Ferrovanadio
Il ferrovanadio (FeV) è una lega madre costituita principalmente da ferro e vanadio, con un contenuto di vanadio di almeno il 50% in peso. Questa lega viene prodotta mediante riduzione delle corrispondenti materie prime o dei loro concentrati.[1] Il prodotto si presenta come un solido cristallino argenteo grigiastro che può essere frantumato ottenendo la cosiddetta "polvere di ferrovanadio" che viene addizionata agli acciai per ottenere grana fina, durezza e resistenza alla torsione e alle alte temperature.[2]
Composizione
Il ferrovanadio ha in genere un contenuto di vanadio compreso nell'intervallo 35-85%; il ferrovanadio più comune è il FeV80 che ne contiene 80%.[3] Oltre a ferro e vanadio, nel ferrovanadio sono contenute piccole percentuali di silicio, alluminio, carbonio, zolfo, fosforo, arsenico, rame e manganese. Queste componenti minori possono arrivare fino all'11% in peso della lega. La composizione specifica determina il tipo particolare di ferrovanadio, come illustrato nella tabella successiva.[4]
| Tipo di ferrovanadio | V | Si | Al | C | S | P | As | Cu | Mn |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| FeV75C0.1 | 70-85 | 0,8 | 2,0 | 0,1 | 0,05 | 0,05 | 0,05 | 0,1 | 0,4 |
| FeV75C0.15 | 70-85 | 1,0 | 2,5 | 0,15 | 0,1 | 0,1 | 0,05 | 0,1 | 0,6 |
| FeV50C0.4 | 48-60 | 1,8 | 0,2 | 0,4 | 0,02 | 0,07 | 0,01 | 0,2 | 2,7 |
| FeV50C0.5 | 48-60 | 2,0 | 0,3 | 0,5 | 0,02 | 0,07 | 0,01 | 0,2 | 4,0 |
| FeV50C0.6 | 48-60 | 2,0 | 0,3 | 0,6 | 0,03 | 0,07 | 0,02 | 0,2 | 5,0 |
| FeV50C0.3 | >50 | 2,0 | 2,5 | 0,3 | 0,1 | 0,1 | 0,05 | 0,2 | 0,2 |
| FeV50C0.75 | >50 | 2,0 | 2,5 | 0,75 | 0,1 | 0,1 | 0,05 | 0,2 | 0,2 |
| FeV40C0.5 | 35-48 | 2,0 | 0,5 | 0,5 | 0,05 | 0,08 | 0,03 | 0,2 | 2,0 |
| FeV40C0.75 | 35-48 | 2,0 | 0,5 | 0,75 | 0,05 | 0,08 | 0,03 | 0,4 | 4,0 |
| FeV40C1 | 35-48 | 2,0 | 0,5 | 1,0 | 0,05 | 0,1 | 0,03 | 0,4 | 6,0 |
Sintesi
Circa 85% del vanadio estratto dai minerali presenti sulla crosta terrestre è ridotto producendo leghe come il ferrovanadio. Nel passato la riduzione era condotta con carbone, ma inevitabilmente si formavano carburi di vanadio intrattabili. Per aggirare questo inconveniente la riduzione è ora effettuata con ferrosilicio (una lega ferrosa contenente il 15-90% di silicio) o con alluminio.[1][5]
Riduzione con ferrosilicio
Pentossido di vanadio (V2O5), ferrosilicio (FeSi75), calce (CaO) e le scorie (gli scarti riciclati contenenti vanadio) sono trattati in un forno elettrico ad arco a 1850 ºC. Il silicio contenuto nel ferrosilicio riduce il vanadio da V2O5 a vanadio metallico; quest'ultimo si lega al ferro formando il ferrovanadio. In una seconda fase si aggiungono anidride vanadica e calce in eccesso per esaurire il silicio e affinare la lega. Con questa procedura si ottiene ferrovanadio contenente 35-60% di vanadio.[4][6]
![{\displaystyle {2\,\mathrm {V} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {O} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{5}}~\ {}+{}\ 5\,(\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{\mathchoice {\textstyle {\frac {y}{5}}}{\frac {y}{5}}{\frac {y}{5}}{\frac {y}{5}}}}\mathrm {Si} ){\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{\mathrm {lega} }}~\ {}+{}\ 10\,\mathrm {CaO} {}\mathrel {\longrightarrow } {}4\,(\mathrm {Fe} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{\mathchoice {\textstyle {\frac {y}{4}}}{\frac {y}{4}}{\frac {y}{4}}{\frac {y}{4}}}}\mathrm {V} ){\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{\mathrm {lega} }}~\ {}+{}\ 5\,\mathrm {Ca} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{2}}\mathrm {SiO} {\vphantom {A}}_{\smash[{t}]{4}}}}](./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/78259e772c41b51b8bba341da5f6c465027a6efb.svg)
