Produkcjażelazowanadjest kompleksemproces metalurgicznyzaczyna się od ekstrakcjiwanadz rud pierwotnych lub zasobów wtórnych. NajważniejszesurowiecJestmagnetyt wanadowo-tytanowy (VTM), rodzajruda żelazawystępuje w dużych złożach w Chinach (region Panxi), Rosji (Kachkanar), Republice Południowej Afryki i Stanach Zjednoczonych. VTM zazwyczaj zawiera 0,3–1,5% V₂O₅ oraz tytan i żelazo. Po wydobyciu ruda ulegawzbogacanie(kruszenie, mielenie, separacja magnetyczna) w celu wytworzeniakoncentratktóry jest następnie wytapiany wwielki piecprodukowaćSurówka zawierająca wanad. Podczas produkcji stali wanad utlenia się i przenosi dożużel wanadowy– produkt uboczny zawierający 8–20% V₂O₅ – będący podstawowym surowcem dla większościżelazowanadroślin na całym świecie. Inne źródła obejmujązużyte katalizatoryz branży petrochemicznej,lotny popiółz elektrowni iwęgiel kamienny(niskiej jakości łupki węglowe bogate w wanad), występujące wyłącznie w Chinach.
Wstępna obróbka żużla wanadowego
Przed wytopemżużel wanadowymusi byćpieczonyz solami sodu (węglanem sodu lub siarczanem sodu) w temperaturze 800–900 stopni w celu przekształcenia tlenków wanadu w rozpuszczalne w wodzie wanadane sodu. Następnie jest pieczony produktwyługowanegorącą wodą lub rozcieńczonym kwasem (kwasem siarkowym) w celu ekstrakcjipięciotlenek wanadu (V₂O₅)Lubtrójtlenek wanadu (V₂O₃). TenhydrometalurgicznyW wyniku tej metody otrzymuje się oczyszczony tlenek wanadu o czystości ponad 98%, który jest prekursorem wszystkich procesów redukcji termicznej. Alternatywnie,ługowanie bezpośrednieSurowego żużla przy użyciu mocnych kwasów jest opracowywany w celu zmniejszenia zużycia energii, chociaż generuje większe ilości kwaśnych ścieków.
Trzy główne procesy wytapiania
(1) Redukcja aluminiotermiczna– Jest to dominująca metoda produkcjiwysokiej jakości żelazowanad(FeV80 i trochę FeV60). W tymegzotermicznyreakcja, mieszaninaV₂O₅ , proszek aluminiowy(lub granulki),złom żelaza(lub wióry stalowe) iwapno(CaO) w wyniku zapalenia topnika w atygiel miedziany chłodzony wodąlubpiec z wyłożeniem ogniotrwałym. Reakcja jest samopodtrzymująca:
3V₂O₅ + 10Al → 6V + 5Al₂O₃ (ΔH=–2500 kJ/mol)
Uwolnione ciepło podnosi temperaturę powyżej 2000 stopni, topiąc obawanadiżużel(głównie Al₂O₃). Po ochłodzeniu,żelazowanadwlewek jest oddzielany od żużla, kruszony i sortowany. Proces ten pozwala osiągnąć astopień odzysku wanaduwynosi 95–97%, ale zużywa około 1,2 tony aluminium na tonę FeV80, przez co jest wrażliwy kosztowo na ceny aluminium.Elektroaluminotermicznewarianty wykorzystują łuk elektryczny do dostarczania dodatkowego ciepła, poprawiając odzysk do 98% i umożliwiając lepszą kontrolęwęgielIkrzemzanieczyszczenia.
