Fabricarea deferovanadiueste un complexproces metalurgiccare începe cu extragerea devanadiudin minereuri primare sau din resurse secundare. Cel mai importantmaterii primeestemagnetit de vanadiu-titan (VTM), un tip deminereu de fiergăsit în zăcăminte mari din China (regiunea Panxi), Rusia (Kachkanar), Africa de Sud și Statele Unite. VTM conține de obicei 0,3–1,5% V₂O₅, împreună cu titan și fier. După minerit, minereul este supusbeneficiare(zdrobire, măcinare, separare magnetică) a produce aconcentratcare se topeste apoi intr-ofurnala producefontă purtătoare de vanadiu. În timpul fabricării oțelului, vanadiul este oxidat și transferat înzgura de vanadiu– un produs secundar care conține 8–20% V₂O₅ – care servește ca materie primă primară pentru majoritateaferovanadiuplante din întreaga lume. Alte surse includcatalizatori uzațidin industria petrochimica,cenușă zburătoaredin centralele electrice șicărbune de piatră(un șist carbonic de grad scăzut, bogat în vanadiu), care este unic în China.
Pretratarea zgurii de vanadiu
Înainte de topire,zgura de vanadiutrebuie să fieprăjităcu săruri de sodiu (carbonat de sodiu sau sulfat de sodiu) la 800–900 de grade pentru a transforma oxizii de vanadiu în vanadați de sodiu solubili în apă. Produsul prăjit este atuncileşiatecu apă fierbinte sau acid diluat (acid sulfuric) pentru a extragepentoxid de vanadiu (V₂O₅)sautrioxid de vanadiu (V₂O₃). Acesthidrometalurgicătraseul dă un oxid de vanadiu purificat cu o puritate de peste 98%, care este precursorul tuturor proceselor de reducere termică. Alternativ,leşiere directăde zgură brută folosind acizi tari este în curs de dezvoltare pentru a reduce consumul de energie, deși generează volume mai mari de ape uzate acide.
Trei procese principale de topire
(1) Reducere aluminotermă– Aceasta este metoda dominantă de producereferovanadiu de calitate superioară(FeV80 și ceva FeV60). In aceastaexotermicreacție, un amestec deV₂O₅ , pulbere de aluminiu(sau granule),resturi de fier(sau strunjiri din oțel) șilămâie verde(CaO) ca flux este aprins în acreuzet de cupru răcit cu apăsau acuptor căptușit cu materiale refractare. Reacția este autosusținută:
3V₂O₅ + 10Al → 6V + 5Al₂O₃ (ΔH=–2.500 kJ/mol)
Căldura degajată ridică temperatura peste 2.000 de grade, topind atâtvanadiuiar celzgură(în principal Al₂O₃). După răcire,ferovanadiulingoul este separat de zgură, zdrobit și calibrat. Acest proces realizează arata de recuperare a vanadiuluide 95–97%, dar consumă aproximativ 1,2 tone de aluminiu pe tonă de FeV80, ceea ce îl face sensibil la costuri la prețurile aluminiului.Electro-aluminotermicvariantele folosesc un arc electric pentru a furniza căldură suplimentară, îmbunătățind recuperarea la 98% și permițând un control mai bun alcarbonşisiliciuimpurităţi.
(2) Reducere electro-silicotermă– Această metodă este preferată pentruFeV50şiFeV60producție deoarece folosește mai ieftin75% ferosiliciuca primarreductor, completat cu o cantitate mică de aluminiu (5–10% din reductorul total). Operatia are loc in acuptor cu arc electric de bazăcu acăptușeală de magnezie-var. Taxa includeV₂O₅ , lămâie verde, spatul fluor(ca flux) și reductanții. Procesul decurge în două etape: în primul rând, areducereperioada în care majoritatea vanadiului este redus și se formează aliajul; al doilea, arafinareperioada în care excesul de siliciu este oxidat prin adăugarea mai multor V₂O₅ sau minereu de fier, ajustândconținut de siliciupentru a îndeplini specificațiile de grad. Therecuperarea vanadiuluivariază de la 90–94%, puțin mai scăzut decât aluminotermic, darcost de procesareeste cu 15–20% mai mică datorită reductanților mai ieftini. Cu toate acestea, celconsumul de energieeste mare (aproximativ 8.000–10.000 kWh per tonă de aliaj), iarvolumul de zgurăeste mai mare (aproximativ 2 tone pe tonă de FeV), ceea ce duce la costuri mai mari de eliminare a deșeurilor.
(3) Reducere carbotermică– Aceasta foloseștemateriale carbonice(cocs de petrol, antracit) ca agent reducător într-un cuptor cu arc scufundat. Este mai puțin frecventă deoarece carbonul tinde să se dizolve în aliaj, ridicândcontinutul de carbonpeste limitele acceptabile pentru majoritatea claselor de oțel. Cu toate acestea, pentru producereFeV50-C(care permite până la 5% C), acest traseu poate fi economic. Reacția are loc la 1.600-1.800 de grade:
V₂O₅ + 5C → 2V + 5CO
Nivelul ridicat de carbon limitează aplicarea acestuia, iar procesul este adesea combinat cudecarburare în vidpentru a produce produse cu emisii scăzute de carbon, deși la un cost suplimentar.
Tehnologii avansate și îmbunătățirea calității
Inovațiile recente se concentrează pemai curatşimai eficienttopire.Topirea cu plasmăutilizează un gaz ionizat pentru a atinge temperaturi ultra-înalte (mai mari sau egale cu 3.000 de grade) pentru o reducere rapidă, îmbunătățirea productivității și reducereacaptarea zgurii. Degazarea în vidse aplica dupa atingere pentru a elimina gazele dizolvate (hidrogen, azot) si impuritatile volatile, producandimpuritate ultra-scazuta(total < 200 ppm)ferovanadiu de înaltă puritatepentru aplicații aerospațiale.Control automat al procesuluisistemele monitorizează temperatura, bazicitatea zgurii și ratele de alimentare reducătoare în timp real, reducând la minimumsegregarea compozițieiși asigurânduniformitatepeste loturi. Cercetările au arătat că optimizareaparametrii de topire– cum ar fi raportul V₂O₅/Al, adăugarea de var și temperatura de atingere – pot împingerecuperarea vanadiuluila peste 98,5% reducând în același timpintensitatea energeticăcu 10–15%.
Considerații de mediu
Toate cele trei procese producgaze reziduale încărcate cu prafşizgură solidă. Plantele moderne folosescprecipitatoare electrostaticeşifiltre cu sacipentru a capta particule fine, în timp ceepuratoare umedeelimina dioxidul de sulf. Thezgură bogată în aluminăde la reducerea aluminotermă este adesea vândut industriei cimentului sau folosit ca material refractar. Eforturi de reciclarezgura uzatăși recuperarea de vanadiu rezidual se intensifică, aliniându-se la nivel globaleconomie circularăobiective.
În concluzie, alegerea detraseul de producțiedepinde de clasa țintă, de disponibilitatea locală a materiei prime și de reglementările de mediu. Tendința se îndreaptă spreprocese hibridecare combină eficiența reducerii aluminoterme cu avantajul de cost al rutelor silicotermice, îmbrățișând în același timpdigitalizareaşichimie verdeprincipii.