Fremstillingen afferrovanadiumer et kompleksmetallurgisk procesder begynder med udvindingen afvanadiumfra primære malme eller sekundære ressourcer. Det vigtigsteråvareervanadium-titanium magnetit (VTM), en typejernmalmfundet i store forekomster i Kina (Panxi-regionen), Rusland (Kachkanar), Sydafrika og USA. VTM indeholder typisk 0,3-1,5 % V₂O₅ sammen med titanium og jern. Efter minedrift gennemgår malmenbegunstigelse(knusning, slibning, magnetisk adskillelse) for at fremstille enkoncentrereder så smeltes i enhøjovnat producerevanadiumholdigt råjern. Under stålfremstilling oxideres vanadinet og overføres tilvanadiumslagge– et biprodukt indeholdende 8–20 % V₂O₅ – som fungerer som det primære råmateriale for de flesteferrovanadiumplanter verden over. Andre kilder omfatterbrugte katalysatorerfra den petrokemiske industri,flyveaskefra kraftværker, ogstenkul(en lavkvalitets kulholdig skifer rig på vanadium), som er unik for Kina.
Forbehandling af vanadiumslagg
Før smeltning,vanadiumslaggeskal væreristetmed natriumsalte (natriumcarbonat eller natriumsulfat) ved 800-900 grader for at omdanne vanadiumoxider til vandopløselige natriumvanadater. Det ristede produkt er derefterudvasketmed varmt vand eller fortyndet syre (svovlsyre) for at ekstraherevanadiumpentoxid (V₂O5)ellervanadiumtrioxid (V2O3). Dennehydrometallurgiskruten giver et oprenset vanadiumoxid med over 98 % renhed, som er forløberen for alle termiske reduktionsprocesser. Alternativtdirekte udvaskningaf rå slagger ved hjælp af stærke syrer udvikles for at reducere energiforbruget, selvom det genererer større mængder surt spildevand.
Tre vigtigste smelteprocesser
(1) Aluminotermisk reduktion– Dette er den dominerende metode til at producerehøjkvalitets ferrovanadium(FeV80 og nogle FeV60). I detteeksotermiskreaktion, en blanding afV₂O₅ , aluminium pulver(eller granulat),jernskrot(eller ståldrejninger), oglime(CaO) som en flux antændes i envandkølet kobberdigeleller aildfast foret ovn. Reaktionen er selvbærende:
3V₂O₅ + 10Al → 6V + 5Al₂O₃ (ΔH=–2.500 kJ/mol)
Den frigivne varme hæver temperaturen til over 2.000 grader og smelter bådevanadiumog denslagge(hovedsageligt A1203). Efter afkølingferrovanadiumbarren adskilles fra slaggen, knuses og dimensioneres. Denne proces opnår envanadiumgenvindingshastighedpå 95-97 %, men den forbruger omkring 1,2 ton aluminium pr. ton FeV80, hvilket gør den omkostningsfølsom over for aluminiumspriser.Elektro-aluminiumtermiskvarianter bruger en lysbue til at levere ekstra varme, hvilket forbedrer genvindingen til 98 % og giver bedre kontrol overkulstofogsiliciumurenheder.
(2) Elektro-silikotermisk reduktion– Denne metode foretrækkes tilFeV50ogFeV60produktion, fordi den bruger billigere75% ferrosiliciumsom det primærereduktionsmiddel, suppleret med en lille mængde aluminium (5-10 % af det samlede reduktionsmiddel). Operationen foregår i engrundlæggende lysbueovnmed enmagnesia-kalk foring. Afgiften inkludererV₂O₅ , lime, flusspat(som flux) og reduktionsmidlerne. Processen forløber i to trin: først areduktionperiode, hvor det meste vanadium reduceres, og legeringen dannes; andet, araffineringperiode, hvor overskydende silicium oxideres ved at tilsætte mere V₂O₅ eller jernmalm, justere den endeligeindhold af siliciumfor at opfylde karakterspecifikationerne. Devanadiumgenvindingspænder fra 90-94%, lidt lavere end aluminotermisk, men denforarbejdningsomkostningerer 15–20 % mindre på grund af billigere reduktionsmidler. Imidlertidstrømforbruger høj (ca. 8.000–10.000 kWh pr. ton legering), ogslaggevolumener større (omkring 2 tons pr. ton FeV), hvilket fører til højere omkostninger til bortskaffelse af affald.
(3) Carbotermisk reduktion– Dette brugerkulstofholdige materialer(råoliekoks, antracit) som reduktionsmiddel i en lysbueovn. Det er mindre almindeligt, fordi kulstof har en tendens til at opløses i legeringen, hvilket hæverkulstofindholdover acceptable grænser for de fleste stålkvaliteter. Ikke desto mindre for at producereFeV50-C(som tillader op til 5 % C), kan denne rute være økonomisk. Reaktionen sker ved 1.600-1.800 grader:
V₂O₅ + 5C → 2V + 5CO
Det høje kulstofniveau begrænser dets anvendelse, og processen kombineres ofte medvakuum afkulningat producere produkter med lavt kulstofindhold, dog mod ekstra omkostninger.
Avancerede teknologier og kvalitetsforbedring
Nylige innovationer fokuserer pårenereogmere effektivsmeltning.Plasmasmeltningbruger en ioniseret gas til at opnå ultrahøje temperaturer (større end eller lig med 3.000 grader) for hurtig reduktion, forbedring af produktiviteten og reduktionslaggeindfangning. Vakuum afgasningpåføres efter tapning for at fjerne opløste gasser (brint, nitrogen) og flygtige urenheder, hvilket producererultra-lav urenhed(i alt < 200 ppm)ferrovanadium med høj renhedtil rumfartsapplikationer.Automatiseret processtyringsystemer overvåger temperatur, slaggens basisitet og reduktionsmiddeltilførselshastigheder i realtid, hvilket minimerersammensætning adskillelseog sikreensartethedpå tværs af partier. Forskning har vist, at optimeringsmelteparametre– såsom V₂O₅/Al-forholdet, kalktilsætning og tappetemperatur – kan skubbevanadiumgenvindingtil over 98,5%, mens du reducererenergiintensitetmed 10-15 %.
Miljøhensyn
Alle tre processer producererstøvfyldte afgangsgasserogfast slagge. Moderne planter anvenderelektrostatiske udskillereogposefiltreat opfange fine partikler, mensvåde scrubberefjerne svovldioxid. Dealuminiumoxidrig slaggefra aluminotermisk reduktion sælges ofte til cementindustrien eller bruges som et ildfast materiale. Bestræbelser på at genbrugebrugt slaggeog genvinde resterende vanadium intensiveres, tilpasser sig globalecirkulær økonomimål.
Afslutningsvis valget afproduktionsvejafhænger af målkvaliteten, lokal tilgængelighed af råmaterialer og miljøbestemmelser. Tendensen går modhybride processerder kombinerer effektiviteten af aluminotermisk reduktion med omkostningsfordelen ved silikotermiske ruter, mens de omfatterdigitaliseringoggrøn kemiprincipper.