فرو وانادیوم

درباره فرو وانادیوم (Ferro Vanadium)

وانادیوم جزء مهمی از فلزات غیرآهنی است که گاهی به آن فلز آهنی نیز گفته می شود. این عنصر فلزی، ترکیبات و آلیاژهای آن دارای خواص منحصر به فرد و عالی است که به عصر تحول در تمدن صنعتی جهانی کمک بزرگی کرده است. وانادیم همچنین توسعه سریع صنایع مدرن، به ویژه صنایع فولاد، شیمیایی، نفت، انرژی و هسته ای، معماری و حفاظت از محیط زیست را تسهیل کرده است. بنابراین وانادیوم به خاطر نقشش در تاریخ بشر به یادگار خواهد ماند.

وانادیوم و ترکیباتش

Vanadium (وانادیوم) به عنوان یک عنصر کمیاب به طور گسترده توزیع شده است و حدود 0.02٪ از عناصر در پوسته زمین را تشکیل می دهد. همچنین یک فلز نادر، ضعیف و چسبناک است که در مجموع 31 ایزوتوپ دارد که یکی از آنها پایدار (V51) است. اصطلاح “وانادیوم” از نام الهه زیبای زهره (یا وانادیس) گرفته شده است. در سال 1801 کانی شناس اسپانیایی A.M. دل ریو وانادیوم را در سنگ معدن سرب کشف کرد و نام آن را ترکیبی از کروم گذاشت. در سال 1830 بود که در طی فرآیند ذوب آهن توسط شیمیدان سوئدی N.G. سفستروم و وانادیس نامید. شیمیدان آلمانی F. Wöhler ثابت کرد که عنصر جدید کشف شده توسط سفستروم همان عنصر کشف شده توسط دل ریو است. در سال 1867 دانشمند بریتانیایی هنری انفیلد روسکو برای اولین بار وانادیوم خالص را با احیای هیدروژنی کلرید وانادیوم (III) بدست آورد.

منابع معدنی وانادیوم (Vanadium)

به طور متوسط در هر 10000 اتم یک اتم وانادیم وجود دارد که بیشتر از مس، نیکل، روی، قلع، کبالت، سرب و سایر فلزات است. وانادیوم طبیعی به شکل ترکیباتی، عمدتاً وانادیوم سه ظرفیتی یا پنج ظرفیتی وجود دارد. وانادیم حالت‌های ظرفیتی مختلفی دارد که برخی از آنها دارای خواص فلزی و برخی دیگر دارای خواص متالوئیدی هستند که به آن اجازه می‌دهد تا ترکیبات و کمپلکس‌های متنوعی تولید کند. شعاع یونی وانادیوم سه ظرفیتی به شعاع آهن سه ظرفیتی نزدیک است. بنابراین وانادیوم سه ظرفیتی به ندرت به تنهایی ظاهر می شود اما در کانی های حاوی آهن و کانی های آلومینیوم از طریق ایزومورفیسم وجود دارد. این نیز دلیل اصلی پراکندگی وانادیوم در طبیعت است. وانادیوم پنج ظرفیتی معمولاً کانی های مستقلی مانند کارنویت و میکای وانادیوم دار، آسفالت، نفت و زغال سنگ را تشکیل می دهد.

از آنجایی که وانادیوم به طور گسترده در سطح جهان پراکنده شده است، یافتن سنگ معدن غنی از وانادیوم به ندرت اتفاق می افتد. تقریباً همه مکان ها دارای وانادیوم هستند اما در غلظت های بسیار پایین. ردپایی از وانادیوم در موجودات دریایی (مانند خارپشت دریایی)، مگنتیت، انواع مختلف مواد معدنی قیری، خاکستر زغال سنگ و شهاب سنگ ها یافت شده است. خطوط طیفی خورشید نیز وجود وانادیوم را نشان می دهد.

