Universidad Estatal de Minería de los Urales

Sobre el tema: Propiedades del niobio.

Grupo: M-13-3

Estudiante: Mokhnashin Nikita

1. Información general sobre el elemento

Propiedades físicas del niobio

Propiedades químicas del niobio

Niobio libre

Óxidos de niobio y sus sales

Compuestos de niobio

Países líderes en la producción de niobio

1. Información general sobre el elemento

La humanidad ha estado familiarizada con el elemento que ocupa la celda 41 en la tabla de Mendeleev durante mucho tiempo. La edad de su nombre actual, niobio, es casi medio siglo más joven. Dio la casualidad de que el artículo # 41 se abrió dos veces. La primera vez, en 1801, el científico inglés Charles Hatchet examinó una muestra de un mineral fiel enviado al Museo Británico desde Estados Unidos. De este mineral, aisló el óxido de un elemento previamente desconocido. Hatchet nombró al nuevo elemento Colombia, marcando así su origen en el extranjero. Y el mineral negro se llamó columbita. Un año después, el químico sueco Ekeberg aisló de la columbita el óxido de otro elemento nuevo llamado tantalio. La similitud de los compuestos columbio y tantalio era tan grande que durante 40 años la mayoría de los químicos creyeron que el tantalio y el columbio eran el mismo elemento.

En 1844, el químico alemán Heinrich Rose examinó muestras de columbita encontradas en Baviera. Redescubrió los óxidos de dos metales. Uno de ellos era un óxido del tantalio ya conocido. Los óxidos eran similares, y para enfatizar su similitud, Rose nombró al elemento que forma el segundo óxido niobio, en honor a Niobe, hija del mártir mitológico Tántalo. Sin embargo, Rose, como Hatchet, no pudo obtener este elemento en estado libre. El niobio metálico fue obtenido por primera vez en 1866 por el científico sueco Blomstrand durante la reducción del cloruro de niobio con hidrógeno. A finales del siglo XIX. Se han encontrado dos métodos más para obtener este elemento. Primero Moissan lo recibió en un horno eléctrico, reduciendo el óxido de niobio con carbono, y luego Goldschmidt pudo restaurar el mismo elemento con aluminio. Y para llamar al elemento nº 41 en diferentes paises continuó de diferentes formas: en Inglaterra y Estados Unidos - con Colombia, en otros países - con niobio. El fin de esta discordia fue puesto por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) en 1950. Se decidió legitimar el nombre del elemento "niobio" en todas partes, y se asignó el nombre "columbita" al mineral principal de niobio. Su fórmula es (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6.

No es casualidad que el niobio se considere un elemento raro: de hecho es raro y en pequeñas cantidades, siempre en forma de minerales y nunca en su estado nativo. Un detalle interesante: en diferentes publicaciones de referencia el clarke (contenido en la corteza terrestre) de niobio es diferente. Esto se debe principalmente al hecho de que en últimos años Se han encontrado nuevos depósitos de minerales que contienen niobio en países africanos. En el "Chemist's Handbook", vol. 1 (M., "Chemistry", 1963) se dan las cifras: 3,2 · 10-5% (1939), 1 · 10-3% (1949) y 2, 4 10- 3% (1954). Pero incluso las últimas cifras están subestimadas: los depósitos africanos descubiertos en los últimos años no se incluyeron aquí. Sin embargo, se estima que aproximadamente 1,5 millones de toneladas de niobio metálico pueden fundirse a partir de minerales de depósitos ya conocidos.

Propiedades físicas del niobio

El niobio es un metal gris plateado brillante.

El niobio elemental es un metal extremadamente refractario (2468 ° C) y de alto punto de ebullición (4927 ° C) que es altamente resistente en muchos ambientes corrosivos. Todos los ácidos, a excepción del ácido fluorhídrico, no actúan sobre él. Los ácidos oxidantes "pasivan" el niobio, cubriéndolo con una película protectora de óxido (No. 205). Pero a altas temperaturas, aumenta la reactividad del niobio. Si a 150 ... 200 ° C solo se oxida una pequeña capa superficial del metal, entonces a 900 ... 1200 ° C el espesor de la película de óxido aumenta significativamente.

La red cristalina del niobio es cúbica centrada en el cuerpo con un parámetro a = 3.294 Å.

El metal puro es dúctil y se puede enrollar en una hoja delgada (hasta un espesor de 0,01 mm) en estado frío sin recocido intermedio.

Es posible observar propiedades del niobio como un alto punto de fusión y ebullición, una función de trabajo menor de los electrones en comparación con otros metales refractarios: tungsteno y molibdeno. Esta última propiedad caracteriza la capacidad de emisión de electrones (emisión de electrones), que se utiliza para el uso de niobio en tecnología de vacío. El niobio también tiene una alta temperatura de transición superconductora.

Densidad 8.57 g / cm 3(20 ° C); t pl 2500 ° C; t bala 4927 ° C; presión de vapor (en mm Hg; 1 mm Hg = 133,3 N / m 2) 1 10 -5(2194 ° C), 1 10 -4(2355 ° C), 6 10 -4(en t pl ), 1 10-3 (2539 ° C).

A temperatura ambiente, el niobio es estable en el aire. El inicio de la oxidación (películas que empañan) se observa cuando el metal se calienta a 200-300 ° C. Por encima de 500 °, se produce una oxidación rápida con la formación de óxido Nb2 O 5.

Conductividad térmica en W / (m · K) a 0 ° C y 600 ° C, respectivamente 51,4 y 56,2, lo mismo en cal / (cm · seg · ° C) 0,125 y 0,156. Resistencia eléctrica volumétrica específica a 0 ° C 15,22 10 -8ohmios (15,22 10 -6ohmios cm). La temperatura de transición superconductora es 9.25 K. El niobio es paramagnético. La función de trabajo de los electrones es 4.01 eV.

El niobio puro se presuriza fácilmente en frío y conserva propiedades mecánicas satisfactorias a altas temperaturas. Su resistencia última a 20 y 800 ° C es 342 y 312 MN / m, respectivamente. 2, lo mismo en kgf / mm 234,2 y 31,2; alargamiento a 20 y 800 ° C, respectivamente, 19,2 y 20,7%. Dureza Brinell de niobio puro 450, técnico 750-1800 Mn / m 2... Las impurezas de algunos elementos, especialmente hidrógeno, nitrógeno, carbono y oxígeno, perjudican enormemente la ductilidad y aumentan la dureza del niobio.

3. Propiedades químicas del niobio

El niobio es especialmente apreciado por su resistencia a sustancias orgánicas e inorgánicas.

Existe una diferencia en el comportamiento químico del metal en polvo y en grumos. Este último es más estable. Los metales no actúan sobre él, incluso si se calientan a altas temperaturas. Los metales alcalinos líquidos y sus aleaciones, bismuto, plomo, mercurio, estaño pueden estar en contacto con el niobio durante mucho tiempo sin cambiar sus propiedades. Incluso oxidantes tan fuertes como el ácido perclórico, el "agua regia", por no mencionar el nítrico, el sulfúrico, el clorhídrico y todos los demás, no pueden hacer nada con él. Las soluciones alcalinas tampoco tienen ningún efecto sobre el niobio.

Sin embargo, hay tres reactivos que pueden convertir el niobio metálico en compuestos químicos. Uno de ellos es un hidróxido fundido de un metal alcalino:

Nb + 4NaOH + 5О2 = 4NaNbO3 + 2H2О

Los otros dos son ácido fluorhídrico (HF) o su mezcla con ácido nítrico (HF + HNO). En este caso, se forman complejos de fluoruro, cuya composición depende en gran medida de las condiciones de reacción. En cualquier caso, el elemento está incluido en el anión del tipo 2 o 2.

Si tomamos niobio en polvo, entonces es algo más activo. Por ejemplo, en el nitrato de sodio fundido, incluso se enciende y se convierte en óxido. El niobio compacto comienza a oxidarse cuando se calienta por encima de 200 ° C, y el polvo se cubre con una película de óxido ya a 150 ° C. Al mismo tiempo, se manifiesta una de las maravillosas propiedades de este metal: conserva la plasticidad.

En forma de aserrín, cuando se calienta por encima de los 900 ° C, se quema por completo y se convierte en Nb2O5. Arde vigorosamente en una corriente de cloro:

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5

Reacciona con azufre cuando se calienta. Es difícil de alear con la mayoría de los metales. Quizá sólo haya dos excepciones: el hierro, con el que se forman soluciones sólidas de diferentes proporciones, y el aluminio, que tiene un compuesto Al2Nb con niobio.

¿Qué cualidades del niobio lo ayudan a resistir la acción de los agentes oxidantes de ácidos más fuertes? Resulta que esto no se refiere a las propiedades del metal, sino a las características de sus óxidos. Cuando entra en contacto con agentes oxidantes, aparece una capa de óxidos muy delgada (y por lo tanto invisible), pero muy densa en la superficie del metal. Esta capa se convierte en un obstáculo insuperable en el camino del agente oxidante hacia una superficie metálica limpia. Solo algunos reactivos químicos, en particular el anión de flúor, pueden penetrar a través de él. Por tanto, esencialmente el metal se oxida, pero prácticamente no se aprecian resultados de oxidación debido a la presencia de una fina película protectora. La pasividad hacia el ácido sulfúrico diluido se utiliza para crear un rectificador de corriente alterna. Está organizado de forma sencilla: las placas de platino y niobio se sumergen en una solución de ácido sulfúrico de 0,05 m. El niobio en estado pasivado puede conducir corriente si es un electrodo negativo, un cátodo, es decir, los electrones pueden pasar a través de la capa de óxido solo desde el lado del metal. El camino de los electrones de la solución está cerrado. Por lo tanto, cuando se hace pasar una corriente alterna a través de dicho dispositivo, solo pasa una fase, para la cual el platino es el ánodo y el niobio es el cátodo.

halógeno metálico de niobio

4. Niobio en estado libre

Es tan hermoso que una vez intentaron hacer joyas con él: con su color gris claro, el niobio se parece al platino. A pesar de su alto punto de fusión (2500 ° C) y punto de ebullición (4840 ° C), cualquier producto puede elaborarse fácilmente a partir de él. El metal es tan dúctil que se puede procesar en frío. Es muy importante que el niobio conserve sus propiedades mecánicas a altas temperaturas. Es cierto que, como en el caso del vanadio, incluso las pequeñas impurezas de hidrógeno, nitrógeno, carbono y oxígeno reducen en gran medida la plasticidad y aumentan la dureza. El niobio se vuelve quebradizo a temperaturas que oscilan entre -100 y -200 ° C.

La obtención de niobio en forma ultrapura y compacta se ha hecho posible con la participación de la tecnología en los últimos años. Todo el proceso tecnológico es complejo y requiere mucho tiempo. Básicamente, se divide en 4 etapas:

1.obtención de un concentrado: ferroniobio o ferrotantaloniobio;

.apertura del concentrado: transferencia de niobio (y tantalio) a cualquier compuesto insoluble para separarlo de la mayor parte del concentrado;

.separación de niobio y tantalio y obtención de sus compuestos individuales;

.obtención y refinado de metales.

Los dos primeros pasos son bastante sencillos y comunes, aunque requieren mucho tiempo. El grado de separación del niobio y el tantalio está determinado por la tercera etapa. El deseo de obtener tanto niobio y especialmente tantalio como fuera posible obligó a buscar los últimos métodos de separación: extracción selectiva, intercambio iónico, rectificación de compuestos de estos elementos con halógenos. Como resultado, se obtienen por separado óxidos o pentacloruros de tántalo y niobio. En la última etapa, se usa la reducción con carbón (hollín) en una corriente de hidrógeno a 1800 ° C, y luego se aumenta la temperatura a 1900 ° C y se baja la presión. El carburo obtenido por interacción con el carbón reacciona con Nb2O5:

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

y aparece polvo de niobio. Si, como resultado de la separación del niobio del tantalio, no se obtiene un óxido, sino una sal, entonces se trata con sodio metálico a 1000 ° C y también se obtiene niobio en polvo. Por lo tanto, tras la transformación adicional del polvo en un monolito compacto, se lleva a cabo la refundición en un horno de arco, y se usa la fusión por haz de electrones y por zonas para obtener monocristales de niobio de alta pureza.

