Какие свойства проявляет ванадий

Элемент, открытый учеными дважды, сегодня мы знаем как ванадий. Википедия детально раскрывает перипетии его обнаружения, поэтому остается добавить, что название этого пластичного металла могло быть совсем иным. Действительно, мексиканскому профессору минералогии А. Мануэлю, первым выделившим неизвестный доселе металл из свинцовых руд, на заре XIX века не хватило исключительно уверенности в собственной правоте.

Поэтому, окончательное наименование элемент получил тремя декадами позже, когда в 1830 году швед Н. Сефстрем обнаружил его в железной руде. Привлекающая взор окраска соединения на базе V подтолкнула химика к национальному фольклору, а именно, богине любви и красоты Ванадис. Так, мифологический скандинавский персонаж дал имя реальному металлу, ставшему полноправным членом Периодической системы элементов.

Свойства ванадия

На внешний вид, элемент обладает сходством со сталью, также имея серебристо-серый оттенок. Однако, в отличие от низкоуглеродистого железа, металл ванадий характеризуется пластичностью. Это свойство сохраняется у вещества до температуры 300 0С, превышение которой резко снижает пластичность и металл становится хрупким. Аналогичный эффект оказывают примеси водорода, азота или кислорода в металле.

Ванадий относится к тугоплавким металлам, с соответствующим температурным пределом – 1887 0С. Это объясняет его низкую жаростойкость – свойство, характерное для переходных элементов, вследствие рыхлости оксидов, формируемых на их основе. Ванадий устойчив к деформации ползучести вплоть до температуры 675 0С, чему способствует пятиокись ванадия. Пленка этого соединения образуется при окислении металла, сохраняя прочную связь с его поверхностью до указанного температурного предела.

Ванадий – химический элемент V, относящийся соответственно собственной валентности к пятой группе Периодической системы. Его атомные характеристики: номером – 23, масса – 50.9. В природе различают два изотопа элемента: наиболее распространенный –51V и радиоактивный – 50V, доля которого составляет 0.25%. Радиоактивность изотопа 50V выражена достаточно слабо, фактически его можно считать стабильным, поскольку период полураспада существенно превышает триллионы лет.

Кристаллическая структура ванадия характеризуется объемно-центрированной кубической решеткой, что также свойственно тугоплавким металлам. Его плотность 6.11 грамм на куб. см. Металл ковок, прост в обработке давлением.

Содержание V внутри земной коры достигает 0.0015%, что характеризует его как распространенный элемент. С другой стороны, ванадий – рассеянный металл, поскольку не имеет самостоятельных минералов или концентрированных залежей. Обнаружить вещество можно в его сульфиде – патроните, ванадините, а также ряде других пород: роскоэлит, деклуазит, карнотит.

к содержанию ↑

Соединения ванадия

Электронная формула ванадия – KL3s23p64s23d3, где валентными оказываются 5 электронов на внешних 4s- и 3d-орбиталях. Это обуславливает степень окисления металла: +2 – +5. При этом кислотной базой обладает только пентоксид ванадия – V2O5. Остальные его соединения с кислородом: имеют основной – VO, V2O3 или амфотерный – оксид ванадия VO2, характер.

Наиболее ценным из окислов металла считается пятиокись ванадия, цена которой формируется, соответственно ее интенсивному применению для производства мощных литиевых аккумуляторов. Там, порошкообразное вещество со слабым оранжевым оттенком – пятиокись ванадия используется в качестве анода.

Среди прочих соединений ванадия, практическое применение нашли:

1. Сульфиды. Пятивалентный V2S5 – известен как природный минерал патронит и представляет собой черный порошок.
2. Фториды. Двухвалентные VF2 – фиолетовые кристаллы, тогда как пятивалентный VF5 – белое твердое вещество, способное разъедать стекло.
3. Хлориды. Из трехвалентного VCl3 путем восстановления получают металлический элемент.

Впрочем, наибольшее промышленное использование остается за ванадиевыми окислами, в частности V2O5.

