Леонид Смирнов
Генеральный директор ГНЦ РФ "Уральский институт металлов", член-корреспондент РАН

Юрий Дерябин
Исполнительный директор НИЦ металлургии ванадия, кандидат технических наук

    Металлургическая общественность отмечает важное событие – 300-летие уральской металлургии. Но в истории металлургии 2001 год знаменателен еще одной юбилейной датой: 200 лет назад был открыт ванадий - ценный химический элемент, который в настоящее время используется в самых различных отраслях производства, но, главным образом, в черной и цветной металлургии. История ванадия по своему драматична.
    Честь открытия этого металла принадлежит мексиканскому химику и минералогу Андреасу Мануэлю Дель-Рио. Он обнаружил в 1801 году в бурой свинцовой руде месторождения Zimapan (Мексика) новый химический элемент и назвал его эритронием (от греческого erythros - красный) из-за красного цвета, который принимала соль этого элемента при нагревании. Иногда его называли полихромом. Образцы мексиканской руды были отправлены на экспертизу во Французскую Академию наук, где в 1805 году химиком Колле Де-Костеля было дано, к сожалению, ошибочное заключение, что новое вещество - вид свинцового хромата. В результате открытие Дель-Рио тогда не было признано.
    Повторно ванадий был открыт только через три десятилетия. В 1830 - 1831 годах шведский физико-химик Н. Сефстрем, работая вместе со своим учителем, выдающимся шведским химиком И. Берцелиусом, нашел в шлаках от переработки железных руд месторождения Taberg оксид неизвестного элемента, выделил этот оксид и назвал элемент ванадием – в честь легендарной северной богини красоты Ванадис.
    Не прошло и года, как другой ученик И. Берцелиуса немецкий химик Ф. Велер, изучая образцы мексиканской свинцовой руды, доказал, что эритроний и ванадий – один и тот же химический элемент. Тем не менее, учитывая заслуги Сефстрема и Берцелиуса, элементу сохранили название ванадий. В настоящее время первооткрывателями ванадия считают двух ученых – Дель-Рио и Сефстрема. Позже ванадий был обнаружен в самых различных минералах: в свинцовых рудах Березовского рудника вблизи Екатеринбурга (1833 г.), в медистых песчаниках вблизи Перми (1838 г.), в урановых отвалах Иоахимсталя (Wohler and Patera, 1841 г.) и т.д.
    Следует отметить, что Сефстрем и Берцелиус ограничились химическими исследованиями ванадиевых соединений. Только в 1869 году английский химик Г. Роско при восстановлении дихлорида ванадия (VCl2) водородом впервые получил металлический ванадий в виде серебристо-белого порошка и описал его химические свойства.
    К промышленному получению соединений ванадия в Европе приступили в 1856 году. Но потребление этого металла в XIX веке было ограниченным: он использовался в основном в качестве травителя и красителя в керамике и текстильном деле. Поэтому и объем мирового производства ванадия не превышал нескольких десятков тонн в год.
    Известно, что инженер Шубин, обнаруживший ванадий в пермских медистых песчаниках в 1838 году, высказывал мысль о возможном благотворном влиянии ванадия на свойства железа и медных сплавов. В 1855 году другой русский инженер – П.М. Обухов заменил в шихте тигельного процесса магнитный железняк на широко распространенный на Урале титаномагнетит и получил высококачественную литую сталь, весьма пригодную для выделки холодного оружия. Сталь получила название "обуховской". Современные ученые объясняют причину высокого качества обуховской стали ее микролегированием одновременно титаном и ванадием. Действительно, во всех уральских титаномагнетитовых рудах присутствуют оксиды ванадия. Однако официально ванадий был впервые обнаружен в уральских титаномагнетитовых рудах только в 1923 - 1925 годах. Поэтому сегодня можно говорить лишь о неосознанном использовании в XIX веке П.М. Обуховым уральской титаномагнетитовой руды, обеспечивавшей более высокое качество тигельной стали.
    В 1896 - 1906 годах были проведены первые специальные исследования по оценке возможности использования ванадия для улучшения качества различных сталей. В частности, такое задание получил профессор Арнольд в Шеффилдском колледже (Великобритания). Результаты его исследований легли в основу создания целого ряда инструментальных и штамповых сталей. Основное значение имели твердость карбида ванадия и его стабильность при высоких температурах. Примечательно, что применение ванадия в указанных сталях со временем не уменьшилось, а в последние годы даже возросло.
    Изыскания исследователей в Англии и Франции показали полезность применения ванадия для машиностроительных сталей, особенно после их закалки и отпуска. А вот применение ванадия для легирования автомобильных сталей началось случайно. Генри Форд, наблюдавший за автомобильными гонками, стал свидетелем аварии французского автомобиля и обратил внимание на повышенную прочность коленчатых валов, изготовленных из шведского металла. Анализ шведской стали обнаружил присутствие в ней ванадия. Форд дал указание использовать ванадиевые стали для ответственных деталей в автомобилях своей фирмы с целью "улучшения сопротивления удару и усталости на американских дорогах".
    Уже в первые десятилетия ХХ века в развитых странах начинается широкое применение ванадия как легирующего элемента в сталеплавильном производстве. Вместо солей ванадия промышленность Англии, Германии, Франции и США приступает к выпуску, главным образом, феррованадия, ставшего для его производителей очень выгодным товаром. К началу первой мировой войны общий объем производства ванадия достигал уже более 1 тыс. т в год.
