Présentation
RÉSUMÉ
Du fait de leur complexité chimique et minéralogique et de leurs teneurs en vanadium relativement faibles, les matériaux vanadifères, principalement des magnétites, ne sont pas exploités en priorité pour le vanadium qu'ils contiennent mais pour d'autres métaux. La métallurgie extractive du vanadium, objet du présent article, est donc tributaire, techniquement et économiquement, de celle des métaux dont le vanadium constitue ainsi un co- ou un sous-produit. Les méthodes d'extraction du vanadium mettent en jeu des procédés pyro- et hydro-métallurgiques. Elles conduisent à l'obtention de vanadium sous forme de composés, notamment le pentoxyde de vanadium, produit intermédiaire utilisé pour la fabrication de ferro-alliages et d'alliages non ferreux. Le vanadium pur est obtenu par raffinage du pentoxyde ou de sels de vanadium, pour une utilisation en chimie et en céramique.
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Because of their chemical and mineralogical complexity and of their relatively low contents of vanadium, the vanadiferous materials, mainly magnetites, are not operated primarily for vanadium but for others metals. Extractive metallurgy of vanadium, the subject of this article, is thus dependent, technically and economically, on the metallurgies of the metals whose vanadium is a co- or a by-product. The extractive methods of vanadium involve pyro- and hydrometallurgical processes. These methods lead to the production of compounds of vanadium, specially vanadium pentoxide which is an intermediate product used in the production of ferro-alloys and non-ferrous alloys. Pure vanadium is obtained by refining vanadium pentoxide or salts of vanadium, for use in chemistry and ceramics.
Auteur(s)
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Pierre BLAZY : Professeur honoraire - Ancien Directeur de l'École Nationale Supérieure de Géologie (ENSG) - Consultant - Station d'expérimentation et de valorisation des minerais et métaux (STÉVAL), ENSG, Vandœuvre-lès-Nancy, France
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Virginie HERMANT : Agrégée de l'Université - Professeur (Éducation nationale et formation professionnelle) - En collaboration avec STÉVAL (ENSG), Vandœuvre-lès-Nancy, France
INTRODUCTION
À l’état naturel, le vanadium est présent dans des minerais de magnétite vanadifère, dans des grès à vanadium et uranium, dans des schistes vanadifères, dans des phosphates et des argiles, ainsi que dans des pétroles lourds bruts. On trouve également du vanadium dans des résidus industriels : cendres et suies de cracking pétrolier, catalyseurs usés des industries pétrolière et chimique, déchets du procédé Bayer.
Le vanadium présente ainsi une grande variété d’associations minéralogiques et chimiques, qui en font un sous- ou un co-produit : sa production demeure donc tributaire de celles d’autres substances, ce qui fragilise sa position économique. Ces associations imposent par ailleurs un ajustement technique constant de la méthode métallurgique d’extraction du vanadium, qui doit être, dans chaque cas, adaptée au minerai ou au matériau qui en contient.
La principale source actuelle d’approvisionnement en vanadium est constituée par les magnétites vanadifères et titano-vanadifères, exploitées en tant que minerai de fer, le vanadium et le titane étant des sous-produits. Le traitement de la magnétite « vanadifère », pauvre en titane (< 1,4 % Ti), consiste à produire d’abord une fonte vanadiée en haut fourneau ; le vanadium peut ensuite être extrait de la fonte en fusion par scorification. La magnétite « titano-vanadifère », riche en titane (> 1,4 % Ti), ne peut être traitée en haut fourneau : elle est pré-réduite en four tournant. La charge pré-réduite est ensuite fondue en four électrique à arc, ce qui donne un fer vanadié ; une injection d'oxygène dans ce fer en fusion produit une scorie vanadifère qui constitue un produit marchand.
Une autre source de vanadium, encore limitée, est le vanadium secondaire provenant du recyclage d’alliages et de catalyseurs usés. Le recyclage des alliages vanadifères en fin de vie est un recyclage direct, sans séparation du vanadium, les teneurs en vanadium et autres métaux étant réajustées en fonction des nuances désirées. Mais un tel recyclage reste pour le moment marginal, du fait des difficultés d’organisation de la récolte et du triage des alliages usés, dues à leur dispersion, à leur manque d’homogénéité et à leurs imbrications dans des structures complexes (véhicules automobiles, avions, navires, immeubles etc.). La récupération du vanadium à partir de catalyseurs usés ne se heurte pas aux difficultés précédemment évoquées en matière de collecte : l’industrie chimique et l’industrie pétrolière générant des catalyseurs en fin de vie se chargent en effet de leur récolte et de la constitution de lots homogènes. Le recyclage des catalyseurs vanadifères ne peut être direct car le vanadium s’y trouve intimement associé à d’autres éléments, métalliques ou non. Ce recyclage est relativement simple pour les catalyseurs issus de l’industrie chimique ; il est beaucoup plus complexe pour les catalyseurs issus de l’industrie pétrolière, le vanadium étant dans ce cas un co-produit d’autres métaux comme Mo, Ni, Co, dont la valeur économique, supérieure à la sienne, rend la récupération prioritaire.
