Elaborazione al vanadio

Lavorazione del vanadio, preparazione del metallo per l'uso in vari prodotti.

Il vanadio (V) è un metallo argento grigiastro la cui struttura cristallina è un reticolo cubico (bcc) centrato sul corpo, con un punto di fusione di 1.926 ° C (3.499 ° F). Il metallo viene utilizzato principalmente come aggiunta di lega ad acciai ad alta resistenza a bassa lega (HSLA) e, in misura minore, in acciai per utensili e fusioni di ferro e acciaio. È anche un importante rinforzante per le leghe di titanio. Le leghe di vanadio sono candidati promettenti per applicazioni nei reattori nucleari. Il metallo è riconosciuto come un pericolo industriale, tuttavia, poiché è stato osservato che la respirazione di materiale particolato con un alto contenuto di vanadio provoca una tosse secca e intensa accompagnata da irritazione del naso, degli occhi e della gola.

Storia

La scoperta del vanadio fu rivendicata per la prima volta nel 1801 da un mineralogista spagnolo, Andrés Manuel del Río, che gli diede il nome di eritronio, dopo il colore rosso di uno dei suoi composti chimici (eritro greco, "rosso"). Nel 1830 un chimico svedese, Nils Gabriel Sefström, riscoprì l'elemento e lo chiamò vanadio, dopo Vanadis, dea scandinava della bellezza, a causa dei bellissimi colori dei suoi composti in soluzione. Il chimico inglese Henry Enfield Roscoe isolò per la prima volta il metallo mediante riduzione dell'idrogeno del dicloruro di vanadio nel 1867, e i chimici americani John Wesley Marden e Malcolm N. Rich ottennero vanadio con una purezza del 99,7% con un processo di riduzione del calcio nel 1925.

Dall'inizio del 1900, il vanadio è stato utilizzato come elemento di lega per acciai e ferro. Nel 1905 Antenor Riza Patron scoprì un grande deposito di asfaltite contenente ricchi minerali di vanadio a Mina Ragra, in Perù. Due anni dopo, l'American Vanadium Company ha prodotto per la prima volta ferrovanadium su scala commerciale. Dopo che il titanio divenne un materiale da costruzione aerospaziale negli anni '50, il vanadio vide un largo uso nelle leghe di titanio.

minerali

Gli importanti minerali di vanadio sono la patronite (VS ₄), la carnotite [K ₂ (UO ₂) ₂ (VO ₄) ₂] e la vanadinite, [Pb ₅ (VO ₄) ₃ Cl]. I depositi di minerale estratto esclusivamente per vanadio sono rari perché gran parte del vanadio nelle rocce ignee si presenta nello stato trivalente relativamente insolubile, sostituendo il ferro ferrico nei silicati ferromagnesio, la magnetite (un minerale di ferro), ilmenite (un minerale di titanio) e il cromite.

Le miniere di vanadio più grandi del mondo provengono da riserve di magnetite titanifera in regioni come Bushveld del Sudafrica, il massiccio Kachkanar degli Urali e la provincia cinese di Szechwan. I minerali di carnotite nelle arenarie dell'altopiano del Colorado sono stati estratti per vanadio e uranio. Altre fonti di vanadio includono cenere proveniente dalla combustione di combustibili fossili, scorie di fosfato, bauxite di minerale di alluminio e catalizzatori esauriti.

Estrazione

Poiché il vanadio è essenzialmente il sottoprodotto dei minerali estratti per altri minerali, essi vengono estratti con metodi propri di tali minerali.

Estrazione e raffinazione

Pentossido di vanadio

Il minerale di magnetite titanifera viene parzialmente ridotto con carbone in forni rotanti e quindi fuso in una fornace. Questo produce una scoria contenente la maggior parte del titanio e una ghisa contenente la maggior parte del vanadio. Dopo aver rimosso le scorie, la ghisa fusa viene soffiata con ossigeno per formare una nuova scoria contenente il 12–24 percento di pentossido di vanadio (V ₂ O ₅), che viene utilizzato nell'ulteriore lavorazione del metallo.

Il vanadio viene estratto dalla carnotite come coprodotto con l'uranio lisciviando il concentrato di minerale per 24 ore con acido solforico caldo e un ossidante come il clorato di sodio. Dopo la rimozione dei solidi, il percolato viene immesso in un circuito di estrazione del solvente in cui l'uranio viene estratto in un solvente organico costituito da 2,5 percento-ammina-2,5 percento-isodecanolo-95 percento-cherosene. Il vanadio rimane nel raffinato, che viene immesso in un secondo circuito di estrazione con solvente. Il vanadio a sua volta viene estratto nella fase organica, spogliato con una soluzione di carbonato di sodio al 10% e precipitato con solfato di ammonio. Il precipitato di metavanadato di ammonio viene filtrato, essiccato e calcinato a V ₂ O ₅.

La maggior parte degli altri minerali o scorie contenenti vanadio sono frantumati, macinati, schermati e miscelati con un sale di sodio come cloruro di sodio o carbonato di sodio. Questa carica viene quindi arrostita a circa 850 ° C (1.550 ° F) per convertire gli ossidi in metavanadato di sodio, che può essere lisciviato in acqua calda. Con l'acidificazione del percolato con acido solforico, il vanadio viene precipitato come esavanadato di sodio. Questo composto, noto come torta rossa, può essere fuso a 700 ° C (1.300 ° F) per produrre pentossido di vanadio di grado tecnico (almeno 86% V ₂ O ₅, oppure può essere ulteriormente purificato sciogliendolo in una soluzione acquosa di carbonato di sodio. In quest'ultimo caso, le impurità di ferro, alluminio e silicio nella torta rossa precipitano dalla soluzione dopo aggiustamento dell'acidità. Il vanadio viene precipitato come metavanadato di ammonio aggiungendo cloruro di ammonio. Dopo la filtrazione, il precipitato viene calcinato a produce V ₂ O ₅ di purezza superiore al 99,8 percento.

Ferrovandaio

La produzione di ferrovanadio, contenente il 35-80 percento di vanadio, viene effettuata in una fornace ad arco elettrico. La ferraglia viene prima sciolta e viene aggiunta una miscela di V ₂ O ₅, alluminio e un flusso come fluoruro di calcio o ossido di calcio. Nella reazione che segue, il metallo di alluminio viene convertito in allumina, formando una scoria, e il V ₂ O ₅ viene ridotto a metallo vanadio, che viene sciolto nel ferro fuso. Poiché questa reazione di riduzione dell'ossidazione è esotermica, l'apporto di calore deve solo sviluppare la temperatura di accensione di 950 ° C (1.750 ° F). Dopo l'accensione, gli elettrodi vengono ritirati fino al completamento della reazione; vengono quindi reinseriti nelle scorie fuse e la fornace viene riscaldata per migliorare la sedimentazione.

Il processo alluminotermico può anche essere eseguito in una pentola d'acciaio rivestita di refrattario o in un crogiolo di rame raffreddato ad acqua. Una carica di V ₂ O ₅, ossido di ferro e alluminio viene accesa con una miccia di perossido di bario o un nastro di magnesio.