国外钒的应用概况_中国钒钛之都

钒在冶金、宇航、化学、建材和电子工业等领域具有广泛的用途。国外 85 %的钒用于冶金工业。本文详细叙述了钒在钢铁生产中的应用,同时介绍了钒在其它各领域中的应用现状以及钒的最新应用研究发展趋势。
    1.钒在钢铁工业中的应用
    钒在钢铁工业中主要用作合金添加剂。全球大约85 %的钒用于钢铁工业。因此 ,钢铁工业的发展变化对预测钒的需求至关重要。也就是说 ,钢铁对钒的需求趋势决定了钒工业的命运。在美国 ,碳素钢和高强度低合金钢是钢铁工业中钒用量最大的钢种 ,占钢铁工业钒用量的60 %以上,其次是高合金钢。尽管碳素钢钒消耗在90 年代初经济衰退期间有所下降 ,但其后 ,用量逐步增加。与之相反 ,HSLA 钢钒用量逐年下降。高合金钢和工具钢钒用量自 1992年反弹以后 ,也逐渐下降。1984～1994 年美国钢铁工业中钒的用量变化不大 ,平均在 3500t 左右。美国是全球唯一详细公布钒在钢铁工业中用量的国家。
    钒在钢中所起的作用主要是细化钢的组织和晶粒 ,提高晶粒粗化温度 ,从而降低钢的过热敏感性 ,提高钢的强度和韧性。在高温时把钒溶入奥氏体能增加钢的淬透性。此外 ,钒能增加淬火钢的回火稳定性 ,并产生二次硬化效应。钒作为强的碳化物形成元素和沉淀硬化剂 ,在高温下有较好的强度和抗冲击、耐腐蚀和可焊性。
    1984～1993 年, 英国钢铁工业钒的年消耗量在 500～800t 范围。1997 年日本钢铁工业使用了 5623t 钒铁 , 1998 年1～4 月使用了2002t 钒铁。
    2.钒在其它金属与合金中的应用
    80年代末以来 ,钒在非钢铁合金中的消耗逐渐减少 ,并不象钢铁工业那样随经济状况的好转而有很强的复苏迹象。随着新技术的不断进步 ,通常要求开发新的合金材料来满足对性能不断提高的要求。钒合金在应用中表现出许多重要的特性 ,仍然是一种很好的金属材料。
    含钒合金的主要使用部门是宇航和核工业。有色合金中钒的消耗不到世界钒消耗的10 %。
    2.1钛合金
    据美国USBM报道 ,非钢铁合金中90 %以上的钒是用来生产有色合金和磁性合金 ,其中钛合金占绝大多数。钛合金中的钒(添加量为 1 %)可作为强化剂和稳定剂 ,钛合金添加 4 %V 时 ,合金具有好的延性和成形性。在宇航工业中 ,目前还没有其它可替代钛合金的材料。在钛合金中 ,最重要的两种合金是 Ti -6Al - 4V(含 4 %V)和 Ti - 8Al - 1Mo - 1V。这两种合金共占钛合金市场的 50 %。这些合金用于生产喷气发动机、高速飞行器骨架和火箭发动机机壳。钒通常以钒铝基合金形式加入钛合金中。
    2.2其它有色和超级合金
    含钒高性能合金的主要非宇航潜在用途是在核聚变反应器生产中用作反应器的覆盖墙和屏蔽墙。目前一直在研究用于该领域的钒合金 ,与其它合金相比 ,在700 ℃时 ,这些合金仍保持较好的延性和强度 , 中子辐射衰变最小 ,可阻止放射;对液态锂和钠(用作冷却剂)具有良好的耐腐蚀性。
    钒可加入许多其它合金中 ,目的是增加强度和延性。例如:加入铜基合金中 ,用于控制气体成份和显微组织;加入铝合金中 ,用于生产内燃发动机活塞;加入一些镍基超级合金中生产汽轮机和叶片。
    3.钒在催化剂中的应用
    钒化合物在一些重要的化学工业生产中用作催化剂 ,尽管美国钒作催化剂的消耗预计仅为10t/a。但该数字不包括循环回收旧催化剂的钒( >1000tV2O5/ a) 。化学工业中V2O5 的主要用途是在硫酸生产中用作催化剂(也可用钒酸铵和钒酸钠) 。此外 ,V2O5 可把环已烷氧化为己二酸 ,钒催化剂也可用于聚合反应和草酸生产中。
    于聚合反应和草酸生产中。剂 ,预计该市场在未来几年中会明显扩大 ,因为美国更加严格的环保法规将迫使道路柴油车辆配备催化转换器 ,并将得到广泛的应用。
    与此同时 ,目前仍大力开发新的钒催化用途。
    4.钒在陶瓷、玻璃和颜料中的应用
    在玻璃中添加五氧化二钒(0.02 %V2O5 )可以消除对钒在陶瓷工业上用作颜料 ,称作陶瓷颜料。眼睛有伤害和造成织物褪色的高能超紫外线。钒也可用于调黄绿色玻璃 ,而添加氧化钒和氧化铯混合物可制得绿玻璃 ,该绿玻璃用于测量UV 辐射强度。预计该应用将逐步增加。
