简介概要

稀有金属钒的应用现状及市场前景

来源期刊：稀有金属2003年第6期

论文作者：任学佑

关键词：生产; 应用; 市场现状; 钒;

摘要：国内外的钒资源可被人类使用几个世纪. 澳大利亚、美国、俄罗斯、南非和中国是世界上的主要资源国和生产国. 钒主要用于钢铁工业中. 钒因具有许多特殊的性能而成为重要的高科技应用的稀有金属. 论述了稀有金属钒的资源、生产和应用, 对目前市场现状进行了分析, 最后指出了市场发展前景.

稀有金属 2003,(06),809-812 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2003.06.033

稀有金属钒的应用现状及市场前景

北京有色金属研究总院科技信息所北京100088

摘要：

国内外的钒资源可被人类使用几个世纪。澳大利亚、美国、俄罗斯、南非和中国是世界上的主要资源国和生产国。钒主要用于钢铁工业中。钒因具有许多特殊的性能而成为重要的高科技应用的稀有金属。论述了稀有金属钒的资源、生产和应用 , 对目前市场现状进行了分析 , 最后指出了市场发展前景。

关键词：

生产;应用;市场现状;钒;

中图分类号： F416.3

收稿日期：2002-10-20

Application Status and Market Prospects of Rare Metal Vanadium

Abstract：

Resources of vanadium at home and abroad have been used for centuries. Australia, America, Russia, South Africa and China are major resource countries and producers in the world. Vanadium is mainly used in steel and iron industry. Vanadium was became vital rare metal for high science and technology application due to its special properties. Resource, production and application of rare metal vanadium were outlined. Current market status was analyzed. Finally, market developing propect was pointed out.

Keyword：

production; application; market status; vanadium;

Received： 2002-10-20

钒是世界上具有战略意义的稀有金属, 钒产品越来越广泛地被应用在航空航天等高科技领域。全球用于钢铁工业的钒制品占世界总应用的85%以上。攀枝花钒资源相当丰富, 占中国钒资源的50%以上, 占世界钒资源的19%左右。加钒重轨国内市场占有率为40%, 所有钒制品在国内市场占有率超过80%。攀西地区还有丰富的冶金燃料和辅助材料资源, 因而在中国大力开发提钒技术、深加工产品和新应用是有独特的基础和广泛前景的 ^[1] 。

1 钒的资源

目前世界钒制品的主要来源是拥有含钛磁铁矿的澳大利亚、中国、俄罗斯及南非 (主要依靠从委内瑞拉石油残余物中回收钒) 。根据专家对钒储备估计, 若能节约地开采, 加上可能被利用的潜在储备, 世界大约有4130万吨。把总储备与当前33250吨的消耗水平相比, 总储备足够未来使用几个世纪。巴西、智利和马来西亚拥有含少量钒的磁铁矿。北美和澳大利亚昆士兰州有含钒的油页岩和沥青砂。在加拿大艾伯塔, 可从沥青砂中提炼钒。美国阿肯色州的铝粘土和科罗拉多州的铀矿石可能再次成为钒的来源。在委内瑞拉奥里诺科河 (Orinoco River) 沿岸贮藏的原油中含有钒, 这就可能从燃烧这种燃料的电力厂的锅炉灰和扬尘物中提取钒。欧洲地区除俄罗斯外, 很缺乏钒资源。

中国在攀枝花地区已探明储量中钒钛磁铁矿储量占近100亿吨。钒钛磁铁矿伴生有钒、钛、铬、钴、镍、镓、钪等多种有色和稀有金属, V₂O₅储量为1578万吨, 约占中国钒储量的62%, 世界储量的11% ^[1,2] 。

