Уралски държавен минен университет

По темата: Свойства на ниобий

Група: М-13-3

Ученик: Мохнашин Никита

1. Обща информация за елемента

Физични свойства на ниобия

Химични свойства на ниобия

Безплатен ниобий

Ниобиеви оксиди и техните соли

Ниобиеви съединения

Водещи страни в производството на ниобий

1. Обща информация за елемента

Човечеството отдавна е запознато с елемента, заемащ 41-та клетка в таблицата на Менделеев. Възрастта на сегашното му име - ниобий - е почти половин век по-млада. Така се случи, че артикул № 41 беше отворен два пъти. Първият път - през 1801 г., английският учен Чарлз Хатчет изследва проба от верен минерал, изпратен в Британския музей от Америка. От този минерал той изолира оксида на непознат досега елемент. Hatchet нарече новия елемент Колумбия, като по този начин отбеляза неговия отвъдморски произход. И черният минерал беше наречен колумбит. Година по-късно шведският химик Екеберг изолира от колумбит оксида на друг нов елемент, наречен тантал. Приликата на съединенията Колумбий и тантал е толкова голяма, че в продължение на 40 години повечето химици вярват, че танталът и Колумбий са един и същ елемент.

През 1844 г. немският химик Хайнрих Роуз изследва проби от колумбит, открити в Бавария. Той преоткрива оксидите на два метала. Един от тях беше оксид на вече познатия тантал. Оксидите са сходни и за да подчертае приликата им, Роуз нарече елемента, който образува втория оксид ниобий, след Ниоба, дъщеря на митологичния мъченик Тантал. Въпреки това, Роуз, подобно на Hatchet, не успя да получи този елемент в свободно състояние. Металният ниобий е получен за първи път едва през 1866 г. от шведския учен Бломстранд по време на редукцията на ниобиевия хлорид с водород. В края на XIX век. са открити още два метода за получаване на този елемент. Първо Moissan го получи в електрическа пещ, редуцирайки ниобиевия оксид с въглерод, а след това Goldschmidt успя да възстанови същия елемент с алуминий. И да извика елемент № 41 в различни странипродължи по различни начини: в Англия и САЩ - с колумбий, в други страни - с ниобий. Краят на този раздор е поставен от Международния съюз по чиста и приложна химия (IUPAC) през 1950 г. Беше решено навсякъде да се узакони името на елемента "ниобий", а името "колумбит" беше присвоено на основния минерал на ниобий. Формулата му е (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 О 6.

Неслучайно ниобий се счита за рядък елемент: той наистина е рядък и в малки количества, винаги под формата на минерали и никога в естественото си състояние. Интересна подробност: в различни справочни публикации кларкът (съдържанието в земната кора) на ниобий е различен. Това се дължи главно на факта, че в последните годинив африканските страни са открити нови находища на минерали, съдържащи ниобий. В "Наръчник на химика", т. 1 (М., "Химия", 1963) са дадени цифрите: 3,2 · 10-5% (1939), 1 · 10-3% (1949) и 2, 4 10- 3% (1954). Но дори последните данни са подценени: африканските находища, открити през последните години, не са включени тук. Въпреки това се смята, че приблизително 1,5 милиона тона метален ниобий могат да бъдат разтопени от минералите на вече известни находища.

Физични свойства на ниобия

Ниобият е лъскав сребристо-сив метал.

Елементарният ниобий е изключително огнеупорен (2468°C) и високо кипящ (4927°C) метал, който е силно устойчив в много корозивни среди. Всички киселини, с изключение на флуороводородната киселина, не действат върху нея. Окислителните киселини "пасивират" ниобия, покривайки го със защитен оксиден филм (№ 205). Но при високи температури реактивността на ниобия се увеличава. Ако при 150 ... 200 ° C се окислява само малък повърхностен слой на метала, тогава при 900 ... 1200 ° C дебелината на оксидния филм се увеличава значително.

Кристалната решетка на ниобия е центрирана по тялото кубична с параметър a = 3,294 Å.

Чистият метал е пластичен и може да се валцува в тънък лист (до дебелина до 0,01 mm) в студено състояние без междинно отгряване.

Възможно е да се отбележат такива свойства на ниобия като висока точка на топене и кипене, по-ниска работа на електроните в сравнение с други огнеупорни метали - волфрам и молибден. Последното свойство характеризира способността за електронна емисия (емисия на електрони), която се използва за използването на ниобий във вакуумната технология. Ниобият също има висока свръхпроводяща преходна температура.

Плътност 8,57 g/cm 3(20°С); T мн.ч 2500°С; T бала 4927°С; налягане на парите (в mm Hg; 1 mm Hg = 133,3 N / m 2) 110 -5(2194°С), 110 -4(2355°С), 610 -4(на т мн.ч ), 1 10-3 (2539°С).

При температура на околната среда ниобият е стабилен във въздуха. Началото на окисляване (потъмняване на филми) се наблюдава, когато металът се нагрява до 200 - 300 ° C. Над 500 ° настъпва бързо окисление с образуването на оксид Nb2 О 5.

Топлопроводимост в w / (m · K) при 0 ° C и 600 ° C, съответно 51,4 и 56,2, същата в cal / (cm · sec · ° C) 0,125 и 0,156. Специфично обемно електрическо съпротивление при 0 °C 15,22 10 -8ohm m (15,22 10 -6ом см). Температурата на свръхпроводящ преход е 9,25 К. Ниобият е парамагнитен. Работната функция на електроните е 4,01 eV.

Чистият ниобий лесно се херметизира на студено и запазва задоволителни механични свойства при високи температури. Крайната му якост при 20 и 800 ° C е съответно 342 и 312 MN / m. 2, същото в kgf / mm 234.2 и 31.2; удължение при 20 и 800 ° C, съответно, 19,2 и 20,7%. Твърдост по Бринел на чист ниобий 450, технически 750-1800 Mn / m 2... Примесите на някои елементи, особено водород, азот, въглерод и кислород, силно влошават пластичността и повишават твърдостта на ниобия.

3. Химични свойства на ниобия

Ниобият е особено ценен заради устойчивостта си към неорганични и органични вещества.

Има разлика в химичното поведение на прахообразния и на бучки метал. Последният е по-стабилен. Металите не действат върху него, дори ако са нагрети до високи температури. Течните алкални метали и техните сплави, бисмут, олово, живак, калай могат да бъдат в контакт с ниобий за дълго време, без да променят свойствата му. Дори такива силни окислители като перхлорна киселина, "царска вода", да не говорим за азотна, сярна, солна и всички други, не могат да направят нищо с нея. Алкалните разтвори също нямат ефект върху ниобия.

Има обаче три реагента, които могат да превърнат металния ниобий в химични съединения. Един от тях е разтопен хидроксид на алкален метал:

Nb + 4NaOH + 5О2 = 4NaNbO3 + 2H2О

Другите две са флуороводородна киселина (HF) или нейната смес с азотна киселина (HF + HNO). В този случай се образуват флуорни комплекси, чийто състав зависи до голяма степен от условията на реакцията. Елементът във всеки случай е включен в аниона от 2- или 2- тип.

Ако вземем ниобий на прах, той е малко по-активен. Например в разтопения натриев нитрат той дори се запалва, превръщайки се в оксид. Компактният ниобий започва да се окислява при нагряване над 200 ° C и прахът се покрива с оксиден филм още при 150 ° C. В същото време се проявява едно от прекрасните свойства на този метал - той запазва пластичност.

Под формата на дървени стърготини, когато се нагрява над 900 ° C, той напълно изгаря до Nb2O5. Гори енергично в поток от хлор:

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5

Реагира със сяра при нагряване. Трудно е да се легира с повечето метали. Може би има само две изключения: желязо, с което се образуват твърди разтвори в различни съотношения, и алуминий, който има съединение Al2Nb с ниобий.

Какви качества на ниобия му помагат да устои на действието на най-силните киселинни окислители? Оказва се, че това се отнася не до свойствата на метала, а до характеристиките на неговите оксиди. При контакт с окислители върху металната повърхност се появява много тънък (и следователно невидим), но много плътен слой от оксиди. Този слой се превръща в непреодолима пречка по пътя на окислителя към чиста метална повърхност. Само някои химични реагенти, по-специално флуорният анион, могат да проникнат през него. Следователно по същество металът се окислява, но практически не се забелязват резултати от окисление поради наличието на тънък защитен филм. Пасивността към разредена сярна киселина се използва за създаване на токоизправител на променлив ток. Подредено е просто: платинените и ниобиеви плочи се потапят в 0,05 m разтвор на сярна киселина. Ниобият в пасивно състояние може да провежда ток, ако е отрицателен електрод - катод, т.е. електроните могат да преминават през оксидния слой само от страна на метала. Пътят на електроните от разтвора е затворен. Следователно, когато променлив ток преминава през такова устройство, тогава преминава само една фаза, за която платината е анод, а ниобий е катод.

ниобий метален халоген

4. Ниобий в свободно състояние

Толкова е красиво, че по едно време се опитаха да направят бижута от него: със светлосивия си цвят ниобий наподобява платина. Въпреки високата си топене (2500 ° C) и точки на кипене (4840 ° C), всеки продукт може лесно да се направи от него. Металът е толкова пластичен, че може да се обработва на студено. Много е важно ниобият да запази механичните си свойства при високи температури. Вярно е, че както в случая с ванадий, дори малки примеси от водород, азот, въглерод и кислород значително намаляват пластичността и увеличават твърдостта. Ниобият става крехък при температури в диапазона от -100 до -200 ° C.

Получаването на ниобий в свръхчиста и компактна форма стана възможно с участието на технологиите през последните години. Целият технологичен процес е сложен и отнема много време. По принцип тя е разделена на 4 етапа:

1.получаване на концентрат: ферониобий или феротанталониобий;

.отваряне на концентрата - прехвърляне на ниобий (и тантал) във всякакви неразтворими съединения, за да се отдели от основната маса на концентрата;

.отделяне на ниобий и тантал и получаване на техните отделни съединения;

.получаване и рафиниране на метали.

Първите две стъпки са доста прости и често срещани, макар и отнемащи време. Степента на отделяне на ниобий и тантал се определя от третия етап. Желанието да се получи възможно най-много ниобий и особено тантал принуди да се търсят най-новите методи за разделяне: селективна екстракция, йонен обмен, ректификация на съединения на тези елементи с халогени. В резултат на това се получават отделно или оксид, или тантал и ниобиев пентахлорид. На последния етап се използва редукция с въглища (сажди) в поток от водород при 1800 ° C, след което температурата се повишава до 1900 ° C и налягането се понижава. Карбидът, получен при взаимодействие с въглища, реагира с Nb2O5:

2Nb2O5 + 5NbC = 9Nb + 5CO3,

и се появява ниобиев прах. Ако в резултат на отделянето на ниобий от тантал се получи не оксид, а сол, тогава той се обработва с метален натрий при 1000 ° C и се получава и прахообразен ниобий. Следователно, при по-нататъшно превръщане на праха в компактен монолит, претопяването се извършва в дъгова пещ и се използва електронен лъч и зоново топене за получаване на монокристали от високо чист ниобий.

Ниобиеви оксиди и техните соли

Броят на съединенията с кислород в ниобия е малък, много по-малък от този на ванадия. Това се обяснява с факта, че в съединения, отговарящи на степента на окисление +4, +3 и +2, ниобият е изключително нестабилен. Ако атомът на този елемент започна да дарява електрони, тогава той има тенденция да дарява всичките пет, за да разкрие стабилна електронна конфигурация.

