钒的生产

钒的资源

钒是地壳中储量排在第22位的元素,有超过65种含钒矿物[1]。全球钒的资源估计为6,300万吨,绝大部分储藏在中国、俄罗斯、南非和澳大利亚[2]。北美、加拿大、巴西、芬兰和马达加斯加也有钒矿床。

世界钒储量(已探明钒资源中达到现有采掘和生产技术所要求的最低物理和化学规范要求的部分)估计在1,500万吨左右,按照目前的消耗速率很可能完全满足下个世纪对钒的需要。全球储量的95%以上分布在中国、俄罗斯、南非和澳大利亚。

钒钛磁铁矿是钒的最重要来源,目前占到世界V2O5产量的大约85%。这种铁矿通常含有1.0%到1.5%的V2O5。

南非和中国开采钒钛磁铁矿,从中加工提取钒。中国、俄罗斯和南非还在炼钢工艺中处理钒钛磁铁矿。炼钢厂采用转炉双联法生产出富钒渣,然后再通过湿法冶金工艺将其转变成V2O5。

钒还存在于加勒比海盆地及中东和俄罗斯部分地区的原油中,还有加拿大西部的油砂中。中国和美国部分地区的煤炭也含有钒。在这些能源资源的提炼或燃烧过程中产生含钒的灰、渣、废催化剂或残余物,它们都可以用于钒的加工回收。

如今的钒产量中还有很少一部分来自其他方面,包括钒云母——一种主要在印度氧化铝生产中得到的矿物,产生含钒矿泥、钒酸钾铀矿——美国西部地区开采的一种含钒铀矿和在新西兰用于炼钢生产含钒铁砂。

在全世界的钒产量中,大约26%来自原生钒钛磁铁矿,大约59%来源于加工钒钛铁磁铁矿得到的钢渣副产品,还有大约15%来自二次资源。

参考文献:[1]拜伦资本市场产业报告 – 钒:助力器,2009年11月12日;[2]美国地质调查局,矿产品要览:钒,2010年1月

潜在资源

除了澳大利亚、中国、俄罗斯和南非拥有的储量丰富的钒钛磁铁矿外,还有其他多种含钒的磁铁矿和其他矿物可能会在将来用于钒的提取。

巴西、智利、加拿大、澳大利亚、马达加斯加和马来西亚都有磁铁矿矿床。北美和澳大利亚昆士兰存在含钒的页岩油和油砂。北美和澳大利亚铀矿开采的含钒副产品对未来钒的供应也会有贡献。


钒的生产

在俄罗斯、中国和南非,钒钛磁铁矿中的钒作为炼钢工艺的一种副产品而提取。中国和俄罗斯采用高炉炼铁,但南非采用的炼铁工艺则是先在回转窑内用粉煤对磁铁矿进行预还原,然后再用埋弧电炉还原。新西兰采用一种与南非类似的工艺,在使用铁砂炼钢的过程中产生副产品钒渣。

这些工艺产生的铁中含有大约1.5%的钒,通过低温吹氧将其以渣的形式脱除。中国采用喷吹精炼法达到这一目的,南非采用摇包法,俄罗斯则是采用特殊的氧气炼钢转炉。

南非的工艺产生的钒渣含有多达25%的V2O5,而中国和俄罗斯的工艺产生的钒渣含钒量在14% ~22%之间。采用焙烧-浸出工艺从渣中提取V2O5,即在回转窑或多膛炉内添加碳酸钠、氯化钠或硫酸钠(俄罗斯使用石灰)焙烧钒渣,然后将得到的钒酸钠用水浸出成为液相。通过加入氨水或硫酸控制pH值,使该溶液沉淀出钒酸铵。

在根据氧化物需要而改变的可控条件下加热除去氨,使钒酸盐转变成不同的氧化物。生产V2O5熔片时,用熔化炉将钒酸盐分解和使得到的V2O5变成液态,然后在一个水冷轮上凝固。氧化钒粉末的生产则是在可控条件下使固态钒酸盐分解。在某些情况下,还采用液-液离子交换/溶剂萃取法生产高纯度氧化钒粉末。

氧化钒被用来生产钒铁和钒-铝合金,以分别满足向钢和钛中添加钒的需要。钒酸铵和高纯度氧化钒粉末被用于下游钒化学品的生产。

科罗拉多钒酸钾铀矿产出的钒是在铀的生产过程中作为一种副产品而提取的。矿石用硫酸处理以使钒和铀溶解,然后通过溶剂萃取将铀和钒从液体中分离,再采用液-液离子交换工艺将铀提取出来,而钒则留在酸液中。随后用苏打粉使其氧化和同有机盐分离。通过加入硫酸铵,沉淀出多钒酸铵。

存在于石油中的钒有多种提取方法。委内瑞拉采用灵活焦化工艺加工重质原油得到的石油焦中就含有钒。这种石油焦中的钒用硫酸使其浸出进入溶液,然后以钒酸铵形式沉淀。

含钒的石油燃料在发电厂锅炉中燃烧后,钒留在产生的飞灰和炉渣中。这些飞灰和炉渣中的钒采用与灵活焦化工艺提钒同样的方法予以回收。也可以采用电炉硅热还原法将飞灰和炉渣直接转化成钒铁(40%V)。

报废的镍-钼和钴-钼催化剂经过高温冶金处理后,其中存在的金属(钒,钴,镍,钼)变成可溶解状态。在其转化成氧化物之前,分离这些金属,使其以盐类(包括钒酸盐)形式沉淀。

钒以铁合金方式加入钢中。钒铁有含钒40%、60%和80%的类型。其中,60%和80% 钒铁合金主要采用有废钢存在的氧化钒铝热还原法或者电炉直接还原法生产,而40%类型则通过硅热还原法用炉渣和其他钒产品生产。

钛合金中的钒以钒-铝中间合金加入。这种合金也采用铝热还原法,以高纯度氧化钒为原料生产。