فرآوری وانادیوم، آماده سازی این فلز برای استفاده در محصولات مختلف است.

وانادیوم (V) یک فلز نقره ای خاکستری است که ساختار بلوری آن، ساختار مکعبی مرکز حجمی است (BCC) با نقطه جوش ۱۹۲۶ °C (3499 °F). وانادیوم عمدتا به عنوان افزودنی آلیاژی به فولاد کم آلیاژ پر استحکام (HSLA) و در مقیاس کمتر در فولاد ابزار ها و ریخته گری آهن و فولاد استفاده می شود. همچنین یک تقویت کننده مهم برای آلیاژ های تیتانیوم است. آلیاژهای وانادیوم کاندیداهای امیدوار کننده ای برای کاربرد در راکتورهای هسته ای هستند. این فلز به عنوان یک خطر صنعتی شناخته شده است، با این حال، تنفس ذرات معلق با محتوای وانادیوم بالا باعث ایجاد سرفه خشک و شدید همراه با تحریک بینی، چشم و گلو شده است

تاریخچه

کشف وانادیوم اولین بار در سال 1801 توسط یک متخصص کانی شناسی اسپانیایی، آندره مانوئل دل ریو انجام شد. او نام آن را اریترونیوم گذاشت. به این دلیل که از ترکیب وانادیوم داری که کشف کرد به رنگ قرمز بود. (اریتر به یونانی یعنی قرمز). در سال ۱۸۳۰ یک شیمیدان سوئدی، نیلز گابریل سفستروم، دوباره این عنصر را کشف کرد و آن را وانادیوم نامید. علت این نامگذاری، Vanadis, الهه زیبایی اسکاندیناوی است که به علت رنگ های زیبای ترکیبات وانادیوم در حالت محلول است. شیمی دان انگلیسی هنری انفولد رزکو اولین بار فلز وانادیم را با کاهش هیدروژن از وانادیوم دی کلرید در سال ۱۸۶۷ جدا کرد. و شیمی دان امریکایی جان وزلی فلز وانادیوم خالص را با خلوص ۹۹.۷٪ با فرآیند کاهش کلسیم در سال ۱۹۲۵ بدست آورد.

از اوایل دهه 1900، وانادیوم به عنوان یک عنصر آلیاژی برای فولادها و آهن استفاده می شود. در سال 1905 آنتنور ریزا پاترون یک کانسار بزرگ آسفالتیت حاوی سنگ معدن غنی از وانادیوم را در مینا راگرا، پرو (Peru) کشف کرد. دو سال بعد، شرکت وانادیوم آمریکا برای اولین بار فرو وانادیوم را در مقیاس تجاری تولید کرد. پس از آنکه تیتانیوم در دهه 1950 به ماده ای برای ساخت محصولات صنایع هوا فضا تبدیل شد، وانادیوم به طور گسترده ای در آلیاژهای تیتانیوم استفاده شد.

کانسنگ های وانادیوم

کانی های مهم وانادیوم پاترونیت (VS₄)، کارنوتیت (K₂(UO₂)₂(VO₄)) و وانادانیت (Pb₅(VO₄)₃Cl) است. کانسار هایی که منحصرا برای استخراج وانادیوم (یعنی وانادیوم خالص فلزی باشد) باشند کمیاب هستند. به این دلیل که عمده وانادیوم هایی که در سنگ های آذرین هستند به صورت سه ظرفیتی غیر حل شونده هستند و جایگزین آهن در سیلیکات های فرو منیزیم، مگنتیت، ایلمنیت و کرومیت می شود.

بزرگ ترین معادن وانادیوم دنیا از ذخایر تیتانو فرو مگنتیت می باشد که در مناطقی مثل بوشولد آفریقای جنوبی و زچوان چین قرار دارند. کانسنگ های کارنوتیت در ماسه سنگ های کلرادو پلاتو برای وانادیوم و اورانیوم استخراج شده است. منابع دیگر وانادیوم شامل خاکستر حاصل از احتراق سوخت فسیلی، سرباره حاصل از سنگ فسفات، بوکسیت سنگ آلومینیوم و کاتالیزورهای مصرف شده است.

استخراج و فرآوری

از آنجا که وانادیوم اساساً محصول جانبی کانسنگ هایی است که برای سایر مواد معدنی استخراج می شود، با استفاده از روش های خاص آن کانسنگ استخراج می شود.