Ако сравним йоните с една и съща степен на окисление на два съседа в групата - ванадий и ниобий, тогава се установява повишаване на свойствата към металите. Киселинният характер на Nb2O5 оксида е забележимо по-слаб от този на ванадиевия (V) оксид. Не образува киселина при разтваряне. Само при сливане с основи или карбонати се проявяват киселинните му свойства:

O5 + 3Nа2СО3 = 2Nа3NbO4 + ЗС02

Тази сол - натриев ортониобат - е подобна на същите соли на ортофосфорната и ортованадивата киселини. Въпреки това, във фосфора и арсена, ортоформата е най-стабилна и опитът да се получи ортониобат в чиста форма е неуспешен. При обработката на сплавта с вода не се отделя солта Na3NbO4, а метаниобатът NaNbO3. Това е безцветен фин кристален прах, трудно разтворим в студена вода. Следователно, в ниобия в най-висока степен на окисление, не орто-, а мета-формата на съединенията е по-стабилна.

Сред другите съединения на ниобиевия (V) оксид с основни оксиди са известни диниобати K4Nb2O7, напомнящи пирокиселини, и полиниобати (като сянка на полифосфорна и поливанадиева киселини) с приблизителни формули K7Nb5O16.nH26O18.NbH2O1 и K. Споменатите соли, съответстващи на висшия ниобиев оксид, съдържат този елемент в аниона. Формата на тези соли ни позволява да ги считаме за производни на ниобий. киселини. Тези киселини не могат да бъдат получени в чиста форма, тъй като по-скоро могат да се разглеждат като оксиди, които имат връзка с водните молекули. Например, мета-формата е Nb2O5. H2O, а оргоформата е Nb2O5. 3H2O. Наред с такива съединения, ниобий има и други, където вече е включен в катиона. Ниобият не образува прости соли като сулфати, нитрати и др. При взаимодействие с натриев хидросулфат NaHSO4 или с азотен оксид N2O4 се появяват вещества със сложен катион: Nb2O2 (SO4) 3. Катионите в тези соли приличат на ванадиевия катион с единствената разлика, че тук йонът е петзареден, а във ванадий степента на окисление във ванадиловия йон е четири. Същият катион NbO3 + е включен в състава на някои комплексни соли. Nb2O5 оксидът се разтваря доста лесно във водна флуороводородна киселина. От такива разтвори може да се изолира комплексна сол К2. H2O.

На базата на разглежданите реакции може да се заключи, че ниобий в най-високата си степен на окисление може да бъде включен както в състава на анионите, така и в състава на катиона. Това означава, че петвалентният ниобий е амфотерен, но все пак със значително преобладаване на киселинните свойства.

Има няколко начина за получаване на Nb2O5. Първо, взаимодействието на ниобий с кислород при нагряване. Второ, калциниране на ниобиеви соли във въздуха: сулфид, нитрид или карбид. Трето, най-често срещаният метод е хидратната дехидратация. Хидриран оксид Nb2O5 се утаява от водни разтвори на соли с концентрирани киселини. xH2O. След това, когато разтворите се разреждат, се образува бяла оксидна утайка. Дехидратацията на утайката Nb2O5 xH2O е придружена от отделяне на топлина. Цялата маса се загрява. Това се дължи на превръщането на аморфния оксид в кристална форма. Ниобиевият оксид се предлага в два цвята. При нормални условия е бяло, но пожълтява при нагряване. Въпреки това, веднага щом оксидът се охлади, цветът изчезва. Оксидът е огнеупорен (точка на топене = 1460 ° C) и нелетлив.

По-ниските степени на окисление на ниобия съответстват на NbО2 и NbО. Първият от тези две е черен прах със син блясък. NbO2 се получава от Nb2O5 чрез приемане на кислород с магнезий или водород при температура от около хиляда градуса:

O5 + H2 = 2NbO2 + H2O

Във въздуха това съединение лесно се превръща обратно в по-високия оксид Nb2O5. Характерът му е доста потаен, тъй като оксидът не е неразтворим нито във вода, нито в киселини. И все пак му се приписва киселинен характер въз основа на взаимодействието с гореща водна основа; в този случай обаче настъпва окисляване до петзареден йон.

Изглежда, че разликата на един електрон не е толкова голяма, но за разлика от Nb2O5, NbO2 оксидът провежда електрически ток. Очевидно в това съединение има връзка метал-метал. Ако се възползвате от това качество, тогава при нагряване със силен променлив ток можете да накарате NbO2 да отстъпи кислорода си.

При загубата на кислород NbO2 се трансформира в оксид NbO и тогава целият кислород се отделя доста бързо. Малко се знае за нисшия ниобиев оксид NbO. Има метален блясък и прилича на външен вид на метала. Перфектно провежда електрически ток. С една дума, той се държи така, сякаш изобщо няма кислород в състава му. Дори, като типичен метал, той реагира бурно с хлор при нагряване и се превръща в оксихлорид:

2NbO + 3Cl2 = 2NbOCl3

Той измества водорода от солна киселина (като че изобщо не е оксид, а метал като цинк):

NbO + 6HCl = 2NbOCl3 + 3H2

NbO може да се получи в чиста форма чрез калциниране на вече споменатата комплексна сол на K2 с метален натрий:

К2 + 3Na = NbO + 2KF + 3NaF

NbO оксидът има най-високата точка на топене от 1935 ° C от всички ниобиеви оксиди. За пречистване на ниобия от кислород температурата се повишава до 2300 - 2350 ° C, след което, едновременно с изпаряването, NbO се разлага на кислород и метал. Провежда се рафиниране (пречистване) на метала.

Ниобиеви съединения

Историята за елемента не би била пълна без да се споменат неговите съединения с халогени, карбиди и нитриди. Това е важно по две причини. Първо, благодарение на флуоридните комплекси е възможно да се отдели ниобий от неговия вечен спътник тантал. Второ, тези съединения ни разкриват качествата на ниобия като метал.

Взаимодействие на халогени с метален ниобий:

Може да се получи Nb + 5Cl2 = 2NbCl5, всички възможни ниобиеви пенталиди.

Пентафлуоридът NbF5 (точка на топене = 76 ° C) е безцветен в течно състояние и в пара. Подобно на ванадиев пентафлуорид, той е полимерен в течно състояние. Атомите на ниобий са свързани помежду си чрез флуорни атоми. В твърда форма той има структура, състояща се от четири молекули (фиг. 2).

Ориз. 2. Твърдата структура на NbF5 и TaF5 се състои от четири молекули.

Разтворите във флуороводородна киселина H2F2 съдържат различни комплексни йони:

H2F2 = H2 + H2O = H2

Калиева сол К2. H2O е важен за отделянето на ниобий от тантал, тъй като за разлика от танталовата сол е силно разтворим.

Останалите ниобиеви пенталиди са ярко оцветени: NbCl5 жълто, NbBr5 лилаво-червено, NbI2 кафяво. Всички те са възвишени без разлагане в атмосферата на съответния халоген; в двойка те са мономери. Техните точки на топене и кипене се повишават при преминаване от хлор към бром и йод. Някои от начините за получаване на пенталиди са както следва:

2Nb + 5I2 2NbI5; O5 + 5C + 5Cl22NbCl5 + 5CO;.

2NbCl5 + 5F22NbF5 + 5Cl2

Пенталидите са лесно разтворими в органични разтворители: етер, хлороформ, алкохол. Те обаче напълно се разлагат с вода - хидролизират се. В резултат на хидролизата се получават две киселини - хидрохалогенна и ниобна. Например,

4H2O = 5HCl + H3NbO4

Когато хидролизата е нежелана, тогава се въвежда малко силна киселина и равновесието на описания по-горе процес се измества към NbCl5. В този случай пентахалидът се разтваря, без да се подлага на хидролиза,

Ниобиевият карбид заслужава специална благодарност от металурзите. Във всяка стомана има въглерод; ниобий, свързвайки го в карбид, подобрява качеството на легираната стомана. Обикновено при заваряване на неръждаема стомана шевът има по-ниска якост. Въвеждането на 200 г на тон ниобий помага за коригиране на този дефицит. При нагряване ниобият образува съединение с въглерод - карбид, преди всички други стоманени метали. Това съединение е доста пластично и в същото време е в състояние да издържа на температури до 3500 ° C. Слой карбид с дебелина само половин милиметър е достатъчен, за да предпази металите и най-важното - графита от корозия. Карбидът може да се получи чрез нагряване на метален или ниобиев (V) оксид с въглерод или въглерод-съдържащи газове (CH4, CO).

Ниобиевият нитрид е съединение, което не се влияе от никакви киселини и дори от "царска вода" при варене; устойчиви на вода. Единственото нещо, с което може да бъде принудено да взаимодейства, е кипящата алкална основа. В този случай той се разлага с отделянето на амоняк.

NbN нитридът е светлосив с жълтеникав оттенък. Той е огнеупорен (температура 2300 ° C), има забележителна характеристика - при температура, близка до абсолютната нула (15,6 K, или -267,4 ° C), има свръхпроводимост.

От съединенията, съдържащи ниобий в по-ниско окислително състояние, най-известни са халогенидите. Всички нисши халогениди са тъмни кристални твърди вещества (от тъмно червено до черно). Тяхната стабилност намалява с намаляването на степента на окисление на метала.

Приложение на ниобия в различни индустрии

Използването на ниобий за легиране на метали

Ниобиевата легирана стомана има добра устойчивост на корозия. Хромът също така повишава устойчивостта на корозия на стоманата и е много по-евтин от ниобия. Този читател е прав и грешен едновременно. Грешно, защото забравих за едно нещо.

В хром-никеловата стомана, както във всяка друга стомана, винаги има въглерод. Но въглеродът се комбинира с хром, за да образува карбид, което прави стоманата по-крехка. Ниобият има по-голям афинитет към въглерода от хрома. Следователно, когато ниобий се добавя към стоманата, задължително се образува ниобиев карбид. Стоманата, легирана с ниобий, придобива високи антикорозионни свойства и не губи своята пластичност. Желаният ефект се постига, когато към един тон стомана се добавят само 200 g метален ниобий. А ниобият придава висока устойчивост на износване на хром-мангаитовата стомана.

Много цветни метали също са легирани с ниобий. Така че алуминият, който лесно се разтваря в алкали, не реагира с тях, ако към него се добави само 0,05% ниобий. А медта, известна със своята мекота, и много от нейните сплави, ниобият сякаш се втвърдява. Повишава здравината на метали като титан, молибден, цирконий, като в същото време повишава тяхната топлоустойчивост и топлоустойчивост.

Сега свойствата и възможностите на ниобия се оценяват на истинската им стойност от авиацията, машиностроенето, радиотехниката, химическата промишленост и ядрената енергетика. Всички те са станали консуматори на ниобий.

Уникално свойство - липсата на забележимо взаимодействие на ниобий с уран при температури до 1100 ° C и в допълнение, добра топлопроводимост, малко ефективно напречно сечение на абсорбция за топлинни неутрони направи ниобия сериозен конкурент на металите, разпознати в ядрената енергия индустрия - алуминий, берилий и цирконий. Освен това изкуствената (индуцирана) радиоактивност на ниобия е ниска. Поради това може да се използва за направата на контейнери за съхранение на радиоактивни отпадъци или инсталации за тяхното използване.

Химическата индустрия консумира сравнително малко ниобий, но това се дължи само на неговия недостиг. Оборудването за производство на киселини с висока чистота понякога се изработва от сплави, съдържащи ниобий, и по-рядко от листов ниобий. Способността на ниобия да влияе върху скоростта на някои химични реакции се използва например при синтеза на алкохол от бутадиен.

Ракетно-космическата техника също станаха консуматори на елемент No41. Не е тайна, че някои количества от този елемент вече се въртят в околоземни орбити. Някои части от ракети и бордово оборудване на изкуствени земни спътници са направени от ниобий-съдържащи сплави и чист ниобий.