Óxidos de niobio y sus sales

El número de compuestos con oxígeno en el niobio es pequeño, mucho menor que el del vanadio. Esto se explica por el hecho de que en compuestos correspondientes al estado de oxidación +4, +3 y +2, el niobio es extremadamente inestable. Si el átomo de este elemento comenzó a donar electrones, entonces tiende a donar los cinco para revelar una configuración electrónica estable.

Si comparamos los iones del mismo estado de oxidación de dos vecinos en el grupo, vanadio y niobio, entonces se encuentra un aumento en las propiedades hacia los metales. El carácter ácido del óxido de Nb2O5 es notablemente más débil que el del óxido de vanadio (V). No forma ácido cuando se disuelve. Solo cuando se fusiona con álcalis o carbonatos aparecen sus propiedades ácidas:

O5 + 3Nа2СО3 = 2Nа3NbO4 + ЗС02

Esta sal, el ortoniobato de sodio, es similar a las mismas sales de los ácidos ortofosfórico y ortovanádico. Sin embargo, en fósforo y arsénico, la ortoforma es la más estable y fracasa un intento de obtener orthoniobate en su forma pura. Al procesar la aleación con agua, no es la sal de Na3NbO4 la que se libera, sino el metaniobato de NaNbO3. Es un polvo cristalino fino incoloro difícilmente soluble en agua fría. En consecuencia, en el niobio en el estado de oxidación más alto, no es la forma orto, sino la forma meta de los compuestos la que es más estable.

Entre otros compuestos de óxido de niobio (V) con óxidos básicos, se conocen los diniobatos K4Nb2O7, que recuerdan a los piroácidos, y los poliobatos (como sombra de los ácidos polifosfórico y polvanadio) con fórmulas aproximadas K7Nb5O16.nH2O y K8Nb6O19.mH2O. Las sales mencionadas, correspondientes al óxido de niobio superior, contienen este elemento en el anión. La forma de estas sales nos permite considerarlas derivadas del niobio. ácidos. Estos ácidos no se pueden obtener en su forma pura, ya que se pueden considerar como óxidos que tienen un enlace con las moléculas de agua. Por ejemplo, la metaforma es Nb2O5. H2O, y la forma orgo es Nb2O5. 3H2O. Junto con tales compuestos, el niobio tiene otros, donde ya está incluido en el catión. El niobio no forma sales simples como sulfatos, nitratos, etc. Al interactuar con el hidrosulfato de sodio NaHSO4 o con el óxido de nitrógeno N2O4, aparecen sustancias con un catión complejo: Nb2O2 (SO4) 3. Los cationes en estas sales se asemejan al catión vanadio con la única diferencia de que aquí el ion tiene cinco cargas, mientras que en el vanadio el estado de oxidación en el ion vanadilo es cuatro. El mismo catión NbO3 + se incluye en la composición de algunas sales complejas. El óxido de Nb2O5 se disuelve con bastante facilidad en ácido fluorhídrico acuoso. La sal compleja K2 se puede aislar de tales soluciones. H2O.

Sobre la base de las reacciones consideradas, se puede concluir que el niobio en su estado de oxidación más alto puede incluirse tanto en la composición de los aniones como en la composición del catión. Esto significa que el niobio pentavalente es anfótero, pero aún con un predominio significativo de propiedades ácidas.

Hay varias formas de obtener Nb2O5. Primero, la interacción del niobio con el oxígeno cuando se calienta. En segundo lugar, calcinación de sales de niobio en el aire: sulfuro, nitruro o carburo. En tercer lugar, el método más común es la deshidratación por hidratación. El óxido hidratado Nb2O5 se precipita a partir de soluciones acuosas de sales con ácidos concentrados. xH2O. Luego, cuando las soluciones se diluyen, se forma un precipitado de óxido blanco. La deshidratación de los lodos Nb2O5 xH2O va acompañada de la liberación de calor. Toda la masa se está calentando. Esto se debe a la transformación del óxido amorfo en una forma cristalina. El óxido de niobio viene en dos colores. En condiciones normales es de color blanco, pero se vuelve amarillo cuando se calienta. Sin embargo, tan pronto como se enfría el óxido, el color desaparece. El óxido es refractario (punto de fusión = 1460 ° C) y no volátil.

Los estados de oxidación más bajos del niobio corresponden a NbО2 y NbО. El primero de estos dos es un polvo negro con un brillo azul. El NbO2 se obtiene a partir del Nb2O5 tomando oxígeno con magnesio o hidrógeno a una temperatura de unos mil grados:

O5 + H2 = 2NbO2 + H2O

En el aire, este compuesto se convierte fácilmente de nuevo en el óxido más alto Nb2O5. Su carácter es bastante reservado, ya que el óxido no es insoluble ni en agua ni en ácidos. Sin embargo, se le atribuye un carácter ácido sobre la base de la interacción con álcali acuoso caliente; en este caso, sin embargo, se produce la oxidación a un ion de cinco cargas.

Parecería que la diferencia de un electrón no es tan grande, pero a diferencia del Nb2O5, el óxido de NbO2 conduce una corriente eléctrica. Obviamente, hay un enlace metal-metal en este compuesto. Si aprovecha esta cualidad, cuando se calienta con una fuerte corriente alterna, puede hacer que el NbO2 ceda su oxígeno.

Con la pérdida de oxígeno, el NbO2 se transforma en óxido NbO y luego todo el oxígeno se separa con bastante rapidez. Se sabe poco sobre el óxido de niobio inferior NbO. Tiene un brillo metálico y es similar en apariencia al metal. Conduce perfectamente la corriente eléctrica. En una palabra, se comporta como si no hubiera oxígeno en su composición. Incluso, como un metal típico, reacciona violentamente con el cloro cuando se calienta y se convierte en oxicloruro:

2NbO + 3Cl2 = 2NbOCl3

Desplaza el hidrógeno del ácido clorhídrico (como si no fuera un óxido en absoluto, sino un metal como el zinc):

NbO + 6HCl = 2NbOCl3 + 3H2

El NbO se puede obtener en forma pura calcinando la sal compleja de K2 ya mencionada con sodio metálico:

К2 + 3Na = NbO + 2KF + 3NaF

El óxido de NbO tiene el punto de fusión más alto de 1935 ° C de todos los óxidos de niobio. Para purificar el niobio del oxígeno, se aumenta la temperatura a 2300 - 2350 ° C, luego, simultáneamente con la evaporación, el NbO se descompone en oxígeno y metal. Tiene lugar el refinado (limpieza) del metal.

Compuestos de niobio

La historia sobre el elemento no estaría completa sin mencionar sus compuestos con halógenos, carburos y nitruros. Esto es importante por dos razones. Primero, gracias a los complejos de fluoruro, es posible separar el niobio de su compañero eterno, el tantalio. En segundo lugar, estos compuestos nos revelan las cualidades del niobio como metal.

Interacción de halógenos con niobio metálico:

Se pueden obtener Nb + 5Cl2 = 2NbCl5, todos los penthaluros de niobio posibles.

El pentafluoruro NbF5 (punto de fusión = 76 ° C) es incoloro en estado líquido y en vapor. Como el pentafluoruro de vanadio, es polimérico en su estado líquido. Los átomos de niobio están unidos entre sí a través de átomos de flúor. En forma sólida, tiene una estructura que consta de cuatro moléculas (Fig. 2).

Arroz. 2. La estructura sólida de NbF5 y TaF5 consta de cuatro moléculas.

Las soluciones en ácido fluorhídrico H2F2 contienen varios iones complejos:

H2F2 = H2; + H2O = H2

Sal de potasio K2. El H2O es importante para la separación del niobio del tantalio, ya que, a diferencia de la sal de tantalio, es muy soluble.

El resto de los penthaluros de niobio son de colores brillantes: amarillo NbCl5, rojo púrpura NbBr5, marrón NbI2. Todos ellos sublimes sin descomposición en la atmósfera del correspondiente halógeno; en pareja son monómeros. Sus puntos de fusión y ebullición aumentan al pasar del cloro al bromo y al yodo. Algunas de las formas de obtener penthaluros son las siguientes:

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

2NbCl5 + 5F22NbF5 + 5Cl2

Las pentaálidas son fácilmente solubles en disolventes orgánicos: éter, cloroformo, alcohol. Sin embargo, se descomponen completamente con agua, se hidrolizan. Como resultado de la hidrólisis, se obtienen dos ácidos: hidrohalogénico y nióbico. Por ejemplo,

4H2O = 5HCl + H3NbO4

Cuando la hidrólisis no es deseable, entonces se introduce algo de ácido fuerte y el equilibrio del proceso descrito anteriormente se desplaza hacia NbCl5. En este caso, el pentahaluro se disuelve sin sufrir hidrólisis,

El carburo de niobio merece un agradecimiento especial de los metalúrgicos. En cualquier acero hay carbono; El niobio, que lo une al carburo, mejora la calidad del acero de aleación. Por lo general, al soldar acero inoxidable, la costura tiene una resistencia menor. La introducción de 200 g por tonelada de niobio ayuda a corregir esta deficiencia. Cuando se calienta, el niobio forma un compuesto con el carburo de carbono, antes que todos los demás metales del acero. Este compuesto es bastante plástico y al mismo tiempo es capaz de soportar temperaturas de hasta 3500 ° C. Una capa de carburo de solo medio milímetro de espesor es suficiente para proteger los metales y, lo más importante, el grafito de la corrosión. El carburo se puede obtener calentando un óxido de metal o niobio (V) con carbono o gases que contienen carbono (CH4, CO).

El nitruro de niobio es un compuesto que no se ve afectado por ningún ácido e incluso "agua regia" cuando se hierve; resistente al agua. Lo único con lo que puede verse obligado a interactuar es el álcali hirviendo. En este caso, se descompone con la liberación de amoníaco.

El nitruro de NbN es de color gris claro con un tinte amarillento. Es refractario (temperatura 2300 ° C), tiene una característica notable: a una temperatura cercana al cero absoluto (15,6 K, o -267,4 ° C), tiene superconductividad.

De los compuestos que contienen niobio en un estado de oxidación más bajo, los haluros son los más conocidos. Todos los haluros inferiores son sólidos cristalinos oscuros (de rojo oscuro a negro). Su estabilidad disminuye a medida que disminuye el estado de oxidación del metal.

Aplicación del niobio en diversas industrias.

El uso de niobio para alear metales.

El acero de aleación de niobio tiene buena resistencia a la corrosión. El cromo también aumenta la resistencia a la corrosión del acero y es mucho más barato que el niobio. Este lector tiene razón y está equivocado al mismo tiempo. Mal porque me olvidé de una cosa.

En el acero al cromo-níquel, como en cualquier otro acero, siempre hay carbono. Pero el carbono se combina con el cromo para formar carburo, lo que hace que el acero sea más frágil. El niobio tiene una mayor afinidad por el carbono que el cromo. Por lo tanto, cuando se agrega niobio al acero, necesariamente se forma carburo de niobio. El acero aleado con niobio adquiere altas propiedades anticorrosivas y no pierde su ductilidad. El efecto deseado se logra cuando solo se agregan 200 g de niobio metálico a una tonelada de acero. Y el niobio confiere al acero al cromo-mangaíto una alta resistencia al desgaste.

Muchos metales no ferrosos también se alean con niobio. Entonces, el aluminio, que se disuelve fácilmente en álcalis, no reacciona con ellos si solo se le agrega 0.05% de niobio. Y el cobre, conocido por su suavidad, y muchas de sus aleaciones, el niobio parece endurecerse. Aumenta la resistencia de metales como el titanio, molibdeno, circonio y, al mismo tiempo, aumenta su resistencia al calor y su resistencia al calor.

Ahora las propiedades y capacidades del niobio son apreciadas en su verdadero valor por la aviación, la ingeniería mecánica, la ingeniería de radio, la industria química y la energía nuclear. Todos ellos se han convertido en consumidores de niobio.