وانادیوم متال

محصولات فلزی و آلیاژی وانادیوم (V) شامل فلز وانادیوم، آلیاژ وانادیم-نیتروژن، آلیاژ آلومینیوم-وانادیوم و کاربید وانادیم می باشد. وانادیوم و آلیاژهای آن با توجه به مقیاس کاربرد و ویژگی‌های آن‌ها ارتباط نزدیکی با محصولات آهن، فولاد و فلزات غیرآهنی دارند و از این رو محصولات مهم وانادیومی هستند. محصولات فلزی و آلیاژی وانادیوم عمدتاً از پنتوکسید وانادیم، تری اکسید وانادیم و هالید وانادیم به عنوان مواد خام تولید می‌شوند که از طریق احیا با استفاده از احیاکننده‌هایی مانند کربن، هیدروژن و فلزات قلیایی پردازش می‌شوند.

فلزات قلیایی پتاسیم و سدیم به ویژه فعال هستند، اما کنترل واکنش ها آسان نیست. از این رو، کلسیم و آلومینویم به طور کلی برای احیای اکسید وانادیم انتخاب می شوند. منیزیم را می توان برای احیای هالید وانادیم استفاده کرد، در حالی که کلرزنی فرو وانادیوم باعث تولید کلرید وانادیم می شود. محصولات فلزی و آلیاژی وانادیوم از طریق احیای فلز تولید می شوند. با توجه به کیفیت محصول و الزامات فرآیند، احیا کننده های فلزی یا هیدروکربنی انتخاب می شوند.

آلیاژ فرو وانادیوم  (Ferro-Vanadium)

فرووانادیوم یک محصول آلیاژی مهم حاوی وانادیوم است که معمولاً به عنوان یک ماده افزودنی در کوره در فرآیندهای متالورژی فولاد استفاده می شود. استفاده از فرووانادیوم با 40%، 60% یا 80% وانادیوم (Vanadium) رایج است، جایی که عدم قطعیت در محتوای وانادیوم باید کم باشد و محتوای C، S و P کاملاً محدود است. تولید کنندگان می توانند مواد دیگر را بسته به نیاز انتخاب کنند. روش های تولید فرووانادیوم عمدتاً شامل فرآیند حرارتی الکترو سیلیکون، فرآیند حرارتی آلومینیوم و آلیاژ مستقیم سرباره وانادیوم است.

روش حرارتی سیلیکون می‌تواند آلیاژهای فرووانادیوم و فروسیلیس-وانادیوم با عیار متوسط تولید کند، در حالی که فرآیند حرارتی آلومینیوم می‌تواند آلیاژ فرووانادیوم با کیفیت بالا تولید کند. فرآیند حرارتی آلومینیوم و فرآیند حرارتی آلومینیوم الکتریکی برای رفع نیازهای عملیات ایمن توسعه داده شد. آلیاژ مستقیم سرباره وانادیوم می تواند مرحله استخراج وانادیوم از سرباره وانادیوم را حذف کند که می تواند منجر به صرفه جویی در هزینه شود، اگرچه کیفیت محصول با باقی ماندن ناخالصی های C، Si، S، P و Cr پایین است. به طور کلی، محتوای وانادیوم در فرووانادیوم بالای 40 درصد است و این ماده دارای نقطه ذوب 1480 درجه سانتی گراد، چگالی جامد 7 تن بر متر مکعب، چگالی ظاهری 3.3 تا 3.9 تن بر متر مکعب و سایز کمتر از 200 است.

کاربردهای وانادیوم

ترکیبات وانادیوم به عنوان ترکیبات آلی یا معدنی وانادیوم طبقه بندی می شوند. وانادیم می تواند ترکیبات آلی را از طریق پلیمریزاسیون هماهنگ تشکیل دهد. مکانیسم تشکیل پیچیده است، اما چند ترکیب با ساختارهای مولکولی ثابت جدا شده‌اند که بیشتر آنها هنوز در مرحله تحقیق هستند. ترکیبات معدنی وانادیوم شامل کلریدها، سولفات ها، اکسیدها، وانادات ها، کاربیدها و نیتریدها می باشد. کاربردهای مختلفی برای ترکیبات معدنی وجود دارد، به عنوان محصول نهایی، محصول میانی یا جزء یک محصول با عملکردی خاص. مواد کاربردی یک کلاس مواد جدید هستند. از وانادیوم می توان برای تهیه مواد کاربردی برای کاربردهایی مانند کاتالیزورها، رنگدانه‌ها، مواد غشایی، مواد حساس به نور، مواد ذخیره سازی هیدروژن، باتری و مواد ابررسانا استفاده کرد که این عملکرد را در سطوح مختلف کاربردی محقق کرده است.

