Vanādija apstrāde

Vanādija apstrāde, metāla sagatavošana izmantošanai dažādos izstrādājumos.

Vanādijs (V) ir pelēcīgi sudrabots metāls, kura kristāla struktūra ir uz ķermeni vērsta kubiskā (bcc) režģa ar kušanas temperatūru 1,926 ° C (3,499 ° F). Metālu galvenokārt izmanto kā leģējošu papildinājumu augstas stiprības mazleģētiem (HSLA) tēraudiem un mazākā mērā instrumentu tēraudos, kā arī dzelzs un tērauda lējumos. Tas ir arī svarīgs stiprinātājs titāna sakausējumiem. Vanādija sakausējumi ir daudzsološi kandidāti izmantošanai kodolreaktoros. Tomēr metāls tiek atzīts par rūpnieciski bīstamu, jo ir novērots, ka cietu daļiņu ar lielu vanādija saturu elpošana izraisa intensīvu, sausu klepu, ko papildina deguna, acu un rīkles kairinājums.

Vēsture

Par vanādija atklāšanu 1801. gadā pirmo reizi apgalvoja spāņu mineralogists Andrés Manuel del Río, kurš tam piešķīra nosaukumu eritronijs pēc viena no tā ķīmiskajiem savienojumiem (grieķu eritroze, “sarkans”) sarkanās krāsas. 1830. gadā zviedru ķīmiķis Nils Gabriels Sefstrēms no jauna atklāja šo elementu un nosauca to par vanādiju pēc skandināvu skaistumkopšanas dievietes Vanadis nosaukuma, jo šķīdumā bija skaisti to savienojumi. Angļu ķīmiķis Henrijs Enfīlds Roskoe 1867. gadā pirmo reizi izdalīja metālu, reducējot vanādija dihlorīdu ar ūdeņradi, un amerikāņu ķīmiķi Džons Veslijs Mardens un Malkolms N. Ričs 1925. gadā ieguva 99,7 procentu tīrības pakāpes vanādiju.

Kopš 1900. gadu sākuma vanādijs tiek izmantots kā tērauda un dzelzs leģējošais elements. 1905. gadā Antenor Riza patrons Mina Ragra pilsētā Peru atklāja lielu asfaltīta atradni, kas satur bagātīgas vanādija rūdas. Divus gadus vēlāk amerikāņu vanādija uzņēmums pirmo reizi ražoja ferrovanādiju komerciālā mērogā. Pēc tam, kad piecdesmitajos gados titāns kļuva par kosmiskās konstrukcijas materiālu, vanādijs tika plaši izmantots titāna sakausējumos.

Rūdas

Svarīgi vanādija minerāli ir patronīts (VS ₄), karnotīts [K ₂ (UO ₂) ₂ (VO ₄) ₂] un vanadinīts, [Pb ₅ (VO ₄) ₃ Cl]. Rūdas atradnes, kas iegūtas tikai vanādijam, ir reti sastopamas, jo liela daļa nedzirdīgo iežu vanādija atrodas relatīvi nešķīstošā trīsvērtīgā stāvoklī, aizstājot dzelzs dzelzi ar ferr magnija silikātiem, magnetītu (dzelzs rūdu), ilmenītu (titāna rūdu) un hromītu.

Pasaulē lielākās vanādija mīnas ir no titāna magnēta rezervēm tādos reģionos kā Dienvidāfrikas Bušveldā, Urālu kalnu Kačkanāra kalnu masīvā un Ķīnas Ščewanas provincē. Karotīta rūdas Kolorādo plato smilšakmeņos ir iegūtas vanādija un urāna vajadzībām. Pie citiem vanādija avotiem pieder pelni no fosilā kurināmā sadegšanas, fosfāta rūdas izdedži, alumīnija rūdas boksīts un izlietotie katalizatori.

Ieguves rūpniecība

Tā kā vanādijs būtībā ir rūdu blakusprodukts, kas iegūts citu minerālu ieguvei, tos iegūst ar šīm rūdām raksturīgajām metodēm.

