تصنيعفيروفانديومهو مجمععملية معدنيةالذي يبدأ باستخراجالفاناديوممن الخامات الأولية أو الموارد الثانوية. الأهممادة خاميكونالفاناديوم والتيتانيوم المغنتيت (VTM)، نوع منخام الحديدتوجد في رواسب كبيرة في الصين (منطقة بانشي)، وروسيا (كاتشكانار)، وجنوب أفريقيا، والولايات المتحدة. يحتوي VTM عادةً على 0.3-1.5% V₂O₅، إلى جانب التيتانيوم والحديد. بعد التعدين، يخضع الخامإثراء(التكسير، الطحن، الفصل المغناطيسي) لإنتاجيركزثم يتم صهرها في أفرن الانفجارلإنتاجحديد خام يحتوي على الفاناديوم. أثناء صناعة الصلب، يتم أكسدة الفاناديوم ونقله إلىخبث الفاناديوم- منتج ثانوي يحتوي على 8-20% V₂O₅ - والذي يعمل بمثابة المادة الأولية لمعظمفيروفانديومالنباتات في جميع أنحاء العالم. وتشمل المصادر الأخرىالمحفزات المستهلكةمن صناعة البتروكيماويات،الرماد المتطايرمن محطات توليد الكهرباء، والفحم الحجري(صخر صخري كربوني منخفض الدرجة وغني بالفاناديوم) وهو فريد من نوعه في الصين.
المعالجة المسبقة لخبث الفاناديوم
قبل الصهر،خبث الفاناديوميجب أن يكونمحمصمع أملاح الصوديوم (كربونات الصوديوم أو كبريتات الصوديوم) عند درجة حرارة 800-900 درجة لتحويل أكاسيد الفاناديوم إلى فانادات الصوديوم القابلة للذوبان في الماء. ثم يتم تحميص المنتجترشحبالماء الساخن أو الحمض المخفف (حمض الكبريتيك) للاستخلاصخامس أكسيد الفاناديوم (V₂O₅)أوثالث أكسيد الفاناديوم (V₂O₃). هذاالهيدروميتالورجيةينتج عن هذا المسار أكسيد الفاناديوم المنقى بنسبة نقاء تزيد عن 98%، وهو مقدمة لجميع عمليات التخفيض الحراري. بدلاً عن ذلك،الترشيح المباشرويجري تطوير الخبث الخام باستخدام الأحماض القوية لتقليل استهلاك الطاقة، على الرغم من أنها تولد كميات أكبر من مياه الصرف الصحي الحمضية.
ثلاث عمليات صهر رئيسية
(1) تخفيض الألومينوثرميك– هذه هي الطريقة السائدة في الإنتاجفيروفانديوم عالي الجودة(FeV80 وبعض FeV60). في هذاطاردة للحرارةرد فعل، خليط منV₂O₅ , مسحوق الألمنيوم(أو حبيبات)،خردة الحديد(أو الخراطة الفولاذية)، والجير(CaO) عندما يتم إشعال التدفق في أبوتقة نحاسية مبردة بالماءأو أفرن مبطن بالحرارة. رد الفعل مكتفي ذاتيا:
3V₂O₅ + 10Al → 6V + 5Al₂O₃ (ΔH=–2,500 كيلوجول/مول)
الحرارة المنبعثة ترفع درجة الحرارة فوق 2000 درجة، مما يؤدي إلى ذوبان كل منالفاناديوموالخبث(أساسا Al₂O₃). بعد التبريد،فيروفانديوميتم فصل السبيكة عن الخبث، وسحقها، وحجمها. تحقق هذه العملية أمعدل استرداد الفاناديومبنسبة 95-97%، ولكنها تستهلك حوالي 1.2 طن من الألومنيوم لكل طن من FeV80، مما يجعلها حساسة من حيث التكلفة لأسعار الألومنيوم.كهربائي ألومنيوم حراريتستخدم المتغيرات قوسًا كهربائيًا لتوفير حرارة إضافية، مما يحسن التعافي إلى 98٪ ويسمح بتحكم أفضلالكربونوالسيليكونالشوائب.