کاربرد وانادیوم و فرو وانادیوم در صنایع فولاد

آهن و فولاد به فولاد و آهن خام اطلاق می شود که هر دو آلیاژی با آهن و کربن به عنوان عناصر اصلی هستند. آهن و فولاد پرمصرف ترین مواد فلزی در صنعت هستند. هنگامی که وانادیم به فولاد اضافه می شود، میل ترکیبی قوی با کربن، نیتروژن و اکسیژن دارد و می تواند ترکیبات پایداری با این عناصر ایجاد کند. وانادیوم عمدتاً به عنوان کاربید آن در فولاد وجود دارد، جایی که نقش اصلی آن پالایش ساختار و دانه های فولاد است که حساسیت آن به گرمای بیش از حد را کاهش می دهد و استحکام و چقرمگی آن را افزایش می دهد.

در طی عملیات حرارتی فولاد، ترکیبات تولید شده توسط وانادیم، کربن و نیتروژن در فولاد می تواند به شدت از رشد دانه ها جلوگیری کند و در نتیجه فولاد با ساختار ظریف در دمای اتاق، استحکام بالا و انعطاف پذیری و چقرمگی خوب ایجاد می شود. هنگامی که آستنیت (محلول جامد کربن و سایر مواد تشکیل دهنده در شکل خاصی از آهن که به نام آهن γ (گاما) شناخته می شود) در دمای بالا حل می شود، می توان سختی پذیری را افزایش داد.

برعکس، در حضور کاربیدها، سختی پذیری کاهش می یابد. وانادیوم پایداری تلطیف فولاد کوئنچ شده را افزایش می دهد و یک اثر سخت شدن ثانویه ایجاد می کند. این عنصر می تواند دانه ها را تصفیه کند، استحکام و نسبت تسلیم و چقرمگی در دمای پایین را پس از نرمال شدن افزایش دهد و عملکرد جوش فولاد کم آلیاژ معمولی را بهبود بخشد. وانادیوم اغلب همراه با منگنز، کروم، مولیبدن، تنگستن و سایر عناصر در فولادهای سازه‌ای استفاده می شود زیرا سختی پذیری را در شرایط عمومی عملیات حرارتی کاهش می‌دهد.

کاتالیست‌های وانادیومی

کاتالیزور ماده‌ای است که سرعت واکنش را بدون تغییر کل انرژی آزاد گیبس تغییر می دهد. کاتالیزورها ترکیبات منفرد، ترکیبات پیچیده یا مخلوط هستند. کاتالیزورها گزینش پذیری بسیار قوی دارند و کاتالیزورهای مختلفی برای واکنش های مختلف استفاده می شود. پنتوکسید وانادیم (V2O5) یک کاتالیزور مهم در صنایع شیمیایی است. کاتالیزورهای وانادیوم مجموعه ای از کاتالیزورهای حاوی ترکیبات وانادیوم به عنوان اجزای فعال هستند. اجزای فعال کاتالیزورهای وانادیوم که معمولاً در صنعت استفاده می شوند عبارتند از اکسیدهای حاوی V، کلریدها و کمپلکس ها و نمک های هتروپلی. رایج ترین جزء فعال V2O5 با یک یا چند افزودنی است. کاتالیزورهایی با V2O5 به عنوان جزء اصلی تقریبا برای تمام واکنش های اکسیداسیون موثر هستند. کاتالیزورهای وانادیوم نقش مهمی در صنایع شیمیایی مدرن دارند و به عنوان کاتالیزورهای ویژه برای تولید اسید سولفوریک، سنتز لاستیک، کراکینگ نفتی و سنتز برخی از ترکیبات با مولکولی بالا استفاده می شوند.

