世界钒的生产与使用.doc

世界钒的生产与使用 P.S.米歇尔 英国Kent TN16 1AQ,国际钒技术委员会 介绍 钒作为元素周期表钒族元素中的一员，其原子数为23，原子重量为50.942， 熔点为1887C，沸点为3337C。纯钒呈现为闪亮的白色，质地坚硬，为体心立方结构，晶格系数为3.024 。 钒在地壳中为第17位常见的元素，且很少以单质的形式直接使用。然而钒确实是一种很有价值的合金元素，可以添加于钢中、铁中，并以钛-铝-钒合金的形式用于航天领域。钒的化合物也十分有用，可以被广泛地用来生产如催化剂、化妆品、染料、以及电池等。 基于钒的广泛用途，以提取和使用钒为目的的全球产业也随之得以发展。该产业几乎存在于世界的各个大陆上，本文的目的就在于提供一些有关钒的资源、生产以及使用方面的背景信息。 资源 如前所述，钒在地壳中为第17常见的元素，它广泛地分布在世界各个地方。图1所示为一些钒的较重要的蕴藏地。钒主要蕴藏在中国、俄罗斯、南非、澳大利亚西部和新西兰的钛铁磁铁矿中，委内瑞拉、加拿大阿尔伯托、中东和澳大利亚昆仕兰的油类矿藏中，以及美国的钒矿石和黏土矿中。 图1. 钒的主要矿藏 目前，钒在钛铁磁铁矿中的蕴藏量最大，V2O5含量可达1.8%；其次是在油类矿藏中。到目前为止，还没有对美国的钒矿石和黏土矿、北欧的钛铁磁铁矿以及巴西和智利矿藏中的钒进行大规模的提取。 表一列出了钒在世界上的可开采储量和保有储量。可开采储量指利用现有的技术可以经济地提取的部分。而保有储量则指可以利用未开发的技术在将来进行提取的部分。钒的总蕴藏量为6300万，其中仅有1000多万吨属于可开采储量，而3110吨为可在将来开采的保有储量。表一为主要的可开采储量，它存在于中国、俄罗斯和南非钛铁磁铁矿中。 表一 可开采储量和保有储量 可开采储量 1020万吨 % 保有储量 3109.4万吨 % 澳大利亚 1.6 7.7 中国 19.6 9.6 俄罗斯 48.9 22.5 南非 29.4 40.2 美国 12.9 其他 0.5 7.1 值得一提的是，按目前钒的使用速度计算，可开采储量可以维持近300年。 钒的提取 在大多数情况下，钒的初级产品是在伴随着其它金属和油类的提取或使用而生产出的副产品。钒的这类产品通常为氧化物形式，V2O3或V2O5。图2对三种重要的钒的提取工艺进行总结。 在钒的提取工艺中，最重要的一条路线是像中国的攀枝花、南非的海威尔德以及俄罗斯的下塔吉尔这些综合钢厂那样，从炼铁和炼钢中生成的中间渣中以V2O5的形式提取钒。在这些钢厂的炼铁工艺中，铁矿石中的钒经过熔炼被溶入铁水中。铁水经过氧化、成渣，形成了含有10%至25%的V2O5的渣，最后再经过提钒铁水被送至炼钢工艺。 含10-25% V2O5的钒渣接着经过焙烧/浸出工艺的处理生产出为钒酸盐或氧化钒的最终产品。世界上50%到60%的钒初级产品生产厂均采用这种工艺。 生产钒的初级产品的第二个重要路线是，在焙烧/浸出工艺中对上述V2O5含量达1.8%的矿石进行直接处理生产出钒酸盐或钒的氧化物。世界上有五六家公司采用这种工艺生产钒的初级产品，它们主要分布在南非和澳大利亚，其产量约占世界初级钒产品生产厂产量的25%30%。 图2 钒的生产 钒的第三条生产路线就是回收电厂飞尘、废催化剂以及其它残渣中含的钒。其工艺也是通过焙烧/浸出工艺生成钒酸盐或钒的氧化物。在回收废催化剂中的钒时，通常还同时对钴、钼和镍进行回收。采用这一路线生产出的钒产品约占世界产钒量的15-20%。世界上有八至十个厂家采用这中工艺，它们主要分布在日本和北美。然而，随着环保法规变得更加严格，各个地方倾倒含钒废物的可能日益减少。预计大多数初级钒产品的生产厂家将采用这种生产工艺进行钒的回收，并将含钒废物用做钒生产的原料。 世界初级钒产品，即钒酸盐和钒的氧化物的产量按V2O5计算约为127,000吨。按地区划分，其产量如表二。 