Използване на ниобий в други индустрии

Ниобиевите листове и пръти се използват за направата на "горещи фитинги" (т.е. нагрети части) - аноди, решетки, индиректно нагрявани катоди и други части на електронни лампи, особено мощни генераторни лампи.

В допълнение към чистия метал, за същите цели се използват тантал-ниобиеви сплави.

Ниобий е бил използван за направата на електролитни кондензатори и токоизправители. Тук използвахме способността на ниобия да образува стабилен оксиден филм по време на анодно окисление. Оксидният филм е стабилен в киселинни електролити и пропуска ток само в посока от електролита към метала. Ниобиевите кондензатори с твърд електролит се характеризират с висок капацитет с малки размери, високо съпротивление на изолацията.

Ниобиевите кондензаторни елементи са направени от тънко фолио или порести плочи, пресовани от метални прахове.

Устойчивостта на ниобия към корозия в киселини и други среди, съчетана с висока топлопроводимост и пластичност, го правят ценен структурен материал за оборудване в химическата и металургичната промишленост. Ниобият притежава комбинация от свойства, които удовлетворяват изискванията на ядрената енергетика за конструктивни материали.

До 900 ° C ниобият слабо взаимодейства с урана и е подходящ за производството на защитни черупки за уранови горивни елементи на силови реактори. В този случай е възможно да се използват течни метални топлоносители: натрий или сплав на натрий с калий, с които ниобий не взаимодейства до 600 ° C. За да се увеличи оцеляването на урановите горивни елементи, уранът се легира с ниобий (~ 7% ниобий). Добавката от ниобий стабилизира защитния оксиден филм върху урана, което повишава устойчивостта му към водни пари.

Ниобий се намира в различни суперсплави за газови турбини в реактивни двигатели. Легирането с ниобий на молибден, титан, цирконий, алуминий и мед драстично подобрява свойствата на тези метали, както и на техните сплави. Съществуват високотемпературни сплави на базата на ниобий като конструктивен материал за части от реактивни двигатели и ракети (производство на лопатки на турбини, предни ръбове на крила, носови краища на самолети и ракети и обшивка на ракети). Ниобий и сплави на негова основа могат да се използват при работни температури от 1000 - 1200 ° C.

Ниобиевият карбид се намира в някои марки волфрамов карбид, използвани за рязане на стомани.

Ниобият се използва широко като легираща добавка в стоманите. Добавянето на ниобий в количество от 6 до 10 пъти по-високо от съдържанието на въглерод в стоманата елиминира междукристалната корозия на неръждаемата стомана и предпазва заварките от разрушаване.

Ниобият се използва и в различни високотемпературни стомани (например за газови турбини), както и в инструментални и магнитни стомани.

Ниобият се въвежда в стоманата в сплав с желязо (ферониобий), съдържаща до 60% Nb. В допълнение, феротанталониобий се използва с различно съотношение между тантал и ниобий във феросплавта.

В органичния синтез някои ниобиеви съединения (флуоридни комплексни соли, оксиди) се използват като катализатори.

Използването и производството на ниобий нараства бързо, което се дължи на комбинацията от неговите свойства като огнеупорност, малко напречно сечение за улавяне на топлинни неутрони, способност за образуване на топлоустойчиви, свръхпроводящи и други сплави, устойчивост на корозия, геттер свойства, ниска работа на електроните, добра обработваемост при налягане в студ и заваряемост. Основните области на приложение на ниобия: ракетна техника, авиационна и космическа техника, радиотехника, електроника, химическа апаратура, ядрена енергетика.

Приложение на метален ниобий

Части от самолети са направени от чист ниобий или негови сплави; корпуси за горивни елементи от уран и плутоний; контейнери и тръби; за течни метали; части за електролитни кондензатори; "Горещи" фитинги за електронни (за радарни инсталации) и мощни генераторни лампи (аноди, катоди, решетки и др.); устойчивост на корозия оборудване в химическата промишленост.

Ниобият е легиран с други цветни метали, включително уран.

Ниобият се използва в криотроните - свръхпроводящи елементи на компютрите. Ниобият също е известен с това, че се използва в ускоряващи структури в Големия адронен колайдер.

Ниобиеви интерметални съединения и сплави

Станид Nb3Sn и сплави ниобий-титан-цирконий се използват за направата на свръхпроводящи соленоиди.

Ниобий и сплави с тантал в много случаи заместват тантала, което дава голям икономически ефект (ниобий е по-евтин и почти два пъти по-лек от тантала).

Ферониобиумът се въвежда в неръждаеми хром-никелови стомани, за да се предотврати тяхната междукристална корозия и разрушаване, и в други видове стомана за подобряване на техните свойства.

Ниобий се използва за сечене на колекционерски монети. Така Банката на Латвия твърди, че ниобий се използва заедно със среброто в колекционерските монети от 1 лат.

Приложение на ниобиеви съединения О5 катализатор в химическата промишленост;

в производството на огнеупорни материали, металокерамика, спец. стъкло, нитрид, карбид, ниобати.

Ниобиевият карбид (т.т. 3480 ° C) в сплав с циркониев карбид и уран-235 карбид е най-важният конструктивен материал за горивните елементи на твърдофазните ядрени реактивни двигатели.

Ниобиевият нитрид NbN се използва за производството на тънки и ултратънки свръхпроводящи филми с критична температура от 5 до 10 K с тесен преход от порядъка на 0,1 K

Ниобий в медицината

Високата устойчивост на корозия на ниобия направи възможно използването му в медицината. Ниобиевите нишки не дразнят живата тъкан и са добре снабдени с нея. Реконструктивната хирургия успешно използва такива конци за зашиване на разкъсани сухожилия, кръвоносни съдове и дори нерви.

Приложение в бижутата

Ниобият не само притежава набор от свойства, необходими за техниката, но и изглежда доста красиво. Бижутерите се опитаха да използват този бял лъскав метал за производството на калъфи за ръчни часовници. Сплавите на ниобий с волфрам или рений понякога заместват благородните метали: злато, платина, иридий. Последното е особено важно, тъй като сплавта на ниобий с рений не само изглежда като метален иридий, но е почти толкова устойчива на износване. Това позволи на някои страни да се откажат от скъпия иридий при производството на запояване за писалки.

Добив на ниобий в Русия

През последните години световното производство на ниобий е на ниво от 24-29 хил. т. Трябва да се отбележи, че световният пазар на ниобий е значително монополизиран от бразилската компания CBMM, която представлява около 85% от световното производство на ниобий.

Япония е основният потребител на продукти, съдържащи ниобий (ферониобий основно принадлежи към него). Тази страна годишно внася над 4 хиляди тона ферониобий от Бразилия. Следователно японските вносни цени на продукти, съдържащи ниобий, могат да се приемат с голяма увереност като близки до средните за света. През последните години се наблюдава тенденция на повишаване на цените на ферониобия. Това се дължи на нарастващото му приложение за производство на нисколегирани стомани, предназначени предимно за нефтопроводи и газопроводи. Като цяло трябва да се отбележи, че през последните 15 години световното потребление на ниобий нараства средно с 4-5% годишно.

Със съжаление трябва да се признае, че Русия е „отстрани“ на пазара на ниобий. В началото на 90-те, според експертите на Giredmet, около 2 хиляди тона ниобий (по отношение на ниобиев оксид) са произведени и консумирани в бившия СССР. В момента потреблението на ниобиеви продукти от руската индустрия не надвишава само 100-200 т. Трябва да се отбележи, че в бившия СССР са създадени значителни производствени мощности на ниобий, разпръснати в различни републики - Русия, Естония, Казахстан. Тази традиционна особеност на развитието на промишлеността в СССР сега постави Русия в много трудно положение при много видове суровини и метали. Пазарът на ниобий започва с производството на суровини, съдържащи ниобий. Основният му вид в Русия беше и остава лопаритният концентрат, получен в Ловозерския ГОК (сега - АД Севредмет, Мурманска област). Преди разпадането на СССР предприятието произвежда около 23 хиляди тона лопаритов концентрат (съдържанието на ниобиев оксид в него е около 8,5%). Впоследствие производството на концентрат постоянно намалява, през 1996-1998 г. предприятието е спирано няколко пъти поради липса на продажби. В момента, според оценките, производството на лопаритов концентрат в предприятието е на ниво от 700 - 800 тона на месец.

Трябва да се отбележи, че предприятието е доста строго обвързано с единствения си потребител - Соликамския магнезиев завод. Факт е, че лопаритният концентрат е доста специфичен продукт, който се получава само в Русия. Технологията на преработката му е доста сложна поради комплекса от редки метали, които съдържа (ниобий, тантал, титан). Освен това концентратът е радиоактивен, поради което до голяма степен всички опити за навлизане на световния пазар с този продукт завършват напразно. Трябва също да се отбележи, че ферониобий не може да се получи от лопаритов концентрат. През 2000 г. в завод „Севредмет“ компанията „Роредмет“ пусна експериментална единица за преработка на лопаритов концентрат, за да получи, наред с други метали, продаваеми продукти, съдържащи ниобий (ниобиев оксид).

Основните пазари за ниобиеви продукти SMZ са страни извън ОНД: доставките се извършват за САЩ, Япония и европейските страни. Делът на износа в общия обем на продукцията е над 90%. Значителни мощности за производство на ниобий в СССР са съсредоточени в Естония - в Силамяеската химико-металургична производствена асоциация (Силамяе). Сега естонската компания се казва Silmet. В съветско време предприятието преработва лопаритов концентрат от Ловоозерски ГОК, от 1992 г. доставката му е спряна. Silmet в момента обработва само малък обем ниобиев хидроксид в магнезиевия завод в Соликамск. Повечето от ниобий-съдържащите суровини в момента се получават от компанията от Бразилия и Нигерия. Ръководството на компанията не изключва доставката на лопаритов концентрат, но "Севредмет" се опитва да провежда политика на преработката му на място, тъй като износът на суровини е по-малко изгоден от крайния продукт.

Обучение

Нуждаете се от помощ за проучване на тема?

Нашите експерти ще съветват или предоставят уроци по теми, които ви интересуват.
Изпратете заявкас посочване на темата точно сега, за да разберете за възможността за получаване на консултация.

Тантал и ниобий се получават чрез редукция от съединения с висока чистота: оксиди, комплексни флуорни соли, хлориди. Индустриалните методи за производство на метали могат да бъдат разделени на четири групи:

Натриево-термична редукция от комплексни флуориди;

Редукция от оксиди с въглерод (карботермичен метод);

Редукция от алуминиеви оксиди (алуминотермичен метод);

Възстановяване от хлориди с водород;

Електролиза на разтопена среда.

Поради високата точка на топене на тантал (~ 3000 C) и ниобий (~ 2500 C), те се получават в резултат на редукция по всички изброени методи, с изключение на третия, под формата на прах или синтерована гъба . Задачата за получаване на компактен ковък тантал и ниобий се усложнява от факта, че тези метали активно абсорбират газове (водород, азот, кислород), чиито примеси ги правят крехки. Поради това е необходимо пресованите от праховете детайли да се синтероват или да се стопят във висок вакуум.

Натриотермален метод за производство на тантал и ниобий на прах

Натриево-термичната редукция на комплексни флуориди K2TaF7 и K2NbF7 е първият индустриален метод за производство на тантал и ниобий. Използва се и до днес. Натрият, калций и магнезий, които имат висок афинитет към флуор, са подходящи за редуциране на флуоридни съединения на тантал и ниобий, както може да се види от стойностите по-долу:

Електронна поща<^ент Nb Та Na Mg Са

AG298, kJ / g-атом F. ... ... -339 -358 -543 -527 -582

За редукция се използва натрий, тъй като натриевият флуорид е разтворим във вода и може да бъде отделен чрез промиване от прахове от тантал и ниобий, докато магнезиевите и калциевите флуориди са слабо разтворими във вода и киселини.