2 钒的生产

世界各主要产钒国都在生产各种含钒制品和钒钢。生产钒渣的国家主要是南非、俄罗斯、中国和智利。中国钒渣的总生产能力仅次于俄罗斯, 占世界第二位。生产V₂O₅的国家主要有南非、俄罗斯、美国、中国和日本等。目前中国V₂O₅生产能力已达每年1.7万吨, 居世界第4位。中国是世界三大产钒国之一, 而攀钢又是全球三大钒产品生产商之一。攀钢年产钒钛磁铁矿1200万吨。攀枝花新钢钒股份有限公司以钒为代表的系列有钒渣、 V₂O₅、 V₂O₃、高钒铁、氮化钒等。公司含钒钢种类很多, 以重轨为代表的型材系列及以热轧板卷为代表的系列钢等200多个品种。 1998年至2000年公司钒制品产量及其增长率列于表1 ^[1,2] 。

3 钒的应用

钒在钢铁工业中主要用作添加剂, 全球85%左右的钒用于钢铁工业, 其中碳素钢占20%, 高强度低合金钢 (HSLA) 占25%, 合金钢占20%, 工具

表1 1998~2000年新钢钒股份有限公司的钒制品Table 1Vanadium products of New Steel-Vanadium Share Co.Ltd. in 1998~2000

年代	产品种类	钒渣	V₂O₅	高钒铁	V₂O₃
1998	产量/t	12万	2082	1692
	增长率/%	24.98	8.55	36.78
1999	产量/t	13.45万	233		2181
	增长率/%	12.01	11.91		-
2000	产量/t	81865	1421		1653
	增长率/%	24.70	19.21		79.48

钢占15%。由于其强度大而广泛应用于输油 (气) 管道、建筑、桥梁、钢轨和压力容器等工程建设中。美国采用粉末冶金冷加工方法开发出耐腐蚀高钒工具钢, 其性能特别优异, 适用于作各种应用的工具 ^[1,2] 。

3.1 在钢中应用

到2000年我国钒钢应用量已经达到120万吨/年, 即含钒钢应用年增长10%。钒在钢中应用主要是通过添加钒来提高强度和韧性。钒对钢材的微结构和性能有许多不同的作用。例如在高碳钢里, 钒形成坚硬的碳化物, 达到模具和机床所要求的耐磨能力。在高温下, 碳化物不会变软。因而燃气涡轮引擎的轴承也使用这种钢材; 在低碳钢里, 钒在加工的高温下形成精细的沉淀物, 从而提高了在低温下的强度和韧性。故含钒钢可用于桥梁, 建筑和管道; 钒在焊接钢里, 可以稳定快速冷却形成的坚韧的铁素体相, 提高焊件在低温下的韧性; 钒在高温作业的钢材里, 产生的精细一碳化钒沉淀物在温度超过500 ℃仍非常稳定 ^[1] 。

3.2 在电池中应用

钒在电池中是以钒的氧化物形式作正极, 如把V₂O₅和V₆O₁₃用作锂电池正极。日本鹿岛发电、三菱化学、三菱重工、三菱电机和三菱贸易五家公司在开发钒二次电池 (即全钒离子电池) , 该种电池已经实用化。它用V₂O₅+H₂SO₄作液体电解质, 用碳作正极和负极, 电解液中的钒离子和电极通过授受电子进行充放电。电池蓄电量大小取决于电解液贮存容器的大小。初期开发的电池输出功率仅10 kW, 1996年下半年开发出200 kW的电池。 1997年以后开发出3000至数万千瓦的大容量电池。电池优点是可在常温下安全使用, 电解液和电池使用寿命均长。制造成本低, 为80万日元/kW以下, 低于钠离子电池的150万日元/kW。日本电池用V₂O₅的消费量为约5000 t·a^-1, 约占世界V₂O₅总消费量的10% ^[3] 。

美国也在开发钒电池, 例如美国研制出一种混合型非晶氧化钒, 用作再充锂电池的电极。该种钒氧化物的表示式为: Li_xM_yV_zO_{(x+5z+ny) /2}, 式中M为一种金属, 0<x<3, 0<y<3, 1<z<4, n=2或3。认为该种材料作电极, 其性能是很好的 ^[4] 。

