Технологія виробництва ферованадія
Ванадій - крихкий, дуже твердий метал світло-сірого кольору з наступними фізико-хімічними властивостями: атомна маса 50,95; валентність 2-5; щільність 6,09 г/см 3 температура плавлення 1912° С. Залізо і ванадій повністю взаємно розчиняються як в рідкому, так і в твердому стані. Сплав, що містить 31% V, має мінімальну температуру плавлення 1468° З. З вуглецем ванадій утворює ряд карбідів, з яких найбільш міцним є VЗ з температурою плавлення 2830° З. З кремнієм ванадій утворює силіциди; найбільш тугоплавкий їх V5Si3 з температурою плавлення 2147° З. З киснем ванадій утворює ряд оксидів; найбільш поширені з них основні VO та V2O3, амфотерний V2O4 та кислотний V2O5.
Для легування сталі ванадієм використовують феррованадій (табл. 18), металевий ванадій або ванадієвмісні лігатури.
Сировина та отримання п'ятиоксиду ванадію
83%. При конверторному переділі з чавуну з 0,5-0,6% V отримують шлак ванадийсодержащего приблизно наступного складу: 23,8% SiO2; 7,8% V (у вигляді FeO · V2O3); 1,1% MgO; 4,5% MnO; 1,2% CaO; 10% Cr2O3, решта — залізо та його оксиди. Вилучення ванадію з чавуну в шлак становить 88-90%.
Переділ конверторного шлаку здійснюють гідрометалургійним шляхом. Відсепарований від металевих включень тонкоподрібнений шлак (2 · хв)
Алюмінотермічний ферованадій виплавляють у плавильному агрегаті, футерованому магнезіальною цеглою, з нижнім запалом. Швидкість проплавлення шихти
200 кг/(м 2 -хв), маса зливка 300-500 кг. Як основну сировину використовують технічний пентоксид ванадію, що містить 47-50% V2O5; 5,5—7,0 % FeO та домішки SiO2, Al2O3, СаО та ін. Алюмінотермічний ферованадій має наступний склад, %: V 85; Si 2; Р 0,05; Ti 0,1; Mn 1,5; S 0,1; С≤0,06. У сплав переходить 87-95% ванадію, витрата алюмінієвого порошку
890 кг/т. У шлаку міститься до 4,5% оксидів ванадію.
При електропічній плавці пентоксид ванадію з надлишком алюмінію проплавляють на подіні електропечі, потім включають піч і проплавляють шлак, що сприяє осадженню багатих алюмінієм корольків сплаву. Після зливу відвального шлаку (2-хв). При розрахунку шихти приймають такі коефіцієнти переходу елементів у металі: ванадія — 98 %; кремнію - 80%; заліза - 99%, фосфору - 90%, сірки - 50%; вуглецю - 60%. Розрахункова кількість алюмінію збільшується на 10%, враховуючи чад його під час плавки. Лігатура містить, %: V 78-82; Si 0,6-1; Al 17-20; Fe 0,6-1,1; 0,12; S 0,15; Р 0,1. Для отримання 1 т лігатури (80% V) витрачається 1970 кг технічного пентоксиду ванадію (75% V2O5), 900 кг алюмінієвого порошку та 600 кг вапна. Вилученняванадія становить 95%. Плавку можна вести також шляхом металотермічного переплаву. Шихта складається з 490 кг плавленого пентоксиду ванадію, 300 кг алюмінієвого порошку, 30 кг вапна та 100 кг шлаку від попередніх плавок. На подину горна укладають 45 кг алюмінієвих чушок (13% від загальної кількості алюмінію), потім плавку ведуть з верхнім запалом.
Як замінник, дешевший, ніж ферованадій, у США виробляють також карбід ванадію. Його отримують нагріванням V2O5 до 600°З обертової печі в середовищі, що містить вуглеводні. При цьому V2O5 перетворюється на V2O4 який завантажують у другу обертову піч з аналогічною фазою, де він при нагріванні до 1000° відновлюється в оксикарбид ванадію. Цей продукт брикетують коксом або графітом з надлишком 1% проти стехнометричного кількості і нагрівають у вакуумі до 1500°С. Готові брикети містять 82-87% V і 8-13% С. У США виробляють високоазотисту (6-17% N2) лігатуру азотуванням при 900-1100 ° С марганецьванадієвого сплаву (5-30% Mn, 50-75% V). Передбачено окускування готового продукту брикетуванням із застосуванням сполучного.