(2) التخفيض الكهروسيليكوحراري– هذه الطريقة مفضلة لFeV50وFeV60الإنتاج لأنه يستخدم أرخص75% فيروسيليكونباعتباره الابتدائياختزال، مكملاً بكمية صغيرة من الألومنيوم (5-10٪ من إجمالي مادة الاختزال). تتم العملية في أفرن القوس الكهربائي الأساسيمع أبطانة من المغنيسيا والجير. تشمل التهمةV₂O₅ , الجير, الفلورسبار(كتدفق)، والاختزال. تتم العملية على مرحلتين: الأولى، أتخفيضالفترة التي يتم فيها تقليل معظم الفاناديوم وتشكل السبائك؛ ثانيا، أتكريرالفترة التي يتم فيها أكسدة السيليكون الزائد عن طريق إضافة المزيد من V₂O₅ أو خام الحديد، وضبط الشكل النهائيمحتوى السيليكونلتلبية مواصفات الصف. الاستعادة الفاناديومتتراوح بين 90-94%، وهي أقل قليلاً من الألومنيوم الحراري، ولكنتكلفة المعالجةأقل بنسبة 15-20% بسبب مواد الاختزال الأرخص. ومع ذلك،استهلاك الطاقةعالية (حوالي 8000-10000 كيلووات ساعة لكل طن من السبائك)، وحجم الخبثأكبر (حوالي 2 طن لكل طن من FeV)، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف التخلص من النفايات.
(3) تخفيض الكربوثيرميك- يستخدم هذاالمواد الكربونية(فحم الكوك، الأنثراسايت) كعامل اختزال في فرن القوس المغمور. وهو أقل شيوعًا لأن الكربون يميل إلى الذوبان في السبيكة، مما يؤدي إلى زيادة نسبة الكربونمحتوى الكربونفوق الحدود المقبولة لمعظم درجات الصلب. ومع ذلك، من أجل الإنتاجFeV50-C(والذي يسمح بما يصل إلى 5% C)، يمكن أن يكون هذا الطريق اقتصاديًا. يحدث التفاعل عند 1600-1800 درجة :
V₂O₅ + 5C → 2V + 5CO
يحد مستوى الكربون المرتفع من تطبيقه، وغالبًا ما يتم دمج هذه العملية معإزالة الكربنة فراغلإنتاج منتجات منخفضة الكربون، ولو بتكلفة إضافية.
التقنيات المتقدمة وتحسين الجودة
تركز الابتكارات الحديثة علىنظافةوأكثر كفاءةصهر.صهر البلازمايستخدم الغاز المتأين لتحقيق درجات حرارة عالية جدًا (أكبر من أو تساوي 3000 درجة) من أجل التخفيض السريع وتحسين الإنتاجية وتقليلفخ الخبث. فراغ التفريغيتم تطبيقه بعد التنصت لإزالة الغازات الذائبة (الهيدروجين والنيتروجين) والشوائب المتطايرة، وإنتاجشوائب منخفضة للغاية(المجموع < 200 جزء في المليون)فيروفانديوم عالي النقاءلتطبيقات الفضاء الجوي.التحكم الآلي في العمليةتقوم الأنظمة بمراقبة درجة الحرارة وأساسية الخبث ومعدلات تغذية الاختزال في الوقت الفعلي، مما يقلل من حدتهافصل التكوينوضمانالتوحيدعبر دفعات. وقد أظهرت الأبحاث أن الأمثلمعلمات الصهر- مثل نسبة V₂O₅/Al، وإضافة الجير، ودرجة حرارة التنصت - يمكن أن تدفعاستعادة الفاناديومإلى أكثر من 98.5% مع تقليلكثافة الطاقةبنسبة 10-15%.
الاعتبارات البيئية
جميع العمليات الثلاث تنتجالغازات المنبعثة المحملة بالغباروالخبث الصلب. تستخدم النباتات الحديثةالمرسبات الكهروستاتيكيةومرشحات الحقيبةلالتقاط الجزيئات الدقيقة، في حينأجهزة غسل الرطبإزالة ثاني أكسيد الكبريت. الالخبث الغني بالألوميناغالبًا ما يتم بيعها من اختزال الألمنيوم الحراري إلى صناعة الأسمنت أو استخدامها كمواد حرارية. جهود إعادة التدويرالخبث المستهلكويتم تكثيف استعادة الفاناديوم المتبقي، بما يتماشى مع المستوى العالميالاقتصاد الدائريالأهداف.
وفي الختام فإن اختيارطريق الإنتاجويعتمد ذلك على الدرجة المستهدفة وتوافر المواد الخام المحلية واللوائح البيئية. الاتجاه يتجه نحوالعمليات الهجينةالتي تجمع بين كفاءة تقليل الألمنيوم مع ميزة التكلفة للطرق السيليكوثيرمية، مع احتضانهاالرقمنةوالكيمياء الخضراءمبادئ.