Статья рассказывает историю открытия ванадия и постепенного осознания его ценности. Автор показывает, как сначала новый элемент был принят за другой металл, затем открыт повторно, а позже — почти забыт из‑за бедности известных руд. Лишь в конце XIX века, когда металлурги обнаружили, что небольшие добавки ванадия резко улучшают свойства стали, интерес к нему вспыхнул с новой силой. Начались поиски богатых месторождений и разработка методов извлечения металла.
Далее подробно объясняется, почему ванадий так важен для металлургии. Он сочетает свойства раскислителя и элемента, образующего твёрдые карбиды, хорошо растворяется в железе и придаёт сплавам плотность, прочность и мелкозернистую структуру. Благодаря этому ванадиевые стали используются в машиностроении, особенно там, где требуется высокая износостойкость — от рессор до режущего инструмента. Автор подчёркивает, что запасы ванадия велики, но его рассеянность делает добычу сложной.
Заключительная часть текста посвящена развитию отечественных технологий получения феррованадия. Описываются исследования советских учёных, создание новых методов плавки и работа инженера Полякова, предложившего более эффективный процесс, уменьшающий потери металла и сокращающий расход энергии. Статья показывает, как научный анализ и эксперимент позволили превратить труднодоступный элемент в важнейший компонент современной металлургии.
Это было в Мексике в 1801 г. Профессор минералогии Мануэль дель-Рио, изучая свинцовую руду, неожиданно обнаружил в ней химический элемент, соли которого при нагревании приобретали красный цвет. По своим свойствам новый элемент напоминал уже известные тогда хром и уран. Это привело дель-Рио к ошибочному заключению, что вновь открытый элемент является хромом.
Прошло тридцать лет. При химическом анализе отходов металлургического производства — шлаков — шведский учёный Нильс Сефстрем получил необычайно красиво окрашенные соединения. В дальнейшем Сефстрему удалось выделить из этих соединений новый металл, который был назван ванадием, по имени бога молодости и любви скандинавской мифологии. Вскоре было установлено, что дель-Рио и Сефстрем независимо друг от друга открыли один и тот же элемент.
Вторичное открытие нового металла возбудило к нему значительный интерес среди учёных. Тщательно и подробно изучаются свойства ванадия и его соединений. Одновременно начинаются энергичные поиски руд, содержащих ванадий. В 1834 г. ванадий обнаруживают в свинцовых рудах Березовского рудника близ Екатеринбурга (теперь Свердловска). Несколькими годами позже известный горный инженер Шубин находит ванадий в пермских медистых песчаниках и продуктах их переработки. Русский инженер Шубин первый высказал гениальную догадку о влиянии ванадия на свойства железных и медных сплавов. Сто лет тому назад он писал: «Медистый чугун, черная медь, гаркупфер и штыковая медь составляют металлические сплавы с ванадом, и, вероятно, его присутствие придаёт им большую твёрдость».
Однако руды открытых в то время месторождений содержали крайне мало ванадия. Создаётся впечатление, что ванадий очень редкий элемент; в практике ванадий не применяется, и о нем вскоре снова забывают.
Прошло ещё несколько десятилетий. В 1896 г. на французском военном заводе Фирмини проводятся опыты по отысканию новых сортов стали для броневых листов. В отдельные плавки вводится небольшое количество ванадия. Результаты превосходят все ожидания. Сталь, содержащая ванадий, получает значительно более высокие механические и физические свойства по сравнению с обычной сталью. К ванадию приковывается внимание виднейших металлургов всего мира. Вновь начавшиеся интенсивные геологические изыскания приводят к открытию богатейших месторождений ванадиевых руд сначала в Перуанских Андах (Южная Америка), затем и в других частях земного шара.
Одновременно разрабатываются новые методы получения ванадия из руд. Развивающееся машиностроение обеспечивает неограниченное потребление сталей, содержащих этот чудесный металл. Кроме того, доказывается возможность эффективного использования ванадия в химической промышленности. Соединение ванадия с кислородом (так называемая пятиокись ванадия) начинает применяться в качестве катализатора при производстве серной кислоты, а также для ускорения ряда других важных химических реакций.