к содержанию ↑

Производство ванадия

Важным промышленным источником пластичного металла выступают три вида руд:

• железные;

• титаномагнетитовые;

• медно-свинцово-цинковые.

Дополнительные источники ванадия – это ранее перечисленные минералы, а также урановое сырье, горючие сланцы. Во втором случае, металл выступает побочным продуктом, получаемым в результате переработки основного сырья.

Существует несколько способов извлечения ванадия, суть которых сводится к получению окислов металла:

1. Выщелачивание руды, водными растворами, кислотами. Предварительно, исходное сырье отжигают. На следующей стадии выполняют выщелачивание основой или кислотной средой. Последний этап состоит в выделении гидратированного оксида ванадия из растворов методом гидролиза.
2. Изначально, железные или другие ванадийсодержащие руды плавят в домне. Процесс характеризуется переходом V в чугун. Переработка черного металла в сталь сопровождается образованием шлаков, содержащих до 16% пентоксида ванадия. Выделение пятиокиси происходит в два этапа. Предварительно, шлаки обжигают с поваренной солью. Далее, полученный продукт выщелачивают: вначале водой, после разбавленной серной кислотой.

Результирующий продукт – V2O5 используется для получения металлического ванадия или его сплавов с железом. Феррованадий характеризуется широкой вариацией V в соединении от 35 до 70%.

к содержанию ↑

Промышленный выпуск чистого металла

Металлический ванадий реализуется в двух физических состояниях: твердом – куски и порошкообразном. Слитки ванадия изготавливают методом выплавки внутри электроннолучевых печей. Это современная установка, оборудованная двумя видами пушек: термоэлектронные и ВТР. Непосредственно рабочий процесс получения слитков, происходит согласно технологии капельной плавки в охлаждаемый водой кристаллизатор. Он изготовлен из меди и устанавливается вертикально.

По степени чистоты различают три марки ванадия в слитках:

• ВнМ-0 – 99,99;

• ВнМ-1 – 99,9;

• ВнМ-2 – 99.5.

Все они производятся согласно ТУ 48-4-272-73, обладают цилиндрической формой с габаритами по длине: 20 – 80 см; и диаметру 80, 100, 120 и 150 мм. Вес бруска колеблется от 8 до 80 кг.

Порошкообразный металл изготавливается посредством электролитического рафинирования. В качестве исходного сырья выступает алюминотермический V. Результирующий электролитический порошок ванадия также имеет три степени чистоты, определяемых его маркой:

• Вэл-1 – 99.9;

• Вэл-2 – 99.7;

• Вэл-3 – 99.5.

Исходный кусковой металлический ванадий, получаемый алюминотермической технологией, характеризуется более низкой чистотой. Его состав: V – свыше 95%, Al менее 2% и Fe до 0.3%.

к содержанию ↑

Прокат ванадия

Сегодня, металл доступен не только слитками, кусками или порошком. Ванадий купить реально в виде изделий проката, производимых согласно ТУ 48-4-373-76. Основные виды реализации – это:

• лист ванадия;

• пруток;

• трубчатый профиль.

Аналогично слиткам, проволока из ванадия также выпускается тремя сортами ВнПр-0, 1 и 2. Их чистота аналогична соответствующим маркам металла в слитках. Наряду с прутками, проволокой, а также листовым прокатом, высоким спросом пользуется трубка из ванадия.

Полоса ванадия выпускается двух марок ВнПл-1 и ВнПл-2, отличающихся степенью чистоты базового металла. Листовая продукция металла отличается оригинальность исполнения. Например, лента ванадия имеет широкую вариацию по ширине и толщине, а также обладает закругленными краями в целях безопасности. Дополнительно, ленточный прокат может иметь специальное покрытие под эксплуатацию в неблагоприятных климатических условиях.