Нека разгледаме процеса на примера за получаване на тантал. Редукцията на K2TaF7 с натрий протича с голямо отделяне на топлина (дори при натоварване на заряда до 5 kg), достатъчно за спонтанното протичане на процеса. След нагряване на заряда на едно място до 450-500 C, реакцията бързо се разпространява в цялата маса на заряда и температурата достига 800-900 C. Тъй като натрият се топи при 97 C и кипи при 883, очевидно е, че течността и парообразният натрий участват в редукцията:

K2TaF7 + 5NaW = Ta + 5NaF + 2KF; K2TaF7 + 5Na (ra3) = Ta + 5NaF + 2KF.

Специфичните топлинни ефекти на реакциите (2.18) и (2.19) са съответно 1980 и 3120 kJ / kg заряд.

Редукцията се извършва в стоманен тигел, където се зареждат на слоеве калиев флуоротанталат и натриеви парчета (~ 120% от необходимото стехиометрично количество), които се нарязват със специални ножици. Горната част на шихтата е покрита със слой от натриев хлорид, който образува нискотопима смес с KF и NaF. Солната стопилка предпазва частиците от окисляване от
танталова роса. В най-простата версия на процеса, за да се започне реакция, стената на тигела на дъното се нагрява с пламък на паялна лампа, докато се появи червено петно. Реакцията протича бързо в цялата маса и завършва за 1-2 минути. При това изпълнение на процеса, поради краткотрайното излагане на продуктите при максимална температура (800-900 С), се получават фини танталови прахове, които след измиване на солите съдържат до 2% кислород.

По-едрозърнест прах с по-ниско съдържание на кислород се получава чрез поставяне на реакционен тигел в шахтова електрическа пещ и съхраняването му в пещ след края на реакцията при 1000 ° C.

Получената танталова редукция се импрегнира под формата на фини частици във флуорно-хлоридна шлака, съдържаща излишък на натрий. След охлаждане съдържанието на тигела се избива, раздробява се в челюстна трошачка и се зарежда на малки порции в реактор с вода, където натрият се „гаси“ и по-голямата част от солите се разтварят. След това прахът се измива последователно с разреден неи (за по-пълно измиване на соли, разтваряне на желязо и частично титанови примеси). За да се намали съдържанието на танталови оксиди, прахът понякога се промива допълнително със студена разредена флуороводородна киселина. След това прахът се измива с дестилирана вода, филтрира се и се суши при 110-120 С.

Използвайки метода, описан по-горе, при спазване на приблизително същите условия, ниобиеви прахове се получават чрез редукция на k2NbF7 с натрий. Изсушените ниобиеви прахове имат състав, %: Ti, Si, Fe 0,02-0,06; Около 0,5; N до 0,1; С 0,1-0,15.

Карботермален метод за производство на ниобий и тантал от оксиди

Този процес първоначално е разработен за производство на ниобий от Nb2o5.

Ниобият може да бъде редуциран от Nb2os с въглерод при 1800-1900 ° C във вакуумна пещ:

Nb2Os + 5C = 2Nb + SCO. (2,20)

Зарядът Nb205 + 5C съдържа малко ниобий и дори в брикетирано състояние има ниска плътност (~ 1,8 g / cm3). В същото време се отделя голям обем co (~ 0,34 m3) на 1 kg заряд. Тези обстоятелства правят неизгодно провеждането на процеса съгласно реакция (2.20), тъй като в този случай производителността на вакуумната пещ е ниска. Следователно процесът се извършва на два етапа:

I етап - получаване на ниобиев карбид

Nb203 + 1C = 2NbC + 5CO; (2,2 л)

Етап P - получаване на ниобий във вакуумни пещи

Nb2Os + 5NbC = 7Nb + 5CO. (2,22)

Брикетираната шихта на нейния етап съдържа 84,2% (тегловно) ниобий, плътността на брикетите е ~ 3 g / cm3, обемът, образуван от 0,14 m3 на 1 kg заряд (~ 2,5 пъти по-малко, отколкото в случая на заряд Nb2o5 + sc ). Това осигурява по-висока производителност на вакуумната пещ.

Значително предимство на двуетапния процес е също така, че първият етап може да се проведе при атмосферно налягане в съпротивителни пещи с графитна тръба (фиг. 29).

За да се получи ниобиев карбид (I етап на процеса), смес от Nb2o5 със сажди се брикетира и брикетите се нагряват в графитна тръбна пещ в атмосфера на водород или аргон при 1800-1900 ° C (брикетите се движат непрекъснато по пещ

Ориз. 29. Схема на графитно-тръбна съпротивителна пещ:

1 - корпус; 2 - графитна нагревателна тръба; 3 - екранираща графитна тръба; 4- сажди топлоизолираща засипка; 5 - хладилник; 6 - контактни графитни конуси; 7 - охладена контактна глава; 8 - люк; 9 - шини, захранващи ток

Въз основа на престоя им в горещата зона 1-1,5 часа). Натрошеният ниобиев карбид се смесва в топкова мелница с Nb2o5, взет с лек излишък (3-5%) спрямо необходимия при реакция (2.22).

Зарядката се пресова в заготовки под налягане 100 MPa, които се нагряват във вакуумни пещи с графитни нагреватели (или вакуумни индукционни пещи с графитна тръба) при 1800-1900 C. Излагането приключва при остатъчно налягане от 1,3-0,13 Pa. се достига.

Реакциите (2.21) и (2.22) са кумулативни. Те преминават през междинни етапи на образуване на нисши оксиди (Nt> o2 и NbO), както и на Nb2c карбид. Основните реакции на етап I:

Nb2Os + C = 2NbO2 + CO; (2.23)

NbO2 + C = NbO + CO; (2,24)

2NbO + 3C = Nb2C + 2CO; (2,25)

Nb2C + C = 2NbC. (2,26)

Реакции на етап n:

Nb2Os + 2NbC = 2NbO2 + Nb2C + CO; (2,27)

NbO2 + 2NbC = NbO + Nb2C + CO; (2,28)

NbO + Nb2C = 3Nb + CO. (2,29)

Металният ниобий се получава чрез крайната реакция на етап II на процеса (2.29). Равновесното налягане ω за реакция (2.29) при 1800 ° C е> 1.3 Pa. Следователно е необходимо процесът да се проведе при остатъчно налягане, по-ниско от равновесното налягане за тази реакция (0,5-0,13 Pa).

Получените синтеровани порести брикети от ниобий съдържат,%: С 0,1-0,15; Около 0,15-0,30; N 0,04-0,5. За да се получи компактен ковък метал, брикетите се топят в пещ с електронен лъч. Друг начин е получаването на прах от брикети (чрез хидрогениране при 450 С, смилане и последващо дехидрогениране във вакуум), пресоване на пръчките и синтероването им във вакуум при 2300-2350 С. При процесите на вакуумно топене и синтероване във вакуум кислородът и въглеродът се отстраняват в състава co, а излишният кислород в състава на летливите нисши оксиди.

Основните предимства на карботермалния метод са високият директен добив на метал (не по-малко от 96%) и използването на евтин редуциращ агент. Недостатъкът на този метод е сложността на дизайна на високотемпературни вакуумни пещи.

По карботермалния метод могат да се получат и сплави от ниобий-тантал.

Алуминотермичен метод за производство на ниобий и тантал от висши оксиди

Алуминометричният метод за производство на ниобий чрез редукция на ниобиев пентоксид с алуминий, разработен през последните години, има технически и икономически предимства пред другите методи за производство на ниобий поради ниския етап и простотата на хардуерната конструкция.

Методът се основава на екзотермична реакция:

3Nb2Os + 10A1 = 6Nb + 5A1203; (2,30)

Dow = -925,3 + 0,1362t, kJ / mol Nb2o5.

Високият специфичен топлинен ефект на реакцията (2640 kJ / kg стехиометричен заряд) прави възможно извършването на процеса без външно нагряване с топене на слитък от ниобиево-алуминиева сплав. Успешна алумотермична редукция извън пещта е възможна, ако температурата на процеса е по-висока от точката на топене А12о3 = 2030 °С) и металната фаза (сплавта Nb + 10% ai се топи при 2050 °С). При излишък на алуминий в шихтата с 30-40% над стехиометричното количество, температурата на процеса достига ~ 2150-2200 C. Поради бързия ход на редукция, температурата се повишава с около 100-150 C в сравнение с температурите на топене на шлаката и металната фаза е достатъчна, за да се осигури тяхното разделяне. При гореспоменатия излишък на алуминий в шихта се получава ниобиева сплав с 8-10% алуминий с реална екстракция на ниобий от 98-98,5%.

Алуминотермичната редукция се извършва в стоманен тигел с набита облицовка от калцинирани магнезиеви или алуминиеви оксиди. За удобство при разтоварването на продуктите от топенето тигелът е направен разглобяем. Контактите се въвеждат през стените за подаване на електрически ток (20 V, 15 A) към предпазителя под формата на нихромен проводник, поставен в заряд. Друг възможен вариант е процесът да се извърши в масивен разцепен меден тигел, по стените на който е оформен гарнисажен защитен слой.

В тигела се зарежда смес от добре изсушен Nb2o5 и алуминиев прах с размер на частиците ~ 100 микрона. Препоръчително е тигелът да се постави в камера, пълна с аргон, за да се избегне контакт с въздуха.

След включване на запалването реакцията протича бързо по цялата маса на заряда. Полученият слитък от сплав се натрошава на парчета и се подлага на вакуум-термична обработка при 1800-2000 С в пещ с графитен нагревател при остатъчно налягане от ~ 0,13 Pa, за да се отстрани по-голямата част от алуминия (до съдържанието му 0,2% ). След това се извършва рафиниране на топене в пещ с електронен лъч, като се получават блокове от ниобий с висока чистота със съдържание на примеси, %: A1< 0,002; С 0,005; Си < 0,0025; Fe < 0,0025; Mg, Mn, Ni, Sn < 0,001; N 0,005; О < 0,010; Si < 0,0025; Ті < < 0,005; V < 0,0025.

По принцип алуминотермичното производство на тантал е възможно, но процесът е малко по-сложен. Специфичният топлинен ефект на редукционната реакция е 895 kJ / kg заряд. Поради високата температура на топене на тантала и неговите сплави с алуминий, железен оксид се въвежда в шихтата за стопяване на слитъка (въз основа на производството на сплав със 7-7,5% желязо и 1,5% алуминий), както и нагряване добавка - калиев хлорат (Бертолетова сол) ... Тигелът с шихта се поставя в пещ. При 925 ° C започва спонтанна реакция. Екстракцията на тантал в сплавта е около 90%.

След вакуум-термична обработка и топене с електронен лъч, танталовите блокове имат висока чистота, сравнима с тази, дадена по-горе за ниобий.

Получаване на тантал и ниобий чрез редукция на техните хлориди с водород

Разработени са различни методи за редукция на тантал и ниобий от техните хлориди: редукция с магнезий, натрий и водород. Някои варианти на редукция с водород са най-обещаващи, по-специално разгледаният по-долу метод за редукция на хлоридни пари върху нагрети субстрати за получаване на компактен метален прът.