باتری‌های وانادیومی

وانادیوم متعلق به عناصر گروه VB است و دارای ساختار الکترونی ظرفیتی 3 d3s2 است. می‌تواند یون‌هایی با چهار حالت ظرفیت متفاوت (V2+، V3+، V4+ و V5+) تشکیل دهد که دارای خواص شیمیایی فعال هستند. جفت‌های ظرفیت را می‌توان در محیط اسیدی به‌صورت V5+/V4+ و V3+/V2+ تشکیل داد، که در آن اختلاف پتانسیل بین جفت‌ها 1.255 V است. الکترولیت باتری‌های جریان REDOX به چنین یون‌های فلزی با حالت‌های ظرفیت متفاوت نیاز دارد. الکترولیت ذخیره شده در هنگام شارژ و تخلیه به گردش در می آید. باتری های وانادیوم به عنوان باتری های ردوکس وانادیوم (VRB) شناخته می شوند که نوعی باتری ردوکس با مایع در گردش و مواد فعال هستند.

محلول های مختلف یون وانادیوم به عنوان مواد فعال برای الکترودهای مثبت و منفی استفاده شده است. محلول از یک مخزن ذخیره خارجی به پشته سلولی پمپ می شود تا واکنش الکتروشیمیایی کامل شود و سپس به مخزن ذخیره بازگردانده می شود. مایع با مواد فعال به طور مداوم در گردش است. ماده فعال باتری های جریان مایع وانادیوم به صورت مایع در مخزن ذخیره خارجی ذخیره می شود. جریان مواد فعال قطبش غلظت را به حداقل می رساند. ظرفیت باتری به مقدار ماده فعال خارجی بستگی دارد و قابل تنظیم است. اختلاف پتانسیل استاندارد بین الکترودهای مثبت و منفی باتری های وانادیوم 1.26 ولت و غلظت محلول مواد فعال در هر دو الکترود مثبت و منفی 1 مول در لیتر است. با افزایش غلظت محلول، اختلاف پتانسیل به ترتیب افزایش می یابد. این ارزش عملی زیادی دارد.

کربنیترید وانادیم و آلیاژ وانادیم آلومینیوم

احیای اکسید وانادیوم یک فرآیند تبدیل گام به گام را دنبال می کند. پایداری اکسید وانادیوم به ترتیب: VO>V2O3>VO2>V2O5. دمای کاهش بحرانی از ترمودینامیک برای VO (1866.9K)، V2O3 (1464.9K)، VO2 (600.5K) و V2O5 (229.9K) محاسبه می شود. پنتوکسید وانادیوم به عنوان ماده خام برای تولید کربنیترید وانادیم استفاده می شود که در آن فرآیندهای احیاء، کربنیزاسیون و نیتریدینگ در هم تنیده می شوند. فرآیند تولید آزمایش کلی با در نظر گرفتن دما، جو، محتوای کربن، محصولات مورد نظر و راکتور طراحی شده است. گاهی اوقات، بخشی از تابع کاهش جدا می شود، جایی که V2O3 و V2O4 تولید می شود. کربنیترید وانادیوم در یک راکتور یکپارچه یا گاهی اوقات در یک راکتور جداگانه تهیه می شود.

معمولا V2O5 ابتدا به VO2 کاهش می یابد، سپس VO2 به V2O3 و در نهایت V2O3 به VO کاهش می یابد. احیا کننده های غیرفلزی برای اکسیدهای وانادیوم شامل کربن، هیدروژن، گاز، سیلیکون و گاز طبیعی است. فرآیندهای کاهش حرارتی کربن به احیای حرارتی کربن اکسید وانادیوم، احیای حرارتی کربن کلرید وانادیم و احیای حرارتی کربن خلاء طبقه‌بندی می‌شوند. به طور کلی، احیای کربن جامد، با گرافیت یا پودر کربن به عنوان احیا کننده استفاده می شود. علاوه بر این، کاهش گاز را می توان با گاز یا گاز طبیعی به عنوان احیا کننده استفاده کرد. گاز کوره کک عمدتاً حاوی H2، CH4 و CO است و حاوی اجزای جزئی پیچیده‌تری نسبت به گاز طبیعی است که به زغال سنگ مورد استفاده برای کک‌سازی، فرآیند کک‌سازی و بسیاری عوامل دیگر بستگی دارد.