к содержанию ↑

Применение ванадия – от ярких красок до составляющей пороха

Толчком для использования пластичного металла человеком стали исследования Н. Зинина. Описанный химиком синтез анилина из нитробензола предоставил новые перспективы разработки синтетических красителей. Именно в этой отрасли, соединения ванадия с их яркой окраской, оказались более чем к месту. Как результат, металл начал интенсивно использоваться в производстве не только красок, но и цветной керамики, стекла. Это подняло спрос на пятиокись ванадия, купить которую было выгодно по следующим соображениям: одной весовой порции V2O5 достаточно для преобразования бесцветной анилиновой соли (200 тысяч аналогов по массе) в красящее вещество. Подобную эффективность ванадий показал и в окрашивании индиго, что нашло применение металлу под производство цветных тканей из шелка и ситца.

Новый интерес к металлу возник с началом XX и связан с первой мировой войной. Причина тому, высокая потребность в серной кислоте, как сырья для нитроклетчатки – базового компонента боевых порохов. Естественно, производство H2SO4 не требует ванадия напрямую. Однако, оксиды и соли этого элемента способны значительно ускорять крайне медленную реакцию взаимодействия сернистого ангидрида с кислородом. Именно она лежит в основе производства серной кислоты. Ванадий вытеснил более дорогой катализатор – платину. Преимущества пятиокиси V2O5 – очевидны, она существенно дешевле платины и требуется в меньших количествах.

к содержанию ↑

Ванадий в современных реалиях

Области современной эксплуатации тугоплавкого металла по-прежнему включают использование катализаторов на его основе. Расширилась только сфера применения: наряду с производством серной кислоты, ванадиевые соединения задействованы для крекинга нефти, например. Также с их участием происходит получение уксусной кислоты, прочие технологические процессы промышленной химии.

Остальные сферы промышленного применения ванадия в корне отличаются от его изначального использования. Основные акценты использования V и соединений на его основе, сегодня включают:

• производство стали;

• изготовление химических источников тока;

• агротехнический сектор;

• атомно-водородная энергетика.

О применении пятиокиси ванадия в качестве анода для мощных литиевых аккумуляторов уже упоминалось ранее. Другое соединение – ванадат серебра, напротив, используется под катоды резервных батарей.

Малая величина поперечного сечения неупругого рассеивания нейтронов обуславливает эксплуатацию элемента для нужд атомно-водородной энергетики. Например, ванадий используется в качестве материала для ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Альтернативно, хлорид этого металла – компонент процесса термохимического разложения воды.

Сельское хозяйство начинает использовать ядохимикаты и даже микроудобрения, в составе которых присутствуют соединения пластичного металла.

к содержанию ↑

Стальной удел элемента

Наибольшая сфера реализации ванадия, несомненно, черная металлургия. Как бытовой пример, можно привести гаечный ключ, маркированный известной многим пометкой – хром ванадий.

В производстве высокопрочных сталей – ванадий оказывается широко востребованной легирующей добавкой. Промышленное начало использованию элемента V для создания сталей, обладающих одновременно улучшенной твердостью, вязкостью и легкостью, положила лаборатория Форда еще в начале XX века.

Одновременно с этим, французские инженеры легировали ванадием сталь для изготовления бронирующих плит, а впоследствии пушек военных самолетов. Внедрение V на уровне десятых долей процента совместно с хромом привело к созданию облегченной стали, с улучшенными показателями прочности. Дополнительные преимущества хромованадиевых марок стали – вязкость, повышенная износоустойчивость.

Сегодня, сталь марок «хром-ванадий» интенсивно используется при изготовлении различного обрабатывающего: резцы, сверла; и прочего инструмента. Машиностроение использует этот материал под стенки цилиндров дизельных моторов, благодаря его высокой устойчивости к истиранию, продлевающей эксплуатационный ресурс деталей.

Среди цветных металлов, легированных ванадием выделим:

1. Алюминий. Включение в метал 3% V привело к созданию марки «Вавилиом». Этот алюминий обладает высокой твердостью, устойчив к влаге и даже воздействию соленой воды. 2-процентное легирование алюминия ванадием применяется в производстве духовых музыкальных инструментов.
2. Медь. Металл, содержащий 8% V, выступает в качестве сырья для получения медных сплавов. Те же латунь и бронза, с добавкой ванадия до половины процента приобретают механические свойства аналогичные стали, вследствие чего используются в производстве ответственных деталей, узлов оборудования.
3. Никель. Его сплав с ванадием (20%) отличается высокой химической стойкостью. Подобная инертность способствует изготовлению лабораторной посуды.

