы ванадия крупных и особо крупных титаномагнетитовых месторождений составляют от сотен тысяч тонн до нескольких миллионов тонн. В мелких и средних месторождениях запасы V колеблются от нескольких тысяч тонн до десятков тысяч тонн.

 В странах СНГ первое  место по разведанным запасам  ванадиевых руд занимает РФ (97.4%); на долю Казахстана приходится 2.5% и Украины 0.1% от всех запасов.  В РФ выявлено большое число  месторождений ванадия, которые  относятся к различным промышленно-генетическим  типам: магматические, гидротермально-метасоматические, россыпные, осадочные и мета-морфогенные.

Ресурсы и запасы ванадия в мире

в конце 1980-х годов в капиталистических и развивающихся странах составляли 6,7 млн. т, 85 % которых были сосредоточены в ЮАР и Австралии, остальные — в Индии, США, Финляндии, Норвегии и Намибии. По запасам пектоксида ванадия выделяют следующие группы месторождений: 1) уникальные с запасами в миллионы тонн; 2) крупные — сотни—десятки тысяч тонн; 3) мелкие — единицы тысяч тонн.

природные минеральные образования, служащие сырьём для промышленного  получения ванадия, широко используемого  для легирования чугуна и стали, в цветной металлургии и химической промышленности. Гл. промышленный минерал ванадиевых руд – титаномагнетит с содержанием 0,3–10 % пентоксида ванадия (V₂O₅). Помимо этого, ванадий извлекается в качестве попутного компонента из уранованадиевых руд, фосфоритов, бокситов, нефти. Мировые запасы пентоксида ванадия составляют 60,3 млн. т; при этом большая часть их сосредоточена в магматических титаномагнетитовых месторождениях, которые обеспечивают 90 % добычи. Существенными источниками являются также россыпные титаномагнетитовые месторождения и ванадийсодержащие нефти и нефтебитумы.

В чистом виде ванадий – ковкий металл светло-серого цвета. Он почти в полтора раза легче железа, плавится при температуре 1900±25°C, а температура его кипения 3400°C.

При комнатной температуре  в сухом воздухе он довольно пассивен химически, но при высоких температурах легко соединяется с кислородом, азотом и другими элементами.

Соединения ванадия применяют  в химической промышленности как  катализаторы, в сельском хозяйстве  и медицине, в текстильной, лакокрасочной, резиновой, керамической, стекольной, фото и кинопромышленности. Соединения ванадия ядовиты. Отравление возможно при вдыхании пыли, содержащей соединения ванадия Они вызывают раздражение  дыхательных путей, лёгочные кровотечения, головокружения, нарушения деятельности сердца, почек.

В настоящее время около 80% ванадия за рубежом получают из этих руд. Кроме того, перспективны ванадийсодержащие железные руды Австралии, Индии, Мозамбика, Бразилии, Танзании, Чили и др. Таким образом, железные руды магматогенных месторождений  являются надежным сырьевым источником для получения ванадия, обладая  значительными его запасами при  достаточно устойчивых содержаниях  в магнетитовом концентрате (0.3-1.0% V).

 Поэтому в РФ и  за рубежом большое внимание  уделяется дальнейшему освоению  этих руд. Особую ценность для  производства ванадия представляют  титаномагнетитовые концентраты  с низким содержанием титана (2-3%), поскольку они могут перерабатываться  в доменной печи (НТМК, ЧМЗ). Высокотитанистые  концентраты требуют применения  плавки в электропечах, что значительно  удорожает производство. Электроплавка  широко используется в ЮАР.

Наибольшие запасы (около 65 %) сосредоточены в осадочных  месторождениях — битуминозных сланцах, сырой нефти и нефтеносных  песках, фосфатных породах. В настоящее  время ванадий в основном извлекают  из титаномагнетитовых, а также ильменит-магнетитовых руд, но и запасы титаномагнетитов могут  обеспечить потребности промышленности в ванадии на сотни лет. Тем  не менее роль техногенного сырья (продукты нефтепереработки, шлаки, золы) для его получения непрерывно возрастает

Производство

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.

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.

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.

В промышленности при получении  ванадия из железных руд с его  примесью сначала готовят концентрат, в котором содержание ванадия  достигает 8-16%. Далее окислительной  обработкой ванадий переводят в  высшую степень окисления +5 и отделяют легко растворимый в воде ванадат  натрия NaVO3. При подкислении раствора серной кислотой выпадает осадок, который  после высушивания содержит более 90% ванадия.

Плавят ванадий в вакуумных  дуговых печах с расходуемым  электродом и в электроннолучевых  печах.

Применение

Ванадий в основном используется как легирующая добавка при получении  износоустойчивых, жаропрочных и  коррозионностойких сплавов (прежде всего, специальных сталей), как компонент при получении магнитов.

