你不了解的“钒”

2019 年 5 月 10 日 科学出版社

钒（V）是一种过渡金属元素。1830年瑞典化学家尼尔•加布里埃尔•西弗斯特姆（Nil Gabriel Sefstrom）在研究铸造生铁时，发现了这种性质类似铬和铀，但又与铬和铀存在不同之处，具有炫丽颜色的新元素，并以瑞典美丽女神弗雷娅•维拉斯（Freya Vanadis）的名字命名为钒（vanadium）。人们对钒的研究进展缓慢，直到1867年，才首次分离出较纯的金属钒，此后分别制得钒的多种氧化物和氯氧化钒，如V₂O₅、V₂O₄、V₂O₃、V₂O₂、VOCl₃、VOCl₂和VOCl等。

稀有金属钒在发展新兴产业、国防军工和传统产业升级中具有不可替代的重要作用，是各发达国家竞相竞争的战略储备资源。

进入20世纪，钒在钢铁工业的重要作用被广泛认识。1903年英国首次生产出含钒的合金钢，钒的加入提高了钢的强度并改善钢的结构；1905年美国将性质优良的含钒合金钢引入汽车工业。1905年在南美洲秘鲁的沥青岩（asphaltite）中发现高品位硫化钒矿（绿钒硫矿，patronite，VS₄），并投入生产，标志着钒工业的形成。与此同时，含钒铁矿作为一种钒资源，也相继得到开采，以这种含钒铁矿为原料，采用冯•赛思（Von Seth）和克里斯蒂安娜•斯皮格威克（Christiania Spigerverk）的工艺方法可以生产出富钒渣，1938年德国大规模从这些富钒渣中提取钒，用于生产钒铁和面向化学工业生产V₂O₅。

20世纪中期，钒工业在各方面取得了突飞猛进的发展，包括钒资源、钒的提取技术、钒的应用领域和钒应用技术。20世纪60年代后，钒钛磁铁矿作为一种新的钒资源出现，继而其他钒资源包括美国的阿肯色州（Arkansas）钒土矿和爱达荷州（Idaho）磷酸盐矿，中国、挪威和智利的钒钛磁铁矿，中国的钒页岩，法国的铝矾土，印度、匈牙利和加拿大的沥青页岩中的钒也开始得到开发。另外，在原子能工业原料铀的强化提取过程中，钒作为一种副产物成为钒资源的新来源，如美国科罗拉多的钒铀矿等。石油中的钒，如委内瑞拉的原油中含钒高达0.14%，原油燃烧后的飞灰中含钒高达40%，近年来已成为一种重要的钒资源。含钒催化剂的循环利用也成为钒资源来源的一个重要组成部分。

表钒的主要应用领域及用量

钒资源的不断扩展，新的钒提取技术也不断涌出，并引进原子能等新兴工业的一些分离提取技术，形成了加盐焙烧、酸浸、水浸、溶剂萃取、离子交换、氨盐沉钒等技术，这些技术使钒的产量和纯度得到极大提高。从20世纪50年代开始，美国、英国、德国等国，在钙热还原法、铝热还原法和镁热还原法的基础上，采用热真空精炼和电子束悬浮精炼技术，制备出纯度达99.9%的高纯钒。20世纪70年代以来，高纯金属钒的制备技术逐渐成熟并得到广泛推广。当前，钒的最大用途在于炼制合金钢，主要生产含钒高强度的合金钢及其他新型的含钒合金（如Ti6Al4V）。从20世纪60年代开始，含钒的钛合金开始广泛用于航空、航天工业。随着原子能和核工业的发展，在快速增殖反应堆和热核反应堆中，使用含钒的结构材料，如含V 80%、含Cr 15%和含Ti 5%的合金可以满足反应堆对结构材料性能的要求。此外，含钒的超导材料也因其优良的性质，得到了广泛关注。美国、日本等国曾使用纯钒制得的V₃Ga合金作为高效的超导材料。

中国的钒产品占全球钒产品总量的 80%，是世界最大的钒生产、供应和消费国。

根据国际钒技术委员会（VANITE）公布2011~2016年全球钒产量及消耗量的统计数据，全球主要钒生产国家或地区为中国、俄罗斯、南非、美洲，这与这些国家或地区丰富的含钒资源有关，环太平洋地区及印度钒产量较小。中国及其他亚洲国家、北美洲和欧洲等国家和地区为钒的主要消耗区域。2011~2014年全球钒产量及消耗量均呈上升趋势，2014~2016年却呈下降趋势，钒产量与市场变化息息相关，而中国的钒产量及消耗量均占全球的50%以上。

