صفر تا صد فلز «وانادیوم»
بر اساس این گزارش، توجه به فناوری‌های نوین که در این حوزه کمتر مورد توجه قرار گرفته، می‌تواند مزایایی همچون رسیدن به بازارهای جدید، ارزش افزوده بیشتر، اشتغال‌زایی و… را به همراه داشته باشد. بررسی‌ها نشان می‌دهد یکی از فلزات مغفول مانده وانادیوم با علامت V و عدد اتمی ۲۳ است. وانادیوم، یک فلز متخلخل، نسبتا کمیاب و باارزش است که بسیار محکم و مقاوم است که در صنایع فولادی به منظور ساخت فولاد مخصوص، در صنعت شیمی به‌عنوان کاتالیزور، در سرامیک‌سازی به‌عنوان رنگ و در عکاسی و پزشکی کاربرد دارد و به رنگ قهوه‌ای متمایل به زرد است.
در سال‌های اخیر کاربردهای مختلفی برای فلز وانادیوم شناسایی شده است که از جمله آن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: ۱-تقریبا ۸۰درصد وانادیوم موجود در منابع حاوی وانادیوم به تولید فرووانادیوم که یک ماده افزودنی به فولاد است، می‌رسد؛ ۲- فلزات ضدخش وسایل جراحی و ابزارآلات؛ ۳- ماده ضدزنگ و افزایش‌دهنده سرعت در فلزات؛ ۴- ماده مخلوط‌شونده با آلیاژهای آلومینیوم و تیتانیوم برای استفاده در موتورهای جت و هواپیماهای پرسرعت؛ ۵- آلیاژ فلز وانادیوم در ساخت محورها، میل لنگ، دنده‌ها و… به‌کار می‌رود. ۶-متعادل‌کننده کاربید در ساخت فلزات؛ ۷- کاربردهای هسته‌ای به دلیل نداشتن شکافت نوترونی؛ ۸- استفاده از ورق وانادیوم در آبکاری تیتانیوم در فلزات؛ ۹- نوار وانادیوم گالیوم که مگنت ابررسانا است. ۱۰-استفاده از ترکیبات وانادیوم به‌عنوان کاتالیزور در تولید Maleic Anhydride و اسید سولفوریک؛ ۱۱- استفاده از پنتااکسید وانادیوم به‌عنوان کاتالیزور در سفالگری.
یکی از عمده‌ترین منابع وانادیوم، سنگ‌آهن‌های تیتانیوم و وانادیوم‌دار بوده و از اواسط دهه ۱۹۵۰ تولید وانادیوم به‌طور گسترده با بهره‌برداری و فرآوری تیتانومنیتیت‌ها افزایش یافته است. ذخایر عظیمی از تیتانومنیتیت‌ها در ایران مرکزی وجود دارند که محتوای عناصر با ارزش و مفیدی بوده و از دیدگاه فرآوری دارای اهمیت خاص است که از آن جمله می‌توان به کانسارهای اصلی ناحیه بافق – ساغند (شامل چغارت، چادرملو، آنومالی شمالی، چاه گز و سه چاهون) اشاره کرد که وجود وانادیوم در آنها چشمگیر است. به‌طور کلی تیتانومنیتیت‌ها یا به‌طور مستقیم برای تولید وانادیوم به‌کار می‌روند یا پس از تولید چدن وانادیوم‌دار و در ادامه آن تولید فولاد از چدن، سرباره‌هایی حاصل می‌شود که غنی از وانادیوم بوده و برای استحصال وانادیوم به‌کار می‌روند.
روش تبدیل چدن وانادیوم‌دار از طریق انجام یک فرآیند دومرحله‌ای (پروسه دوبلکس) است. در مرحله اول تبدیل، طی فرآیند وانادیوم‌زدایی، محصول نیمه آماده کربن دار حاوی سرباره وانادیوم‌دار به دست می‌آید و در مرحله دوم فرآوری، از محصول نیمه آماده ضمن سوزاندن کربن فولاد به دست می‌آید. در فرآیند وانادیوم‌زدایی از چدن مواد خنک‌کننده اکسیدی به شکل آگلومره، آگلومره همراه با سرباره یا گندله‌های فاقد روان‌ساز ولی حاوی وانادیوم به ذوب اضافه می‌کنند.
