Ванадий

Плавленый оксид ванадия обычно имеет темно-бурый цвет из-за образующихся в процессе плавки низших оксидов. Общее извлечение из шлаков составляет около 80%, при повторной переработке хвостов от выщелачивания — 85−90%. Однако общее извлечение из руды из-за низкой концентрации ванадия составляет 20%. Так, при доменной плавке руд теряется 13% V205 от поступившего на операцию количества, при переработке чугуна — 60%, при хлорирующем обжиге 40%. В растворы при выщелачивании переходит не более 22% содержащегося в руде ванадия. Однако попутное извлечение ванадия при крупнотоннажных производствах, каким является получение стали из чугуна, обусловливает сравнительно низкую себестоимость ванадия и делает его извлечение экономически выгодным.

Вакуумная переплавка и электрорафинирование. Переплавка металла в вакууме с помощью электронной бомбардировки значительно повышает чистоту металла. Другой способ повышения чистоты металла — электрорафинирование. По одному из способов электролитом служит расплав состоящий при 620 °C из 51% КС1, 41% LiCl, 8%VC12. Кальциетерми-ческий кусковой ванадий чистотой 99,47% служит анодом, молибденовый стержень — катодом. Процесс проводится в атмосфере инертного газа при напряжении на электродах 0,30−0,54 В. Полученный ванадий высокопластичен и применяется для изготовления деталей ядерного реактора.

Эффективный метод рафинирования ванадия — вакуумная электронно-лучевая зонная плавка. Очистка металла в этом случае происходит за счет зонного рафинирования и за счет преимущественного испарения примесных элементов.

Чистейший ванадий — типичный пластичный металл. Однако механические свойства ванадия сильно зависят от степени его чистоты. Особенно резко ухудшают качество металла даже малые содержания примесей внедрения — углерода, кислорода, азота и водорода. Они наиболее трудно удаляются из ванадия при его получении. Примеси других элементов в сопоставимых количествах гораздо меньше, чем примеси внедрения, ухудшают качество ванадия.

Способы обработки Корольки ванадия, полученные непосредственным восстановлением окислов ванадия или путем переплавки металла, можно подвергать дальнейшей обработке. Чистый металлический ванадий поддается обработке обычными способами ковки, прокатки, выдавливания, вытяжки, гибки, штамповки, прессования, резания и сварки. При горячей обработке и сварке чистого ванадия необходимо принимать меры предосторожности для предотвращения его взаимодействия с газами и их поглощения.

Переплавка. Корольки металлического ванадия после восстановления переплавляют в слитки, из которых удобнее изготовлять бруски, трубы, проволоку, листы или фольгу. Ванадий может быть переплавлен в дуговой печи с вольфрамовыми электродами в охлаждаемой водой медной изложнице в атмосфере аргона или в вакууме. Можно получать слитки диаметром до 150 мм, а в случае необходимости и большего размера.

Горячая обработка. Поскольку механические свойства ванадия изменяются в присутствии незначительного количества кислорода и азота или одного из этих газов при горячей обработке, металл необходимо защищать от окружающей атмосферы. Для этого можно проводить нагревание в инертной атмосфере (очищенный аргон или гелий) или заключать слиток в оболочку из нержавеющей стали толщиной 3,2 мм. Установлено, что оптимальный температурный интервал ковки (1100−1150°С), число проходов и степень обжатия ванадия подобны тем, которые применяются для аустенитной нержавеющей стали. Нижний предел горячей обработки ванадия устанавливается в соответствии с температурой рекристаллизации около 800 °C, но поскольку металл не подвержен наклепу, его можно прокатывать непрерывно вплоть до комнатной температуры. Однако следует иметь в виду, что при горячей обработке в оболочке нижний предел температуры может определяться физическими и механическими свойствами материала оболочки. Если горячая обработка производится без оболочки, то после охлаждения до комнатной температуры ванадий будет покрыт твердой оксидно-нитридной пленкой, которую перед дальнейшей горячей обработкой нужно удалять шлифованием или обработкой резанием.