Una propiedad única: la ausencia de una interacción notable del niobio con el uranio a temperaturas de hasta 1100 ° C y, además, una buena conductividad térmica, una pequeña sección transversal de absorción efectiva para los neutrones térmicos hicieron del niobio un serio competidor de los metales reconocidos en la energía nuclear. industria: aluminio, berilio y circonio. Además, la radiactividad artificial (inducida) del niobio es baja. Por tanto, se puede utilizar para fabricar contenedores para el almacenamiento de residuos radiactivos o instalaciones para su uso.

La industria química consume relativamente poco niobio, pero esto solo se debe a su escasez. El equipo para la producción de ácidos de alta pureza se fabrica a veces con aleaciones que contienen niobio y, más raramente, con niobio en láminas. La capacidad del niobio para influir en la velocidad de algunas reacciones químicas se utiliza, por ejemplo, en la síntesis de alcohol a partir de butadieno.

La tecnología espacial y de cohetes también se convirtió en consumidores del elemento No. 41. No es ningún secreto que algunas cantidades de este elemento ya están girando en órbitas cercanas a la Tierra. Algunas partes de los cohetes y el equipo a bordo de los satélites terrestres artificiales están hechos de aleaciones que contienen niobio y niobio puro.

Uso de niobio en otras industrias

Las láminas y barras de niobio se utilizan para hacer "accesorios calientes" (es decir, piezas calentadas): ánodos, rejillas, cátodos calentados indirectamente y otras partes de lámparas electrónicas, especialmente lámparas generadoras potentes.

Además del metal puro, las aleaciones de tántalo-niobio se utilizan para los mismos fines.

El niobio se utilizó para fabricar condensadores electrolíticos y rectificadores de corriente. Aquí, usamos la capacidad del niobio para formar una película de óxido estable durante la oxidación anódica. La película de óxido es estable en electrolitos ácidos y pasa corriente solo en la dirección del electrolito al metal. Los condensadores de niobio con electrolito sólido se caracterizan por una alta capacitancia con pequeñas dimensiones, alta resistencia de aislamiento.

Los elementos del condensador de niobio están hechos de láminas finas o placas porosas prensadas a partir de polvos metálicos.

La resistencia a la corrosión del niobio en ácidos y otros entornos, combinada con una alta conductividad térmica y plasticidad, lo convierten en un valioso material estructural para equipos en las industrias química y metalúrgica. El niobio posee una combinación de propiedades que satisfacen los requisitos de la industria de la energía nuclear para materiales estructurales.

Hasta 900 ° C, el niobio interactúa débilmente con el uranio y es adecuado para la fabricación de cubiertas protectoras para los elementos combustibles de uranio de los reactores de potencia. En este caso, es posible utilizar portadores de calor de metal líquido: sodio o una aleación de sodio con potasio, con el que el niobio no interactúa hasta 600 ° C. Para aumentar la capacidad de supervivencia de los elementos combustibles de uranio, el uranio se dopa con niobio (~ 7% de niobio). El aditivo de niobio estabiliza la película protectora de óxido del uranio, lo que aumenta su resistencia al vapor de agua.

El niobio se encuentra en varias superaleaciones para turbinas de gas en motores a reacción. La aleación de niobio de molibdeno, titanio, circonio, aluminio y cobre mejora drásticamente las propiedades de estos metales, así como sus aleaciones. Existen aleaciones de alta temperatura basadas en niobio como material estructural para partes de motores a reacción y misiles (fabricación de palas de turbinas, bordes de ataque de alas, extremos de morro de aviones y misiles y revestimiento de cohetes). El niobio y sus aleaciones se pueden utilizar a temperaturas de funcionamiento de 1000 a 1200 ° C.

El carburo de niobio se encuentra en algunos grados de carburo de tungsteno que se utilizan para cortar aceros.

El niobio se utiliza ampliamente como aditivo de aleación en aceros. La adición de niobio en una cantidad de 6 a 10 veces mayor que el contenido de carbono en el acero elimina la corrosión intergranular del acero inoxidable y protege las soldaduras de la destrucción.

El niobio también se utiliza en varios aceros de alta temperatura (por ejemplo, para turbinas de gas), así como en aceros para herramientas y magnéticos.

El niobio se introduce en el acero en una aleación con hierro (ferroniobio) que contiene hasta un 60% de Nb. Además, el ferrotantaloniobio se usa con una proporción diferente entre tántalo y niobio en la ferroaleación.

En síntesis orgánica, algunos compuestos de niobio (sales de complejos de fluoruro, óxidos) se utilizan como catalizadores.

El uso y producción de niobio está creciendo rápidamente, lo que se debe a la combinación de sus propiedades como refractariedad, pequeña sección transversal para la captura de neutrones térmicos, la capacidad de formar aleaciones resistentes al calor, superconductoras y de otro tipo, resistencia a la corrosión, getter propiedades, baja función de trabajo de los electrones, buena trabajabilidad por presión en frío y soldabilidad. Los principales campos de aplicación del niobio: cohetería, tecnología espacial y aeronáutica, ingeniería de radio, electrónica, ingeniería de aparatos químicos, energía nuclear.

Aplicación de niobio metálico

Las partes de las aeronaves están hechas de niobio puro o sus aleaciones; carcasas para elementos combustibles de uranio y plutonio; contenedores y tuberías; para metales líquidos; piezas para condensadores electrolíticos; Accesorios "calientes" para lámparas electrónicas (para instalaciones de radar) y potentes generadores (ánodos, cátodos, rejillas, etc.); Equipos resistentes a la corrosión en la industria química.

El niobio se alea con otros metales no ferrosos, incluido el uranio.

El niobio se utiliza en criotrones, elementos superconductores de las computadoras. El niobio también es conocido por su uso en la aceleración de estructuras en el Gran Colisionador de Hadrones.

Compuestos y aleaciones intermetálicos de niobio

Las aleaciones de estannuro de Nb3Sn y de niobio-titanio-circonio se utilizan para fabricar solenoides superconductores.

El niobio y las aleaciones con tantalio en muchos casos reemplazan al tantalio, lo que da un gran efecto económico (el niobio es más barato y casi dos veces más ligero que el tantalio).

El ferroniobio se introduce en los aceros inoxidables al cromo-níquel para evitar su corrosión y destrucción intergranular, y en otros tipos de aceros para mejorar sus propiedades.

El niobio se utiliza para acuñar monedas coleccionables. Por lo tanto, el Banco de Letonia afirma que el niobio se usa junto con la plata en las monedas de 1 lats de colección.

Aplicación de catalizador de compuestos de niobio O5 en la industria química;

en la produccion de refractarios, cermets, especiales. vidrio, nitruro, carburo, niobatos.

El carburo de niobio (pf 3480 ° C) en una aleación con carburo de circonio y carburo de uranio-235 es el material estructural más importante para los elementos combustibles de los motores a reacción nucleares de fase sólida.

El nitruro de niobio NbN se utiliza para la producción de películas superconductoras delgadas y ultrafinas con una temperatura crítica de 5 a 10 K con una transición estrecha del orden de 0,1 K

Niobio en medicina

La alta resistencia a la corrosión del niobio ha hecho posible su uso en medicina. Los hilos de niobio no irritan los tejidos vivos y están bien empalmados con ellos. La cirugía reconstructiva ha utilizado con éxito estos hilos para suturar tendones, vasos sanguíneos e incluso nervios desgarrados.

Aplicación en joyería

El niobio no solo posee un conjunto de propiedades necesarias para la técnica, sino que también se ve bastante hermoso. Los joyeros intentaron utilizar este metal blanco brillante para la fabricación de cajas de relojes de pulsera. Las aleaciones de niobio con tungsteno o renio a veces reemplazan a los metales nobles: oro, platino, iridio. Esto último es especialmente importante, ya que la aleación de niobio con renio no solo parece iridio metálico, sino que es casi igual de resistente al desgaste. Esto permitió a algunos países prescindir del costoso iridio en la producción de soldaduras para plumas estilográficas.

Minería de niobio en Rusia

En los últimos años, la producción mundial de niobio ha estado en el nivel de 24-29 mil toneladas. Cabe señalar que el mercado mundial de niobio está significativamente monopolizado por la empresa brasileña CBMM, que representa alrededor del 85% de la producción mundial de niobio.

Japón es el principal consumidor de productos que contienen niobio (el ferroniobio le pertenece principalmente). Este país importa anualmente más de 4 mil toneladas de ferroniobio de Brasil. Por lo tanto, los precios de importación japoneses de los productos que contienen niobio se pueden considerar con gran confianza como cercanos al promedio mundial. En los últimos años, ha habido una tendencia al alza en los precios del ferroniobio. Esto se debe a su creciente aplicación para la producción de aceros de baja aleación destinados principalmente a oleoductos y gasoductos. En general, cabe señalar que durante los últimos 15 años, el consumo mundial de niobio ha aumentado en un promedio de 4-5% anual.

Lamentablemente, hay que admitir que Rusia está "al margen" del mercado del niobio. A principios de los años 90, según los expertos de Giredmet, en la ex URSS se producían y consumían unas 2 mil toneladas de niobio (en términos de óxido de niobio). En la actualidad, el consumo de productos de niobio por parte de la industria rusa no supera las 100-200 toneladas. Cabe señalar que se crearon importantes capacidades de producción de niobio en la ex URSS, distribuidas en diferentes repúblicas: Rusia, Estonia, Kazajstán. Esta característica tradicional del desarrollo de la industria en la URSS ha puesto a Rusia en una posición muy difícil en muchos tipos de materias primas y metales. El mercado del niobio comienza con la producción de materias primas que contienen niobio. Su tipo principal en Rusia fue y sigue siendo el concentrado de loparita obtenido en Lovozersky GOK (ahora JSC Sevredmet, región de Murmansk). Antes del colapso de la URSS, la empresa producía alrededor de 23 mil toneladas de concentrado de loparita (el contenido de óxido de niobio es de aproximadamente el 8,5%). Posteriormente, la producción de concentrado disminuyó constantemente, en 1996-1998. la empresa fue detenida varias veces por falta de ventas. Actualmente, según las estimaciones, la producción de concentrado de loparita en la empresa se encuentra en el nivel de 700 a 800 toneladas por mes.

Cabe señalar que la empresa está ligada de manera bastante rígida a su único consumidor: la planta de magnesio de Solikamsk. El hecho es que el concentrado de loparita es un producto bastante específico que se obtiene solo en Rusia. Su tecnología de procesamiento es bastante complicada debido al complejo de metales raros que contiene (niobio, tantalio, titanio). Además, el concentrado es radiactivo, razón por la cual todos los intentos de ingresar al mercado mundial con este producto terminaron en vano. También debe tenerse en cuenta que el ferroniobio no se puede obtener a partir del concentrado de loparita. En 2000, en la planta de Sevredmet, gracias a los esfuerzos de la empresa Roredmet, se puso en marcha una planta experimental para procesar concentrado de loparita para obtener, entre otros metales, productos comercializables que contienen niobio (óxido de niobio).

Los principales mercados para los productos de niobio SMZ son los países que no pertenecen a la CEI: las entregas se realizan a EE. UU., Japón y países europeos. La participación de las exportaciones en el volumen total de producción supera el 90%. Las capacidades importantes para la producción de niobio en la URSS se concentraron en Estonia, en la Asociación de Producción Metalúrgica y Química de Sillamäe (Sillamäe). Ahora la empresa estonia se llama Silmet. En la época soviética, la empresa procesaba concentrado de loparita de Lovoozersky GOK, desde 1992 se ha detenido su envío. Silmet procesa actualmente solo un pequeño volumen de hidróxido de niobio en la planta de magnesio de Solikamsk. La empresa recibe actualmente la mayor parte de las materias primas que contienen niobio de Brasil y Nigeria. La administración de la empresa no excluye el suministro de concentrado de loparita, sin embargo, Sevredmet está tratando de seguir una política de procesamiento en el lugar, ya que la exportación de materias primas es menos rentable que el producto terminado.