*
Чем же замечателен ванадий? Почему этот металл все шире внедряется в производство качественных сталей? Чем объяснить значительное улучшение механических свойств стали при введении в её состав только десятых долей процента ванадия?
Для ответа на эти вопросы познакомимся с физико-химической природой ванадия.
Ванадий стоит в пятой группе периодической системы элементов, между металлами и металлоидами.
 |
Ванадий стоит в пятой группе периодической системы
элементов. Слева от него находятся сильные раскислители — алюминий, кремний,
титан, цирконий; справа — карбидообразующие элементы — хром, молибден. На
рисунке — часть таблицы Менделеева. |
Он отличается химическим сродством ко многим элементам, образуя большое количество различных соединений. Слева от ванадия в периодической системе стоят сильные раскислители (металлы, жадно поглощающие растворенный в жидкой стали кислород) — алюминий, кремний и другие, а справа — элементы, энергично соединяющиеся с углеродом (так называемые карбидообразующие элементы): хром, молибден, вольфрам. Ванадий соединяет в себе свойства своих соседей. Он является одновременно одним из сильнейших раскислителей и резко карбидообразующим элементом. Кроме того, ванадий хорошо растворим в железе. Такими свойствами не обладает ни один другой элемент, вводимый в сталь при плавке. Поэтому сталь, содержащая даже небольшое количество ванадия (0,15—0,25%), лучше раскислена (т. е. практически не содержит кислорода, имеет более плотное строение), отличается мелкозернистостью и высокой твёрдостью в закалённом состоянии. Ванадиевые стали находят широкое применение в машиностроении, особенно в авиа- и автотракторостроении. Они применяются для изготовления валов, осей, шатунов, различных штампов, а также рессор и пружин. Но особенно важен ванадий в инструментальных сталях. Сверла, резцы и фрезы, изготовленные из ванадиевой стали, обладают весьма прочной режущей кромкой. Классическая инструментальная сталь — быстрорежущая, отличающаяся высокой твёрдостью даже при температуре, превышающей 500°, — имеет в своём составе до 2,5% ванадия.
*
Ванадий отнюдь не является редким элементом. Его запасы в земной коре, по подсчётам учёных, составляют 0,034 весовых процента. Это больше, чем запасы таких широко применяющихся металлов, как хром, никель, цинк, свинец, медь. Однако ванадий распылён в огромном количестве горных пород, где концентрация его невелика. Ведь ванадий чрезвычайно химически подвижный элемент. Он легко соединяется с другими элементами. Многие соли ванадия быстро растворяются не только в слабых кислотах и щелочах, но и в воде. Все это приводит к тому, что ванадий обычно редко встречается в виде самостоятельных ванадиевых руд.
Распылённость ванадия очень затрудняет его получение. Поэтому, несмотря на большое распространение в природе, ванадий дорог, а производство его сложно.
Более 96% мировой добычи ванадия идёт на производство качественных сталей. Но для выплавки стали нет нужды применять чистый ванадий.
Поэтому сталевары практически имеют дело с феррованадием, т. е сплавом ванадия и железа.
Производство феррованадия в СССР начато недавно. В качестве исходного материала наша промышленность использует железо-титановые руды, так называемые титаномагнетиты. Эти руды наряду с магнитным железняком содержат окислы титана и небольшое количество окислов ванадия и хрома. Советский Союз обладает огромными запасами титаномагнетитов. Залежи этих руд открыты на Урале, Кавказе, Дальнем Востоке, в Хибинах.