На фиг. 30 е показана схема на инсталация за производство на тантал чрез редуциране на парите на TaC15 с водород върху танталова лента, нагрята до 1200-1400 ° C. Парите TaCI5, смесени с водород, се подават от изпарителя към реактора, в центъра на който има танталова лента, нагрята чрез директно преминаване на електрически ток до предварително определена температура. За равномерно разпределение на паро-газова смес по дължината на лентата и за осигуряване на поток, перпендикулярен на повърхността му, около ремъка е монтиран екран от неръждаема стомана с отвори. На загрята повърхност протича реакция:

TaC15 + 2,5 H2 = Ta + 5 HCl; AG ° m k = -512 kJ. (2,31)

Ориз. 30. Схема на инсталацията за редукция на танталов пентахлорид с водород: 1 - фланец на реактора; 2 - изолирано електрическо захранване; 3 - затягащи контакти; 4 - кондензатор за нереагирал хлорид; 5 - танталова лента; 6 - екрани с отвори, - 7 - корпус на реактора; 8 - нагревател на реактора; 9 - отопляем ротаметър; 10 - иглена клапа; 11 - електрическа фурна на изпарителя; 12 - изпарител на танталов пентахлорид; 13 - ротаметър за водород

Оптимални условия за отлагане на тантал: температура на лентата 1200-1300 ° C, концентрация на TaCl5 в газовата смес ~ 0,2 mol / mol от сместа. Скоростта на отлагане при тези условия е 2,5-3,6 g / (cm2 h) (или 1,5-2,1 mm / h), По този начин за 24 часа се получава чиста танталова пръчка със среден диаметър 24-25 mm, която може да се навива в лист, да се използва за претопяване в пещ с електронен лъч или да се превърне в прахове с висока чистота (чрез хидрогениране, смилане и дехидрогениране на праха). Превръщането на хлорида (директно извличане към покритие) е 20-30%. Нереагиралият хлорид се кондензира и се използва повторно. Консумацията на електроенергия е равна на 7-15 kWh на 1 kg тантал, в зависимост от приетия режим.

След отделяне на парите на HCI чрез абсорбция във вода, водородът може да бъде върнат в процеса.

По описания метод могат да се получат и ниобиеви пръчки. Оптимални условия за отлагане на ниобий: температура на лентата 1000-1300 C, концентрация на пентахлорид 0,1-0,2 mol/mol от газовата смес. Скоростта на отлагане на метала е 0,7-1,5 g / (cm2-h), степента на преобразуване на хлорида в метал е 15-30%, консумацията на енергия е 17-22 kW * h / kg метал. Процесът за ниобий се улеснява от факта, че част от NbCl5 се намалява в обема на реактора на определено разстояние от нагрятата лента до нелетливия NbCl3, който се отлага по стените на реактора.

Електролитен метод за производство на тантал

Тантал и ниобий не могат да бъдат изолирани от водни разтвори чрез електролиза. Всички разработени процеси се основават на електролизата на разтопена среда.

В промишлената практика методът се използва за получаване на тантал. И така, в продължение на няколко години електролитният метод на тантал се използва от компанията Fenstil (САЩ), част от тантала, произведен в Япония, в момента се получава чрез електролиза. В СССР бяха проведени обширни изследвания и промишлени изпитания на метода.

Методът за електролитно производство на тантал е подобен на метода за производство на алуминий.

Електролитът е на базата на разтопена сол K2TaF7 - KF - - KC1, в която е разтворен танталов оксид Ta205. Използването на електролит, съдържащ само една сол, K2TaF7, е практически невъзможно поради непрекъснатия аноден ефект при използване на графитен анод. Електролизата е възможна във вана, съдържаща K2TaF7, KC1 и NaCl. Недостатъкът на този електролит е натрупването на флуорни соли в него по време на електролизата, което води до намаляване на критичната плътност на тока и изисква коригиране на състава на ваната. Този недостатък се елиминира чрез въвеждане на Ta205 в електролита. Резултатът от електролизата в този случай е електролитното разлагане на танталов оксид с освобождаване на тантал на катода и на анода на кислород, който реагира с графита на анода, за да образува CO2 и CO. В допълнение, въвеждането на Ta205 в разтопената сол подобрява овлажняването на графитния анод от стопилката и увеличава критичната плътност на тока.

Изборът на електролитния състав се основава на данните от изследванията на тройната система K2TaF7-KCl-KF (фиг. 31). Тази система съдържа две двойни соли K2TaF7 KF (или KjTaFg) и K2TaF7 KC1 (или K3TaF7Cl), две троични евтектики Ei и E2, топящи се съответно при 580 и 710 C, и перитектична точка P при 678 ° C. Когато Ta205 се въведе в стопилката, той взаимодейства с флуоротанталати, за да образува оксофлуоротанталат:

3K3TaF8 + Ta2Os + 6KF = 5K3TaOF6. (2,32)

Реакцията с K3TaF7Cl протича по подобен начин. Образуването на оксофлуоридни комплекси на тантал определя разтворимостта на Ta205 в електролита. Ограничаващата разтворимост зависи от съдържанието на K3TaF8 в стопилката и съответства на стехиометрията на реакцията (2.32).

Въз основа на данните за влиянието на състава на електролита върху показателите за електролиза (критична плътност на тока, ефективност на тока, екстракция, качество на танталовия прах), съветските изследователи предложиха следния оптимален електролитен състав: 12,5% (тегловно) K2TaF7, почивка KC1 и KF спрямо 2 : 1 (по тегло). Концентрацията на въведения Ta2Os е 2,5-3,5% (тегловни). В този електролит при температури от 700-800 ° C при използване на графитен анод, напрежението на разлагане на оксофлуоридния комплекс е 1,4 V, докато за KF и KC1 напреженията на разлагане са съответно ~ 3,4 V и ~ 4,6 V.

КС I K2TaF, -KCl KJaFf

Ориз. 31. Диаграма на топене на системата K2TaF7-KF-KCl

По време на електролиза на катода настъпва стъпаловидно разреждане на катиони Ta5 +:

Ta5 + + 2e> Ta3 + + be * Ta0.

Процесите на анода могат да бъдат представени чрез реакциите: TaOF63 "- Ze = TaFs + F" + 0; 20 + C = CO2; CO2 + C = 2CO; TaFj + 3F ~ = TaF | ~. TaF | ~ йони, взаимодействащи с Ta2Os, въведени в стопилката, отново образуват TaOF | ~ йони. При температури на електролиза 700-750 ° C съставът на газовете съдържа -95% CO2, 5-7% CO2; 0,2-

Сред проектите на електролитни клетки, тествани в СССР, най-добри резултати са получени в тези, при които катодът е никелов тигел (или сплав от никел с хром), в центъра

Фиг. 32. Електролитна клетка за производство на тантал:

1 - бункер с подаващо устройство Ta205; 2 - електромагнитен вибратор на подаващото устройство; 3 - скоба със закрепване за анода; 4 - кух графитен анод с дупки в стената; 5 - тигел-катод, изработен от нихром; 6 - капак; 7 - топлоизолационно стъкло; 8 - волан за повдигане на автомобила; 9 - щепсел с прът за подаване на ток

Което представлява кух графитен анод с дупки в стените (фиг. 32). Танталовият оксид се подава периодично от автоматично вибриращо подаващо устройство към кухия анод. При този метод на подаване се изключва механичното замърсяване на катодния налеп с неразтворен танталов пентоксид. Газовете се отстраняват чрез бордово засмукване. При температура на електролиза 700-720 C, непрекъснато захранване на банята Ta205 (т.е. с минимален брой анодни ефекти), катодна плътност на тока 30-50 A / dm2 и съотношение DjDk = 2 * 4, директно извличане на тантал е 87-93%, добивът е настоящ 80%.

Електролизата се извършва, докато 2/3 от полезния обем на тигела се запълни с катодната утайка. В края на електролизата анодът се повдига и електролитът, заедно с катодния налеп, се охлажда. Има два метода за обработка на катодния продукт с цел отделяне на електролита от частиците танталов прах: смилане с въздушно отделяне и вакуум-термично почистване.

Вакуумно-термичният метод, разработен в СССР, се състои в отделяне на основната част от солите от тантал чрез топене (топене) в атмосфера на аргон, последвано от отстраняване на остатъка чрез изпаряване във вакуум при 900 С. Разтопеният и кондензиран електролит се върнат към електролиза.

Това чрез смилане с въздушно отделяне от 30-70 микрона, а при използване на вакуумна термична обработка - 100-120 микрона.

Производството на ниобий от оксифлуорид-хлоридни електролити, като тантал, не дава положителни резултати поради факта, че по време на разряда на катода се образуват по-ниски оксиди, замърсяващи метала. Токовият изход е нисък.

За ниобий (както и за тантал) безкислородните електролити са обещаващи. Пентахлоридите на ниобия и тантала се разтварят в разтопени хлориди на алкални метали, за да образуват комплексни соли A / eNbCl6 и MeTaCl6. При електролитното разлагане на тези комплекси на катода се образуват едрокристални отлагания на ниобий и тантал, а на графитния анод - хлор.

Социално-икономически и хуманитарни науки

UDC 553.98 "=."

ДОБИВ НА НИОБИЙ В РУСИЯ

Г.Ю. Боярко *, В. Ю. Хатков **

, * Томски политехнически университет

** Служба на правителството на Руската федерация. ""

Електронна поща: [защитен с имейл]

Ниобий се добива в Русия в находище Ловозерское (Мурманска област) под формата на лопаритов концентрат и в Татарското находище ( Красноярска област) под формата на концентрат на пирохлорна киселина и преработка ~ в заводите за магнезий Соликамск (Пермска област) и Ключевской феросплав (Свердловска област), ниобиево находище Томтор (Република Саха-Якутия) и възстановяване на предишното ниво на производство в Етикинското тантало-ниобиево находище (област Чита) Поради наличието на естествен световен монопол на бразилските производители на ниобий, руските предприятия за добив на ниобий трябва да се съсредоточат предимно върху металургичния пазар на Русия, Украйна, Казахстан и Китай.

Ниобият е тежък огнеупорен метал с висока пластичност, устойчивост на корозия, добра заваряемост и малко напречно сечение на улавяне на топлинни неутрони. Той е част от топлоустойчиви и свръхпроводящи сплави, а стоманите, легирани с ниобий, имат висока якост и значителна пластичност, устойчивост на замръзване и корозия. Основната консумация на ниобий пада върху производството на тръби с голям диаметър за магистрални тръбопроводи от нисколегирани (0,07 ... 0,08% N)) стомани. Нисколегираните ниобиеви стомани се използват в производството на строителни конструкции, мостостроене, пътна и минна техника, производство на самолети и автомобили, в производството на оборудване за дълбоки нефтени сондажи, оборудване за химическата и нефтохимическата промишленост и др. Сплавите от ниобий с калай, титан и цирконий се използват широко при производството на свръхпроводящи соленоиди за мощни електромагнити, използвани в магнитни сепаратори, ускорители на заредени частици и MHD генератори. Синтетичните монокристали от литиеви и оловни ниобати се използват в оптични капаци и акустоелектронни устройства. Обемът на световното потребление на ниобий е 25 ... 26 хиляди тона годишно, а ясният му растеж се наблюдава с 2 ... 2,5% годишно. Лидерите в потреблението на ниобий са Япония (30% от световното търсене), САЩ (около 25%) и страните от Европейския съюз. Цените на ниобиеви продукти са показани в таблицата. Г

Ниобий се извлича по хидрометалургични и пирометалургични методи от концентрати на ниобиеви минерали - пирохлор (NaCaNb206F) (до 90% от световните доставки), колумбит-танталит ((Fe, Mn) (Nb, Ta) 206) (до 5% ) и лопарит (( Ca, TR) (Ti, Ta, Nb) 02) (само в Русия). При обработката им едновременно се извлича тантал (в съотношение Ta / Nb = 1/10), а от лопарит се извличат и редкоземни метали и титан.

