Производството наферованадийе комплексметалургичен процескойто започва с извличането наванадийот първични руди или вторични ресурси. Най-важнотосуровинаеванадий-титанов магнетит (VTM), вид нажелязна руданамерени в големи находища в Китай (район Панси), Русия (Качканар), Южна Африка и Съединените щати. VTM обикновено съдържа 0,3–1,5% V₂O5, заедно с титан и желязо. След добиването рудата претърпяваобогатяване(раздробяване, смилане, магнитна сепарация) за получаване на aконцентраткойто след това се топи в aдоменна пещда произвеждатванадий-съдържащ чугун. По време на производството на стомана ванадият се окислява и се прехвърля вванадиева шлака– страничен продукт, съдържащ 8–20% V₂O₅ – който служи като основна суровина за повечетоферованадийрастения по целия свят. Други източници включватотработени катализаториот нефтохимическата промишленост,летлива пепелот електроцентрали икаменни въглища(нискокачествен въглероден шист, богат на ванадий), който е уникален за Китай.
Предварителна обработка на ванадиева шлака
Преди топене,ванадиева шлакатрябва да бъдепеченис натриеви соли (натриев карбонат или натриев сулфат) при 800–900 градуса за превръщане на ванадиевите оксиди във водоразтворими натриеви ванадати. Изпеченият продукт е след товаизлуженис гореща вода или разредена киселина (сярна киселина) за извличаневанадиев пентоксид (V₂O₅)иливанадиев триоксид (V₂O₃). товахидрометалургиченПо пътя се получава пречистен ванадиев оксид с над 98% чистота, който е предшественик за всички процеси на термична редукция. Алтернативно,директно излугванена сурова шлака, използваща силни киселини, се разработва за намаляване на потреблението на енергия, въпреки че генерира по-големи обеми киселинни отпадъчни води.
Три основни процеса на топене
(1) Алуминотермична редукция– Това е доминиращият метод за производствовисококачествен ферованадий(FeV80 и някои FeV60). В товаекзотермиченреакция, смес отV₂O₅ , алуминиев прах(или гранули),железен скрап(или стоманени стружки), ивар(CaO) като поток се запалва в aмеден тигел с водно охлажданеили апещ с огнеупорно покритие. Реакцията е самоподдържаща се:
3V₂O₅ + 10Al → 6V + 5Al2O₃ (ΔH=–2500 kJ/mol)
Освободената топлина повишава температурата над 2000 градуса, топейки и дветеванадийи нашлака(главно Al2O3). След охлаждане,ферованадийслитъкът се отделя от шлаката, натрошава се и се оразмерява. Този процес постига aскорост на възстановяване на ванадийот 95–97%, но консумира около 1,2 тона алуминий на тон FeV80, което го прави чувствителен към цената на алуминия.Електроалуминотермиченвариантите използват електрическа дъга за доставяне на допълнителна топлина, подобрявайки възстановяването до 98% и позволявайки по-добър контрол навъглеродисилицийпримеси.
(2) Електросиликотермична редукция– Този метод е предпочитан заFeV50иFeV60производство, защото използва по-евтино75% феросилицийкато основенредуктор, допълнен с малко количество алуминий (5–10% от общия редуктор). Операцията се извършва в aосновна електродъгова пещс аоблицовка от магнезиев вар. Таксата включваV₂O₅ , вар, флуорипат(като поток) и редукторите. Процесът протича на два етапа: първо, aнамаляванепериод, при който повечето ванадий се редуцира и се образува сплавта; второ, арафиниранепериод, когато излишъкът от силиций се окислява чрез добавяне на повече V₂O₅ или желязна руда, коригиране на крайниясъдържание на силицийза да отговарят на спецификациите на степента. Theвъзстановяване на ванадийварира от 90–94%, малко по-ниска от алуминотермичната, норазходи за обработкае с 15–20% по-малко поради по-евтините редуктори. Въпреки това,консумация на енергияе висока (около 8 000–10 000 kWh на тон сплав), аобем на шлакатае по-голям (около 2 тона на тон FeV), което води до по-високи разходи за изхвърляне на отпадъци.
(3) Карботермична редукция– Това използвавъглеродни материали(петролен кокс, антрацит) като редуциращ агент в пещ с потопена дъга. По-рядко се среща, тъй като въглеродът има тенденция да се разтваря в сплавта, повишавайкивъглеродно съдържаниенад допустимите граници за повечето видове стомана. Въпреки това, за производствоFeV50‑C(което позволява до 5% C), този маршрут може да бъде икономичен. Реакцията протича при 1600–1800 градуса:
V₂O₅ + 5C → 2V + 5CO
Високото ниво на въглерод ограничава приложението му и процесът често се комбинира свакуумно обезвъглеродяванеза производство на нисковъглеродни продукти, макар и срещу допълнителни разходи.
Модерни технологии и подобряване на качеството
Последните иновации се фокусират върхучистачипо-ефективентопене.Плазмено топенеизползва йонизиран газ за постигане на свръхвисоки температури (по-големи или равни на 3000 градуса) за бързо намаляване, подобряване на производителността и намаляване наулавяне на шлака. Вакуумна дегазациясе прилага след потупване за отстраняване на разтворени газове (водород, азот) и летливи примеси, произвеждащиултра ниско съдържание на примеси(общо < 200 ppm)ферованадий с висока чистотаза космически приложения.Автоматизирано управление на процеситесистемите наблюдават температурата, основността на шлаката и скоростите на подаване на редуктора в реално време, минимизирайкиразделяне на съставаи осигуряванееднаквостпрез партиди. Изследванията показват, че оптимизиранетопараметри на топене– като съотношението V₂O₅/Al, добавянето на вар и температурата на източване – може да тласневъзстановяване на ванадийдо над 98,5%, като същевременно намаляваенергийна интензивностс 10-15%.
Екологични съображения
И трите процеса произвеждатнатоварени с прах отпадъчни газовеитвърда шлака. Съвременните заводи използвателектрофилтрииръкавни филтриза улавяне на фини частици, докатомокри скруберипремахване на серен диоксид. Theшлака, богата на алуминийот алуминотермична редукция често се продава на циментовата промишленост или се използва като огнеупорен материал. Усилия за рециклиранеотработена шлакаи възстановяването на остатъчния ванадий се засилват, привеждайки се в съответствие с глобалнитекръгова икономикацели.
В заключение, изборът напроизводствен пътзависи от целевия клас, наличието на местни суровини и екологичните разпоредби. Тенденцията се движи къмхибридни процесикоито комбинират ефективността на алуминотермичната редукция с ценово предимство на силикотермичните пътища, като същевременно обхващатдигитализацияизелена химияпринципи.