کانسنگ مگنتیت تیتانو فرو تا حدودی با ذغال سنگ در کوره های دوار کاهش یافته و سپس در کوره ذوب می شود. این فرآیند سرباره هایی تولید می کند که شامل بیش ترین تیتانیوم و آهن خامی است که شامل بیش ترین وانادیوم است. پس از خارج کردن سرباره، به آهن خام مذاب اکسیژن تزریق می شود که موجب تولید سرباره ای جدید می شود که شامل ۱۲-۲۴٪ وانادیوم پنتا اکسید (V₂O₅) است که برای فرآوری و استخراج فلز وانادیوم خالص در مراحل بعدی استفاده می شود.

وانادیوم با شسته شدن کارنوتیت به مدت 24 ساعت با اسید سولفوریک داغ و اکسیدان مانند کلرات سدیم، به عنوان یک محصول همراه (by producy) با اورانیوم استخراج می شود. پس از حذف جامدات، مایع به یک مدار استخراج حلال خورانده می شود که در آن اورانیوم در یک حلال آلی متشکل از 2.5 درصد-آمین-2.5-درصد-ایزودکانول-95-درصد نفت سفید استخراج می شود. وانادیوم در رافینات باقی می ماند، که به مدار دوم استخراج حلال منتقل می شود. در آنجا وانادیم به نوبه خود در فاز آلی استخراج می شود، با یک محلول خاکستر سود 10 درصد سلب شده و با سولفات آمونیوم رسوب می کند. رسوب متاوانادات آمونیوم فیلتر و خشک شده و تا V₂O₅ کلسینه می شود.

اکثر سنگ معدن ها یا سرباره های حامل وانادیم، خرد، آسیاب و غربال شده و با نمک سدیم مانند کلرید سدیم یا کربنات سدیم مخلوط می شوند. سپس این ترکیب در دمای حدود 850 درجه سانتیگراد (1،550 درجه فارنهایت) تفت داده می شود تا اکسیدها به سدیم متوانادات تبدیل شود که می تواند در آب داغ شسته شود. با اسیدی شدن ترکیب حاصل با اسید سولفوریک، وانادیوم به صورت هگزاوانادات سدیم رسوب می کند. این ترکیب که به عنوان کیک قرمز شناخته می شود، می تواند در دمای 700 درجه سانتیگراد (1300 درجه فارنهایت) ذوب شود تا پنتا اکسید وانادیوم درجه فنی (حداقل 86 درصد V₂O₅) تولید شود، یا با حل شدن در محلول آبی کربنات سدیم، می تواند بیشتر خالص شود. در مرحله بعد، ناخالصی های آهن، آلومینیوم و سیلیسیم موجود در کیک قرمز با تنظیم میزان اسیدیته از محلول رسوب می کنند. وانادیوم با افزودن کلرید آمونیوم به صورت متاوانادات آمونیوم رسوب می کند. پس از فیلتراسیون، رسوب کلسینه شده و V₂O₅ با خلوص بیشتر از 99.8 درصد تولید می شود.

فرو وانادیوم

تولید فرو وانادیوم ، حاوی 35-80 درصد وانادیوم، در یک کوره قوس الکتریکی انجام می شود. آهن قراضه ابتدا ذوب می شود و مخلوطی از V₂O₅، آلومینیوم و فلاکس مانند فلوراید کلسیم یا اکسید کلسیم به آن اضافه می شود. در واکنش بعدی، فلز آلومینیوم به آلومینا تبدیل شده و یک سرباره تشکیل می شود و V₂O₅ به فلز وانادیوم تبدیل می شود که در آهن مذاب حل می شود. از آنجا که این واکنش کاهش اکسیداسیون گرمازا است، تامین گرما فقط به اندازه ایجاد دمای احتراق 950 درجه سانتیگراد (1750 درجه فارنهایت) نیاز است. پس از روشن شدن، الکترودها خارج می شوند تا واکنش کامل شود. سپس آنها را مجدداً در سرباره مذاب قرار داده و کوره را دوباره گرم می کنند تا ته نشینی بهتر شود.

فرآیند آلومینوترمی همچنین می تواند در یک مخزن فولادی با پوشش نسوز یا بوته مسی خنک شونده با آب انجام شود. V₂O₅، اکسید آهن و آلومینیوم با پراکسید باریم یا نوار منیزیم مشتعل می شود.