Световното производство на ниобий е 25,7 хил. тона (2002 г.), като 22 хил. тона се падат на бразилската компания Companhia Brasileira de Metalurgia e Minera ^ So Cia Brasileira de Metalurgia Minera? Ao (CBMM), която е естествен монопол в производството на пирохлорни концентрати , ферониобий (до 18 хиляди тона годишно), ниобий

Таблица. Цени за продукти от ниобий (и свързания с него тантал).

Стокови продукти Цени, US $ за кг

Пирохлорен концентрат (по отношение на N ^ 05) 6,0 ... 6,5

Колумбитен концентрат (по отношение на N1 ^ 05) 6,5 ... 7,0

Танталитов концентрат (по отношение на Ta205) 65 .. / 75

Лопарит концентрат 1,1-

Ферониобий 14,5 ... 15,5

Метален ниобий 14,0 .. L 4,5

Тантал на прах ■ 200 ... 230

Метален тантал 200 ... 210

талий и тантал. Той добива повърхностната кора на изветряне на карбонатитния масив Араша (щат Амазонас) със средно съдържание 2,5% Nb205 (4,3 милиарда тона руда) и находището на калай Питанга, съдържащо 4,3% Nb205 (30 милиона тона руда). Част от концентратите CBMM се преработват от консолидираната компания Catalao de Goäis (Mineralo Cataloa), която произвежда до 3,5 хиляди тона ферониобий годишно. Като резерв в Бразилия вътре национален парк Pico da Neblina е находището Seis Lagos с запаси от 2,9 милиарда тона руда със средно съдържание на Nb205 от 2,8%. В Канада ниобиевата руда се добива в находище Saint Honore (мина Niobec, Квебек) със средно съдържание на Nb205 от 0,6%. Две компании се занимават с добив на руди и преработка на концентрати - Teck Corp. и Cambior Inc., които доставят 3,2 хиляди тона ферониобий на световния пазар през 2002 г. В изключително малки количества различни ниобиеви продукти (главно пирохлорни концентрати) се произвеждат в Австралия (Green Bushes), Нигерия (Joe Plateau), Мозамбик (Mbeya), Замбия (Luesh) и Конго (Manono Kitololo).

В ерата на плановата икономика СССР добива и произвежда до 2000 тона ниобиеви продукти (по отношение на ниобиев оксид), като се нарежда на трето място по производство (след Бразилия и Канада) и на четвърто по потребление (след Япония, САЩ и Германия). След разпадането на общото икономическо пространство в национални анклави на ОНД, технологичната верига на индустрията за редки метали беше прекъсната и някои от нейните фрагменти станаха нерентабилни. В резултат на това руските потребители бяха принудени да задоволят нуждите си от ниобий, като изнасят 100 ... 200 тона ниобиеви сплави годишно (главно от Бразилия).

Единственото оцеляло действащо минно предприятие в Русия е OJSC Severnye Rare Metals (бивш Lovozersky GOK) в село Lovozero, Ревдински район, Мурманска област, и неговият добивен оператор, OJSC Lovozero Mining Company, в мините Karnasurt и Umbozero. Тук, в редкоземно-ниобиево-танталовото находище Ловозеро, уникално по запаси (бедно по съдържание на Nb205 - само 0,24%), се добиват до 25 хиляди тона лопаритов концентрат от съдържащи лопарит нефелинови сиенити годишно, съдържащи 6 ... 8% Nb, 0, 5% Ta, 36 ... 38% TR и 38 ... 42% Ti. До 10 хиляди тона лопаритов концентрат се преработва в Соликамския магнезиев завод OJSC (основен собственик е СП Фонд за растеж на Русия), където чрез хлориране се получава ниобиев хидроксид, който е среден продукт за производството на метален ниобий (в Иртишки химически и металургичен завод в Уст-Каменогорск, Казахстан). В момента Соликамският магнезиев завод произвежда годишно 700 ... 750 тона ниобиеви оксиди и 70 ... 80 тона танталов оксид, които са напълно екс-

пристанището. Останалите 10 ... 12 хиляди. Концентратът на тлопарит преди това е преработен в A5> 8Pte1 (Sillamae, Естония) по схемата на сярна киселина до метален ниобий и ферониобий. В момента 5Pte1 се отказа от закупуването на суровини за лопарит и премина към по-технологични пирохлорни концентрати от Бразилия и Нигерия. Съответно производството на лопаритов концентрат от Sev-redmet също падна (до 8 ... 10 хиляди тона), което доведе това предприятие до ръба на фалита. Опитът през 2000 г. за организиране на собствено хидрометалургично производство с производство на ферониобий поради липса на необходимите инвестиции (100 милиона щатски долара) не се увенчава с успех. В момента собственик на AO Sevredmet е компанията CJSC Company FTK (Финанси, технологии, консултации) (Москва), съсобственик на Соликамския магнезиев завод (14% от акциите), но няма реален изход от настоящата ситуация на ограничено търсене на суровини за лопарит. Иртишският химически и металургичен завод също беше на ръба на фалита и до 1996 г. спря производството на ниобиеви продукти, но през 2000 г. от него беше отделено способно подразделение на KazNiobiy IHMZ LLP, което започна да произвежда до 60 ... 80 тона метален ниобий годишно, като се използва ниобиев хидроксид в Соликамск като суровина. Преработката на промишлени продукти от тантал в ОНД се извършва в OJSC Ulba Metallurgic Plant NAK Kazatomprom (Уст-Каменогорск, Република Казахстан), където се произвеждат ниобиеви продукти - прах, блокове, валцувани продукти.

Други руски предприятия, които преди това са работили с по-богати руди, ги развиват до 90-те години на XX век и по време на прехода към пазарна икономика закриват нерентабилните си производства. Това са Вишневогорска рудна администрация (Челябинска област), която разработи едноименното находище Малишевское РУ (Свердловска област), напълно изчерпано находище на редкометални пегматити Липова ливада, Орловски ГОК (Читинска област), което е разработило Орловское находище и Забайкалски ГОК (област Чита), които спряха Завитковское и Етикинско поле. Концентратите на пирохлор и колумбит-танталит на тези предприятия бяха преработени в завода за феросплави в Ключевской (селище Двуреченск, Сисертски район, Свердловска област), който произвеждаше ферониобий и ниобиеви сплави от тях.

Подобряването на индустрията за редки метали в Русия се осъществи по инициатива на потребителите на ниобий - Череповецките металурзи от ОАО Северстал (Череповец, Вологодска област). За да премахне зависимостта от износа на ниобий, този холдинг организира дъщерно дружество на JSC Stalmag (Красноярск) за извличане на пирохлорни концентрати от кората на изветряне на татарското вермикулитно-ниобатно-фосфорно находище на едноименния карбонатитов масив,

положен в района на Мотигински на Красноярския край | 9 |. В края на 2000т. на това находище е пуснат завод за първична преработка с капацитет до 90 хил. тона руда годишно. От получения концентрат, доставен в завода за феросплави в Ключевски, се произвеждат 150: .. 200 тона ферониобий годишно. С въвеждането на втория етап производителността на мината ще се удвои,

През 2001 г. Забайкалският ГОК (поселище Первомайски, район Шилкински, област Чита), който през последните години добива флуорит и злато, възобнови добива на Етикинския тантал-ниобий-калаен находище в редкометалните гранити на Етикинския масив. Средното съдържание на тантал в рудите е 0,031%, ниобий е 0,1%, а калай е 0,2%. През 2001 г. ^ добиват (по отношение на метал) 40 тона тантал, 60 тона ниобий, 100 тона калай. До 2005 г. се планира увеличаване на производствения капацитет пет пъти. В ход е изграждането на хидрометалургичен цех за производство на калиев флуоротанталат и ниобиев пентоксид на базата на Забайкалския ГОК в село Первомайски. От: Етикински руди също могат да се добиват "и литиеви концентрати със средно съдържание на N20 в руди - 0,11%. В рамките на държавната програма" Добив, производство и потребление на литий, берилий, тантал, калай, ниобий (LIBTON) „Планира се също така да се възобнови добивът на Забайкалски ГОК в Завитинското литиево-ниобиево находище на сподуменови пегматити.

добри продукти със средно съдържание на Ta205 в рудите -0,0139% и N> 205 -0,02%.

Компанията ZAO Alrosa (Мирни, Република Саха-Якутия), в рамките на програмата за диверсифициране на своя диамантен бизнес, подготвя проект за добив за разработване на обекта Burny, ниобиево-редкоземно находище Томтор, уникално по отношение на запасите и качеството на рудата в Оленекския улус на Република Саха-Якутия. Този фрагмент от находището е почти дрейфово езерно разсипване, образувано в резултат на отмиването на кората на изветряне на карбонатитния масив Томтор. Средното съдържание на Lb205 тук е 6,71%, Y - 0,59%, ST11 - 9,53%. Проектът за развитие на площадката Бърни предвижда първоначален годишен обем на обработка на скална маса от 13,73 хил. m3 и добив на пирохлорен концентрат, съдържащ 583 t Lb205, и редкоземен концентрат, съдържащ 690 t оксиди на редкоземни метали (V203, CeO2 , La203, Pr6Ou, Ssh203, № 203, Eu203, 8s203). В бъдеще се предвижда увеличаване на производствения капацитет до 30 хил. м3 руда и производство до 2000 тона пирохлорен концентрат по отношение на No205.

По време на проучването на Белозиминското ниобиево-фосфатно находище (1984-1986) в района на Тулунски е съществувала малка пилотна производствена база. Иркутска област... Рудните образувания представляват ареална кора на изветряне над карбонатити (съдържащи 0,24% Ni>205), в богати блокове от които в Главната и Ягодната област средното съдържание на ML205 е съответно 1,06 и 1,39%. Въпреки това, напречното

Рисуване. Разположение на ниобий. находища и фирми, които добиват и преработват ниобий.

1) находища на ниобий ■ 2) холдинги на компании за добив на ниобий; 3 ~ 5) мини: 3) работещи, 4) въведени в производство, 5) затворени или спрени; 6) преработвателни предприятия

екстракцията на Nb205 в тези експерименти не надвишава 30%. Като страничен продукт от белозиминовите руди може да се получи фосфатен (апатит + франколит) концентрат, като първоначалното съдържание на Р205 в рудите е 11,25%.

На базата на ликвидирания Орловски ГОК през 2000 г. беше създадено ново предприятие, ОАО Ново-Орловски ГОК (селище Новоорловски, район Агински, област Чита), пилотен обогатителен завод № 1 и танталов участък на обогатителен завод №. 2 са възстановени комплекс) на производството на волфрам на Орловски ГОК, съдържащ 5190 тона W, 550 тона Nb и 440 тона Ta. Прогнозното производство на тантал и ниобий е до 10 ... 20 тона годишно.

За извличане на тантал и ниобий в завода за феросплави в Ключевской, шлаките за топене на калай периодично се обработват в Новосибирския калаен завод OJSC. По отношение на годишните продажби, производството на ниобий и тантал от суровините на Новосибирския завод за калай не надвишава първите тонове.

Трябва да се отбележат и други находища на ниобий и тантал-ниобий в Русия:

Болшетанинско фосфорно-ниобиево находище, разположено на 12 км западно от находището Бело-Зимински (Иркутска област) и ограничено до калцит-микроклинните карбонатити на едноименния карбонатитов масив. Средното съдържание на Nb205 в рудите е 1,02%.