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El tantalio y el niobio se obtienen por reducción a partir de compuestos de alta pureza: óxidos, sales complejas de fluoruro, cloruros. Los métodos industriales para producir metales se pueden dividir en cuatro grupos:

Reducción térmica de sodio a partir de fluoruros complejos;

Reducción de óxidos con carbono (método carbotérmico);

Reducción de óxidos de aluminio (método aluminotérmico);

Recuperación de cloruros con hidrógeno;

Electrólisis de medios fundidos.

Debido al alto punto de fusión del tantalio (~ 3000 C) y el niobio (~ 2500 C), se obtienen como resultado de la reducción mediante todos los métodos enumerados, excepto el tercero, en forma de polvos o esponja sinterizada. . La tarea de obtener tántalo y niobio compactos y maleables se complica por el hecho de que estos metales absorben activamente gases (hidrógeno, nitrógeno, oxígeno), cuyas impurezas los hacen quebradizos. Por lo tanto, es necesario sinterizar las piezas de trabajo prensadas a partir de los polvos o fundirlas en un alto vacío.

Método natriotermal para la producción de polvos de tántalo y niobio.

La reducción térmica de sodio de los complejos fluoruros K2TaF7 y K2NbF7 es el primer método industrial para producir tántalo y niobio. Todavía se usa hoy. El sodio, calcio y magnesio, que tienen una alta afinidad por el flúor, son adecuados para la reducción de compuestos fluorados de tantalio y niobio, como se puede ver en los valores siguientes:

Correo electrónico<^ент Nb Та Na Mg Са

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

El sodio se utiliza para la reducción, ya que el fluoruro de sodio es soluble en agua y se puede separar mediante lavado de los polvos de tántalo y niobio, mientras que los fluoruros de magnesio y calcio son ligeramente solubles en agua y ácidos.

Consideremos el proceso en el ejemplo de obtención de tantalio. La reducción de K2TaF7 con sodio procede con una gran liberación de calor (incluso con una carga de carga de hasta 5 kg), suficiente para el flujo espontáneo del proceso. Después de calentar la carga en un lugar a 450-500 C, la reacción se extiende rápidamente por toda la masa de la carga y la temperatura alcanza los 800-900 C.Dado que el sodio se derrite a 97 C y hierve a 883, es obvio que el líquido y el sodio vaporoso están involucrados en la reducción:

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

Los efectos de calor específicos de las reacciones (2.18) y (2.19) son 1980 y 3120 kJ / kg de carga, respectivamente.

La reducción se realiza en un crisol de acero, donde se cargan trozos de fluorotantalato de potasio y sodio (~ 120% de la cantidad estequiométrica requerida) en capas, que se cortan con tijeras especiales. La parte superior de la carga se cubre con una capa de cloruro de sodio, que forma una mezcla de bajo punto de fusión con KF y NaF. El derretimiento de sal protege las partículas de la oxidación al
rocío de tantalio. En la versión más simple del proceso, para iniciar una reacción, la pared del crisol en la parte inferior se calienta con una llama de soplete hasta que aparece una mancha roja. La reacción avanza rápidamente en toda la masa y finaliza en 1-2 minutos. Con esta implementación del proceso, debido a la exposición breve de los productos a la temperatura máxima (800-900 C), se obtienen polvos finos de tántalo, que luego de lavar las sales contienen hasta un 2% de oxígeno.

Se obtiene un polvo de grano más grueso con un menor contenido de oxígeno colocando un crisol de reacción en un horno eléctrico de cuba y manteniéndolo en un horno después del final de la reacción a 1000 ° C.

La reducción de tantalio resultante se impregna en forma de partículas finas en una escoria de cloruro de fluoruro que contiene un exceso de sodio. Después de enfriar, el contenido del crisol se extrae, se tritura en una trituradora de mandíbulas y se carga en pequeñas porciones en un reactor con agua, donde se "apaga" el sodio y se disuelve la mayor parte de las sales. Luego, el polvo se lava secuencialmente con nei diluido (para un lavado más completo de sales, disolución de impurezas de hierro y parcialmente de titanio). Para reducir el contenido de óxidos de tantalio, el polvo a veces se lava adicionalmente con ácido fluorhídrico diluido en frío. Luego, el polvo se lava con agua destilada, se filtra y se seca a 110-120 C.

Utilizando el método descrito anteriormente, observando aproximadamente las mismas condiciones, se obtienen polvos de niobio por reducción de k2NbF7 con sodio. Los polvos de niobio secos tienen una composición,%: Ti, Si, Fe 0.02-0.06; Aproximadamente 0,5; N hasta 0,1; C 0,1-0,15.

Método carbotermal para producir niobio y tantalio a partir de óxidos

Este proceso se desarrolló originalmente para la producción de niobio a partir de Nb2o5.

El niobio se puede reducir de Nb2os con carbono a 1800-1900 ° C en un horno de vacío:

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

La carga Nb205 + 5C contiene poco niobio e incluso en el estado briquetado tiene una densidad baja (~ 1,8 g / cm3). Al mismo tiempo, se asigna un gran volumen de co (~ 0,34 m3) por 1 kg de carga. Estas circunstancias hacen que sea desventajoso realizar el proceso según la reacción (2.20), ya que la productividad del horno de vacío es baja en este caso. Por tanto, el proceso se lleva a cabo en dos etapas:

I etapa - obtención de carburo de niobio

Nb203 + 1C = 2NbC + 5CO; (2,2 l)

Etapa P: obtención de niobio en hornos de vacío

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

La carga de briquetas de la etapa її contiene 84,2% (en peso) de niobio, la densidad de las briquetas es ~ 3 g / cm3, el volumen se forma a partir de 0,14 m3 por 1 kg de carga (~ 2,5 veces menos que en el caso del cargar Nb2o5 + sc). Esto proporciona una mayor productividad del horno de vacío.

Una ventaja significativa del proceso de dos etapas es también que la primera etapa se puede llevar a cabo a presión atmosférica en hornos de resistencia de tubo de grafito (Fig. 29).

Para obtener carburo de niobio (etapa i del proceso), se hace briquetas de una mezcla de Nb2o5 con hollín y las briquetas se calientan en un horno de tubo de grafito en una atmósfera de hidrógeno o argón a 1800-1900 ° C (las briquetas se mueven continuamente a lo largo del horno

Arroz. 29. Esquema de un horno de resistencia de tubo de grafito:

1 - carcasa; 2 - tubo calefactor de grafito; 3 - tubo de grafito blindado; 4- relleno de hollín termoaislante; 5 - refrigerador; 6 - contacto con conos de grafito; 7 - cabezal de contacto refrigerado; 8 - eclosión; 9 - barras colectoras que suministran corriente

Basado en su estadía en la zona caliente 1-1.5 horas). El carburo de niobio triturado se mezcla en un molino de bolas con Nb2o5 tomado con un ligero exceso (3-5%) frente al requerido por la reacción (2.22).

La carga se presiona en palanquillas a una presión de 100 MPa, que se calientan en hornos de vacío con calentadores de grafito (o hornos de inducción al vacío con un tubo de grafito) a 1800-1900 C. La exposición termina cuando una presión residual de 1.3-0.13 Pa es alcanzado.

Las reacciones (2.21) y (2.22) son acumulativas. Pasan por etapas intermedias de formación de óxidos inferiores (Nt> o2 y NbO), así como carburo de Nb2c. Las principales reacciones de la etapa I:

Nb2Os + C = 2NbO2 + CO; (2,23)

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

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

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

Reacciones de la etapa n:

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

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

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

El niobio metálico se obtiene mediante la reacción final de la etapa II del proceso (2.29). La presión de equilibrio ω para la reacción (2.29) a 1800 ° C es> 1.3 Pa. Por lo tanto, es necesario realizar el proceso a una presión residual menor que la presión de equilibrio para esta reacción (0.5-0.13 Pa).

Las briquetas porosas sinterizadas de niobio resultantes contienen,%: con 0,1-0,15; Aproximadamente 0,15-0,30; N 0,04-0,5. Para obtener un metal maleable compacto, las briquetas se funden en un horno de haz de electrones. Otra forma es obtener un polvo a partir de briquetas (mediante hidrogenación a 450 C, trituración y posterior deshidrogenación al vacío), prensar las barras y sinterizarlas al vacío a 2300-2350 C. En los procesos de fusión al vacío y sinterización al vacío, oxígeno y el carbono se elimina en la composición co, y el exceso de oxígeno en la composición de óxidos inferiores volátiles.

Las principales ventajas del método carbotermal son un alto rendimiento directo de metales (no menos del 96%) y el uso de un agente reductor barato. La desventaja de este método es la complejidad del diseño de hornos de vacío de alta temperatura.

Las aleaciones de tantalio y niobio-tantalio también se pueden obtener mediante el método carbotermal.

Método aluminotérmico para producir niobio y tantalio a partir de óxidos superiores

El método aluminométrico para producir niobio por reducción de pentóxido de niobio con aluminio, desarrollado en los últimos años, tiene ventajas técnicas y económicas sobre otros métodos de producción de niobio debido a la baja etapa y simplicidad del diseño del hardware.

El método se basa en una reacción exotérmica:

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

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

El elevado efecto térmico específico de la reacción (2640 kJ / kg de carga estequiométrica) permite realizar el proceso sin calentamiento externo con la fundición de un lingote de aleación de niobio-aluminio. Es posible una reducción alumotérmica exitosa fuera del horno si la temperatura del proceso es más alta que el punto de fusión А12о3 = 2030 ° С) y la fase metálica (la aleación Nb + 10% ai se funde a 2050 ° С). Con un exceso de aluminio en la carga del 30-40% por encima de la cantidad estequiométrica, la temperatura del proceso alcanza ~ 2150-2200 C.Debido al rápido curso de reducción, la temperatura aumenta alrededor de 100-150 C en comparación con las temperaturas de fusión. de las fases de escoria y metal es suficiente para asegurar su separación. Con el exceso de aluminio mencionado anteriormente en la carga, se obtiene una aleación de niobio con 8-10% de aluminio con una extracción real de niobio de 98-98,5%.

La reducción aluminotérmica se lleva a cabo en un crisol de acero con un revestimiento de óxido de magnesio o aluminio calcinado. Para la conveniencia de descargar los productos de fundición, el crisol se hace desmontable. Los contactos se introducen a través de las paredes para suministrar una corriente eléctrica (20 V, 15 A) al fusible en forma de alambre de nicromo colocado en una carga. Otra posible opción es llevar a cabo el proceso en un crisol de cobre dividido masivo, en cuyas paredes se forma una capa protectora de guarnición.

Se carga en el crisol una mezcla de Nb2o5 completamente seco y polvo de aluminio con un tamaño de partícula de ~ 100 micrones. Es recomendable colocar el crisol en una cámara llena de argón para evitar el contacto con el aire.

Después de que se enciende el encendido, la reacción avanza rápidamente a lo largo de toda la masa de la carga. El lingote de aleación resultante se tritura en pedazos y se somete a un tratamiento térmico al vacío a 1800-2000 C en un horno con un calentador de grafito a una presión residual de ~ 0,13 Pa para eliminar la mayor parte del aluminio (hasta su contenido de 0,2% ). Luego, se lleva a cabo la fundición de refino en un horno de haz de electrones, obteniendo lingotes de niobio de alta pureza con un contenido de impurezas,%: 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.

En principio, es posible la producción aluminotérmica de tantalio, pero el proceso es algo más complicado. El efecto de calor específico de la reacción de reducción es de 895 kJ / kg de carga. Debido a la alta temperatura de fusión del tantalio y sus aleaciones con aluminio, se introduce óxido de hierro en la carga para fundir el lingote (basado en la producción de una aleación con 7-7,5% de hierro y 1,5% de aluminio), así como un calentamiento. aditivo - clorato de potasio (sal de Berthollet) ... El crisol con la carga se coloca en un horno. A 925 ° C, comienza una reacción espontánea. La extracción de tantalio en la aleación es aproximadamente del 90%.