表二 世界初级钒产品的产量 国家/地区 估计产量% 澳大利亚 5.8 中国 18.4 日本 1.3 北美 14.1 俄罗斯 18.6 南非 37.7 该表清楚地说明了中国、俄罗斯和南非在钒的回收方面所处的重要地位，以及日本的次重要地位。值得注意的是在欧洲几乎没有初级钒产品的生产。 生产出初级钒产品后，大多数钒产品经铝热法、加热法或化学法被加工成世界上广为使用的最终产品，如钒铁、钒铝中间合金、钒化工产品和催化剂、以及金属钒和钒合金。世界上有25个以上的厂家从事钒产品的加工，它们遍布世界上各个工业化地区。重点已从钒初级产品生产国转移到了钒产品的消费国。从表三可以看出，如，欧洲在初级钒产品生产厂家的清单中没有提及，而在钒产品的加工中却起着重要的作用。此外，日本和北美也是重要的钒产品加工者，而南非和中国钒产品加工的水平却不如他们钒初级产品的生产水平。 表三 1999年钒铁生产能力的地理分布 国家/地区 估计钒铁产量% 中国 13.5 日本 14.9 北美 18.6 俄罗斯 19.0 南非 22.0 西欧 26.0 其它 5.3 还应该说明的一点是一些炼钢工艺生成的含钒渣可以不通过焙烧浸出工艺而直接加工出钒铁产品。然而这不属于主要工艺路线。 钒的消耗 1999年钒的耗量约为33,250吨。1999年钒产品消耗的地理分布对应于钒初级产品生产的分布如表四所示。比较表三和表四，更加表明了钒产品的加工地靠近钒的消费。这也预示了存在于初级钒产品的生产厂所在地、钒的主要供应者中国、俄罗斯和南非与钒产品的主要消费者北美和欧洲之间一项重大的国际贸易。1999年底、2000年初，澳大利亚也加入了钒供应国的行列。预计它的钒产量约占世界钒产量的13% 表四 1999年初级钒产品和钒成品消费的地理分布 国家/地区 1999年世界钒耗量% 1999年世界钒产量% 中国 9.3 20.1 日本 12.8 2.2 北美 30.3 12.2 俄罗斯 7.7 14.5 南非 1.0 45.5 西欧 25.9 2.6 其它 13.0 2.9 钒广泛应用于各个工业领域，而其中最重要的应用领域在钢铁工业上。美国地理分布调查机构统计的数据表明，1998年，87%的钒用在了钢铁领域，而其余13%则被用在诸如航空、化工和催化剂的生产领域。在余下13%中，大约8-10%的钒被用来生产航天工业中使用的钛-铝-钒合金，余下的部分被用在另外的领域。 图3(a)和(b)表明由于钢产量增加了，钒的消耗量也增加了。然而通过比较这些数据可以清晰的看到，钒耗量的增加速度比钢铁产量的增加速度更快，这就表明了在钒的消耗上有新增加的部分。通过将任何一年中钒的总钒耗量除以当年的粗钢产量就可很好地表示出钒的这部分新增消耗。尽管这样可能将钒的单位耗量高估了大约13%，但这却弥补了逐年来由于钢铁生产的波动造成的钒耗量的波动。 图3 a) 钢铁生产, b) 1960年至1999年钒的消耗 图4表明了70年代末至今钒在单位耗量上的变化。应该说明的重要的一点是，钒的单位耗量在80年代及90年代初期经历了一段相对的倒退期，这大概是由于改善合金收得率的连铸工艺的广泛采用以及提高炼钢生产效率的总体举措而造成的。1999年钒的耗量强劲反弹，世界平均耗量达到了0.043公斤/吨，而西方国家的平均耗量则又高出16%左右，达到0.05公斤/吨。 钒在钢中的使用 通过对三个不同的炼钢国家，即，德国、日本和美国(图5)所做的一些现有的统计数据的验证和比较表明， 这些国家在钒的使用方式上既有共同点也有明显的不同点。 图4. 1970年以来钒在单位耗量上的变化 图5 按最终用途划分，1998年钒在德国、日本和美国的消耗情况 *包括船用钢、热强钢、锻件用钢和钢筋 很明显，在所有三个国家里，钒均被用在工具钢的生产上。此外，德国在使用钒的特殊结构钢钢种上似乎不同于日本和美国。但该钢钟被日本列在管线钢钢种里，而在美国则被归为高强低合金钢。所以，三个国家在钒的这方面使用上也是相同的。 除了这些相同和可能的不同点以外，