Среднезиминско увреждане-ниобий-фосфорно находище, разположено на 18 км южно от находището Бело-Зимински (Иркутска област) и ограничено до калцит-микроклинови карбонатити. Средното съдържание на Nb205 в рудите е 0,10 ... 0,18%, уран до 0,02%, фосфор - 2,5 ... 3,5%. Находището е проблематично преди всичко поради ниските концентрации на полезни компоненти и високата радиоактивност на рудите.

Мястото Неске-Вара на находището на ниобий Вуориярвински се намира в района на Кандалакшински на Мурманска област. Той е голям

Руден блок от апатит-магнетитен състав с импрегниране на баделеит и пирохлор. Средното съдържание на Nb2Os в рудите на обекта е 0,53%, Ta205 - 0,017%. Находището се намира в непосредствена близост до действащото предприятие OJSC Kovdorsky GOK, което добива железни руди със свързаното производство на апатит и бадцелеит (съдържащи Zr и TR) концентрати. Находището е плитко - само 6,2 хил. тона Nb205 и 200 тона Ta205, но тези руди се вписват в технологичната верига на Ковдорския ГОК и този обект може лесно да бъде въведен в експлоатация.

Ниобиево-редкоземното находище Улуг-Танзокски (Република Тива) е минерализирана зона от рудоносни (пирохлор, колумбит-танталит, циркон, литий, берилий и редкоземни минерали) кварц-албит-микроклинови метасоматити. Находището е оценено през 90-те години на XX век и остава недостатъчно проучено. Съдържание No 205 -0,2%, Ta205 - 0,0155%, BTI - 0,063% (съотношението на yt-триевите елементи е 30 ... 40%), 1l20 - 0,086,1xOr - 0,4%. Технологичната схема на обогатяване на руда предвижда производство на No>, Ta, bg, Shch

TI (Y), и, и, YL.

Катугинското итриево-ниобий-циркониево находище на рудоносни околоразломни алкални (кварц-албит-микроклинови) метасоматити се намира в северната част на Читинска област, на 140 км от станция Новая Чара на Байкал-Амурската магистрала. Средното съдържание на Ni> 205 в рудите е 0,31, Ta205 е 0,019%, 8ТYa е 0,25% (съотношението на итриевите елементи е 40 ... 50%), g02 е 1,38%. Инвестиционният проект за разработване на това находище се разработва от Забайкалския ГОК.

Горноозерското ниобиево находище се намира в улус Уст-Майски на Република Саха-Якутия и е ограничено до едноименния въглеродно-тититов масив. Находището е проучено само от повърхността, оценката му е много лоша. Пирохлорната минерализация е ограничена до линейни зони от магнезиеви карбонатити. Средното съдържание на #> 205 за ограничен брой проби е 0,25%. В находището се открива и пирохлорно езерно разсипване, което остава неоценено. По аналогия с депозита Tomtor, той може да бъде доста богат.

Находището на тантал Вишняковское се намира в Иркутска област, на 110 км от гара Тайшет и е свързано с него с път. Жилните тела на редкометалните пегматити с дебелина до 40 m съдържат танталит, берилий и липедолит (литий) минерализация. Средното съдържание на Ta205 е 0,0198%, а за отделни вени от района на Рябиновия - 0,023 ... 0,03%. Възможна свързана екстракция на литий със средно съдържание 1l20 -0,086%, както и на берилий. Съдържанието на №> 205 не е високо - 0,02%, но при добива на танталова суровина ниобий ще се извлича вече като страничен продукт. Находището изисква допълнително проучване.

Като цяло оперативните мощности за добив на ниобиеви суровини вече отговарят на нуждите на руските металурзи от добавки за легиране на ниобий (200 ... 250 тона годишно) и дори като се вземе предвид нарастването на търсенето на тръбни продукти за основни тръбопроводи, само планираното развитие на мощностите на Stalmag и Zabaikalsky GOK може да надвишава

покриване на нови обеми на търсенето до 2005 г. (до 600 ... 800 тона).

Проблемите на Севредмет и Соликамски металургичен комбинат трябва да бъдат решени от техните собственици (FTK Company и Russia Growth Fund) като част от създаването на единна технология за преработка на сложни ниобиево-редкоземни суровини за получаване на крайни продаваеми продукти (индивидуални редкоземни метали и техните оксиди, ферониобий, метален ниобий и тантал) и създаване на достатъчно мощности за годишната преработка на 22 ... 25 хиляди тона лопаритов концентрат. Този холдинг може да произвежда до 1000 тона ниобий и до 100 тона продукти от тантал годишно. ... : ■.

Продажбата на продуктите на реконструирания "Севредмет" и новото минно предприятие "Ап-Роси" на находището Томтор вече изисква излизане отвъд руския пазар. Навлизането на световния пазар е ограничено от политиката на световния монопол на ниобиеви продукти - бразилската компания SVMM. Имайки най-ниските разходи за производство и преработка на ниобиеви суровини, той може да контролира нивото на световните цени, предотвратявайки появата на сериозни конкуренти. Руските производители на излишни продукти от ниобий трябва да се съсредоточат върху солидарния металургичен пазар на страните от ОНД (Украйна, Казахстан) и нарастващия пазар на потребление на металургия в Китай. В допълнение към металургичния сектор е необходимо сериозно да се проучат тенденциите в развитието през следващите 20 години на световните енергоспестяващи технологии, базирани на свръхпроводящи системи за пренос на енергия на базата на ниобиеви сплави, чието производство ще изисква до 5 хиляди тона на година.

Съществуващият производствен капацитет на завода за феросплави в Ключевской е достатъчен за продажба

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Елютин A.V., Чистов LB, Epshtein E.M. Проблеми с развитието минерално-суровинна базаниобий // Минерални ресурси на Русия. Икономика и управление

„мързел. – 1999. – бр. 3. – С. 22-29.

2. Кудрин B.C., Kushparenko Yu..S., Petrova N.V. и др. „Минерални суровини. Ниобий и тантал. Наръчник.

М .: Геоинформарк, 1998 .-- 63 с.

3. Минерални ресурси на света в началото на 2001г. -М .: Аерогеология, 2002 .-- Т. 2.- 476 с.

4. Резюме на минерални стоки "2003. - Питсбърг, Пенсилвания (САЩ): USGS, 2003. - 196 стр."!

5. Ниобий. Годишен преглед на минералите 2001. - Питсбърг, Пенсилвания (САЩ): USGS, 2002. - P. 21.1-28.14.

6. Цени на металите в Съединените щати до 1998 г. -Питсбърг, Пенсилвания (САЩ): USGS; 1998 .-- 179 с.

8. Жевелюк И. "Лов на" движимо "имущество // Nord-West-Courier. - № 41 (54): - 21-27 ноември 2002 г. t

производство на 1500 тона ферониобий годишно, 1000 тона сплав N¿-N5 и 500 тона Cr-N-M-основна сплав. По този начин обемите пирохлорни продукти, предлагани за преработка от ГОК Stalmag, Zabaikalsky и Novo-Orlovsky, както и тези, планирани за доставка от находището Tomtor, могат да бъдат приети за преразпределение от това предприятие. За производство на търговски метални изделия от ниобий и тантал руски компанииможете да използвате схеми за ишлеме за работа с казахстански компании KazNiobiy - Иртишки химически и металургичен завод и Улба металургичен завод. В случай на подобрение на конюнктурата на свръхпроводящи материали, вариантът за организиране на производство на ниобиеви валцувани продукти на територията на Русия също е реалистичен. Такова производство е съществувало по-рано в Експерименталния химико-металургичен завод на GIREDMED (Подолск, Московска област) и Експерименталния завод за огнеупорни метали и твърди сплави (Москва).

Създаването на нови индустрии за добив и производство на ниобиеви продукти също е възможно в рамките на свързания им добив по време на разработването на находища на други минерали - например Катугински итрий-редкоземен цирконий, Вишняковски тантал, Завитински литий и др. ниобий, който не може сериозно да повлияе на пазара за неговото търсене.

Развитието на находищата на отдалечения резерв (Улуг-Танзекски в Република Тива и Гусиноозерски в Република Саха-Якутия) в условията на излишно предлагане на ниобиеви суровини от по-способни компании, работещи на богати и лесни за обработка руди едва ли е препоръчително.

9. Семененко Ю. Руски ниобий. Първата лястовица от Сибир // Prirodo-resourcenye vedomosti. - 31 август 2001 г., http://gazeta.priroda.ru.

10. Сайтове Ю.Г., Харитонов Ю.Ф., Шевчук Г.А. Минерална ресурсна база на района на Чита. Перспективи за проучване и развитие: част 2 // Минерални ресурси на Русия. Икономика и управление. - 2002. -№ 5. - С. 8-20.

11. Темнов А.Б. Геоложки и технически проблеми на добива на свръхбогати редкометални руди на находище Томтор // Природни и техногенни разсипи и находища на кори на изветряне в началото на хилядолетието. Резюмета. доклад XII Междунар. конференция ". - М.: IGEM RAN, 2000. - S! 345-347.

12. Епщейн Е.М., Усова Т.Ю., Данилченко Н.А. и др. Ниобий на Русия: състояние, перспективи за развитие и развитие на минерално-ресурсната база // Минерални суровини. Геоложко-икономическа серия, № 8. - М .: ВИМС, 2000. - 103 с.

13. Кудрин B.C., Рожанец A.B., Чистов L.B. и др. Танталът на Русия: състояние, перспективи за развитие и развитие на минерално-ресурсната база // Минерални суровини *. Геоложко-икономическа серия, № 4. - М .: ВИМС, 1999.-90 с.

Физични свойства на ниобия

Ниобият е лъскав сребристо-сив метал.

Елементарният ниобий е изключително огнеупорен (2468°C) и високо кипящ (4927°C) метал, който е силно устойчив в много корозивни среди. Всички киселини, с изключение на флуороводородната киселина, не действат върху нея. Окислителните киселини "пасивират" ниобия, покривайки го със защитен оксиден филм (№ 205). Но при високи температури реактивността на ниобия се увеличава. Ако при 150 ... 200 ° C се окислява само малък повърхностен слой на метала, тогава при 900 ... 1200 ° C дебелината на оксидния филм се увеличава значително.

Кристалната решетка на ниобия е центрирана по тялото кубична с параметър a = 3,294A.

Чистият метал е пластичен и може да се валцува в тънък лист (до дебелина до 0,01 mm) в студено състояние без междинно отгряване.

Възможно е да се отбележат такива свойства на ниобия като висока точка на топене и кипене, по-ниска работа на електроните в сравнение с други огнеупорни метали - волфрам и молибден. Последното свойство характеризира способността за електронна емисия (емисия на електрони), която се използва за използването на ниобий във вакуумната технология. Ниобият също има висока свръхпроводяща преходна температура.

Плътност 8,57 g / cm3 (20 ° C); tm 2500 ° C; кипене 4927 ° C; налягане на парите (в mm Hg; 1 mm Hg = 133,3 N / m2) 1 10-5 (2194 ° C), 1 10-4 (2355 ° C), 6 10- 4 (при tm), 1 · 10-3 (2539°С).

При температура на околната среда ниобият е стабилен във въздуха. Началото на окисляване (потъмняване на филми) се наблюдава, когато металът се нагрява до 200 - 300 ° C. Над 500 ° настъпва бързо окисление с образуването на оксида Nb2O5.

Топлопроводимост в w / (m · K) при 0 ° C и 600 ° C, съответно 51,4 и 56,2, същата в cal / (cm · sec · ° C) 0,125 и 0,156. Специфично обемно електрическо съпротивление при 0 ° C 15,22 · 10-8 ohm · m (15,22 · 10-6 ohm · cm). Температурата на свръхпроводящ преход е 9,25 К. Ниобият е парамагнитен. Работната функция на електроните е 4,01 eV.