Después del tratamiento térmico al vacío y la fusión por haz de electrones, los lingotes de tantalio tienen una pureza elevada comparable a la que se ha dado anteriormente para el niobio.

Obtención de tantalio y niobio por reducción de sus cloruros con hidrógeno.

Se han desarrollado varios métodos para la reducción de tantalio y niobio de sus cloruros: reducción con magnesio, sodio e hidrógeno. Algunas variantes de reducción con hidrógeno son las más prometedoras, en particular, el método considerado a continuación para la reducción de vapores de cloruro sobre sustratos calentados para obtener una varilla metálica compacta.

En la Fig. 30 muestra un diagrama de una instalación para producir tantalio reduciendo los vapores de TaC15 con hidrógeno en una tira de tantalio calentada a 1200-1400 ° C. Los vapores de TaCI5 mezclados con hidrógeno se alimentan desde el evaporador al reactor, en el centro del cual hay una cinta de tantalio calentada por el paso directo de una corriente eléctrica a una temperatura predeterminada. Para una distribución uniforme de la mezcla de vapor y gas a lo largo de la banda y para asegurar un flujo perpendicular a su superficie, se instala una pantalla de acero inoxidable con orificios alrededor de la banda. Se produce una reacción en una superficie calentada:

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

Arroz. 30. Esquema de la instalación para la reducción de pentacloruro de tantalio con hidrógeno: 1 - brida del reactor; 2 - suministro eléctrico aislado; 3 - contactos de sujeción; 4 - condensador para cloruro sin reaccionar; 5 - cinta de tantalio; 6 - pantallas con agujeros, - 7 - vasija del reactor; 8 - calentador del reactor; 9 - rotámetro calentado; 10 - válvula de aguja; 11 - horno eléctrico del evaporador; 12 - evaporador de pentacloruro de tantalio; 13 - rotámetro para hidrógeno

Condiciones óptimas para la deposición de tantalio: temperatura de la cinta 1200-1300 ° C, concentración de TaCl5 en la mezcla de gas ~ 0,2 mol / mol de la mezcla. La tasa de deposición en estas condiciones es de 2.5-3.6 g / (cm2 h) (o 1.5-2.1 mm / h). Así, en 24 horas se obtiene una varilla de tantalio puro con un diámetro promedio de 24-25 mm. enrollado en una hoja, utilizado para refundir en un horno de haz de electrones, o convertido en polvos de alta pureza (por hidrogenación, trituración y deshidrogenación del polvo). La conversión de cloruro (extracción directa en revestimiento) es del 20-30%. El cloruro que no ha reaccionado se condensa y se reutiliza. El consumo de electricidad es igual a 7-15 kWh por 1 kg de tantalio, según el régimen adoptado.

Después de la separación de los vapores de HCI por absorción en agua, el hidrógeno se puede devolver al proceso.

También se pueden obtener barras de niobio mediante el método descrito. Condiciones óptimas para la deposición de niobio: temperatura de la cinta 1000-1300 C, concentración de pentacloruro 0,1-0,2 mol / mol de la mezcla de gases. La tasa de deposición del metal es de 0,7-1,5 g / (cm2-h), el grado de conversión del cloruro en metal es del 15-30%, el consumo de energía es de 17-22 kW * h / kg de metal. El proceso para el niobio se ve facilitado por el hecho de que parte del NbCl5 se reduce en el volumen del reactor a una cierta distancia de la tira calentada al NbCl3 no volátil, que se deposita en las paredes del reactor.

Método electrolítico para producir tantalio.

El tantalio y el niobio no se pueden aislar de soluciones acuosas por electrólisis. Todos los procesos desarrollados se basan en la electrólisis de medios fundidos.

En la práctica industrial, el método se utiliza para obtener tantalio. Entonces, durante varios años el método electrolítico del tantalio ha sido utilizado por la empresa Fenstil (EE. UU.), Parte del tantalio producido en Japón se obtiene actualmente por electrólisis. En la URSS se llevaron a cabo extensas investigaciones y pruebas industriales del método.

El método de producción electrolítica de tantalio es similar al método de producción de aluminio.

El electrolito se basa en una sal fundida K2TaF7 - KF - - KC1, en la que se disuelve el óxido de tantalio Ta205. El uso de un electrolito que contiene solo una sal, K2TaF7, es prácticamente imposible debido al efecto de ánodo continuo cuando se usa un ánodo de grafito. La electrólisis es posible en un baño que contiene K2TaF7, KC1 y NaCl. La desventaja de este electrolito es la acumulación de sales de fluoruro en él durante la electrólisis, lo que conduce a una disminución de la densidad de corriente crítica y requiere ajustar la composición del baño. Esta desventaja se elimina introduciendo Ta205 en el electrolito. El resultado de la electrólisis en este caso es la descomposición electrolítica del óxido de tantalio con la liberación de tantalio en el cátodo y en el ánodo de oxígeno, que reacciona con el grafito del ánodo para formar CO2 y CO. Además, la introducción de Ta205 en la sal fundida mejora la humectación del ánodo de grafito por la masa fundida y aumenta la densidad de corriente crítica.

La elección de la composición de electrolitos se basa en los datos de estudios del sistema ternario K2TaF7-KCl-KF (Fig.31). Este sistema contiene dos sales dobles K2TaF7 KF (o KjTaFg) y K2TaF7 KC1 (o K3TaF7Cl), dos eutécticos ternarios Ei y E2 que se funden a 580 y 710 C, respectivamente, y un punto peritéctico P a 678 ° C. Cuando se introduce Ta205 en la masa fundida, interactúa con los fluorotantalatos para formar oxofluorotantalato:

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

La reacción con K3TaF7Cl procede de forma similar. La formación de complejos de oxofluoruro de tantalio determina la solubilidad de Ta205 en el electrolito. La solubilidad limitante depende del contenido de K3TaF8 en la masa fundida y corresponde a la estequiometría de la reacción (2.32).

Sobre la base de los datos sobre la influencia de la composición de electrolitos en los indicadores de electrólisis (densidad de corriente crítica, eficiencia de corriente, extracción, calidad del polvo de tantalio), los investigadores soviéticos propusieron la siguiente composición de electrolitos óptima: 12,5% (en peso) K2TaF7, el resto KC1 y KF en relación a 2: 1 (por peso). La concentración de los Ta2O introducidos es del 2,5 al 3,5% (en peso). En este electrolito a temperaturas de 700-800 ° C cuando se usa un ánodo de grafito, el voltaje de descomposición del complejo de oxofluoruro es 1.4 V, mientras que para KF y KC1 los voltajes de descomposición son ~ 3.4 V y ~ 4.6 V, respectivamente.

КС I K2TaF, -KCl KJaFf

Arroz. 31. Diagrama de fusión del sistema K2TaF7-KF-KCl

Durante la electrólisis, se produce una descarga escalonada de cationes Ta5 + en el cátodo:

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

Los procesos en el ánodo se pueden representar mediante las reacciones: TaOF63 "- Ze = TaFs + F" + 0; 20 + C = CO2; CO2 + C = 2CO; TaFj + 3F ~ = TaF | ~. Los iones TaF | ~, que reaccionan con los Ta2O introducidos en la masa fundida, forman nuevamente iones TaOF | ~. A temperaturas de electrólisis de 700-750 ° C, la composición de los gases contiene -95% de CO2, 5-7% de CO2; 0,2-

Entre los diseños de celdas electrolíticas probados en la URSS, los mejores resultados se obtuvieron en aquellos donde el cátodo es un crisol de níquel (o una aleación de níquel con cromo), en el centro

Figura 32. Célula electrolítica para la producción de tantalio:

1 - tolva con alimentador Ta205; 2 - vibrador electromagnético del alimentador; 3 - soporte con fijación para el ánodo; 4 - ánodo de grafito hueco con agujeros en la pared; 5 - crisol-cátodo de nicromo; 6 - cubierta; 7 - vidrio termoaislante; 8 - volante para levantar el automóvil; 9 - enchufe con varilla para suministro de corriente

Que es un ánodo de grafito hueco con agujeros en las paredes (Fig. 32). El óxido de tantalio se alimenta periódicamente mediante un alimentador vibratorio automático al ánodo hueco. Con este método de alimentación, se excluye la contaminación mecánica del depósito del cátodo con pentóxido de tantalio no disuelto. Los gases se eliminan mediante una succión a bordo. A una temperatura de electrólisis de 700-720 C, un suministro continuo del baño Ta205 (es decir, con un número mínimo de efectos de ánodo), una densidad de corriente de cátodo de 30-50 A / dm2 y una relación DjDk = 2 * 4, el La extracción directa de tantalio es del 87-93%, el rendimiento actual es del 80%.

La electrólisis se lleva a cabo hasta que 2/3 del volumen útil del crisol se llena con el sedimento del cátodo. Al final de la electrólisis, se eleva el ánodo y se enfría el electrolito, junto con el depósito del cátodo. Existen dos métodos para procesar el producto del cátodo para separar el electrolito de las partículas de polvo de tantalio: trituración con separación de aire y limpieza térmica al vacío.

El método térmico al vacío, desarrollado en la URSS, consiste en separar la mayor parte de las sales del tántalo mediante fundición (fundición) en una atmósfera de argón, seguido de la eliminación del residuo por evaporación al vacío a 900 C. El electrolito fundido y condensado es volvió a la electrólisis.

Eso moliendo con una separación de aire de 30-70 micrones, y cuando se usa un tratamiento térmico al vacío, 100-120 micrones.

La producción de niobio a partir de electrolitos de oxifluoruro-cloruro, como el tantalio, no dio resultados positivos debido a que se forman óxidos inferiores en el cátodo durante la descarga, contaminando el metal. La salida de corriente es baja.

Para el niobio (así como para el tantalio), los electrolitos sin oxígeno son prometedores. Los pentacloruros de niobio y tantalio se disuelven en cloruros de metales alcalinos fundidos para formar sales complejas A / eNbCl6 y MeTaCl6. Durante la descomposición electrolítica de estos complejos, se forman depósitos de cristales gruesos de niobio y tántalo en el cátodo y cloro en el ánodo de grafito.

Ciencias socioeconómicas y humanas

UDC 553.98 "=."

MINERÍA DE NIOBIUM EN RUSIA

G.Yu. Boyarko *, V. Yu. Khatkov **

, * Universidad Politécnica de Tomsk

** Oficina del Gobierno de la Federación de Rusia. ""

Correo electrónico: [correo electrónico protegido]

El niobio se extrae en Rusia en el depósito de Lovozerskoe (región de Murmansk) en forma de concentrado de loparita y en el depósito tártaro ( Región de Krasnoyarsk) en forma de concentrado de ácido piroclórico, y procesamiento ~ en las plantas de magnesio de Solikamsk (región de Perm) "y ferroaleaciones de Klyuchevskoy (región de Sverdlovsk). Como resultado de la integración vertical de los consumidores rusos de niobio con las empresas mineras, la dependencia de las importaciones de productos de niobio El depósito de niobio de Tomtor (República de Sakha-Yakutia) y la restauración del nivel anterior de producción en el depósito de niobio de tantalio de Etykinsky (región de Chita) Debido a la presencia de un monopolio mundial natural de los productores de niobio de Brasil, Rusia Las empresas mineras de niobio deberían centrarse principalmente en el mercado metalúrgico de Rusia, Ucrania, Kazajstán y China.