استفاده از این روش امکان استحصال مقدار زیاد وانادیوم از چدن و انتقال آن به سرباره را فراهم می‌سازد. این روش را می‌توان در مورد چدن‌هایی با ترکیبات مختلف شیمیایی به کار برد. وانادیوم یک عنصر آلیاژساز مهم در متالورژی است که دارای میل ترکیبی ضعیفی با اکسیژن است. اکسیداسیون وانادیوم و انتقال آن به سرباره فقط در دماهای نسبتا پایین قبل از شروع اکسیداسیون اکتیو کربن، امکان‌پذیر می‌شود. چدن وانادیوم‌دار حاوی ۳۰/ ۰ درصد سیلیسیوم و ۲۵/ ۰ درصد تیتانیوم است. در اکسیداسیون این عناصر، نظر به آنکه تاثیرگذاری آنها بیشتر از کربن و وانادیوم است، انرژی حرارتی زیادی متصاعد می‌شود. از این رو برای جذب حرارت و پایین آوردن دمای فلز در حین وانادیوم‌زدایی چدن، خنک‌کننده به کار می‌برند.
در کلیه روش‌های کاربردی وانادیوم‌زدایی چدن برای خنک‌کننده اکسیدی از مواد زیر استفاده می‌کنند:
۱- چدن جامد همراه با پوسته اکسیدی آهن، ۲- آهن قراضه به مقدار ۱۲ درصد وزن چدن، ۳- پوسته‌های اکسیدی آهن و گندله یا فقط گندله. با استفاده از روش پروسه دوبلکس امکان وانادیوم‌زدایی از چدن فراهم می‌شود. در این روش، مقدار مصرف خنک‌کننده اکسیدی با توجه به مقدار سیلیسیوم موجود در چدن مشخص می‌شود. میزان سیلیسیوم به تنهایی، نمی‌تواند شرایط استحصال دقیق وانادیوم از چدن را فراهم سازد و میزان تیتانیوم نیز می‌تواند اثرگذار باشد که این نقص اساسی این روش فرآوری چدن وانادیوم‌دار است.
روش دیگری هم برای تبدیل چدن‌های وانادیوم‌دار وجود دارد که در آن در مرحله پایانی انباشت سرباره وانادیوم‌دار به‌عنوان خنک‌کننده اکسیدی – سرباره فرآیند تک‌مرحله‌ای تبدیل و سرباره فولاد حاصله از فرآیند دو مرحله‌ای – را وارد فرآیند تبدیل می‌کنند. اشکال این روش وجود تا ۴۵ درصد CaO در افزودنی‌های پیشنهادی است که نمی‌تواند محدودیت پایدار مقدار CaO در سرباره وانادیوم‌دار را حداکثر تا ۳ درصد فراهم سازد. حل مساله استحصال وانادیوم از چدنی با ترکیبات شیمیایی مختلف در صورتی قابل حصول می‌شود که آگلومره‌ای با ترکیب زیر را به‌عنوان خنک‌کننده اکسیدی وارد ذوب کنند:
۱- مقدار آهن ۵۶ تا ۶۶ درصد؛ ۲- اکسید کلسیم CaO تا ۳ درصد؛ ۳- پوسته‌های اکسیدی آهن با ۶۰ تا ۷۰ درصد آهن؛ ۴- اکسید کلسیم CaO تا ۷/ ۰ درصد؛ ۵- گندله‌های فاقد روان‌ساز با مقدار آهن در حدود ۶۰ تا ۶۲ درصد؛ ۶- اکسید کلسیم CaO تا ۳ درصد؛ یا مخلوطی از این مواد، که مقدار آنها به جمع کل مقدار سیلیسیوم و تیتانیوم موجود در چدن بستگی دارد.
مقدار مصرف خنک‌کننده‌های اکسیدی برای حالتی که جمع کل سیلیسیوم و تیتانیوم تا ۱۰/ ۰ درصد است باید از ۴۰ تا ۷۰ کیلوگرم در ازای هر تن چدن باشد. با افزایش مقدار کل سیلیسیوم و تیتانیوم، مقدار پوسته‌های اکسیدی یا گندله‌ها به مقدار ۵/ ۰ تا ۵/ ۱ کیلوگرم در ازای هر تن چدن برای هر ۰۱/ ۰ درصد کل تیتانیوم و سیلیسیوم افزایش می‌یابد. در صورت وارد کردن مقدار کمتری خنک‌کننده اکسیدی، شرایط دمایی اکسیداسیون وانادیوم تامین نمی‌شود، و در صورت وارد کردن مقدار بیشتری خنک‌کننده اکسیدی، خنک شدن بیش از حد ذوب رخ داده و به دنبال آن امکان ادامه فرآوری محصول نیمه‌آماده میسر نمی‌شود. برای تبدیل چدن وانادیوم‌دار از طریق فرآیند دو مرحله‌ای در ابتدا چدن وانادیوم‌دار را به داخل کنورتور می‌ریزند و عمل وانادیوم‌زدایی آن از طریق دمش گاز اکسیژن همراه با افزودن خنک‌کننده‌های اکسیدی به منظور دستیابی به محصول نیمه آماده کربن دار و سرباره وانادیوم‌دار صورت می‌گیرد.