*
Большая группа советских учёных, старых и молодых, в последнее десятилетие особенно широко занималась вопросами получения ванадиевых сплавов. Акад. Э. В. Брицке, М. А. Павлов, проф. Шадлун и другие разработали новые методы доменной плавки руд, содержащих ванадий. Особенно интересны работы акад. Брицке. Эти работы выявили возможность вести плавку в домне без предварительного обогащения руд. Это устранило значительные потери ванадия в процессе обогащения.
Одновременно разрабатывался метод получения специальных ванадиевых шлаков в мартеновской печи. Эти шлаки, способные заменить богатые ванадиевые руды, были получены в 1931—1932 гг. советскими инженерами Тагировым, Лурье и Ходыко. В Институте редких металлов под руководством проф. М. Н. Соболева был разработан метод химической переработки шлаков в специальное соединение — ванадат кальция. Наконец, в 1934 г. молодые научные работники Московского института стали — Языков, Мозговой и инж. Большаков — предложили способ получения феррованадия из ванадата кальция путём плавки его в электрической печи.
Все эти процессы и были приняты для получения феррованадия и сохранились, с небольшими изменениями, до последнего времени. Таким образом, разработанный коллективом учёных метод выплавки феррованадия складывался из следующих элементов.
Руда, содержащая ванадий, подвергалась прежде всего обогащению. При этом удалялась часть пустой породы, и концентрация ванадия в руде увеличивалась. Обогащённая руда поступала в домну, где из неё выплавлялся ванадиевый чугун.
Ещё в жидком виде чугун заливался в мартеновскую печь.
Процесс в мартене вёлся таким образом, что большая часть ванадия соединялась с кислородом и переходила в шлак.
Полученный шлак, в свою очередь, химически перерабатывался, образуя сложное вещество — ванадат кальция. Наконец, последний в результате переплавки в электрической печи давал феррованадий.
*
Молодого научного работника Александра Юльевича Полякова уже издавна привлекают сложные процессы, происходящие при плавке металлов в электрических печах.
Не случайно поэтому, что вскоре после окончания техникума Поляков поступает в Московский институт стали, где специализируется по электрической плавке металлов.
Ещё будучи студентом, он приобщается к исследовательской деятельности. Его дипломная работа посвящена изучению трансформаторов — основных силовых устройств электропечей.
Научные работники Института стали Боголюбов, Елютин и Окороков составляют технический проект первого в СССР завода по получению феррованадия. Поляков привлекается к этой работе. Окончание технического проекта почти совпало с защитой Поляковым диплома. Молодого инженера направляют на завод, где было решено начать производство нового сплава.
Поляков принимает активное участие в составлении рабочего проекта и в строительстве ванадиевого цеха. Он назначается заместителем начальника этого цеха.
Прошёл год. Инж. Поляков зачисляется аспирантом Московского института стали и покидает завод. Но он не забывает о чудесном металле. Наоборот, Поляков мечтает и дальше работать над изучением процессов получения ценного сплава. Он уже хорошо знает все недостатки производства феррованадия и горит желанием приложить свои силы к составлению правильных, научно обоснованных методов плавки.
*
Приступая к диссертационной работе, Поляков прежде всего поставил перед собой задачу: создать такой метод производства феррованадия, который давал бы наибольший выход этого сплава. Поляков знал, что бичом старых процессов являются большие потери ванадия. Не менее трех четвертей этого ценного металла, содержащегося в руде, бесследно исчезало в многочисленных звеньях процесса получения феррованадия. Правда, над сокращением потерь ванадия работали советские инженеры ещё до того, как Поляков приступил к своей исследовательской теме. Было, например, замечено, что ванадат кальция — промежуточный продукт, из которого в электропечи получают феррованадий — имеет небольшой удельный вес; кроме того, он пылеват. Мелкие пылинки ванадата при загрузке его в печь легко поднимались в воздух и осаждались на стенах и крыше цеха. Для получения феррованадия вместо ванадата кальция стало применяться другое вещество — пятиокись ванадия, — отличающееся высокой механической прочностью. Потери в виде пыли сократились, но значительного повышения выхода ванадия достигнуто не было. Многие специалисты считали это вполне нормальным, однако Поляков не разделял их взглядов. Его сомнения в правильности нового процесса ещё более усилились, когда он задумался над химическим составом веществ, загружаемых в электрическую печь. Ванадат кальция содержит до 30% кислородного соединения ванадия (\({\mathrm V}_2{\mathrm O}_5\)) и до 55% извести, а пятиокись ванадия имеет в своём составе более 80% (\({\mathrm V}_2\mathrm O\)) и до 1% железа. Таким образом, новое сырье оказалось втрое богаче окислом, содержащим ванадий.