El niobio es un metal refractario pesado con alta ductilidad, resistencia a la corrosión, buena soldabilidad y una pequeña sección transversal de captura de neutrones térmicos. Es parte de las aleaciones superconductoras y resistentes al calor, y los aceros aleados con niobio tienen alta resistencia y ductilidad significativa, resistencia a la congelación y a la corrosión. El principal consumo de niobio recae en la producción de tuberías de gran diámetro para tuberías principales a partir de aceros de baja aleación (0,07 ... 0,08% N)). Los aceros de niobio de baja aleación se utilizan en la fabricación de estructuras de edificios, construcción de puentes, en ingeniería vial y minera, construcción de aeronaves y automóviles, en la fabricación de equipos para perforación petrolera profunda, equipos para las industrias química y petroquímica, etc. Las aleaciones de niobio con estaño, titanio y circonio se utilizan ampliamente en la fabricación de solenoides superconductores para electroimanes potentes utilizados en separadores magnéticos, aceleradores de partículas cargadas y generadores MHD. Los monocristales sintéticos de litio y niobatos de plomo se utilizan en obturadores ópticos y dispositivos acústicos electrónicos. El volumen de consumo mundial de niobio es de 25 ... 26 mil toneladas por año, y su claro crecimiento se observa en un 2 ... 2.5% por año. Los líderes en el consumo de niobio son Japón (30% de la demanda mundial), Estados Unidos (alrededor del 25%) y los países de la Unión Europea. Los precios de los productos con niobio se muestran en la tabla. GRAMO

El niobio se extrae por métodos hidrometalúrgicos y pirometalúrgicos a partir de concentrados de minerales de niobio: pirocloro (NaCaNb206F) (hasta el 90% del suministro mundial), columbita-tantalita ((Fe, Mn) (Nb, Ta) 206) (hasta 5% ) y loparita ((Ca, TR) (Ti, Ta, Nb) 02) (solo en Rusia). Durante su procesamiento, el tantalio se extrae simultáneamente (en la proporción Ta / Nb = 1/10), y los metales de las tierras raras y el titanio también se extraen de la loparita.

La producción mundial de niobio es de 25,7 mil toneladas (2002), con 22 mil toneladas contabilizadas por la empresa brasileña Companhia Brasileira de Metalurgia e Minera ^ So Cia Brasileira de Metalurgia Minera? Ao (CBMM), que es un monopolio natural en la producción de concentrados de pirocloro. , ferroniobio (hasta 18 mil toneladas por año), niobio

Mesa. Precios de los productos de niobio (y tantalio asociado)

Precios de productos básicos, US $ por kg

Concentrado de pirocloro (en términos de N ^ 05) 6,0 ... 6,5

Concentrado de columbita (en términos de N1 ^ 05) 6,5 ... 7,0

Concentrado de tantalita (en términos de Ta205) 65 .. / 75

Concentrado de loparita 1,1-

Ferroniobio 14,5 ... 15,5

Niobio metal 14.0 .. L 4.5

Polvo de tantalio ■ 200 ... 230

Tántalo metálico 200 ... 210

tálico y tantalio. Está extrayendo la corteza areal erosionada en el macizo de carbonatita de Arasha (estado de Amazonas) con un contenido promedio de 2.5% Nb205 (4,3 mil millones de toneladas de mineral) y el depósito de mineral de estaño Pitanga que contiene 4,3% Nb205 (30 millones de toneladas de mineral). Parte de los concentrados de CBMM es procesado por la empresa consolidada Catalao de Goäis (Mineralo Cataloa), que produce hasta 3,5 mil toneladas de ferroniobio por año. Como reserva en Brasil dentro parque Nacional Pico da Neblina es el depósito de Seis Lagos con reservas de 2.900 millones de toneladas de mineral con una ley Nb205 promedio de 2.8%. En Canadá, el mineral de niobio se extrae en el depósito Saint Honore (mina Niobec, Quebec) con una ley promedio de Nb205 de 0,6%. Dos empresas están involucradas en la extracción de minerales y el procesamiento de concentrados: Teck Corp. y Cambior Inc., que suministró 3,2 mil toneladas de ferroniobio al mercado mundial en 2002. En cantidades extremadamente pequeñas, se producen varios productos de niobio (principalmente concentrados de pirocloro) en Australia (Green Bush), Nigeria (Joe Plateau), Mozambique (Mbeya), Zambia (Luesh) y Congo (Manono Kitololo).

En la era de la economía planificada, la URSS extraía y producía hasta 2000 toneladas de productos de niobio (en términos de óxido de niobio), ocupando el tercer lugar en términos de producción (después de Brasil y Canadá) y el cuarto en términos de consumo (después de Japón, Estados Unidos y Alemania). Después del colapso del espacio económico común en enclaves nacionales de la CEI, la cadena tecnológica de la industria de los metales raros se rompió y algunos de sus fragmentos dejaron de ser rentables. Como resultado, los consumidores rusos se vieron obligados a satisfacer sus necesidades de niobio exportando 100 ... 200 toneladas de aleaciones de niobio por año (principalmente de Brasil).

La única empresa minera sobreviviente en Rusia es OJSC Severnye Rare Metals (ex Lovozersky GOK) en la aldea de Lovozero, distrito de Revdinsky, región de Murmansk, y su operador minero, OJSC Lovozero Mining Company, en las minas de Karnasurt y Umbozero. Aquí, en el depósito de niobio-tantalio de tierras raras de Lovozero, único en términos de reservas (pobre en contenido de Nb205, solo 0,24%), se extrajeron hasta 25 mil toneladas de concentrado de loparita a partir de sienitas de nefelina que contienen loparita por año, que contienen 6 ... 8% Nb, 0, 5% Ta, 36 ... 38% TR y 38 ... 42% Ti. Hasta 10 mil toneladas de concentrado de loparita se procesan en la Planta de Magnesio Solikamsk OJSC (el principal propietario es el Fondo de Crecimiento de Rusia JV), donde se obtiene hidróxido de niobio por cloración, que es un producto intermedio para la producción de niobio metálico (en el Planta química y metalúrgica de Irtysh en Ust -Kamenogorsk, Kazajstán). En la actualidad, la Planta de Magnesio de Solikamsk produce anualmente 700 ... 750 toneladas de óxidos de niobio y 70 ... 80 toneladas de óxido de tantalio, que son completamente ex-

Puerto. El resto 10 ... 12 mil. El concentrado de tloparita se procesó previamente en A5> 8Pte1 (Sillamae, Estonia) de acuerdo con el esquema de ácido sulfúrico para niobio metálico y ferroniobio. Actualmente, 5Pte1 ha dejado de comprar materias primas de loparita y se ha cambiado a concentrados de pirocloro más avanzados tecnológicamente de Brasil y Nigeria. En consecuencia, la producción de concentrado de loparita de Sev-redmet también cayó (a 8 ... 10 mil toneladas), lo que llevó a esta empresa al borde de la bancarrota. Un intento de organizar en 2000 su propia producción hidrometalúrgica con la producción de ferroniobio debido a la falta de inversiones necesarias (US $ 100 millones) no se vio coronado por el éxito. Actualmente, el propietario de JSC Sevredmet es la empresa CJSC FTK Company (Finanzas, Tecnología, Consultoría) (Moscú), copropietaria de la Planta de Magnesio Solikamsk (14% de las acciones), pero no hay una salida real a esta situación de demanda limitada de materias primas de loparita. La planta química y metalúrgica de Irtysh también estaba al borde de la bancarrota y en 1996 había detenido la producción de productos de niobio, pero en 2000 se separó una división capaz de KazNiobiy IHMZ LLP, que comenzó a producir hasta 60 ... 80 toneladas de niobio metálico por año, utilizando hidróxido de niobio de Solikamsk como materia prima. El procesamiento de productos industriales de tantalio en la CEI se lleva a cabo en la planta metalúrgica OJSC Ulba NAK Kazatomprom (Ust-Kamenogorsk, República de Kazajstán), donde se producen productos de niobio: polvo, lingotes, productos laminados.

Otras empresas rusas, que habían trabajado anteriormente en minerales más ricos, los habían desarrollado en los años 90 del siglo XX y, durante la transición a una economía de mercado, cerraron sus industrias no rentables. Se trata de la administración minera de Vishnevogorsk (región de Chelyabinsk), que desarrolló el depósito del mismo nombre, Malyshevskoe RU (región de Sverdlovsk), un depósito completamente agotado de pegmatitas de metales raros Linden prado, Orlovsky GOK (región de Chita), que elaboró ​​el El depósito de Orlovskoye y la empresa minera Zabaikalsky (región de Chita), que detuvo los campos Zavitkovskoye y Etykinskoye. Los concentrados de pirocloro y columbita-tantalita de estas empresas se procesaron en la planta de ferroaleaciones de Klyuchevskoy (asentamiento de Dvurechensk, distrito de Sysertsky, región de Sverdlovsk), que produjo aleaciones maestras de ferroniobio y niobio a partir de ellas.

La mejora de la industria de los metales raros en Rusia se llevó a cabo por iniciativa de los consumidores de niobio: los metalúrgicos de Cherepovets de OAO Severstal (Cherepovets, Óblast de Vologda). Con el fin de eliminar la dependencia de las exportaciones del niobio, este holding organizó una subsidiaria de JSC Stalmag (Krasnoyarsk) para la extracción de concentrados de pirocloro de la corteza meteorizada del depósito tártaro de vermiculita-niobato-fósforo en el macizo de carbonatita del mismo nombre,

colocado en el distrito de Motyginsky del territorio de Krasnoyarsk | 9 |. A finales de 2000t. En este depósito se lanzó una planta de procesamiento primario con una capacidad de hasta 90 mil toneladas de mineral por año. A partir del concentrado obtenido suministrado a la planta de ferroaleaciones de Klyuchevsky, se producen 150: .. 200 toneladas de ferroniobio por año. Con la introducción de la segunda etapa, la productividad de la mina se duplicará,

En 2001, Zabaikalsky GOK (asentamiento de Pervomaisky, distrito de Shilkinsky, región de Chita), que ha estado extrayendo fluorita y oro en los últimos años, reanudó la extracción del depósito de tantal-niobio-estaño de Etykinsky en los granitos de metales raros del macizo de Etykinsky. El contenido medio de tantalio en los minerales es del 0,031%, el niobio es del 0,1% y el de estaño es del 0,2%. En 2001 ^ extrajo (en términos de metal) 40 toneladas de tantalio, 60 toneladas de niobio, 100 toneladas de estaño. Para 2005, está previsto aumentar cinco veces la capacidad de producción. La construcción de un taller hidrometalúrgico para la producción de fluorotantalato de potasio y pentóxido de niobio está en marcha sobre la base de Zabaikalsky GOK en el pueblo de Pervomaysky. De: Etykinskiy también se pueden extraer minerales "y concentrados de litio con una ley promedio de N20 en minerales - 0,11%. En el marco del programa estatal" Extracción, producción y consumo de litio, berilio, tantalio, estaño, niobio (LIBTON) "También está previsto reanudar la extracción de Zabaikalsky GOK en el depósito de litio-niobio de Zavitinsky de pegmatitas de espodumena.

buenos productos con un contenido medio de Ta205 en minerales -0,0139% y N> 205 -0,02%.

La empresa ZAO Alrosa (Mirny, República de Sakha-Yakutia), en el marco del programa de diversificación de su negocio de diamantes, está preparando un proyecto minero para el desarrollo del sitio de Burny, el depósito de niobio-tierras raras de Tomtor, único en términos de reservas. y calidad del mineral, en el ulus Oleneksky de la República de Sakha-Yakutia. Este fragmento del depósito es un placer lacustre casi a la deriva formado debido al lavado de la corteza meteorizada del macizo de carbonatita de Tomtor. El contenido promedio de Lb205 aquí es 6.71%, Y - 0.59%, ST11 - 9.53%. El proyecto de desarrollo del sitio Burny prevé un volumen anual inicial de procesamiento de masa rocosa de 13,73 mil m3 y la extracción de concentrado de pirocloro que contiene 583 t de Lb205 y un concentrado de tierras raras que contiene 690 t de óxidos de metales de tierras raras (V203, CeO2 , La203, Pr6Ou, Ssh203, No. 203, Eu203, 8s203). En el futuro, se planea aumentar la capacidad de producción a 30 mil m3 de mineral y producir hasta 2000 toneladas de concentrado de pirocloro en términos del No. 205.

Existió una pequeña instalación de producción piloto durante la exploración del depósito de fosfato de niobio de Beloziminsky (1984-1986) en la región de Tulunsky Región de Irkutsk... Las formaciones minerales representan la corteza areal meteorológica sobre carbonatitas (que contienen 0.24% Ni> 205), en bloques ricos de los cuales en las áreas Main y Yagodny el contenido promedio de ML205 es 1.06 y 1.39%, respectivamente. Sin embargo, la transversal

Dibujo. Disposición de niobio. depósitos y empresas que extraen y procesan niobio.

