Исследователи Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) изобрели эффективный способ очистки пятиокиси ванадия от марганца, который ухудшает свойства стали.
При переработке титаномагнетитовых шлаков выделяется канцероген — пятиокись ванадия. Этот продукт на самом деле полезный и его обычно используют для получения феррованадия — сплава, который улучшает свойства стали. В процессе переработки шлаков также извлекается и марганец, его содержание в сплаве не должно превышать 0,5 процента. Но обычно его больше, а избыток приводит к ухудшению механических свойств получаемых сталей.
Где применяется пятиокись ванадия?
Пятиокись ванадия (также известная как оксид ванадия (V)) — это неорганическое соединение с химической формулой V2O5. Это ярко окрашенное кристаллическое твёрдое вещество от жёлтого до оранжевого цвета.
Применяется в различных областях, например:
• в качестве катализатора в производстве серной кислоты и в синтезе ангидридов некоторых органических кислот;
• в производстве специальных сталей и сплавов, добавляя устойчивость к химическим веществам и повышая прочность;
• в литий-ванадиевых аккумуляторах как материал для катода благодаря своей способности к многократным циклам заряда/разряда.
При этом, что любопытно, существует марганцовистая сталь или сталь Гатфильда, которая обладает высокой износостойкостью и ударопрочностью благодаря большой вязкости и пластичности при высокой твёрдости. Она используется для изготовления деталей, которые подвергаются сильному воздействию ударных нагрузок. Но в легирующих добавках марганец в больших количествах может только ухудшить свойства стали. Чтобы очистить продукт от него, пятиокись ванадия даже промывают реагентными растворами, содержащими в своём составе соли натрия, магния, кальция, аммония, алюминия и железа, не всегда это приводит к нужному результату. Поэтому учёные долгое время задавались вопросом, как снизить уровень марганца, и вот в Перми нашли решение этой задачи.
Пятиокись ванадия представляет собой порошок от оранжево-желтого до кирпично-коричневого цвета
Титаномагнетитовые руды — это главный сырьевой источник ванадия в России. Основной ванадийсодержащий продукт — пятиокись ванадия — используется для выплавки феррованадия. Добавление этого сплава увеличивает прочность, ударную вязкость и жаростойкость стали. Вообще, мировой ванадиевый рынок довольно консервативен. На отдельных его сегментах (добыча ванадиевого концентрата, получение ванадийсодержащих шлаков, производство феррованадия, пентаоксида ванадия и различных химических соединений) есть свои игроки, но существует только несколько крупных компаний, охватывающих сразу ряд сегментов. В Пермском крае пятиокись ванадия и феррованадий производят на АО «Чусовской металлургический завод», который и поддержал исследование ПНИПУ.
Где в мире добывают ванадий?
Всего в мире ванадиевых залежей насчитывается порядка 60 млн тонн, из которых 90% локализируется на территории пяти государств: России, ЮАР, Венесуэле, США и Китае. Именно там добывается порядка 50–60 тыс. тонн металла. Существуют определённые месторождения, которые выделяются в особую группу. В таких месторождениях сконцентрированы запасы ванадия, объём которых более 1 млн тонн. К ним относятся Качканарская группа, расположенная на Урале (Россия), а также Бушвельдский комплекс на территории ЮАР.
Чтобы исключить недостаточную очистку пятиокиси ванадия от марганца, учёные Пермского политеха провели комплексное исследование, сравнив различные реагенты, и в результате установили простой и наиболее эффективный из них — его использование позволит получать ванадийсодержащие стали повышенного качества.
«От АО «Чусовской металлургический завод» поступил запрос на выполнение исследовательских работ по повышению качества пятиокиси ванадия. Мы давно сотрудничаем с этим предприятием, и наш коллектив исследователей под руководством кандидата технических наук, бывшего доцента кафедры «Химические технологии» ПНИПУ Николая Фёдоровича Данилова приступил к работе по этой теме. Для начала мы изучили химический и фазовый состав исходного образца пятиокиси ванадия, — объясняет ассистент кафедры «Химические технологии» ПНИПУ Мария Сажина. — Основные примеси в пятиокиси ванадия — это железо (6,701 процента), кальций (2,241 процента), марганец (1,981 процента) и натрий (1,310 процента). Для исследования процесса реагентной отмывки пятиокиси ванадия мы использовали аммонийные соли, соли кальция, алюминия, сульфат магния и железа. Катионы этих солей способны замещать катионы марганца, что снижает его содержание в продукте».
Пермский политех — один из мощнейших в стране центров инженерного образования, обеспечивающий подготовку высококвалифицированных кадров для предприятий и организаций Западного Урала и всей страны
Очистку технической пятиокиси ванадия осуществляли растворами заданных концентраций при непрерывном перемешивании. По окончании экспериментов проводили анализ очищенных образцов и растворов на содержание соединений ванадия и марганца. Основными примесями в пятиокиси ванадия являются железо (6,701 %), кальций (2,241 %), марганец (1,981 %) и натрий (1,310 %).
«Мы выяснили, что наилучшие результаты по очистке от соединений марганца достигаются при использовании сульфата аммония, нитрата аммония и нитрата кальция. При этом содержание соединений марганца в пасте после промывки уменьшается более чем в четыре раза, и, соответственно, возрастает содержание соединений ванадия. Применение же растворов прочих солей менее эффективно», — рассказывает магистрант кафедры «Химические технологии» ПНИПУ Ирина Ишмуратова.
Снижение содержания марганца более чем в четыре раза позволит применять продукт переработки титаномагнетитовых шлаков для изготовления сталей высокого качества. Исследования продолжат, и они будут направлены на установление оптимальных параметров процесса очистки пятиокиси ванадия от примесей (концентрации растворов, температурный режим, продолжительность промывки).
Результаты исследования были опубликованы в журнале «Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология».
Егор Петров