*
Как же использовались в металлургическом процессе преимущества нового, более концентрированного соединения ванадия? Практически никак. При плавке ванадата кальция в печь добавляли очень мало извести, так как она входила в состав самого ванадата. При работе на пятиокиси ванадия стали добавлять значительно больше извести. В результате получилось, что пятиокись ванадия оставалась богатым ванадиевым соединением только до загрузки в печь, где она, встречаясь с большим количеством извести, быстро превращалась в ванадат. Ясно, что характер процесса плавки остался прежним, а исключительные возможности богатой ванадием пятиокиси оказались неиспользованными. После такого анализа Полякову стало ясно, что правильный метод получения феррованадия должен учитывать и использовать все физико-химические особенности исходного сырья.
Опыты, проведённые в лаборатории, убедили Полякова в том, что при высокой температуре большое количество пятиокиси ванадия улетает из печи в виде пара. Для уменьшения этих потерь нужно было или понизить температуру в печи или резко сократить время плавки. Температура в печи определяется горением вольтовой дуги и является величиной более или менее постоянной. Поэтому основное внимание Поляков уделил ускорению химических реакций, происходящих при плавке.
При выплавке феррованадия в электропечь обязательно добавляется кремний в соединении с железом (так называемый ферросилиций). Кремний энергично соединяется с кислородом, при этом ванадий восстанавливается из окисла. Реакция восстановления ванадия, а также реакция окисления избыточного кремния кислородом воздуха сопровождаются выделением огромного количества тепла. (В химии такие реакции называются экзотермическими; о них была специальная статья в нашем журнале — см. «Техника—молодёжи» № 2 за 1939 г., статья «Печи без топлива».) Элементарные расчёты показывают, что этого тепла будет почти достаточно для расплавления загруженных в печь материалов и нагрева их до температуры 1600°.
Однако в старом процессе производства феррованадия тепло химических реакций практически почти не использовалось. Пятиокись ванадия вводилась в печь большими кусками, а избыточный кремний окислялся кислородом воздуха очень медленно. Все это приводило к тому, что реакции в печи также шли медленно и большое количество выделявшегося тепла расходовалось непроизводительно. Учитывая эти обстоятельства, Поляков решил построить процесс таким образом, чтобы химические реакции протекали с максимальной скоростью, обеспечивая выделение большего количества тепла в самой шихте. Для этого нужно было ввести в печь особое вещество, которое могло бы быстро окислить избыточный кремний и за счёт выделившегося тепла ускорить реакцию восстановления ванадия. Таким веществом, по предложению инж. Боголюбова, явилась селитра — азотнокислая соль калия или натрия. Применение селитры резко ускорило химические реакции, и необходимость добавлять в печь известь отпала. Преимущества высококонцентрированной по ванадию пятиокиси перед низко концентрированным ванадатом были, таким образом, использованы.
Уже первые опытные плавки феррованадия по методу А. Ю. Полякова показали большие достоинства этого метода. Повысился выход ванадия. Вдвое сократился расход электроэнергии. Значительно уменьшилась продолжительность плавки.
*
Итак, новый способ производства феррованадия был разработан. Однако Поляков не остановился на этом. Он знал, что за границей, в Германии и США, распространён другой метод. Принцип иностранного метода был не нов. Его предложил ещё в конце прошлого столетия немецкий инженер Ганс Гольдшмидт. Сущность этого метода состоит в том, что выплавка феррованадия из пятиокиси производится целиком за счёт внутреннего тепла, выделившегося в результате химических реакций, без какого бы то ни было подвода тепла извне.