1) depósitos de niobio ■ 2) tenencias de empresas mineras de niobio; 3 ~ 5) minas: 3) en funcionamiento, 4) en fase de producción, 5) cerradas o detenidas; 6) empresas procesadoras

la extracción de Nb205 en estos experimentos no superó el 30%. El concentrado de fosfato (apatita + frankolita) se puede obtener como subproducto de los minerales de Belozimin, con un contenido inicial de Р205 en los minerales del 11,25%.

Sobre la base de la liquidación de Orlovsky GOK en 2000, se formó una nueva empresa, OJSC Novo-Orlovsky GOK (asentamiento de Novoorlovsky, distrito de Aginsky, región de Chita), una planta piloto de preparación No. 1 y una sección de tantalio de la planta de preparación No. 2. Complejo restaurado) de la producción de tungsteno de Orlovsky GOK, que contiene 5190 toneladas de W, 550 toneladas de Nb y 440 toneladas de Ta. La producción estimada de tantalio y niobio es de hasta 10 ... 20 toneladas por año.

Para extraer tantalio y niobio en la planta de ferroaleaciones de Klyuchevskoy, las escorias de fundición de estaño se procesan periódicamente en la planta de estaño de Novosibirsk OJSC. En términos de ventas anuales, la producción de niobio y tantalio de las materias primas de la planta de estaño de Novosibirsk no superó las primeras toneladas.

Cabe señalar otros depósitos de niobio y tántalo-niobio en Rusia:

El depósito de fósforo-niobio de Bolshetagninskoe, situado a 12 km al oeste del depósito de Belo-Ziminsky (región de Irkutsk) y confinado a las carbonatitas de calcita-microclina del macizo de carbonatita del mismo nombre. El contenido medio de Nb205 en los minerales es del 1,02%.

Depósito de daño-niobio-fósforo de Sredneziminskoe, ubicado a 18 km al sur del depósito Belo-Ziminsky (región de Irkutsk) y confinado a carbonatitas de calcita-microclina. El contenido medio de Nb205 en minerales es 0,10 ... 0,18%, uranio hasta 0,02%, fósforo - 2,5 ... 3,5%. El depósito es problemático, en primer lugar, debido a las bajas concentraciones de componentes útiles y la alta radiactividad de los minerales.

El sitio Neske-Vara del depósito de niobio Vuoriyarvinsky se encuentra en el distrito de Kandalakshinsky de la región de Murmansk. Es un gran

Bloque de mineral de composición apatita-magnetita con impregnación de baddeleyita y pirocloro. El contenido medio de Nb2O en los minerales del sitio es de 0,53%, Ta205 - 0,017%. El depósito está ubicado muy cerca de la empresa operativa OJSC Kovdorsky GOK, que extrae minerales de hierro con la producción asociada de concentrados de apatita y badceleita (que contienen Zr y TR). El depósito es poco profundo: solo 6.2 mil toneladas de Nb205 y 200 toneladas de Ta205, pero estos minerales encajan en la cadena tecnológica del Kovdors GOK, y este objeto puede ponerse en funcionamiento fácilmente.

El depósito de tierras raras de niobio de Ulug-Tanzeksky (República de Tyva) es una zona mineralizada de metasomatitas de cuarzo-albita-microclina que contienen minerales (pirocloro, columbita-tantalita, circón, litio, berilio y minerales de tierras raras). El yacimiento se estimó en los años 90 del siglo XX y quedó poco explorado. Contenido No. 205 -0.2%, Ta205 - 0.0155%, BTI - 0.063% (la proporción de elementos de yt-triio es 30 ... 40%), 1l20 - 0.086.1xO - 0.4%. El esquema tecnológico de beneficio del mineral prevé la producción de No.>, Ta, bg, Shch

TI (Y) y, y YL.

El depósito de itrio-niobio-circonio de Katuginskoe de metasomatitas alcalinas cercanas a la falla que contienen minerales (cuarzo-albita-microclina) se encuentra en el norte de la región de Chita, a 140 km de la estación Novaya Chara en la línea principal de Baikal-Amur. El contenido medio de Ni> 205 en minerales es 0,31, Ta205 es 0,019%, 8ТYa es 0,25% (la proporción de elementos de itrio es 40 ... 50%), g02 es 1,38%. El proyecto de inversión para el desarrollo de este campo está siendo desarrollado por Zabaikalsky GOK.

El depósito de niobio de Gornoozerskoe se encuentra en el ulus de Ust-Maisky de la República de Sakha-Yakutia y está confinado al macizo de titita de carbono del mismo nombre. El depósito ha sido estudiado solo desde la superficie, su valoración es muy pobre. La mineralización de pirocloro se limita a zonas lineales de carbonatitas de magnesio. El contenido medio de #> 205 para un número limitado de muestras es del 0,25%. El depósito también reveló un placer lacustre de pirocloro, que no fue apreciado. Por analogía con el depósito de Tomtor, puede ser bastante rico.

El depósito de tantalio Vishnyakovskoye se encuentra en la región de Irkutsk, a 110 km de la estación de Taishet y está conectado con ella por una carretera. Los cuerpos de vetas de pegmatitas de metales raros de hasta 40 m de espesor contienen mineralización de tantalita, berilio y lipedolita (litio). El contenido promedio de Ta205 es 0.0198%, y para las venas individuales del área de Ryabinovy ​​- 0.023 ... 0.03%. Posible extracción asociada de litio con un contenido medio de 1120-0,086%, así como de berilio. El contenido de №> 205 no es alto - 0.02%, pero durante la extracción de materias primas de tantalio, el niobio ya se extraerá como subproducto. El depósito requiere exploración adicional.

En general, las capacidades operativas para la extracción de materias primas de niobio ya satisfacen las necesidades de los metalúrgicos rusos en aditivos de aleación de niobio (200 ... 250 toneladas por año), e incluso teniendo en cuenta el crecimiento en la demanda de productos de tubería para principales oleoductos, solo el desarrollo planificado de las capacidades de Stalmag y Zabaikalsky GOK puede

cubrir nuevos volúmenes de demanda hasta 2005 (hasta 600 ... 800 toneladas).

Los problemas de Sevredmet y Solikamsk Iron and Steel Works deben ser abordados por sus propietarios (FTK Company y Russia Growth Fund) como parte de la creación de una tecnología unificada para procesar materias primas complejas de niobio y tierras raras para obtener productos finales comercializables (individual metales de las tierras raras y sus óxidos, ferroniobio, niobio metálico y tantalio) y la creación de capacidades suficientes para el procesamiento anual de 22 ... 25 mil toneladas de concentrado de loparita. Esta explotación puede producir hasta 1000 toneladas de niobio y hasta 100 toneladas de productos de tantalio por año. ... : ■.

La venta de los productos del Sevredmet reconstruido y la nueva empresa minera Ap-Rosy en el campo Tomtor ya requiere ir más allá del mercado ruso. La entrada al mercado mundial está limitada por la política del monopolio mundial de productos de niobio: la empresa brasileña SVMM. Al tener el costo más bajo de producción y procesamiento de materias primas de niobio, puede controlar el nivel de los precios mundiales, evitando la aparición de competidores serios. Los productores rusos de productos con exceso de niobio deben centrarse en el mercado metalúrgico solidario de los países de la CEI (Ucrania, Kazajstán) y el creciente mercado de consumo de metalurgia en China. Además del sector metalúrgico, es necesario estudiar seriamente las tendencias de desarrollo en los próximos 20 años de las tecnologías mundiales de ahorro de energía basadas en sistemas de transmisión de potencia superconductores basados ​​en aleaciones de niobio, cuya producción requerirá hasta 5 mil toneladas por año. año.

La capacidad de producción existente de la planta de ferroaleaciones de Klyuchevskoy es suficiente para vender

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La creación de nuevas industrias para la extracción y producción de productos de niobio también es posible en el marco de su extracción asociada durante el desarrollo de depósitos de otros minerales, por ejemplo, Katuginsky itrio-tierras raras-circonio, Vishnyakovsky tantalio, Zavitinsky litio, etc. niobio, que no puede afectar seriamente al mercado de su demanda.

El desarrollo de los depósitos de la reserva distante (Ulug-Tanzeksky en la República de Tyva y Gusinoozersky en la República de Sakha-Yakutia) en las condiciones de un exceso de suministro de materias primas de niobio por compañías más capaces que operan con productos ricos y fáciles de preparar. Los minerales no son aconsejables.

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Propiedades físicas del niobio

El niobio es un metal gris plateado brillante.

El niobio elemental es un metal extremadamente refractario (2468 ° C) y de alto punto de ebullición (4927 ° C) que es altamente resistente en muchos ambientes corrosivos. Todos los ácidos, a excepción del ácido fluorhídrico, no actúan sobre él. Los ácidos oxidantes "pasivan" el niobio, cubriéndolo con una película protectora de óxido (No. 205). Pero a altas temperaturas, aumenta la reactividad del niobio. Si a 150 ... 200 ° C solo se oxida una pequeña capa superficial del metal, entonces a 900 ... 1200 ° C el espesor de la película de óxido aumenta significativamente.

La red cristalina del niobio es cúbica centrada en el cuerpo con un parámetro a = 3.294A.

El metal puro es dúctil y se puede enrollar en una hoja delgada (hasta un espesor de 0,01 mm) en estado frío sin recocido intermedio.

Es posible observar propiedades del niobio como un alto punto de fusión y ebullición, una función de trabajo menor de los electrones en comparación con otros metales refractarios: tungsteno y molibdeno. Esta última propiedad caracteriza la capacidad de emisión de electrones (emisión de electrones), que se utiliza para el uso de niobio en tecnología de vacío. El niobio también tiene una alta temperatura de transición superconductora.

Densidad 8,57 g / cm3 (20 ° C); tm 2500 ° C; hervir 4927 ° C; presión de vapor (en mm Hg; 1 mm Hg = 133,3 N / m2) 1 10-5 (2194 ° C), 1 10-4 (2355 ° C), 6 10- 4 (en tm), 1 · 10-3 (2539 ° C).

A temperatura ambiente, el niobio es estable en el aire. El inicio de la oxidación (películas que empañan) se observa cuando el metal se calienta a 200-300 ° C. Por encima de 500 °, se produce una oxidación rápida con la formación del óxido Nb2O5.

Conductividad térmica en W / (m · K) a 0 ° C y 600 ° C, respectivamente 51,4 y 56,2, lo mismo en cal / (cm · seg · ° C) 0,125 y 0,156. Resistencia eléctrica volumétrica específica a 0 ° C 15,22 · 10-8 ohmios · m (15,22 · 10-6 ohmios · cm). La temperatura de transición superconductora es 9.25 K. El niobio es paramagnético. La función de trabajo de los electrones es 4.01 eV.

El niobio puro se presuriza fácilmente en frío y conserva propiedades mecánicas satisfactorias a altas temperaturas. Su resistencia última a 20 y 800 ° C, respectivamente, es de 342 y 312 MN / m2, la misma en kgf / mm234.2 y 31.2; alargamiento a 20 y 800 ° C, respectivamente, 19,2 y 20,7%. La dureza Brinell del niobio puro es de 450, la dureza técnica es de 750-1800 Mn / m2. Las impurezas de algunos elementos, especialmente hidrógeno, nitrógeno, carbono y oxígeno, perjudican enormemente la ductilidad y aumentan la dureza del niobio.

Propiedades químicas del niobio

El niobio es especialmente apreciado por su resistencia a sustancias orgánicas e inorgánicas.

Existe una diferencia en el comportamiento químico del metal en polvo y en grumos. Este último es más estable. Los metales no actúan sobre él, incluso si se calientan a altas temperaturas. Los metales alcalinos líquidos y sus aleaciones, bismuto, plomo, mercurio, estaño pueden estar en contacto con el niobio durante mucho tiempo sin cambiar sus propiedades. Incluso oxidantes tan fuertes como el ácido perclórico, el "agua regia", por no mencionar el nítrico, el sulfúrico, el clorhídrico y todos los demás, no pueden hacer nada con él. Las soluciones alcalinas tampoco tienen ningún efecto sobre el niobio.