Холодная обработка. Хотя ванадий имеет относительно высокую температуру рекристаллизации и при обработке ниже этой температуры может быть получено некоторое преимущество, решающим фактором является то, что при температуре около 300° начинается окисление металла. Однако это не имеет большого значения, так как ванадий не подвержен заметному наклепу, его холодную обработку можно производить даже при комнатной температуре.

Обработка резанием. Чистый ванадий легко обрабатывается резанием. Хорошие результаты дают резцы, которыми пользуются для обработки меди, при использовании маловязких смазочно-охлаждающих жидкостей, например керосина. Для грубой токарной обточки всухую рекомендуется применять усиленные резцы, а для чистовой обработки — резцы с передним углом 30°, чтобы металл не налипал на резец. Обработку необходимо производить при умеренной скорости резания легкими резцами. Для строгания следует применять резцы с усиленной режущей кромкой и увеличенным передним углом. Для сверления требуются очень малый угол заточки сверла и низкая скорость сверления.

Сварка. При сварке чистого ванадия, как и при его переплавке или горячей обработке, металл необходимо защищать от кислорода и азота окружающей атмосферы. Хорошие результаты были получены при дуговой сварке в атмосфере, состоящей из смеси гелия и аргона.

Области применения Около 90% ванадия используют для легирования сталей и чугунов. В специальных сортах сталей ванадий способствует образованию тонкой и равномерной структуры, делает сталь более плотной, повышает вязкость, предел упругости, временное сопротивление, предел прочности при изгибе, расширяет интервал закалочных температур. Карбиды ванадия повышают твердость стали, увеличивают сопротивление истиранию и ударным нагрузкам. Ванадий — важная добавка в инструментальной (до 2%) и конструкционной (до 0,2%) сталях, сталях для газопроводов высокого давления. Развитие тяжелого и транспортного машиностроения обязано ванадиевомарганцевой стали, отличающейся большим сопротивлением удару и усталости.

Ванадий используют для легирования сталей в комбинации с хромом, никелем, молибденом, вольфрамом. Ванадием легируют также чугун. В машиностроении применяют чугунное литье с присадкой 0,1−0,35% ванадия для изготовления паровых цилиндров, поршневых колец и золотников паровых машин, прокатных валков, матриц для холодной штамповки. Ванадий — компонент сплавов для постоянных магнитов. Вводят ванадий в сталь в виде феррованадия — сплава железа с 35−80% V.

В цветной металлургии ванадий применяют для производства сплавов на нежелезной основе (меднованадиевые сплавы и ванадиевые бронзы), которые являются сырьем при изготовлении элементов авиационных реактивных двигателей, ракет. Ванадий применяют как материал для оболочек ядерных реакторов и покрытия топливных элементов.

Возможность использования самого металла и сплавов на его основе появилась после освоения производства чистого металла. Ванадий представляет интерес как материал для ядерных реакторов на быстрых нейтронах, так как он обладает малым поперечным сечением захвата нейтронов, малым поперечным сечением неупругого рассеяния нейтронов, большой прочностью при повышенных температурах. Ванадиевая фольга применяется в качестве подслоя между стальными и титановыми листами при упаковке чистого титана в стальную оболочку. Применение ванадия благодаря его уникальным свойствам в специальных областях вместо других металлов ограничивается его высокой стоимостью.

Музгин В.Н., Хамзина Л. Б., Золотавин В. Л., Безруков И. Я. Аналитическая химия ванадия, Серия «Аналитическая химия элементов». — М.: Наука, 1981. — 216с.

Справочник по редким металлам/Под.ред.В. Е. Плющева. — М.: Мир, 1965. — 922 с.

Холодов В. Н. Ванадий, его геохимия, минералогия и генетические типы месторождений в осадочных породах. — М.: Наука, 1968. — 228с.