Les autres ressources potentielles en vanadium (grès à vanadium et uranium, schistes vanadifères, phosphates, argiles, pétroles lourds et sables bitumineux, effluents du procédé Bayer) sont généralement trop pauvres ou trop polluantes pour être exploitées. Seuls certains résidus pétroliers (cendres et suies de cracking), dont le caractère polluant impose un traitement, font éventuellement l’objet d’une valorisation du vanadium et d’autres métaux accompagnateurs, comme le nickel. Pour ce qui concerne les grès vanadifères, ils ont été exploités par le passé, mais ne le sont plus pour des raisons économiques et environnementales (pollution radioactive).
La pyro-métallurgie, qui est la voie classique d’extraction du vanadium en aciérie, offre peu de risques pour la santé. Il convient toutefois de souligner la dangerosité du pentoxyde de vanadium, surtout sous forme de particules ultra fines ou d’aérosols. L’hydro-métallurgie, que l’on applique au recyclage de matériaux comme les catalyseurs usés et divers résidus de l’industrie pétrolière, présente des risques dus à divers métaux lourds toxiques autres que le vanadium, contenus dans les effluents industriels.
La pollution des milieux naturels par le vanadium est due aux résidus de la sidérurgie, à la combustion de substances fossiles et aux rejets des industries pétrolières et chimiques.
MOTS-CLÉS
fusion en four à arc électrique lixiviations acide et sodique production de ferro-vanadium
KEYWORDS
smelting by electric arc furnace | acid and sodic leaching | ferro-vanadium production
DOI (Digital Object Identifier)
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Présentation
1. Rappel des propriétés physiques et chimiques du vanadium
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Numéro atomique : 23
-
Masse atomique : 50,9415 ± 0,0001 g.mol−1
-
Masse volumique (20 °C) : 6,1 g.cm−3
-
Point de fusion : 1 890 °C
-
Point d'ébullition : 3 380 °C
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Isotopes stables : 50V (0,24 %) et 51V (99,76 %)
-
Valences principales : 4 et 5
-
Rayons ioniques :
-
Caractéristiques macroscopiques du vanadium métal : blanc argenté, brillant, dur et ductile
1.1 États d'oxydation et potentiels redox
Les états d'oxydation courants du vanadium sont + 2, + 3, + 4 et + 5, les états + 4 et + 5 étant les plus stables.
Les potentiels redox en solutions aqueuses sont les suivants :
HAUT DE PAGE1.2 Oxydes et halogénures
Les principaux oxydes et halogénures sont les suivants, classés selon les degrés d’oxydation du vanadium :
-
état + 5
-
Oxyde : V2O5
-
Halogénure : VF5
-
Oxy-halogénures : VOCl3, VOBr3, VOF3
-
-
état + 4
-
Oxyde : VO4
-
Halogénures : VCl4, VBr4
-
Oxy-halogénures : VOCl2, VOBr2, VOSO4
-
-
état + 3
-
Oxyde basique : V2O3
-
Halogénures : VCl3, VF3, VBr3, VI3
-
Oxy-halogénures : VOCl, VOBr
-
- ...
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Rappel des propriétés physiques et chimiques du vanadium
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GARRELS (R.M.), CHRIST (C.L.) - Oxydation and secondary enrichment of ores - in Solutions Minerals and Equilibria, p. 389-394 (1963).
-
(2) - YE (G.) - Recovery of vanadium, from LD slag. A state of art report : Part 1 – Facts and metallurgy of vanadium - Jernkontorest Forskning – Rep. : JK 88031, (vanadium seminar, Stjärnholm, 11-12/05/2005) (04-05-2006).
-
(3) - PERRON (L.) - Vanadium - Canadian Minerals Yearbook, p. 591-596 (2001).
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(4) - WALKER (L.A.), LUHNING (R.W.), RASHID (K.) - Potential for recovering vanadium from Athabasca tar sand - Paper presented at 20th Conf. Chem. Eng. Conference Toronto, manuels généraux (Oct. 1976).
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(5) - LANDERGREN (S.) - A study of ion ore formation - Sveriges Geol. Undersokn. Ser C, 496, p. 1 (1948).
-
(6) - GUPTA (C.K.) - The vanadium...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1 Périodiques et revues diverses
Engineering and Mining Journal :
Metal Bulletin Research :
http://www.metalbulletinresearch.com/
National Post :
http://www.nationalpost.com/index.html
Platts Metals Week :
Roskill Information Services :
U.S. Geological Survey, Minerals Yearbook (2013) :
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/mcs/2013/mcs2013.pdf
U.S. Geological Survey, Mineral Commodities Summary :
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/mcs/
HAUT DE PAGE2.1 1. Données relatives à l’économie du vanadium
Il n’existerait pas d’industrie du vanadium sans une industrie de l’acier, consommatrice principalement de ferro-vanadium.
On...
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