Sin embargo, hay tres reactivos que pueden convertir el niobio metálico en compuestos químicos. Uno de ellos es un hidróxido fundido de un metal alcalino:

4Nb + 4NaOH + 5О2 = 4NaNbO3 + 2H2О

Los otros dos son ácido fluorhídrico (HF) o su mezcla con ácido nítrico (HF + HNO). En este caso, se forman complejos de fluoruro, cuya composición depende en gran medida de las condiciones de reacción. En cualquier caso, el elemento está incluido en el anión del tipo 2 o 2.

Si tomamos niobio en polvo, entonces es algo más activo. Por ejemplo, en el nitrato de sodio fundido, incluso se enciende y se convierte en óxido. El niobio compacto comienza a oxidarse cuando se calienta por encima de 200 ° C, y el polvo se cubre con una película de óxido ya a 150 ° C. Al mismo tiempo, se manifiesta una de las maravillosas propiedades de este metal: conserva la plasticidad.

En forma de aserrín, cuando se calienta por encima de los 900 ° C, se quema por completo y se convierte en Nb2O5. Arde vigorosamente en una corriente de cloro:

2Nb + 5Cl2 = 2NbCl5

Reacciona con azufre cuando se calienta. Es difícil de alear con la mayoría de los metales. Quizá sólo haya dos excepciones: el hierro, con el que se forman soluciones sólidas de diferentes proporciones, y el aluminio, que tiene un compuesto Al2Nb con niobio.

¿Qué cualidades del niobio lo ayudan a resistir la acción de los ácidos más fuertes, los agentes oxidantes? Resulta que esto no se refiere a las propiedades del metal, sino a las características de sus óxidos. Cuando entra en contacto con agentes oxidantes, aparece una capa de óxidos muy delgada (y por lo tanto invisible), pero muy densa en la superficie del metal. Esta capa se convierte en un obstáculo insuperable en el camino del agente oxidante hacia una superficie metálica limpia. Solo algunos reactivos químicos, en particular el anión de flúor, pueden penetrar a través de él. Por tanto, esencialmente el metal se oxida, pero prácticamente no se aprecian resultados de oxidación debido a la presencia de una fina película protectora. La pasividad hacia el ácido sulfúrico diluido se utiliza para crear un rectificador de corriente alterna. Está organizado de forma sencilla: las placas de platino y niobio se sumergen en una solución de ácido sulfúrico de 0,05 m. El niobio en estado pasivado puede conducir corriente si es un electrodo negativo, un cátodo, es decir, los electrones pueden pasar a través de la capa de óxido solo desde el lado del metal. El camino de los electrones de la solución está cerrado. Por lo tanto, cuando se hace pasar una corriente alterna a través de dicho dispositivo, solo pasa una fase, para la cual el platino es el ánodo y el niobio es el cátodo.

halógeno metálico de niobio

Un elemento químico que lleva el nombre de la antigua Niobe, una mujer que se atrevió a reírse de los dioses y lo pagó con la muerte de sus hijos. El niobio personifica la transición de la humanidad de la producción industrial a la digital; desde locomotoras de vapor hasta vehículos de lanzamiento; desde las centrales eléctricas de carbón hasta la energía nuclear. En el mundo, el precio del niobio por gramo es bastante alto, al igual que la demanda. La mayoría de los últimos avances de la ciencia están estrechamente relacionados con el uso de este metal.

Precio del niobio por gramo

Dado que los principales usos del niobio están asociados a programas nucleares y espaciales, pertenece al grupo de materiales estratégicos. El procesamiento es mucho más rentable financieramente que el desarrollo y la extracción de nuevos minerales, lo que hace que el niobio tenga demanda en el mercado secundario de metales.

El valor del precio está determinado por varios factores:

• La pureza del metal. Cuanta más materia extraña, menor será el precio.
• Forma de entrega.
• Volumen de suministro. Directamente proporcional a los precios de los metales.
• La ubicación del punto de recogida de chatarra. Cada región tiene una necesidad diferente de niobio y, en consecuencia, su precio.
• La presencia de metales raros. Las aleaciones que contienen elementos como tantalio, tungsteno, molibdeno tienen un precio más alto.
• El valor de las cotizaciones en los intercambios mundiales. Son estos valores los básicos a la hora de fijar un precio.

Resumen indicativo de precios en Moscú:

• Niobio NB-2. El precio varía entre 420 y 450 rublos. por kg.
• Virutas de niobio. RUB 500-510 por kg.
• Sede de Niobium НБШ00. Difiere en el aumento de precios debido al contenido insignificante de impurezas. RUB 490-500 por kg.
• Cabeza de niobio NBSh-0. RUB 450-460 por kg.
• Niobio NB-1 en forma de varilla. El precio es de 450 a 480 rublos. por kg.

A pesar del alto costo, la demanda de niobio en el mundo sigue creciendo. Esto se debe a su enorme potencial de uso y a la escasez de metal. Solo hay 18 gramos de niobio por cada 10 toneladas de tierra.

La comunidad científica continúa trabajando para encontrar y desarrollar un sustituto para un material tan costoso. Pero hasta ahora resultado concreto en esto no recibió. Esto significa que no se espera una caída en los precios del niobio en un futuro próximo.

Para regular el precio y aumentar la tasa de rotación, se proporcionan las siguientes categorías para los productos de niobio:

• Lingotes de niobio. Su tamaño y peso están estandarizados por GOST 16099-70. Dependiendo de la pureza del metal, se subdividen en 3 grados: niobio NB-1, niobio NB-2 y, en consecuencia, niobio NB-3.
• Barra de niobio. Difiere en un mayor porcentaje de impurezas.
• Lámina de niobio. Fabricado hasta 0,01 mm de espesor.
• Barra de niobio. Según TU 48-4-241-73 se suministra con las marcas NBP1 y NBP2.

Propiedades físicas del niobio

El metal es gris con un tinte blanco. Se refiere al grupo de aleaciones refractarias. El punto de fusión es de 2500 ºС. El punto de ebullición es 4927 ºС. Se diferencia en un valor aumentado de resistencia al calor. No pierde sus propiedades a temperaturas de funcionamiento superiores a 900 ºС.

Las propiedades mecánicas también están a un alto nivel. La densidad es 8570 kg / m3 con un indicador similar de acero 7850 kg / m3. Resistente al trabajo bajo cargas tanto dinámicas como cíclicas. Resistencia a la tracción - 34,2 kg / mm2. Posee alta plasticidad. El coeficiente de alargamiento relativo varía en el rango de 19-21%, lo que permite obtener de él niobio de chapa con un espesor de hasta 0,1 mm.

La dureza está asociada con la pureza del metal de las impurezas nocivas y aumenta con su aumento de composición. El niobio puro tiene 450 unidades de dureza Brinell.

El niobio se presta bien para trabajar por presión a temperaturas inferiores a -30 ºС y un corte deficiente.

La conductividad térmica no cambia significativamente con grandes fluctuaciones de temperatura. Por ejemplo, a 20 ºС es 51,4 W / (m K), y a 620 С aumenta sólo en 4 unidades. El niobio compite por la conductividad eléctrica con elementos como el cobre y el aluminio. Resistencia eléctrica - 153,2 nΩ m Pertenece a la categoría de materiales superconductores. La temperatura a la que la aleación entra en modo superconductor es de 9.171 K.

Extremadamente resistente a los ácidos. Ácidos comunes como el sulfúrico, el clorhídrico, el fosfórico, el nítrico no afectan su estructura química de ninguna manera.

A temperaturas superiores a 250 ºС, el niobio comienza a oxidarse activamente con oxígeno, así como a entrar en reacciones químicas con moléculas de hidrógeno y nitrógeno. Estos procesos aumentan la fragilidad del metal, reduciendo así su resistencia.

• No se aplica a materiales alergénicos. Introducido en el cuerpo humano, no provoca una reacción de rechazo por parte del organismo.
• Es un metal del primer grupo de soldabilidad. Las soldaduras son firmes y no requieren operaciones preparatorias. Resistente a grietas.

Variedades de aleaciones

Según el valor de las propiedades mecánicas a temperaturas elevadas, las aleaciones de niobio se subdividen:

1. Resistencia baja. Opere entre 1100-1150 ºС. Tienen un conjunto simple de elementos de aleación. Esto incluye principalmente circonio, titanio, tantalio, vanadio, hafnio. La fuerza es de 18-24 kg / mm2. Después de pasar el umbral de temperatura crítica, cae bruscamente y se vuelve similar al niobio puro. La principal ventaja son las altas propiedades plásticas a temperaturas de hasta 30 ºС y una buena trabajabilidad a presión.
2. Fuerza media. Su temperatura de trabajo está en el rango de 1200-1250 ºС. Además de los elementos de aleación anteriores, contienen impurezas de tungsteno, molibdeno, tantalio. El objetivo principal de estos aditivos es mantener las propiedades mecánicas al aumentar la temperatura. Tienen plasticidad moderada y funcionan bien con presión. Un ejemplo sorprendente de aleación son los 5VMT de niobio.
3. Aleaciones de alta resistencia. Se utilizan a temperaturas de hasta 1300 ºС. Con exposición a corto plazo hasta 1500 ºС. Se diferencian en la composición química de mayor complejidad. Consisten en un 25% de aditivos, la mayor parte de los cuales es tungsteno y molibdeno. Algunos tipos de estas aleaciones se distinguen por un alto contenido de carbono, lo que tiene un efecto positivo en el valor de su resistencia al calor. La principal desventaja del niobio de alta resistencia es su baja ductilidad, lo que dificulta el procesamiento tecnológico. Y, en consecuencia, la producción de productos semiacabados.

Debe tenerse en cuenta que las categorías enumeradas anteriormente son condicionales y dan solo una idea general del método de uso de esta o aquella aleación.

También deben mencionarse compuestos tales como ferroniobio y óxido de niobio.

El ferroniobio es un compuesto de niobio con hierro, donde el contenido de este último es del 50%. Además de los elementos básicos, incluye centésimas de titanio, azufre, fósforo, silicio, carbono. El porcentaje exacto de elementos está estandarizado por GOST 16773-2003.

El pentaxido de niobio es un polvo cristalino blanco. No susceptible de disolución en ácido y agua. Se produce quemando niobio en una atmósfera de oxígeno. Completamente amorfo. Temperatura de fusión 1500 ºС.

Aplicaciones del niobio

Todas las propiedades anteriores hacen que el metal sea extremadamente popular en diversas industrias. Entre las muchas formas de utilizarlo, se distinguen las siguientes posiciones:

• Utilización en metalúrgicos como elemento de aleación. Además, tanto las aleaciones ferrosas como las no ferrosas se alean con niobio. Por ejemplo, agregar solo un 0.02% a la composición del acero inoxidable 12X18H10T aumenta su resistencia al desgaste en un 50%. Enriquecido con niobio (0,04%), el aluminio se vuelve completamente insensible a los álcalis. El niobio actúa sobre el cobre como un endurecimiento del acero, aumentando sus propiedades mecánicas en un orden de magnitud. Tenga en cuenta que incluso el uranio está dopado con niobio.
• El pentóxido de niobio es el componente principal en la fabricación de cerámicas altamente refractarias. También encontró aplicación en la industria de defensa: vidrios blindados de equipo militar, ópticas con un gran ángulo de refracción, etc.
• El ferroniobio se utiliza para alear aceros. Su tarea principal es aumentar la resistencia a la corrosión.
• En ingeniería eléctrica, se utilizan para la fabricación de condensadores y rectificadores de corriente. Dichos condensadores se caracterizan por una alta capacitancia y resistencia de aislamiento, pequeñas dimensiones.
• Los compuestos de silicio y germanio con niobio se utilizan ampliamente en el campo de la electrónica. Los solenoides superconductores y los elementos de los generadores de corriente están hechos de ellos.