وانادیوم متال

در تولید فلز خالص، V2O5 به طور متالوترمی توسط کلسیم یا آلومینیوم کاهش می یابد. در کاهش کلسیم، واکنش گرمازایی در یک ظرف عایق با استفاده از کلرید کلسیم به عنوان فلاکس انجام می شود. فلز وانادیوم به صورت قطره یا مهره بازیابی می شود. (با استفاده از ید به عنوان فلاکس و تقویت کننده حرارتی می توان یک فلز ناخالص زیاد بدست آورد). فرآیند کلسیم به مقدار زیادی احیا کننده احتیاج دارد و بازده کمی از فلز را در بازه 75-80 درصد می دهد. در فرآیند آلومینوترمی، V205، با پودر آلومینیوم مخلوط می شود، در کوره برقی گرم می شود یا با استفاده از پراکسید باریم به عنوان تقویت کننده، در ظرفی با پوشش نسوز مشتعل می شود. وانادیوم ناخالص بدست آمده ممکن است با ذوب به روش پرتو الکترون بیشتر خالص شود.

برای تهیه آلیاژهای اصلی آلومینیوم وانادیوم برای صنعت تیتانیوم، از روش آلومینوترمی نیز استفاده می شود. در این حالت، مقدار آلومینیوم بیشتر از مقدار مورد نیاز برای احیا به شارژ اضافه می شود.

فلز و آلیاژ های آن

در شکل خالص، وانادیوم نرم و شکل پذیر است. در دمای بالاتر از 663 درجه سانتیگراد (1225 درجه فارنهایت) به راحتی اکسید می شود و احتمال دارد ناخالصی های بینابینی را جمع کند. از آنجا که این فلز مقاومت خوبی در برابر خوردگی در برابر فرم فلز مایع خود، جذب کم نوترون و نیمه عمر کوتاه در اشکال ایزوتوپی رادیواکتیو خود دارد، آلیاژهای پایه وانادیوم به عنوان مواد ساختاری برای راکتورهای شکافت (فیزیون) سریع تولیدکننده همجوشی و فلز مایع دارای پتانسیل هستند.

آهن و استیل

افزودن مقادیر اندک وانادیوم (کمتر از 0.2 درصد) به فولادهای ساختمانی، سختی، شکل پذیری و مقاومت آنها را به دلیل اثر تصفیه دانه رسوبات کاربید وانادیوم بهبود می بخشد. از این فولادهای HSLA در اجزای خودرو مانند کاپوت و پانل درها و در خطوط لوله نفت و گاز استفاده می شود.

تقریباً همه فولادهای ابزار دارای مقادیر وانادیوم از 10/0 تا 5 درصد هستند. برای اطمینان از حفظ سختی و توانایی برش در دماهای بالا لازم است.

در بعضی از چدن ها، افزودن مقدار کمی وانادیوم اندازه و توزیع پوسته های گرافیت را کنترل می کند، در نتیجه قدرت و مقاومت در برابر سایش را بهبود می بخشد. ریخته گری های فولادی با افزودنی های وانادیوم همچنین مقاومت در برابر ضربه و سایش مشخصی دارند که باعث می شود آنها در تجهیزات و ماشین آلات سنگین مفید باشند.

تیتانیوم

وانادیوم مقاومت آلیاژهای تیتانیوم را بهبود می بخشد و باعث پایداری حرارتی آنها می شود. چندین آلیاژ تجاری مهم تیتانیوم بین 2.5 تا 15 درصد وانادیوم دارند. از آنها چرخ ها، بال ها و موتورهای هواپیماها استفاده می شود.

ترکیبات شیمیایی

کاتالیزورها

وانادیوم در فرآیند تولید اسید سولفوریک استفاده می شود. در این فرآیند، در حضور گرانول V2O5 یا سدیم متاوانادات، گاز دی اکسید گوگرد با قرار گرفتن در معرض هوا به تری اکسید اکسید می شود. اکسی تری کلرید وانادیوم و تتراکلرید وانادیوم از کاتالیزورهای تولید انواع خاص لاستیک مصنوعی هستند. متوانادات آمونیوم به عنوان کاتالیزوری برای سنتز واسطه های آلی نایلون ، رزین های پلی استر و سایر مواد مصنوعی استفاده می شود و همچنین به عنوان کاتالیزور در رنگ آمیزی چرم و خز استفاده شده است.

رنگ دانه ها

در تولید رنگ، از ترکیبات وانادیوم در تولید آنیلین سیاه (Aniline black) استفاده می شود. آنها همچنین به عنوان موادی در رنگ آمیزی و چاپ پنبه و برای ثابت کردن آنیلین سیاه روی ابریشم استفاده می شوند. برخی از جوهرهای خشک شونده مدرن عملکرد آنها به افزودن متاوانادات آمونیوم بستگی دارند. از ترکیبات وانادیوم در صنایع سرامیک سازی برای لعاب و مینا استفاده می شود.