Ieguve un rafinēšana

Vanādija pentoksīds

Titāna magnētiskā rūda daļēji tiek reducēta ar oglēm rotācijas krāsnīs un pēc tam izkausēta krāsnī. Tādējādi rodas izdedži, kas satur lielāko daļu titāna, un čuguns, kas satur lielāko daļu vanādija. Pēc izdedžu noņemšanas izkausēto čugunu izpūš ar skābekli, veidojot jaunu izdedžu, kas satur 12–24 procentus vanādija pentoksīda (V ₂ O ₅), un to izmanto turpmākā metāla apstrādē.

Vanādiju no karnotīta iegūst kā kopproduktu ar urānu, rūdas koncentrātu 24 stundas izskalojot ar karstu sērskābi un oksidētāju, piemēram, nātrija hlorātu. Pēc cieto vielu noņemšanas izskalojumu ievada šķīdinātāja ekstrakcijas lokā, kur urānu ekstrahē organiskā šķīdinātājā, kas sastāv no 2,5% amīna – 2,5% izodekanola – 95% petrolejas. Vanādijs paliek rafīnā, kuru ievada otrajā šķīdinātāja ekstrakcijas ķēdē. Tur vanādiju savukārt ekstrahē organiskajā fāzē, attīra ar 10 procentu sodas pelnu šķīdumu un izgulsnē ar amonija sulfātu. Amonija metavanadāta nogulsnes filtrē, žāvē un kalcinē līdz V ₂ O ₅.

Lielāko daļu citu rūdu vai sārņus, kas satur vanādiju, sasmalcina, samaļ, izsijā un sajauc ar nātrija sāli, piemēram, nātrija hlorīdu vai nātrija karbonātu. Pēc tam šo lādiņu grauzdē aptuveni 850 ° C (1550 ° F) temperatūrā, lai pārvērstu oksīdus nātrija metavanadātā, ko var izskalot karstā ūdenī. Skābējot izskalojumu ar sērskābi, vanādijs tiek nogulsnēts kā nātrija heksavanadāts. Šo savienojumu, kas pazīstams kā sarkanais kūka, var sakausēt 700 ° C (1300 ° F) temperatūrā, lai iegūtu tehniskas kvalitātes vanādija pentoksīdu (vismaz 86 procentus V ₂ O ₅, vai arī to var tālāk attīrīt, izšķīdinot to ūdens šķīdumā) nātrija karbonāta.Pēdējā gadījumā dzelzs, alumīnija un silīcija piemaisījumi sarkanajā kūciņā nogulst no šķīduma, pielāgojot skābumu. Vanādijs tiek izgulsnēts kā amonija metavanadāts, pievienojot amonija hlorīdu. Pēc filtrēšanas nogulsnes tiek kalcinētas līdz ražot V ₂ O ₅ ar tīrību, kas lielāka par 99,8 procentiem.

Ferrovanādijs

Ferrovanādiju, kas satur 35–80 procentus vanādija, ražo elektriskā loka krāsnī. Dzelzs lūžņi vispirms tiek izkausēti, un tiem pievienots V ₂ O ₅, alumīnija un tādas plūsmas maisījums kā kalcija fluorīds vai kalcija oksīds. Sekojošajā reakcijā alumīnija metāls tiek pārveidots par alumīnija oksīdu, veidojot sārņus, un V ₂ O ₅ tiek samazināts līdz vanādija metālam, kas izšķīdināts izkausētajā dzelžā. Tā kā šī oksidācijas-reducēšanās reakcija ir eksotermiska, siltuma padevei jāattīstās tikai 950 ° C (1750 ° F) sadedzināšanas temperatūrai. Pēc sadedzināšanas elektrodi tiek izņemti, līdz reakcija ir pabeigta; pēc tam tos atkal ievieto kausētajā izdedžā un krāsni atkārtoti sasilda, lai uzlabotu nogulsnēšanos.

Aluminotermisko procesu var veikt arī ugunsizturīgā tērauda katlā vai ar ūdeni atdzesētā vara tīģelī. Ar bārija peroksīda drošinātāju vai magnija lenti tiek aizdedzināts V ₂ O ₅, dzelzs oksīda un alumīnija lādiņš.