В сфере добычи и производства сырья и металлов компания «МетПрод» работает уже более 20 лет, и за это время мы достигли высочайшего качества нашей продукции. Мы занимаемся добычей редких тугоплавких металлов, к числу которых относится и элемент ниобий – металл, свойства и область применения которого позволяют использовать его в самых ответственных отраслях. Качество продукции мы можем гарантировать, т.к. месторождения ниобия мы разрабатываем своими силами.
Ниобий и его особенности
Этот металл является очень устойчивым к химическим воздействиям различного рода – это и определяет его популярность в промышленности и дороговизну. Среди областей его применения самые ответственные – медицина, алмазная и ракетостроительная промышленность, производство монет. Кроме того, материал достаточно податлив при обработке, если вести ее при низких температурах. Ниобий обладает высокой температурой перехода – это свойство очень важно при производстве сверхпроводящих проводов и магнитов.
Поставляется он в слитках, порошке или лигатуре. Так, самый известный порошок марки Н6ПМ имеет в своем составе, кроме ниобия, углерод, азот, кислород, железо, титан, тантал и кремний и может иметь один из четырех классов зернистости (40–100 мкм).
Химическая устойчивость ниобия проявляется при взаимодействии с такими веществами, как азотная, ортофосфорная, серная и соляная кислота. Его можно растворить только в едкой щелочи очень высокой концентрации либо серной кислоте, тоже концентрированной и заранее нагретой до 150°C.
Для чего применяется ниобий
Металла с уникальными свойствам, очень нужны разным отраслям металлургии, т.к. он существенно оптимизирует характеристики сталей. Из сплавов с участием ниобия производят такие ответственные изделия, как:
- трубы и емкости для газопроводов, нефтепроводов, для расплавленных металлов;
- оболочки атомных и ядерных реакторов;
- части электролитических конденсаторов;
- различные огнеупорные материалы, специальные стекла и арматуру для ламп;
- карбиды;
- приспособления для химической промышленности, требующие высокой коррозионной стойкости;
- «горячую» арматуру генераторных и электронных ламп для радаров – катоды, аноды, сетки и т.д.
В настоящее время потребность в ниобии увеличивается, и компания старается удовлетворить все запросы рынка: чтобы можно было купить ниобий по низкой цене, мы сами контролируем его добычу и изготовление на всех этапах. Мы предлагаем чистый металл, а также его сплавы, которые применяются в ракетостроении, для производства деталей авиационной и космической техники, в электронике и радиотехнике, атомной энергетике и в химическом аппаратостроении.
Примерно половина всего ниобия, имеющегося сейчас на рынке, используется для легирования сталей, а около 30% – для получения сплавов с нужными свойствами. Им легируют цветные металлы, в том числе уран, вводят в сталь для избежания межкристаллитной коррозии и улучшения ее свойств.
Уральский государственный горный университет
На тему: Свойства ниобия
Группа: М-13-3
Студент: Мохнашин Никита
1. Общие сведения об элементе
Физические свойства ниобия
Химические свойства ниобия
Ниобий в свободном состоянии
Оксиды ниобия и их соли
Соединения ниобия
Страны лидеры в производстве ниобия
1. Общие сведения об элементе
С элементом, занимающим в менделеевской таблице 41-ю клетку, человечество знакомо давно. Возраст его нынешнего названия - ниобий - почти на полстолетия меньше. Случилось так, что элемент №41 был открыт дважды. Первый раз - в 1801 г. английский ученый Чарльз Хатчет исследовал образец верного минерала, присланного в Британский музей из Америки. Из этого минерала он выделил окисел неизвестного прежде элемента. Новый элемент Хатчет назвал колумбием, отмечая тем самым его заокеанское происхождение. А черный минерал получил название колумбита. Через год шведский химик Экеберг выделил из колумбита окисел еще одного нового элемента, названного танталом. Сходство соединений Колумбия и тантала было так велико, что в течение 40 лет большинство химиков считало: тантал и колумбий - один и тот же элемент.
В 1844 г. немецкий химик Генрих Розе исследовал образцы колумбита, найденные в Баварии. Он вновь обнаружил окислы двух металлов. Один из них был окислом известного уже тантала. Окислы были похожи, и, подчеркивая их сходство, Розе назвал элемент, образующий второй окисел, ниобием по имени Ниобы, дочери мифологического мученика Тантала. Впрочем, Розе, как и Хатчет, не сумел получить этот элемент в свободном состоянии. Металлический ниобий был впервые получен лишь в 1866 г. шведским ученым Бломстрандом при восстановлении хлорида ниобия водородом. В конце XIX в. были найдены еще два способа получения этого элемента. Сначала Муассан получил его в электропечи, восстанавливая окись ниобия углеродом, а затем Гольдшмидт сумел восстановить тот же элемент алюминием. А называть элемент №41 в разных странах продолжали по-разному: в Англии и США - колумбием, в остальных странах - ниобием. Конец этой разноголосице положил Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) в 1950 г. Было решено повсеместно узаконить название элемента «ниобий», а за основным минералом ниобия так и закрепилось наименование «колумбит». Его формула (Fe, Mn) (Nb, Ta)2О6.