    В ХХ столетии потребление ванадия мировым хозяйством возросло многократно, и сфера его использования существенно расширилась. Сегодня объемы производства и продажи пентаоксида ванадия и продуктов его переработки (феррованадия и сплавов на основе ванадия), фиксируемые на мировом рынке, составляют 35 – 40 тыс. т в год. Фактические объемы потребления – с учетом использования ванадия для легирования стали на заводах-производителях ванадия, а также применения для легирования промежуточных продуктов (ванадиевых чугуна, шлака, металлоотсева) и различных ванадийсодержащих лигатур - несколько выше: 40 - 50 тыс. т в год.
    Более 80 % ванадия применяется в черной металлургии. Это – высокоэффективная, а в ряде случаев незаменимая легирующая добавка при производстве высококачественных сталей различного сортамента. Около 10 - 15 % ванадия используется в цветной металлургии - главным образом, в виде алюминий-ванадиевых сплавов для легирования конструкционных материалов на основе титана. Кроме того, ванадий применяют при производстве различных сплавов для ядерной энергетики, при получении катализаторов, химикатов, травителей, красителей, полимерных материалов, лекарственных препаратов, микроудобрений, стеклобетонов, люминофоров, сверхпроводников, сегнетоэлектриков, полупроводниковых элементов и др.
    Россия в связи с отсутствием крупных запасов собственно ванадиевых богатых руд длительное время закупала ванадий за рубежом. Решение проблемы производства этого металла в нашей стране неразрывно связано с комплексной переработкой ванадийсодержащих титаномагнетитов. Практически сразу после обнаружения в 1923 - 1925 годах ванадия в уральских титаномагнетитах (0,1 - 1,5 % V₂O₃) специалисты начали изыскания оптимальных промышленных технологий попутного извлечения ванадия из этого весьма непростого для металлургов сырья. Благодаря настойчивым усилиям исследователей и технологов уже в 1935 году на Чусовском металлургическом заводе начали регулярно осуществлять выплавку ванадиевого чугуна из титаномагнетитовых руд Кусинского и Первоуральского месторождений. В 1936 году на заводе были произведены первые сотни тонн отечественного феррованадия, что позволило освободить страну от необходимости импорта этого важного стратегического материала.
    Таким образом, уральская металлургия стала пионером в освоении и промышленном внедрении технологий комплексной переработки титаномагнетитов с попутным извлечением ванадия и переводом его последовательно в ванадиевый чугун, малоизвестковый ванадиевый шлак, ванадат кальция и пентаоксид ванадия, феррованадий и сплавы на основе ванадия. Более того, выяснилось, что попутное извлечение ванадия, наряду с главным полезным компонентом - железом, в значительной степени предопределяет рентабельность и экономическую целесообразность металлургической переработки титаномагнетитов.
    После исчерпания к середине ХХ столетия мировых запасов собственно ванадиевых богатых руд зарубежные страны также начали осваивать процессы попутного извлечения ванадия из титаномагнетитовых руд. Есть все основания полагать, что титаномагнетиты, общие запасы которых исчисляются многими десятками миллиардов тонн, останутся на обозримую перспективу основным источником ванадия для мировой и отечественной промышленности.
    В 1960 - 1970 годы после выработки запасов руд Кусинского месторождения в нашей стране был создан современный ванадиевый комплекс, основанный на переработке титаномагнетитов Гусевогорского и Качканарского месторождений.
    Кроме того, на ряде заводов страны производились необходимые для оборонной промышленности чистый пентаоксид ванадия, металлический ванадий и различные сплавы на его основе, в том числе для легирования титана. Значительное количество ванадия поступало на Верхнесалдинское металлургическое производственное объединение (ВСМПО), которое было и остается одним из крупнейших в мире производителей титановых материалов для авиакосмической промышленности.
    Благодаря освоению и внедрению комплексной переработки качканарских титаномагнетитов Россия вышла на второе место в мире по производству ванадия (после ЮАР) и прочно удерживает эти позиции.
    Повышению объемов и эффективности применения ванадия в немалой степени способствовали разработки Уральского института металлов по созданию и внедрению ванадийсодержащих деформируемых и литых сталей массового назначения. На основе теории карбонитридного упрочнения путем введения малых добавок ванадия была разработана, совместно с предприятиями, широкая гамма низколегированных ванадийсодержащих сталей повышенной и высокой прочности и хладостойкости для проката и отливок. Стали, микролегированные ванадием, нашли применение в строительстве доменных печей объемом 3200 и 5000 м³, конвертерных цехов с 350 - 400-тонными конвертерами, кранов грузоподъемностью 1200 т, строительных сооружений с пролетами 120 м и других уникальных объектов.
    Использование ванадийсодержащих сталей в тракторо- и вагоностроении и горно-металлургическом машиностроении позволило повысить долговечность и надежность деталей в 1,3 - 2 раза при значительной экономии металла. Для расширения выпуска ванадиевых и других низколегированных сталей разработаны технологии их производства, в том числе с использованием методов прямого легирования, составы и технологии производства комплексных лигатур и сплавов (силикованадиевые, силикованадийкальциевые, хромомарганцевые, титанистые).
    Сейчас российский ванадий поступает на экспорт в Финляндию, Италию, Испанию, Германию, Китай, Иран, Южную Корею, США и другие страны. Благодаря этим поставкам, объем производства ванадия достиг в 2000 году максимального уровня за всю историю существования ванадиевого комплекса в России: более 8 тыс. т по ванадию в пентаоксиде ванадия. Сейчас основной задачей металлургов и машиностроителей надо считать возрождение отечественного производства ванадийсодержащих сталей различного сортамента и, соответственно, повышение объемов внутреннего потребления ванадия. Для этого есть все объективные основания.