Чтобы реакции восстановления ванадия из окисла могли пройти достаточно быстро и количество выделившегося тепла было значительным, при плавке должен применяться очень энергичный восстановитель. Таким восстановителем является алюминий. Поэтому и метод производства феррованадия называется алюминотермическим.
Получение алюминия связано с затратами огромного количества электрической энергии. Наоборот, обратный процесс — соединение чистого алюминия с кислородом — сопровождается колоссальным выделением тепла. Это и положено в основу алюминотермического метода производства феррованадия.
В массивный металлический сосуд — горн, облицованный огнеупорным кирпичом, загружается шихта, т. е. смесь, состоящая из пятиокиси ванадия, алюминиевой крупки, железных стружек и ряда других веществ. Затем в горн кладётся запальная смесь, при горении которой развивается тепло, необходимое для того, чтобы в шихте начались химические реакции. Чтобы «зажечь» любое количество шихты, достаточно всего лишь 0,5 килограмма запальной смеси, состоящей из железной окалины и алюминиевой крупки. Смесь запаливается обычной вольтовой дугой. Вслед за этим в шихте быстро развиваются химические реакции, и процесс получения феррованадия из пятиокиси заканчивается в течение нескольких минут.
Алюминотермический способ также уменьшает потери ванадия. Он даёт снижение себестоимости тонны феррованадия на 3 тыс. рублей и почти не требует расхода электроэнергии. Электропечь применяется здесь только для того, чтобы извлечь небольшое количество ванадия, оставшегося в шлаках алюминотермического процесса. Алюминотермический метод производства феррованадия (и ряда других сплавов), несомненно, найдёт широкое применение в тех районах нашей страны, где нет мощной сети электрических станций.
 |
Руда, содержащая ванадий, по железной дороге подаётся на
обогатительную фабрику, а оттуда поступает в доменный цех. Жидкий ванадистый
чугун заливается в мартеновскую печь. Почти весь ванадий переходит в шлак. Шлак
скачивается, затем размалывается и обжигается. Полученное вещество — пятиокись
ванадия — расплавляется и, вытекая из печи на движущийся транспортёр, застывает
в виде ленты. А. Ю. Поляков разработал два способа получения феррованадия из
пятиокиси. При одном способе измельчённая лента переплавляется в электропечи,
при другом (алюминотермическом способе) плавка идёт за счёт тепла,
выделившегося в тигле в результате химических реакций. |
Аналогичные процессы, применяемые в заграничной практике, не могли быть механически перенесены на советские заводы. Быстро протекающие экзотермические реакции возможны только в том случае, если найдены строго определённые пропорции веществ, входящих в состав шихты, а также размеры зёрен каждого из этих веществ. Кроме того, практические данные иностранных заводов держатся в секрете. Поэтому и второй метод выплавки феррованадия, предложенный Поляковым, является творчеством его личным и коллектива института, в котором он работает.
Научные работники Института стали, особенно сотрудники кафедры электрометаллургии, деятельно помогали Полякову. Его работой руководил молодой профессор, воспитанник этого же института, Александр Михайлович Самарин. Тов. Самарин заслуженно пользуется среди электрометаллургов нашей страны большой популярностью. Он побывал за границей, глубоко изучил опыт передовых американских заводов и неустанно работает над развитием качественной металлургии СССР. Проф. Самарин энергично участвовал в выполнении темы, вникал во все детали работы.
 |
Проф. А. М. Самарин (на фото справа) консультирует аспиранта
А. Ю. Полякова. |
Недавно на заседании учёного совета Московского института стали аспирант Поляков защищал диссертацию. Совет института единодушно присвоил ему учёную степень кандидата технических наук, а разработанную им тему передал промышленности.
Комментариев нет:
Отправить комментарий