Proizvodnja odferovanadijumje kompleksmetalurški proceskoji počinje vađenjemvanadijiz primarnih ruda ili sekundarnih resursa. Najvažnijesirovinajevanadij-titanijum magnetit (VTM), vrstagvozdene rudepronađena u velikim nalazištima u Kini (regija Panxi), Rusiji (Kačkanar), Južnoj Africi i Sjedinjenim Državama. VTM obično sadrži 0,3–1,5% V₂O₅, zajedno sa titanijumom i gvožđem. Nakon rudarenja, ruda se podvrgavabeneficiranje(drobljenje, mljevenje, magnetsko odvajanje) za proizvodnju akoncentratkoji se zatim topi u avisoka pećproizvoditisirovo gvožđe koje sadrži vanadijum. Tokom proizvodnje čelika, vanadij se oksidira i prenosi uvanadijeva šljaka– nusproizvod koji sadrži 8-20% V₂O₅ – koji služi kao primarna sirovina za većinuferovanadijumbiljke širom sveta. Ostali izvori uključujuistrošenih katalizatoraiz petrohemijske industrije,leteći pepeoiz elektrana, ikameni ugalj(ugljični škriljac niske kvalitete bogat vanadijem) koji je jedinstven za Kinu.
Predtretman vanadijeve šljake
Prije topljenja,vanadijeva šljakamora bitipečenasa natrijumovim solima (natrijum karbonat ili natrijum sulfat) na 800-900 stepeni za pretvaranje vanadijumovih oksida u natrijum vanadate rastvorljive u vodi. Zatim je pečeni proizvodleachedvrućom vodom ili razrijeđenom kiselinom (sumpornom kiselinom) za ekstrakcijuvanadijev pentoksid (V₂O₅)ilivanadijev trioksid (V₂O₃). OvohidrometalurškiOvaj put daje prečišćeni vanadijum oksid čistoće preko 98%, koji je prethodnik za sve procese termalne redukcije. Alternativno,direktno ispiranjesirove šljake koristeći jake kiseline se razvija kako bi se smanjila potrošnja energije, iako stvara veće količine kiselih otpadnih voda.
Tri glavna procesa topljenja
(1) Aluminotermna redukcija– Ovo je dominantan način proizvodnjeferovanadijum visokog kvaliteta(FeV80 i nešto FeV60). U ovomeegzotermnareakcija, mješavinaV₂O₅ , aluminijumski prah(ili granule),gvozdeni otpad(ili čelične strugotine), ikreč(CaO) kao fluks se pali u avodeno hlađeni bakarni lončićili avatrostalna peć. Reakcija je samoodrživa:
3V₂O₅ + 10Al → 6V + 5Al₂O₃ (ΔH=–2,500 kJ/mol)
Oslobođena toplota podiže temperaturu iznad 2.000 stepeni, topi obavanadijišljaka(uglavnom Al₂O₃). Nakon hlađenja,ferovanadijumIngot se odvaja od šljake, drobi i veliči. Ovim procesom se postiže astopa oporavka vanadijaod 95–97%, ali troši oko 1,2 tone aluminijuma po toni FeV80, što ga čini troškovno osetljivim na cene aluminijuma.Elektro-aluminotermnivarijante koriste električni luk za opskrbu dodatnom toplinom, poboljšavajući oporavak do 98% i omogućavajući bolju kontroluugljenikisilicijumnečistoće.
(2) Elektro-silikotermna redukcija– Ova metoda je poželjna zaFeV50iFeV60proizvodnje jer koristi jeftinije75% ferosilicijumakao primarnireduktor, dopunjen malom količinom aluminijuma (5-10% ukupnog reduktora). Operacija se odvija u aosnovna elektrolučna pećsa aobloga od magnezija-kreča. Naplata uključujeV₂O₅ , kreč, fluorit(kao fluks) i reduktori. Proces se odvija u dvije faze: prva, asmanjenjeperiod u kojem se većina vanadijuma redukuje i formira se legura; drugo, arafiniranjeperiod u kojem se višak silicijuma oksidira dodavanjem više V₂O₅ ili željezne rude, prilagođavanjem konačnogsadržaj silicijumada zadovolji specifikacije razreda. Theoporavak vanadijakreće se od 90–94%, nešto niže od aluminotermnog, alitroškovi obradeje 15-20% manje zbog jeftinijih reduktora. Međutim, thepotrošnja energijeje visoka (oko 8.000-10.000 kWh po toni legure), azapremina šljakeje veći (oko 2 tone po toni FeV), što dovodi do većih troškova odlaganja otpada.
(3) Karbotermična redukcija– Ovo koristiugljenični materijali(naftni koks, antracit) kao redukciono sredstvo u peći sa potopljenim lukom. Manje je uobičajeno jer ugljik ima tendenciju da se otapa u leguri, podižućisadržaj ugljenikaiznad prihvatljivih granica za većinu vrsta čelika. Ipak, za proizvodnjuFeV50‑C(koji dozvoljava do 5% C), ovaj put može biti ekonomičan. Reakcija se javlja na 1.600-1.800 stepeni:
V₂O₅ + 5C → 2V + 5CO
Visok nivo ugljenika ograničava njegovu primenu, a proces se često kombinuje savakuumska dekarbonizacijaza proizvodnju proizvoda s niskim udjelom ugljika, iako uz dodatne troškove.
Napredne tehnologije i poboljšanje kvaliteta
Nedavne inovacije se fokusiraju načistačiefikasnijetopljenje.Topljenje plazmekoristi ionizirani plin za postizanje ultra-visokih temperatura (većih ili jednakih 3000 stepeni) za brzo smanjenje, poboljšanje produktivnosti i smanjenjezarobljavanje šljake. Vakuumsko degaziranjeprimjenjuje se nakon točenja radi uklanjanja otopljenih plinova (vodonik, dušik) i isparljivih nečistoća, stvarajućiultra-niska nečistoća(ukupno < 200 ppm)ferovanadijum visoke čistoćeza aplikacije u vazduhoplovstvu.Automatska kontrola procesasistemi prate temperaturu, bazičnost šljake i brzinu dodavanja reduktora u realnom vremenu, minimizirajućikompozicijska segregacijai osiguravanjeuniformnostpreko serija. Istraživanja su pokazala da optimizacijaparametri topljenja– kao što je omjer V₂O₅/Al, dodatak vapna i temperatura točenja – može potaknutioporavak vanadijana preko 98,5% uz istovremeno smanjenjeenergetski intenzitetza 10–15%.
Environmental Considerations
Sva tri procesa proizvodeotprašenih gasovaičvrsta šljaka. Moderna postrojenja zapošljavajuelektrostatičkih filteraivrećasti filteriza hvatanje finih čestica, dokmokri peračiukloniti sumpor dioksid. Thešljaka bogata glinicomod aluminotermne redukcije se često prodaje cementnoj industriji ili se koristi kao vatrostalni materijal. Napori da se reciklirapotrošena šljakai oporavak zaostalog vanadijuma se intenziviraju, usklađujući se sa globalnimcirkularna ekonomijagolove.
U zaključku, izborproizvodni putzavisi od ciljanog kvaliteta, dostupnosti lokalnih sirovina i ekoloških propisa. Trend se kreće kahibridni procesikoji kombinuju efikasnost aluminotermne redukcije sa troškovnom prednošću silikotermnih puteva, istovremeno prihvatajućidigitalizacijaizelena hemijaprincipi.