Riduzione con alluminio
Ferro, pentossido di vanadio, alluminio in polvere e calce sono trattati in un forno elettrico ad arco. Il processo è fortemente esotermico e una volta iniziato si autoalimenta. Analogamente al caso del silicio, l'alluminio riduce il vanadio da V2O5 a vanadio metallico, che si scioglie nel ferro formando il ferrovanadio. Con questa procedura si ottengono leghe ad alto tenore di vanadio; si può arrivare al 90%.[1][4][7]
Applicazioni
Il ferrovanadio è usato principalmente come lega madre per la produzione di acciai quali acciaio al carbonio, acciaio legato, acciaio rapido e super rapido e acciaio debolmente legato ad alta resistenza (HSLA). Questi acciai sono utilizzati per produrre componenti automobilistiche, tubi, utensili e altri oggetti.[7]
L'aggiunta di vanadio indurisce l'acciaio rendendolo più resistente alla temperatura e alla torsione.[2] La maggior robustezza è il risultato della formazione di carburi di vanadio con una struttura cristallina rigida e una granulometria più fine, in modo da diminuire la duttilità dell'acciaio.[7] Oltre che per modificare la composizione dell'acciaio, il ferrovanadio può anche essere usato per rivestirlo. Un rivestimento di ferrovanadio nitrurato fa crescere del 30-50% la resistenza all'abrasione dell'acciaio.[8]
Tossicologia
Il ferrovanadio in forma massiva non è pericoloso. La polvere di ferrovanadio è irritante per contatto con gli occhi e per inalazione. La polvere ha provocato bronchite e polmonite cronica in animali esposti per due mesi ad intervalli ad alta concentrazione (1000-2000 mg/m3) di polvere. Questi effetti a lungo termine non sono stati però osservati nell'uomo.[2]
Curiosità
- Il ferrovanadio venne realizzato massicciamente in Unione Sovietica, a Tula, nel consorzio tecnico-produttivo Tulacernet. Venne prodotto in un ciclo chiuso, senza immissione di sostante nocive nell'atmosfera. A questo lavoro, visto che era un'innovazione nella scienza, venne dato il Premio Lenin[9].
Note
- 1 2 3 Bauer et al. 2002
- 1 2 3 Hathaway e Proctor 2004
- ↑ Swinbourne et al. 2016
- 1 2 3 4 Gasik 2013
- ↑ Greenwood e Earnshaw 1997
- ↑ Vermaak 2007
- 1 2 3 Wang e Sutulov 2016
- ↑ Ivanova e Narkevich 2008
- ↑ Cfr. A. Guber, Made in Urss, Casa Editrice Roberto Napoleone, Roma, 1982, pp. 78-79.
Bibliografia
- (EN) G. Bauer, V. Güther, H. Hess e altri, Vanadium and Vanadium Compounds, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, 2002, DOI:10.1002/14356007.a27_367.
- (EN) M. Gasik (a cura di), Handbook of Ferroalloys: Theory and Technology, Oxford, Butterworth-Heinemann, 2013, ISBN 978-0-08-097753-9.
- (EN) N. N. Greenwood e A. Earnshaw, Chemistry of the elements, 2ª ed., Oxford, Butterworth-Heinemann, 1997, ISBN 0-7506-3365-4.
- (EN) G. J. Hathaway e N. H. Proctor, Proctor and Hughes' Chemical Hazards of the Workplace, 5ª ed., Hoboken, Wiley-Interscience, 2004, ISBN 0-471-26883-6.
- (EN) E. A. Ivanova e N. A. Narkevich, Coatings Dispersely Hardened by Nitrided Ferrovanadium and Applied by the Electron-Beam Method (PDF), in Steel in Translation, vol. 38, n. 10, 2008, pp. 820-823, DOI:10.3103/S0967091208100070.
- (EN) D. R. Swinbourne, T. Richardson e F. Cabalteja, Understanding ferrovanadium smelting through computational thermodynamics modelling, in Mineral Processing and Extractive Metallurgy, vol. 125, n. 1, 2016, pp. 45-55, DOI:10.1179/1743285515Y.0000000019.
- M. K. G. Vermaak, Vanadium recovery in the electro-aluminothermic production of ferrovanadium, su repository.up.ac.za, University of Pretoria, 2007. URL consultato l'8 giugno 2018.
- C. T. Wang e A. Sutulov, Vanadium processing, su Encyclopædia Britannica, Encyclopædia Britannica, inc., 2016. URL consultato il 9 giugno 2018.