Vanadium: Het element

Vanadium een kneedbaar grijs-wit metaal die als legeringselement wordt toegevoegd aan staal om hoogwaardige legeringen te vervaardigen. Geen metaal heeft in de 20ste eeuw zoveel invloed gehad op de staalverwerkende industrie als vanadium. Toevoegen van een kleine hoeveelheid vanadium geeft een forse verhoging van treksterkte, taaiheid, hardheid, slijtvastheid en warmvastheid. De toepassing van vanadium als legeringselement begint vanaf 1905, als Henry Ford vanadiumstaal in zijn auto’s verwerkt en er reklame voor maakt.

Voorkomen vanadium erts

Vanadiumhoudende mineralen zijn niet zeldzaam, de bekendste zijn patroniet, vanadiniet, bauxiet en carnotiet. Ook bevat aardolie vanadium.

Meestal wordt vanadium echter gewonnen uit het 'bijproduct' ferrovanadium in de hoogoven bij de ijzererwinning.

Er wordt wereldwijd circa 60.000 ton vanadium gewonnen. De belangrijkste leveranciers zijn Zuidafrika, China en Rusland. De enige bekende stabiele isotoop van vanadium is 51V.

Vanadium bereiding

Vanadiumhoudende magnetiet-ijzererts wordt in de hoogoven tot ruwijzer verwerkt. Om het erts tot ruwijzer te verwerken, wordt er zuurstof door geblazen. De tevens meegevormde vanadiumoxide in het ruwijzer blijft achter in de slak. De slak bevat tot 25 % Vanadium(V)-oxide. Vanadium(V)oxide laat zich tot metaal reduceren.

Om het vanadium(V)-oxide te winnen wordt fijngemalen slak met natriumchloride geroosterd. Daarbij vormt zich in water-oplosbare natrium metavanadaat, dat van de slak door uitlogen afgescheiden wordt. Door toevoegen van zuur en Ammoniumzouten kristalliseert onoplosbare amoniumpolyvanadaat uit de oplossing dat vervolgens door roosten in vanadium(V)-oxide omgezet kan wordt.

Vanadium winning door reduktie van Vanadium(V)-oxide met andere metalen zoals aluminium, calcium, ferrosilicium of koolstof.
Er wordt calcium of aluminium gebruikt omdat met de veel goedkope ferrosilicium geen zuiver vanadium verkregen wordt. Met calcium heeft men gelijk zuiver vanadium.

Een groot deel van vanadium wordt niet als zuiver metaal, maar in de vorm van ijzer-vanadium-(ferrovanadium) gebruikt. Om deze te bereiden is het niet nodig, eerst zuiver vanadium te produceren. In plaats daarvan wordt vanadium en ijzerhoudende slak met ferrosilicium en kalk gereduceerd tot ferrovanadium, geschikt voor de meeste toepassingen van vanadium als legeringselement.

Eigenschappen van vanadium

• Het metaal beschikt over sterke stabiele kristalstructuur.
• Vanadium is corrosievast voor zuren en basen Bij hoge temperaturen cica 650 º C oxideert het echter tot vanadiumoxide.
• Stalen die naast vanadium ook kobalt bevatten, zijn magnetisch.
• Vanadium wordt vooral toegepast wegens zijn hardheid (slijtvastheid), warmvastheid en redelijke schokbestendigheid en daarom in combinatie met wolfram toegepast in gereedschapstalen (o.a snelstalen) voor de verspaning zoals draaibeitels, frezen ect. De combinatie vanadium met chroom (de bekende chroom-vanadium) vinden we terug in de gereedschapstalen voor steeksleutels, dopsleutels, schroevendraaiers ect. waarbij naast sterkte en slijtvastheid, corrosievastheid een grotere rol speelt.
• Tegenover zuren en basen is vanadium bij kamertemperatuur stabiel door een dunne passieverende oxidelaag. Aangetast wordt het door waterstoffluoride en sterk oxiderende zuren als verwarmd salpeterzuur, geconcentreerde zwavelzuur en koningswater
• Bij een temperatuur van 500 °C neemt vanadium waterstof op. Het materiaal wordt bros en vervalt gemakkelijk tot poeder, waterstof-vrij gloeien bij 700 °C in Vacuum.
• Vanadium is een onedel metaal en reageert met vele niet-metalen. Aan de lucht blijft het wekenlang glanzend. maar er vormt zich tenslotte roest met een groene tint.