Чёрная металлургия - основной потребитель ванадия (до 95% всего производимого металла). Ванадий входит в состав быстрорежущей стали, её заменителей, малолегированных инструментальных и некоторых конструкционных сталей. При введении 0,15-0,25% ванадия резко повышаются прочность, вязкость, сопротивление усталости и износоустойчивость стали. Ванадий, введённый в сталь, является одновременно раскисляющим и карбидообразующим элементом. Карбиды В., распределяясь в виде дисперсных включений, препятствуют росту зерна при нагреве стали. Ванадий в сталь вводят в форме лигатурного сплава - феррованадия. Применяют ванадий и для легирования чугуна. Новым потребителем ванадия выступает быстро развивающаяся промышленность титановых сплавов; некоторые титановые сплавы содержат до 13% ванадия. В авиационной, ракетной и др. областях техники нашли применение сплавы на основе ниобия, хрома и тантала, содержащие присадки ванадия.

Чистый металлический  ванадий используют в атомной  энергетике (оболочки для тепловыделяющих  элементов, трубы) и в производстве электронных приборов. Хлорид ванадия  применяется при термохимическом  разложении воды в атомно-водородной энергетике (ванадий-хлоридный цикл "Дженерал Мотор-с", США).

Перспективна для получения  ванадия высокосернистая ванадийсодержащая  нефть (Волго-Уральский и др. районы), в которой заключено не менее 1 млн. т ванадия при средних содержаниях 0.02-0.03% V.

 Помимо природных источников  значительное количество ванадия   накапливается в таких видах  техногенного сырья как отвальные  шламы цехов, перерабатывающих  ванадиевые шлаки, отработанные  катализаторы сернокислотных производств,  зольные шлаки ТЭС, использующих  жидкое нефтетопливо. Содержание ванадия в техногенном сырье значительно выше, чем в природном (табл. 5), и при благоприятной конъюнктуре оно может явиться дополнительным источником получения ванадиевой продукции.

Образование ванадиевых руд 

Докембрийская эпоха — наиболее благоприятная для образования эндогенных месторождений ванадия. В это время сформировались крупнейшие в мире месторождения, связанные с Бушвельдским комплексом. В титаномагнетитовых рудах содержание V205 составляет 0,4—2,5 %. Наиболее крупное месторождение Магнет Хейтс. На базе руд Бушвельдского комплекса созданы заводы по производству ванадиевых шлаков годовой производительностью 20 тыс. т в пересчете на металла.

В Финляндии разведано  несколько коренных месторождений (Отанмяки, Вуолийоки и др.), в рудах которых среднее содержание металла достигает 2,4 %. В России месторождения ванадийсодержащие титаномагнетитовые руды известны в Карелии и на Южном Урале. В раннепалеозойскую эпоху промышленные эндогенные месторождения ванадия практически не образовывались. В это время возникли экзогенные месторождения ванадия, связанные с углеродисто-кремнистыми сланцами. Позднепалеозойская эпоха в целом являлась малопродуктивной для ванадия. В это время образовывались сравнительно небольшие месторождения, связанные в основном с углями и углеродисто-кремнистыми сланцами. Мезозойская и кайнозойская эпохи рудообразования являлись глобальными для формирования морских и континентальных оолитовых железных руд, являющихся концентраторами ванадия. Наиболее крупные месторождения этого типа образовались в Западной Европе (Лотарингский бассейн) и на территории СНГ (Керченский железорудный бассейн).

Богатый источник металлов, в первую очередь ванадия и  никеля, — нефть. Преобладающая часть (иногда до 98 %) ванадия, присутствующего в сырой нефти, аккумулируется в получаемых после перегонки нефтяных остатках.

В процессе нефтепереработки ванадий и никель, как и другие тяжелые металлы, переходят в  тяжелые высокотемпературные фракции, прежде всего в мазут, в котором  их концентрация возрастает в десятки раз.

В результате содержание ванадия  в золошлаковых отходах (ЗШО) ТЭС  возрастает до 20-40 %, а никеля — до 5-12 %.

Таким образом, в нефти  заключены значительные запасы ванадия, что позволит в ближайшем будущем  расширить сырьевую базу его производства. По-видимому, наиболее заметную роль будет  играть ванадийсодержащая нефть  Венесуэлы, а также нефть некоторых  месторождений Ирана, Кувейта и  Саудовской Аравии, в 1 т которой  содержится 20-180 г ванадия. По предварительным  оценкам, разведанные в России запасы нефти содержат 7-10 млн. тонн ванадия.

Перспективы развития сырьевой базы ванадия в России.

Перспективы дальнейшего  потребления ванадия в будущем  могут гарантировать новые области  его применения: химические источники  тока, детали конструкций термоядерных реакторов и др. Все это очень  важно, т.к. запасы ванадия в различных  типах минерального сырья достаточно велики, и расширение его производства не будет сдерживаться масштабами сырьевых ресурсов. В этом заключается преимущество ванадия перед многими другими  легирующими металлами.