(2) Redukcja elektrosilikotermiczna– Ta metoda jest preferowanaFeV50IFeV60produkcji, bo zużywa taniej75% żelazokrzemujako podstawowyreduktor, uzupełniony niewielką ilością aluminium (5–10% całkowitego reduktora). Operacja odbywa się wpodstawowy piec elektryczny łukowyzwyściółka magnezjowo-wapienna. Opłata obejmujeV₂O₅ , wapno, fluoryt(jako strumień) i reduktory. Proces przebiega w dwóch etapach: pierwszy, azmniejszenieokres, w którym większość wanadu ulega redukcji i tworzy się stop; drugie, Arafinacjaokres, w którym nadmiar krzemu jest utleniany przez dodanie większej ilości V₂O₅ lub rudy żelaza, dostosowując końcowyzawartość krzemuaby spełnić specyfikacje gatunku. Theodzyskiwanie wanaduwaha się od 90–94%, nieco mniej niż aluminotermiczne, alekoszt przetworzeniajest o 15–20% mniejsza ze względu na tańsze reduktory. Jednakże,zużycie energiijest wysoka (około 8 000–10 000 kWh na tonę stopu), aobjętość żużlajest większy (około 2 ton na tonę FeV), co prowadzi do wyższych kosztów usuwania odpadów.
(3) Redukcja karbotermiczna– To wykorzystujemateriały węglowe(koks naftowy, antracyt) jako środek redukujący w piecu z łukiem krytym. Jest to mniej powszechne, ponieważ węgiel ma tendencję do rozpuszczania się w stopie, podnoszączawartość węglapowyżej dopuszczalnych limitów dla większości gatunków stali. Niemniej jednak do produkcjiFeV50‑C(co pozwala na osiągnięcie do 5% C), ta trasa może być ekonomiczna. Reakcja zachodzi w temperaturze 1600–1800 stopni:
V₂O₅ + 5C → 2V + 5CO
Wysoka zawartość węgla ogranicza jego zastosowanie, a proces ten często jest łączonyodwęglenie próżniowedo wytwarzania produktów niskoemisyjnych, aczkolwiek za dodatkową opłatą.
Zaawansowane technologie i poprawa jakości
Najnowsze innowacje skupiają się naodkurzaczIbardziej wydajnywytapianie.Wytapianie plazmowewykorzystuje zjonizowany gaz do osiągnięcia bardzo wysokich temperatur (wyższych lub równych 3000 stopni) w celu szybkiej redukcji, poprawy wydajności i zmniejszeniauwięzienie żużla. Odgazowanie próżniowestosuje się po stuknięciu w celu usunięcia rozpuszczonych gazów (wodór, azot) i lotnych zanieczyszczeń, tworzącwyjątkowo niska zawartość zanieczyszczeń(łącznie < 200 ppm)żelazowanad o wysokiej czystoścido zastosowań lotniczych.Zautomatyzowana kontrola procesusystemy monitorują temperaturę, zasadowość żużla i szybkości podawania reduktora w czasie rzeczywistym, minimalizującsegregacja składui zapewnieniejednolitośćw partiach. Badania wykazały, że optymalizacjaparametry wytapiania– takie jak stosunek V₂O₅/Al, dodatek wapna i temperatura spuszczania – mogą popchnąćodzyskiwanie wanadudo ponad 98,5% przy jednoczesnej redukcjiintensywność energiio 10–15%.
Względy środowiskowe
Wszystkie trzy procesy powodują powstaniegazy odlotowe zawierające pyłyIsolidny żużel. Nowoczesne zakłady zatrudniająelektrofiltryIfiltry workowedo wychwytywania drobnych cząstek, podczas gdypłuczki mokreusunąć dwutlenek siarki. Theżużel bogaty w tlenek glinupowstający w wyniku redukcji aluminotermicznej jest często sprzedawany przemysłowi cementowemu lub stosowany jako materiał ogniotrwały. Wysiłki mające na celu recyklingzużyty żużeli odzyskiwania pozostałości wanadu nasilają się, dopasowując się do globalnychgospodarka o obiegu zamkniętymcele.
Podsumowując wybórtrasa produkcyjnazależy od gatunku docelowego, lokalnej dostępności surowców i przepisów ochrony środowiska. Trend zmierza w kierunkuprocesy hybrydowektóre łączą skuteczność redukcji aluminotermicznej z przewagą kosztową tras krzemotermicznych, jednocześnie obejmująccyfryzacjaIzielona chemiazasady.