美国使用V₂O₅材料制做锂离子电池, 先生产β-Li_xV₂O₅组成的正极, 其具体做法是将V₂O₅与锂盐反应, 使所有V₂O₅转变成Li_xV₂O₅, 通过此种电化学反应制成含锂和和V₂O₅的正电极。此种电极性能优良 ^[5] 。

3.3 在化工中应用

在化工中主要应用的钒制品有深加工产品V₂O₅ (98%~99.99%) , NH₄VO₃ (偏钒酸铵) 、 NaVO₃及KVO₃等。它们分别应用于催化剂、陶瓷着色剂、显影剂、干燥剂及生产高纯氧化钒或钒铁的原料。美国开发出一种新型钒催化剂, 用于制硫酸、提炼石油和化工生产中 ^[6] 。在防腐剂方面, 美国研制出一种新型钒腐蚀抑制剂, 使用的材料是V₂O₅。该种抑制剂主要用于抑制腐蚀的燃料混合物 ^[7] 。在上述材料应用方面, 中国国内年需求量300~500 t, 大部分靠进口。此外, 中国各公司计划增加设备使NH₄VO₃和NaVO₃年产量分别达到150 和100 t。在美国, 年消费V₂O₅催化剂约450~680 t, 其中35%用于生产硫酸, 35%用于石油精炼。 V₂O₅在作催化剂方面, 其具体过程是在制造硫酸时利用它把二氧化硫氧化成三氧化硫, 可制成硫酸, 硫酸是整个世界生产化肥的基本物质。 V₂O₅还用作石油化工生产用的催化剂。它作催化剂具有特殊的活性, 其它元素难以代替。随着化学工业和科学技术的迅速发展, 钒作催化剂的重要性将更加显现出来, 应用价值也将在更多行业中得到体现。中国化工级V₂O₅的化学成分列于表2 ^[1,7] 。

3.4 在合金中应用

钒在合金中的应用主要体现在钛基合金上,

表2 中国化工级V2O5的化学成分 (%) Table 2 Chemical composition of chemical engineering grade V2O5in China

应用	V₂O₅	Si, Fe, P, S, As, Na₂O+K₂O
冶金 (片状)	98	0.25, 0.3, 0.05, 0.03, 0.02, 1.5
化工 (粉状)	97	0.25, 0.3, 0.05, 0.01, 0.02, 1

譬如生产Ti-6Al-4V, Ti-6Al-6V-2Sn和Ti-8Al-1V-Mo等合金。 Ti-6Al-4V合金是用于制造飞机和火箭的优良高温结构材料, 在美国很受重视, 该种合金产量占所有钛基钒合金产量的50%以上。美国每年用于钛基钒合金的金属钒达454 t。另外, 钒可用于磁性材料, 硬质合金, 超导材料 (如V₃Ga) 及核反应堆材料等领域。在合金应用领域, 美国的开发计划是要在21世纪使加钒的航空航天级中间合金产品达到2000 吨/年 ^[8] 。

3.5 钒的新应用

长春医药集团新药研究开发有限公司研制出新药联麦氧钒胶囊, 它可治疗糖尿病, 该种钒化合物可以恢复机体对胰岛素的敏感性, 纠正胰岛素低抗, 既可以降低血糖又可以预防胰岛素血症所造成的心脑血管合并症, 比现在临床常用降糖药及胰岛素先进, 目前该种药物已经产业化, 具有取代目前降糖药物的趋势。我国现有糖尿病患者3000万人。如按每位患者每年的药费200~300元计算, 全国此类病人全年药费支出60~90亿元。据预测, 联麦氧钒的市场每年约有几十亿元的总值。因此, 该种加钒药物具有广阔的市场前景 ^[1] 。