در این عملیات به‌عنوان خنک‌کننده‌های اکسیدی از آگلومره، آگلومره با پوسته‌های اکسیدی آهن یا گندله‌های وانادیوم‌دار فاقد روان‌ساز استفاده می‌کنند. مقدار استفاده از این نوع گندله به جمع کل سیلیسیوم و تیتانیوم چدن بستگی دارد.
– در صورتی که جمع کل سیلیسیوم و تیتانیوم در چدن تا ۱۰/ ۰ درصد باشد، در آن صورت مقدار خنک‌کننده اکسیدی ۴۰ تا ۷۰ کیلوگرم در ازای هر تن چدن باید باشد. – در صورت افزایش جمع کل سیلیسیوم و تیتانیوم، به ازای هر ۰۱/ ۰ درصد افزایش، مقدار خنک‌کننده اکسیدی ۵/ ۰ تا ۵/ ۱ کیلوگرم در ازای هر تن چدن افزایش می‌یابد. در این رابطه فرآوری چدن وانادیوم‌داری با مقدار درصدهای زیر انجام می‌گیرد:
۱-کربن (C): ۵/ ۴ تا ۸/ ۴؛ ۲- وانادیوم (V): ۴۰/ ۰ تا ۵۰/ ۰؛ ۳- سیلیسیوم (Si): ۰۴/ ۰ تا۲۰/ ۰؛ ۴- تیتانیوم (Ti): ۷/ ۰ تا ۱۰/ ۰؛۵- منگنز (Mn): ۲۸/ ۰ تا ۳۵/ ۰؛ ۶- کروم (Cr): ۵/ ۰؛ ۷- مس Cu: ۰۱/ ۰؛ ۸- فسفر (P): ۰۴/ ۰؛۹- گوگرد (S) ۰۲۲/ ۰؛ این فرآوری در دمای ۱۲۸۰ تا ۱۳۵۰ سلسیوس انجام می‌گیرد. شدت رانش اکسیژن در زمان دمش حدود ۳۲۰ تا ۳۵۰ نرمال مترمکعب در دقیقه است.
طبق فناوری روش ارائه شده، ضریب تشکیل سرباره وانادیوم دار از بالغ بر ۴/ ۹۲ درصد در صورت استفاده از فناوری مربوطه به ۸/ ۸۸ درصد می‌رسد. افزایش ضریب تشکیل سرباره وانادیوم داربه میزان قابل ملاحظه‌ای تلفات آن را در ادامه فرآوری محصول نیمه آماده پایین می‌آورد، زیرا با دمش محصول نیمه آماده و تولید فولاد، تمام وانادیوم موجود در آن به سرباره منتقل می‌شود و به محل دفع ضایعات می‌رود. تجزیه و تحلیل مقایسه‌ای راه‌حل فنی ارائه شده و روش نمونه اولیه نشان می‌دهد که روش پیشنهادی، کیفیت پایدار سرباره وانادیوم‌دار تجاری را تضمین می‌کند، افزایش مقدار استحصال وانادیوم از چدن و انتقال آن به سرباره را تامین می‌کند، آلودگی‌های زیست‌محیطی را کاهش می‌دهد و اجرای دقیق سفارش‌های فولادهایی با مقدار وانادیوم محدود را برآورده می‌سازد. مزیت‌های این روش فرآوری چدن وانادیوم‌دار با در نظرگرفتن مقدار کل سیلیسیوم و تیتانیوم چدن است که قابل حصول می‌شود. در تبدیل کنورتوری چدن وانادیوم‌دار از طریق فرآیند دو مرحله‌ای تبدیل، مقدار سیلیسیوم و تیتانیوم موجود در چدن از عوامل مهم روش استحصال وانادیوم است. تجزیه و تحلیل این روش و اطلاعات علمی – فنی به دست آمده از آن تاییدی بر عملی بودن فناوری مطرح شده و مطابقت آن با معیارهای نوگرایی و پیشرفت تکنولوژی است.