中国既是钒的生产大国，也是消费大国，但是在当前钒工业技术领域，美国处于领先地位，主要表现在钒资源原料的多样化（铀钒矿、含钒黏土和磷酸盐矿等）和钒产品的多样化（包括V₂O₅、VN、FeV、偏钒酸铵和铝钒合金等），同时受到核工业和航空、航天工业的带动，美国高纯金属钒的研究和生产也一直处于世界领先地位。钒铁的生产过程是一个高耗能过程，近年来美国对这种高耗能的初级钒制品已基本停产，主要依靠进口来满足本国工业生产的需求。俄罗斯有着丰富的钒钛磁铁矿资源，产品主要是钒铁和五氧化二钒；德国、英国等国大多需要进口钒资源，以生产钒铁；西班牙、瑞典等国有少量含钒矿物资源，主要生产钒铁和钒酸铵等；加拿大主要从沥青页岩中提取钒，生产钒铁和五氧化二钒，现在已加大对高纯金属钒的研究和利用，用于生产大容量的钒蓄电池；南非是世界上钒钛磁铁矿资源最丰富的国家，产品主要有钒铁和五氧化二钒；赞比亚的含钒资源主要是钒酸盐矿；秘鲁高品位的硫钒矿已开发枯竭；在委内瑞拉，原油燃烧后的飞灰逐渐成为重要的钒原料，世界各国也均相继开发出从燃烧飞灰中提取钒的技术。

中国的钒资源十分丰富，2015年V₂O₅探明储量为6125.7×10⁴ t，2016年V₂O₅探明储量增至6401.77×10⁴ t，主要为四川攀枝花地区和河北承德地区的钒钛磁铁矿，以及含钒页岩。页岩钒是中国特有的一种含钒资源，中国从20世纪60年代开始研究从页岩中提取钒的技术，70年代开始进行工业生产，目前已形成多种页岩提钒工艺技术。我国的钒产品主要为钒铁和五氧化二钒。近年来由于钒电池、新材料等行业的发展，对钒产品纯度的要求越来越高，含钒页岩的铁、铝、磷等杂质含量相对较低，具有制备高纯钒产品的天然优势，已成为制备高纯钒产品的重要含钒资源。

钒页岩分离化学冶金

“十一五”以来，国家在钒的研究领域，特别是在复杂低品位钒页岩资源的开发与利用上给予了持续科技投入和扶植，使其科学技术水平得到了长足进步。这一时期的科研工作，重点瞄准钒页岩领域普遍存在的回收率低、资源无序消耗严重、高污染排放等重大问题，针对不同钒页岩类型，开发出回收率高、运行成本低、环境友好的页岩钒生产工艺及装备，并借此建成了一批具有高起点、高配置水平的标志性页岩钒工程，实现了我国钒技术的整体跨越。

“十二五”以来，随着钒页岩利用技术的不断发展，越来越强烈地显现出基础理论与技术快速发展的不对称性，许多实际生产中的现象难以得到合理解释和正确认识。这一状况，已经或正在严重影响着钒产业的发展进程。令人遗憾的是，目前还没有一本专门描述钒页岩分离化学冶金的理论书籍。作者针对钒页岩分离冶金过程的基础理论和技术基础理论，以完善和建立理论体系为撰写《钒页岩分离化学冶金》（张一敏著. 北京：科学出版社,2019.03）一书目的，试图对其实现重新认识和理论突破。

全书包括钒页岩特性及结构化学，钒页岩高温固相反应与溶液化学，页岩钒富集和杂质分离调控，高纯钒化物的制备等，并对页岩钒分离化学冶金形成的新工艺和技术进行适当篇幅描述。

作者及团队长期的研究成果积累，为本次成书打下坚实基础，而钒页岩分离化学冶金所体现出的多学科交叉融合，无疑给本书的理论构建提供宽广支撑，使得它充实、新颖，具有活力。毋庸讳言，钒页岩利用是一个十分复杂的过程，一定还有很多需要攻克和解决的问题，这本书的出版绝不是最后和唯一。