    加利福尼亚 Pasadena 的喷气推进试验室开发出一种称作干凝胶的新型玻璃 ,这种玻璃在一定的污染物质条件下能改变颜色。这种玻璃含有氧化钒 ,在通常条件下为粉红色 ,但与硫化氢接触后 ,干凝胶变为琥珀色 ,在氨水中转变为浅黄色 ,在甲酸中为褐绿色 , 在醋酸为中绿色 ,在氢气中为紫色。这种玻璃做成凝胶形式 ,然后进行干燥 ,在材料表面留下细孔 ,当不同物质的分子进入细孔时 ,与氧化钒反应 ,缓慢改变材料结构 ,从而可改变玻璃反射光和颜色。目前在进行干凝胶的工业应用研究。
    钒在颜料中可作为添加剂。一些特殊的元素在不同的晶格中可产生各种颜色。钒能产生蓝、黄和绿色 ,尤其可作美丽的蓝色着色剂 ,称作钒蓝。它是在钒化合物存在下 ,加热氧化锆和硅石生产含钒锆晶体得到的。
    钒的氧化物和偏钒酸盐可用于生产印刷油墨 ,它们可促使反应 ,形成树脂黑涂料。根据添加偏钒酸铵的性能 ,可生产一些快干油墨。少量的五氧化二钒也用于纺织物印花业。钒有助于氧化苯胺 ,得到较浓而不褪色的黑色染料。
    5.钒在蓄电池中的应用
    钒的用途之一是生产可充电氢蓄电池或钒氧化还原蓄电池。该用途是澳大利亚新南威尔逊大学研究开发的。这种电池采用充电高浓度溶液来代替传统的铅/酸电池充电板 ,通过溶液之间的电子交换产生电能。该系统设计采用三菱石油化学澳大利亚电厂从石油燃烧焦油中回收的钒。该焦油中含有大量钒。
    目前开发的技术可生产 10kW电池 ,使用时间为5h。下一步将生产 50kW电池 ,使用时间为 50h。由于用新充电钒溶液代替废电解液可及时对电池进行再充电 ,所以钒电解液可长期循环使用。试制产品表明电池能效高达90 %。
    预计钒能以 Zr - Ti - V - Cr - Ni(含 15 %V)基合金形式部分代替镍 - 镉电池。如果工业规模含钒电池开发成功 ,经济合算 ,则市场潜力将是巨大的。因为这种电池可用于计算机、蜂窝式电话、手提式电子装置和电动汽车。
    在未来的五至十年时间内 ,电动汽车将会快速发展 ,例如加利福尼亚议会提出 ,在 1998 年所有在加州销售汽车的大公司的产品必须有 2 %是无排弃物汽车。预计至少有 6 个州也将采用这一规定。这为开发经济的全电动汽车制定了目标 ,一旦开发成功 ,将得到广泛的应用 ,从而进一步推动钒的研究开发。
    然而 ,目前研究了一些可替代镍 - 镉电池的产品。主要的替代产品是镍 - 氢化物电池。到目前为止 ,镍 - 氢电池是最成功的产品。看来含钒电池要想取代镍 - 镉电池或镍 - 氢电池 ,还有很多工作要做。
    6.钒应用最新研究
    美国俄勒冈州大学的化学家们分离出一组即使加热仍然收缩 ,而不膨胀(称作各向同性)的化合物。钒和锆的磷酸盐看来是具有这种特性的最有希望的材料。这种均匀的热收缩性能在许多应用中非常有用 ,例如用于烘烤件、电子电路板和光导纤维(添加这些化合物可在较宽的温度范围稳定纤维) 。
    哥伦比亚大学的科学家分离出一种钒化合物 ,即二(maltlato)氧钒(IV) ,是潜在的胰岛素代用品。有可能用作糖尿病人胰岛素注射的口服辅助物。但钒酸盐离子可减少大量血糖 ,这一应用研究的大多数钒化合物(自70 年代末以来一直在研究)有毒性并且在胃中不易吸收 ,因而不适于口服。所以有必要做进一步的研究 ,因为新开发的化合物似乎对食欲有抑制作用 ,不能象胰岛素那样控制糖尿病人的血糖平衡 ,从而导致病人潜在问题。
    美国科学家合成了一种DNA 双螺旋线结构的有机物。这种有机物为晶体 ,由带钒氧和磷缠结螺旋物的螺旋磷酸钒组成。这种物质在电子材料中有潜在的用途 ,可作为选择吸收介质的催化剂和定型剂。
    7.结语
    到目前为止 ,钒主要用于钢铁工业 ,其用量约占钒消耗量的 85 %。主要是用于生产各种含钒钢 ,如碳素钢、HSLA钢、高合金钢和工具钢等。目前用量最大的钢种是碳素钢。尽管碳素钢吨钢含钒量低于HSLA钢等钢种但由于碳素钢绝对数量大所以在全部含钒钢种中钒用量占第一位。
    钒在稀有金属合金中具有广泛的用途 ,可生产钛合金以及一些超级合金。其中主要用于生产 Ti - 6Al- 4V和 Ti - 8Al - 1Mo - V两种钛合金。这两种钛合金在宇航工业中具有广泛的用途。随着航空航天技术以及民用航空器的不断发展 ,相信钒在钛合金生产中会有大的发展 ,用量将会进一步增加。
    多年来 ,钒一直用于化学工业、陶瓷和玻璃等工业中 ,主要是作为催化剂和着色剂。近年来随着这些领域的科技进步 ,又有一些新的用途 ,但其用量与钢铁工业相比较少。
钒作蓄电池是近年来开发的新产品 ,尚处于研究开发阶段。目前一些国家正在进行试验室研究开发如果该产品应用取得较大突破 ,估计钒的用量会有很大的增长。

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