Нами запропоновано та успішно випробувано отримання високоазотистого феррованадія методом СВС. Сплав отриманий у литому стані та містив
7% N2 при 35-40% V. Алюмінотермічним способом можна отримати технічно чистий ванадій (до 97% V) відновленням чистого оксиду V2O5 алюмінієм з добавкою як флюс CaO і CaF2. В результаті вакуумної обробки такого сплаву можна отримати метал з 99% V. Чистіший металевий ванадій можна отримати відновленням чистого оксиду V2O5 у вакуумі вуглецем, кальційтермічним відновленням V2O5, термічним розкладанням йодиду ванадію та електролізом водних розчинів. Основна увага при виробництві ферованадіяповинно бути приділено зменшенню втрат ванадію на всіх переділях, так як мала концентрація ванадію у вихідних рудах і у зв'язку з цим дуже складний процес отримання його визначають його високу вартість.
Застосування та склад ферованадія
Межі міцності та плинності, а також ударна в'язкість стали підвищуються при вмісті в ній ванадію без зниження відносних звуження та подовження. Ванадій пов'язує азот і знижує чутливість сталі до старіння, підвищує твердість, зносостійкість та стійкість проти відпустки, а також теплостійкість сталі, що сприятливо впливає на стійкість різального інструменту. Ванадій широко використовують при виробництві конструкційних, жароміцних та інструментальних сталей. Останнім часом все частіше застосовується мікролегування ванадієм конструкційних сталей, що значно підвищує їхню якість. Для легування сталі ванадієм використовують феррованадій (табл. 96) або спеціальні ванадієвмісні лігатури. Рідше для легування сталі використовують шлаки ванадийсодержащие, ванадийсодержащие металізовані котуни і т. п. матеріали.
Мінерали та руди ванадія
10% V) та деклуазит - (Zn, Cu)P(VO4)OH (12,5% V). Промислові ванадієві руди можна класифікувати наступним чином: власне ванадієві руди, комплексні руди чорних та кольорових металів (карнотити, титаномагнетити та ін), горючі та інші корисні копалини (бітуми, горючі сланці; фосфорити та ін.). СРСР має у своєму розпорядженні найбільші у світі родовища комплексних залізованадієвих руд, що містять мільйони тонн ванадію. Це Кусинське, Первоуральське, Качканарське та інші родовища Уралу, Керченське, Лисаківське та Аятське (Казахстан) та ін.Фінляндії, Австралії та інших країнах. Нині основним джерелом ванадію у СРСР служать ванадийсодержащие залізні руди родовищ Уралу (табл. 97).
Фізико-хімічні властивості ванадію та його сполук
Ванадій - метал з електронною структурою 1s 2 2s 2 2р 6 3s 2 3р 6 3d 3 4s 2 кристалізується в кубічній об'ємноцентрованій системі і має наступні властивості: атомну масу 50,94; валентність 2-5; щільність 6,09 г/см 3 ; температуру плавлення 1912 °С. З залізом ванадій має повну взаємну розчинність як у рідкому, так і в твердому стані. Сплав, що містить 31% V має мінімальну температуру плавлення 1468°С. З вуглецем ванадій утворює ряд карбідів: V5C, V2C, V4C3, VC та V2C3, з яких найбільш міцним є карбід VC з температурою плавлення 2830 °С; з кремнієм ванадій утворює силіциди (рис. 65): V3Si, V5Si3 та VSi2. З киснем ванадій утворює ряд оксидів, з них у металургії ванадію маю значення основні оксиди VO та V2O3 (температура плавлення відповідно 1700 і 2000°С), амфотерний оксид V2O4. Найбільше значення має кислотний оксид V2O5 (температура плавлення 675°С ΔH 0 298= -1556,7 кДж/моль і ΔG300= -1459,5 кДж/моль). З діаграми стану системи V-Al (рис. 66) випливає, що у твердому металевому ванадії може розчинятися до 35% Al. Хімічні сполуки типу V2Al8, VAl3 плавляться з розкладанням. З азотом ванадій утворює два нітриди: V3N та VN.