Toepassingen

• Vanadium vormt met niobium, tantaal en dubnium groep 5, dat is de vanadium groep. Grootste deel van vanadium (circa 80%) wordt als ferrovanadium bij de staalbereiding ingezet.
• Vanadium-staal wordt gebruikt voor relatief zwaar belaste onderdelen als assen, krukassen, tandwielen en andere zwaar belaste onderdelen in voertuigen.
• In combinatie met wolfraam (wolfraamvanadium) in snijgereedschap en in combinatie met chroom (chroomvanadium) in gereedschappen als steeksleutels, schroevendraaiers ect.
• Vanadium gecombineerd met aluminium in titanium legeringen wordt toegepast in straalmotoren.
• Met vanadium gelegeerde stalen worden gebruikt in kernreactoren omdat vanadium een lage neutronen-adsorptie capaciteit heeft en stabiel blijft onder hogere temperaturen.
• Glas gecoat met vanadium dioxide (VO2) kan infrarode straling blokkeren.
• 90 % van de produktie wordt in een aantal staallegeringen met titaan, nikkel, chroom, aluminium en/of mangaan ingezet. Een klein deel wordt in verbindingen als Vanadium(V)-oxid gebruikt.
• Vanadium veroorzaakt reeds bij kleine hoeveelheid in staal een relatief sterke stijging van de mechanische eigenschappen als treksterkte en slijtvastheid. Dat wordt door de vorming van harde vanadiumcarbide veroorzaakt.
• Vanadiumpentoxide (V 2 O 5 ) is een belangrijke vanadium verbinding. Het wordt gebruikt als beitsmiddel, als katalysator in bepaalde reacties in bijvoorbeeld de olieindustrie.
• Vanadium pentoxide kan gemengd worden met gallium om supergeleidende magneten te construeren.
• Vanadiumpentoxide is een belangrijk materiaal in de keramiek-industrie.
• Afhankelijk van de toepassing worden verschillende hoeveelheden vanadium toegevoegd. Constructiestaal en gereedschapstaal hebben geringe hoeveelheden vanadium (0,2 bis 0,5 %). in snelstaal tot circa 5 %.
• Vanadium-houdende stalen worden vooral voor mechanisch zwaar belast gereedschap en -veren gebruikt.
• Titaanlegieringen, die vanadium en vaak ook aluminium bevatten, zijn stabiel en hittebestendig en worden in vliegtuigbouw voor dragende delen en turbinebladen gebruikt .
• Vanadium gecombineerd met Gallum wordt gebruikt in supergeleidende magneten.
• Duurzaamheid (consistentie) maakt vanadium-legeringen onder omstandigheden als in de mijnbouw populair, de legering behoudt zijn weerstand tegen erosie en aantasting door zouten en zuren.

Milieu en gezondheid

• In de biologie is vanadium essentieel voor sommige enzymen.De opname van vanadium vindt vnl. plaats via voedingsmiddelen.
• In poedervorm is vanadium brandbaar.
• Vanadium in het milieu hoopt zich op in algen, planten, ongewervelde dieren en vissen.
• Langdurig inademing kan bronchitis en longontsteking veroorzaken. De effecten zijn irritatie van longen, keel, ogen en neusholten, hart-en vaatziekten, ontsteking van maag en darmen, schade aan het zenuwstelsel, huiduitslag, trillen en verlamming, neusbloeding en keelpijn, misselijkheid en hoofdpijn, duizeligheid en gedragsverandering. Maar dit schrikbeeld ontstaat bij veel materialen waar we te veel van binnen krijgen.
• Vanadium kan worden geoxideerd tot vanadium-pentoxide bijvoorbeeld tijdens het lassen. De gevormde vanadium-pentoxyde is toxisch. Chronische blootstelling aan de stof en damp kunnen bovengenoemde gezondheids problemen veroorzaken.