钒可清除天然气中有毒的硫化氢和矿物燃料发电厂废水中有毒的氧化氮; 钒可改善水银灯灯光颜色, 在水银灯表面上涂一层氧化钒和氧化钇, 可以改变光的颜色; V₂O₅可用来保护眼睛, 避免太阳紫外线伤害, 如作望远镜等仪器镜片; 加V₂O₅的玻璃用在居民楼玻璃上, 居民也收到同样保护; 在玻璃瓶材料中加进 V₂O₅, 可吸收紫外线, 避免药品过早氧化或失效; 钒盐若用于装饰陶瓷制品, 可显示出绚丽的橙色和兰色色彩; 把氧化钒与有机化合物反应, 生产出一种新染料, 把染料用于纺织品和皮革上, 在强光下不会退色; 钒可改善电视和计算机屏幕的颜色质量, 如把钒磷涂在屏幕涂料上, 改善了红光; 钒可应用于交通及工厂照明的灯上, 如把钇钒荧光粉用于汞灯上; VO₂的新应用是在军工领域作薄膜功能材料和在电子工业中作薄膜材料。例如美国2002年研制出一种VO₂微粒 (Vanadium dioxide microparticles) , 其表示式为V_1-xM_xO₂, 式中0.1>x>0.05, M为掺和金属, 该种微粒主要用于金属材料表面涂层 ^[1,9] 。美国在2000年使用VO₂研制出二氧化钒微型热敏电阻传感器 ^[1,10] 。

中国北京研制出长距离光纤通讯急需的钒酸钇晶体材料, 2001年7月由烁光特晶科技有限公司正式投产。纯钒酸钇晶体是性能极佳的双折射晶体, 具有双折射率大、透过率高、透光波段范围宽、抗潮解和易加工等特点, 可广泛应用于光纤传输的无源器件中。帮助解决光纤长距离传输的信号放大问题, 提升信号强度, 补偿传输损耗。随着科学技术的发展, 我国需要大量钒酸钇晶体。实现钒酸钇晶体产业化, 将大大促进我国人工晶体材料的发展, 在不久的将来我国将使其在研制和应用方面都继续保持国际领先水平 ^[1] 。

4 市场分析

世界钒的消费国主要是美国、俄罗斯、德国和日本。钒的消费在80年代末达到高潮。从90年代初起, 国际上钒价直线下降, 钒市场处于疲软状态。最大需求国美国的年需求量在4000 t 上下波动。现在从世界市场看, 钒价依然没有上扬。 1998年初V₂O₅为6.8美元/磅, 而年底时已猛减至2.7美元/磅。在1998年以前, V₂O₃的价格最高曾达到过30多美元/kg。 1999年, 钒价又开始大幅下滑, 最低曾一度跌至6.5美元/kg。这一价格一直保持到2001年初 ^[1,10] 。

在国内, 钒铁合金市场自1999年到2001年初同样呈下跌趋势。 2001年年底全国钒铁市场价格有所上扬, FeV (50%) 合金的市场零售价目前已上涨至5~6万元/t。钒铁价格于2001年11月曾达到了顶峰的256~260元/kg。辽宁等地有的厂家把价格从前一周的3.7万元/t急速提升到下周的4.25万元/t以上, 涨幅超过10%; 国内NH₄VO₃钒盐市场价为8~15万元/t, NaVO₃市场价为6~8万元/t。在2001年全年里, 只有攀钢在国际钒制品价格大幅下滑的不利形势下, 保持了良好的出口势头。全年出口钒制品4500多t。国际市场分析专家认为, 钒制品市价大幅波动乃两个原因所致: 其一, 俄罗斯V₂O₅出口减少和南非增产不多导致炼钢原料钒铁市场供应短缺; 其二, 1999~2001年下半年钒价的疲软态势依然是此原因所致 ^[10,11] 。

5 市场前景

钒在钢铁产品中的应用, 改善了钢铁的品质性能, 降低了钢铁产品的使用成本, 有利于提高钢铁产品的市场竞争力; 其次, 大力发展低合金钢和微合金钢, 实施钢铁产品的升级换代, 对中国钢铁工业的发展具有深远意义; 第三, 专家认为各主要应用国应用差距比较大。目前潜在消费大国中国在钢中的应用远低于发达国家, 这与我国是生产和消费大国的地位不相称; 最近几年, 这种差距正在缩小。由此可以说中国钒的应用市场和开发前景将是很好的 ^[1] 。