Дополнительно, элементом V легируют сплавы титана, и даже благородные металлы, золото, например.

Резюмируя важность пластичного металла в промышленном прокате, достаточно отметить один факт. Современное производство ванадия до 80% ориентировано на нужды металлургии, преимущественно под производство нержавеющих и инструментальных сталей.

к содержанию ↑

С прицелом на будущее

Отличительной особенностью легирования стали ванадием, от добавок других тугоплавких металлов, молибдена, например, выступает установленный характер улучшения свойств базового материала. Внедрение ванадия в расплавленную сталь приводит к его активному взаимодействию с азотом и кислородом, о чем уже упоминалось ранее. Как результат, газы, поглощенные расплавленным металлом, не остаются внутри него после застывания. Кислород и азот, прореагировавшие с ванадием, преобразуются в жидкий шлак, выводимый на поверхность расплава и удаляемый в процессе плавки.

Вторая важная особенность – ванадий взаимодействует с углеродом. Это приводит к изменению структуры черного металла: на место растворенного углерода приходят карбиды ванадия, характеризуемые повышенной твердостью и жаростойкостью. Одновременно с этим, карбиды слабо растворимы в железе, что отражается в их неравномерном распределении по объему металла. Этот фактор препятствует созданию крупных кристаллических структур внутри стали, делая ее мелкозернистой. Подобная мелкокристаллическая структура обуславливает высокую ударную вязкость, делая сталь ковкой и одновременно твердой, а также улучшая характеристики износа металла.

Четкое понимание механизма улучшения параметров стали ванадием, способствует дальнейшему технологическому прогрессу в легировании черных металлов.

к содержанию ↑

Стоимость ванадия

Основные месторождения тугоплавкого металла расположены в США, Китае, России, ЮАР и Армении. Современный уровень годового производства ванадия составляет порядка 90 тысяч тонн. Лидерство по выпуску металла удерживает Китай, на долю которого приходится более половины предложений. Как результат, именно Поднебесная оказывается основным регулятором цены на ванадий.

Современная тенденция роста стоимости ванадия сохраняется уже не одну декаду. Это связано с ростом потребления металла. Основной вклад в востребованность элемента вносит растущее производство легированных сталей. Как считают эксперты, цена на ванадий сегодня, еще не обрела собственного максимума, ее рост прогнозируется минимум до 2020 года. Эти перспективы достаточно консервативны, поскольку объем использования конструкционных сталей ежегодно увеличивается. Таким образом, продать ванадий будет несложно еще несколько десятков лет.

Говоря языком цифр, можно выделить еще одну особенность металла – ванадий. Цена за кг его определяется видом продукции.

Так, наиболее дорогостоящим оказывается прокат: полоса, проволока – около $2000. На сотню долларов дешевле пруток. Непосредственно слитки металла марки ВнМ-1 стоят $200, что на порядок дешевле проката. Стоимость пятиокиси ванадия, и того меньше: $35 – 40 за килограмм. Цифры приведены с учетом расценок на металл к началу 2017 года.

к содержанию ↑

Лом ванадия

Отходы чистого металла принимаются достаточно редко. Это связано со спецификой использования элемента, 80% которого расходуется на легирование стали, прочие отрасли металлургии. Основные источники лома ванадия:

• легированная сталь, марка которой содержит Ф в наименовании;

• ванадийсодержащие отходы, включая сплавы, приборы, конструкционные элементы узлов оборудования;

• соединения на базе металла.

Сегодня, даже используя интернет, достаточно непросто определить сколько стоит лом ванадия. Цена отходов, содержащих этот металл, определяется его процентным вхождением и в большинстве случаев указывается, как договорная. С другой стороны, практически все пункты приема, не откажутся от любого лома, в составе которого присутствует ванадий. Цена за грамм металла может быть рассчитана самостоятельно, по итогам сделки с приемщиком. Впрочем, это скорее дело интереса.

к содержанию ↑

Видео – про металл ванадий