Чистият ниобий лесно се херметизира на студено и запазва задоволителни механични свойства при високи температури. Неговата крайна якост при 20 и 800 ° C, съответно, е 342 и 312 MN / m2, същата в kgf / mm234,2 и 31,2; удължение при 20 и 800 ° C, съответно, 19,2 и 20,7%. Твърдостта по Бринел на чист ниобий е 450, техническата твърдост е 750-1800 Mn / m2. Примесите на някои елементи, особено водород, азот, въглерод и кислород, силно влошават пластичността и повишават твърдостта на ниобия.

Химични свойства на ниобия

Ниобият е особено ценен заради устойчивостта си към неорганични и органични вещества.

Има разлика в химичното поведение на прахообразния и на бучки метал. Последният е по-стабилен. Металите не действат върху него, дори ако са нагрети до високи температури. Течните алкални метали и техните сплави, бисмут, олово, живак, калай могат да бъдат в контакт с ниобий за дълго време, без да променят свойствата му. Дори такива силни окислители като перхлорна киселина, "царска вода", да не говорим за азотна, сярна, солна и всички други, не могат да направят нищо с нея. Алкалните разтвори също нямат ефект върху ниобия.

Има обаче три реагента, които могат да превърнат металния ниобий в химични съединения. Един от тях е разтопен хидроксид на алкален метал:

4Nb + 4NaOH + 5О2 = 4NaNbO3 + 2H2О

Другите две са флуороводородна киселина (HF) или нейната смес с азотна киселина (HF + HNO). В този случай се образуват флуорни комплекси, чийто състав зависи до голяма степен от условията на реакцията. Елементът във всеки случай е включен в аниона от 2- или 2- тип.

Ако вземем ниобий на прах, той е малко по-активен. Например в разтопения натриев нитрат той дори се запалва, превръщайки се в оксид. Компактният ниобий започва да се окислява при нагряване над 200 ° C и прахът се покрива с оксиден филм още при 150 ° C. В същото време се проявява едно от прекрасните свойства на този метал - той запазва пластичност.

Под формата на дървени стърготини, когато се нагрява над 900 ° C, той напълно изгаря до Nb2O5. Гори енергично в поток от хлор:

2Nb + 5Cl2 = 2NbCl5

Реагира със сяра при нагряване. Трудно е да се легира с повечето метали. Може би има само две изключения: желязо, с което се образуват твърди разтвори в различни съотношения, и алуминий, който има съединение Al2Nb с ниобий.

Какви качества на ниобия му помагат да устои на действието на най-силните киселини – окислители? Оказва се, че това се отнася не до свойствата на метала, а до характеристиките на неговите оксиди. При контакт с окислители върху металната повърхност се появява много тънък (и следователно невидим), но много плътен слой от оксиди. Този слой се превръща в непреодолима пречка по пътя на окислителя към чиста метална повърхност. Само някои химични реагенти, по-специално флуорният анион, могат да проникнат през него. Следователно по същество металът се окислява, но практически не се забелязват резултати от окисление поради наличието на тънък защитен филм. Пасивността към разредена сярна киселина се използва за създаване на токоизправител на променлив ток. Подредено е просто: платинените и ниобиеви плочи се потапят в 0,05 m разтвор на сярна киселина. Ниобият в пасивно състояние може да провежда ток, ако е отрицателен електрод - катод, т.е. електроните могат да преминават през оксидния слой само от страна на метала. Пътят на електроните от разтвора е затворен. Следователно, когато променлив ток преминава през такова устройство, тогава преминава само една фаза, за която платината е анод, а ниобий е катод.

ниобий метален халоген

Химичен елемент, кръстен на древната Ниоба – жена, която се осмели да се смее на боговете и плати за това със смъртта на децата си. Ниобият олицетворява прехода на човечеството от индустриално към цифрово производство; от парни локомотиви до ракети-носители; от въглищни електроцентрали до ядрена енергия. В света цената на ниобия за грам е доста висока, както и търсенето му. Повечето от най-новите постижения на науката са тясно свързани с използването на този метал.

Ниобий цена за грам

Тъй като основните приложения на ниобия са свързани с ядрени и космически програми, той принадлежи към групата на стратегическите материали. Преработката е много по-изгодна финансово от разработването и добива на нови руди, което прави ниобия търсен на пазара на вторични метали.

Стойността на цената за него се определя от няколко фактора:

• Чистотата на метала. Колкото повече чужди тела, толкова по-ниска е цената.
• Формуляр за доставка.
• Обхват на доставка. Право пропорционално на цените на металите.
• Местоположението на пункта за събиране на скрап. Всеки регион има различна нужда от ниобий и съответно цената за него.
• Наличието на редки метали. Сплавите, съдържащи елементи като тантал, волфрам, молибден, са по-високи в цената.
• Стойността на котировките на световните борси. Именно тези стойности са основни при определяне на цена.

Примерен преглед на цените в Москва:

• Ниобий NB-2. Цената варира между 420-450 рубли. на кг.
• Ниобиеви стърготини. 500-510 рубли на кг.
• Ниобий щаб НБШ00. Различава се с повишени цени поради незначителното съдържание на примеси. 490-500 рубли на кг.
• Ниобиева глава NBSh-0. 450-460 рубли на кг.
• Ниобий NB-1 под формата на пръчка. Цената е 450-480 рубли. на кг.

Въпреки високата цена, търсенето на ниобий в света продължава да расте. Това се дължи на огромния му потенциал за използване и на недостига на метал. Има само 18 грама ниобий на 10 тона земя.

Научната общност продължава да работи по намирането и разработването на заместител на толкова скъп материал. Но до сега конкретен резултатв това не получи. Това означава, че в близко бъдеще не се очаква спад в цените на ниобия.

За регулиране на цената и увеличаване на оборота се предоставят следните категории за ниобиеви продукти:

• Ниобиеви блокове. Техният размер и тегло са стандартизирани от GOST 16099-70. В зависимост от чистотата на метала те се разделят на 3 класа: ниобий NB-1, ниобий NB-2 и съответно ниобий NB-3.
• Ниобиева пръчка. Различава се с по-висок процент примеси.
• Ниобиево фолио. Произвежда се с дебелина до 0,01 мм.
• Ниобиев бар. Съгласно TU 48-4-241-73 се доставя с марките NBP1 и NBP2.

Физични свойства на ниобия

Металът е сив с бял оттенък. Отнася се към групата на огнеупорните сплави. Точката на топене е 2500 ºС. Точката на кипене е 4927 ºС. Различава се с повишена стойност на топлоустойчивостта. Не губи свойствата си при работни температури над 900 ºС.

Механичните свойства също са на високо ниво. Плътността е 8570 kg / m3 с подобен показател на стомана 7850 kg / m3. Устойчив на работа както при динамични, така и при циклични натоварвания. Якост на опън - 34,2 kg / mm2. Притежава висока пластичност. Коефициентът на относително удължение варира в диапазона от 19-21%, което позволява да се получи от него ламарина от ниобий с дебелина до 0,1 mm.

Твърдостта се свързва с чистотата на метала от вредни примеси и се увеличава с увеличаването на състава им. Чистият ниобий има 450 единици за твърдост по Бринел.

Ниобият се поддава добре на работа под налягане при температури под -30 ºС и лошо рязане.

Топлопроводимостта не се променя значително при големи температурни колебания. Например, при 20 ºС е 51,4 W / (m K), а при 620 С се увеличава само с 4 единици. Ниобият се конкурира за електрическа проводимост с елементи като мед и алуминий. Електрическо съпротивление - 153,2 nΩ м. Принадлежи към категорията на свръхпроводящите материали. Температурата, при която сплавта преминава в свръхпроводящ режим, е 9,171 K.

Изключително киселинноустойчив. Такива обикновени киселини като сярна, солна, фосфорна, азотна не влияят по никакъв начин на химическата му структура.

При температури над 250 ºС ниобият започва активно да се окислява с кислород, както и да влиза в химични реакции с водородни и азотни молекули. Тези процеси увеличават крехкостта на метала, като по този начин намаляват неговата здравина.

• Не се отнася за алергенни материали. Въведен в човешкото тяло, той не предизвиква реакция на отхвърляне от тялото.
• Това е метал от първата група на заваряемост. Заварките са стегнати и не изискват подготвителни операции. Устойчив на пукнатини.

Разновидности на сплави

Според стойността на механичните свойства при повишени температури ниобиевите сплави се подразделят:

1. Ниска якост. Работи в рамките на 1100-1150 ºС. Те имат прост набор от легиращи елементи. Това включва главно цирконий, титан, тантал, ванадий, хафний. Якостта е 18-24 kg / mm2. След преминаване на критичния температурен праг, той рязко спада и става подобен на чистия ниобий. Основното предимство са високите пластични свойства при температури до 30 ºС и добра обработваемост под налягане.
2. Средна сила. Работната им температура е в диапазона 1200-1250 ºС. В допълнение към горните легиращи елементи, те съдържат примеси от волфрам, молибден, тантал. Основната цел на тези добавки е да поддържат механичните свойства с повишаване на температурата. Те имат умерена пластичност и работят добре с натиск. Ярък пример за сплав е ниобий 5VMTs.
3. Сплави с висока якост. Използват се при температури до 1300 ºС. При краткотрайна експозиция до 1500 ºС. Те се различават по химичен състав с по-висока сложност. Те се състоят от 25% добавки, чийто основен дял са волфрам и молибден. Някои видове от тези сплави се отличават с високо съдържание на въглерод, което има положителен ефект върху стойността на тяхната топлоустойчивост. Основният недостатък на ниобия с висока якост е ниската му пластичност, което затруднява извършването на технологична обработка. И съответно производството на полуготови продукти.

Трябва да се има предвид, че изброените по-горе категории са условни и дават само обща представа за метода на използване на тази или онази сплав.

Също така трябва да се спомене такива съединения като ферониобий и ниобиев оксид.

Ферониобиумът е съединение на ниобий с желязо, при което съдържанието на последното е на ниво от 50%. В допълнение към основните елементи, той включва стотни титан, сяра, фосфор, силиций, въглерод. Точният процент на елементите е стандартизиран от GOST 16773-2003.

Ниобиевият пентаксид е бял кристален прах. Не е податлив на разтваряне в киселина и вода. Произвежда се чрез изгаряне на ниобий в кислородна атмосфера. Напълно аморфен. Температура на топене 1500 ºС.

Приложения за ниобий

Всички изброени по-горе свойства правят метала изключително популярен в различни индустрии. Сред многото начини за използването му се разграничават следните позиции:

• Използва се в металурзите като легиращ елемент. Освен това, както черните, така и цветните сплави са легирани с ниобий. Например, добавянето на само 0,02% от него към състава на неръждаема стомана 12X18H10T увеличава нейната износоустойчивост с 50%. Подобрен с ниобий (0,04%), алуминият става напълно нечувствителен към алкали. Ниобият действа върху медта като втвърдяване на стоманата, повишавайки нейните механични свойства с порядък. Имайте предвид, че дори уранът е легиран с ниобий.
• Ниобиевият пентоксид е основният компонент при производството на силно огнеупорна керамика. Той намери приложение и в отбранителната индустрия: бронирани очила на военно оборудване, оптика с голям ъгъл на пречупване и т.н.
• Ферониобиумът се използва за легиране на стомани. Основната му задача е да увеличи устойчивостта на корозия.
• В електротехниката те се използват за производството на кондензатори и токоизправители. Такива кондензатори се характеризират с висок капацитет и изолационно съпротивление, малки размери.
• Съединенията на силиций и германий с ниобий се използват широко в областта на електрониката. От тях са направени свръхпроводящи соленоиди и елементи на токови генератори.