Ниобий не случайно считается редким элементом: он действительно встречается не часто и в небольших количествах, причем всегда в виде минералов и никогда в самородном состоянии. Любопытная деталь: в разных справочных изданиях кларк (содержание в земной коре) ниобия разный. Это объясняется главным образом тем, что в последние годы в странах Африки найдены новые месторождения минералов, содержащих ниобий. В «Справочнике химика», т. 1 (М., «Химия», 1963) приведены цифры: 3,2·10-5% (1939 г.), 1·10-3% (1949 г.) и 2,4·10-3% (1954 г.). Но и последние цифры занижены: африканские месторождения, открытые в последние годы, сюда не вошли. Тем не менее подсчитано, что из минералов уже известных месторождений можно выплавить примерно 1,5 млн т металлического ниобия.
Физические свойства ниобия
Ниобий - блестящий серебристо-серый металл.
Элементарный ниобий - чрезвычайно тугоплавкий (2468°C) и высококипящий (4927°C) металл, очень стойкий во многих агрессивных средах. Все кислоты, за исключением плавиковой, не действуют на него. Кислоты-окислители «пассивируют» ниобий, покрывая его защитной окисной пленкой (№205). Но при высоких температурах химическая активность ниобия повышается. Если при 150...200°C окисляется лишь небольшой поверхностный слой металла, то при 900...1200°C толщина окисной пленки значительно увеличивается.
Кристаллическая решетка Ниобия объемно центрированная кубическая с параметром а = 3,294Å.
Чистый металл пластичен и может быть прокатан в тонкий лист (до толщины 0, 01 мм.) в холодном состоянии без промежуточного отжига.
Можно отметить такие свойства ниобия как высокая температура плавления и кипения, более низкая работа выхода электронов по сравнению с другими тугоплавкими металлами - вольфрамом и молибденом. Последнее свойство характеризует способность к электронной эмиссии (испусканию электронов), что используется для применения ниобия в электровакуумной технике. Ниобий также имеет высокую температуру перехода в состояние сверхпроводимости.
Плотность 8,57 г/см3 (20 °С); tпл 2500 °С; tкип 4927 °С; давление пара (в мм рт. ст.; 1 мм рт. ст.= 133,3 н/м2) 1·10-5 (2194 °С), 1·10-4 (2355 °С), 6·10-4 (при tпл), 1·10-3 (2539 °С).
При обычной температуре ниобий устойчив на воздухе. Начало окисления (плёнки побежалости) наблюдается при нагревании металла до 200 - 300°С. Выше 500° происходит быстрое окисление с образованием окисла Nb2O5.
Теплопроводность в вт/(м·К) при 0°С и 600 °С соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/(см·сек·°С) 0,125 и 0,156. Удельное объемное электрическое сопротивление при 0°С 15,22·10-8 ом·м (15,22·10-6 ом·см). Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К. Ниобий парамагнитен. Работа выхода электронов 4,01 эв.
Чистый Ниобий легко обрабатывается давлением на холоду и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Его предел прочности при 20 и 800 °С соответственно равен 342 и 312 Мн/м2, то же в кгс/мм234,2 и 31,2; относительное удлинение при 20 и 800 °С соответственно 19,2 и 20,7%. Твердость чистого Ниобиы по Бринеллю 450, технического 750-1800 Mн/м2. Примеси некоторых элементов, особенно водорода, азота, углерода и кислорода, сильно ухудшают пластичность и повышают твердость Ниобия.
3. Химические свойства ниобия
Ниобий особенно ценится за его устойчивость к действию неорганических и органических веществ.
Есть разница в химическом поведении порошкообразного и кускового металла. Последний более устойчив. Металлы на него не действуют, даже если нагреть их до высоких температур. Жидкие щелочные металлы и их сплавы, висмут, свинец, ртуть, олово могут находиться в контакте с ниобием долго, не меняя его свойств. С ним ничего не могут поделать даже такие сильные окислители, как хлорная кислота, «царская водка», не говоря уж об азотной, серной, соляной и всех прочих. Растворы щелочей на ниобий тоже не действуют.
Существует, однако, три реагента, которые могут переводить металлический ниобий в химические соединения. Одним из них является расплав гидроксида какого-либо щелочного металла:
Nb+4NaOH+5О2 = 4NaNbO3+2H2О
Двумя другими являются плавиковая кислота (HF) или ее смесь с азотной (HF+HNO). При этом образуются фторидные комплексы, состав которых в значительной степени зависит от условий проведения реакции. Элемент в любом случае входит в состав аниона типа 2- или 2-.
Если же взять порошкообразный ниобий, то он несколько более активен. Например, в расплавленном нитрате натрия он даже воспламеняется, превращаясь в оксид. Компактный ниобий начинает окисляться при нагревании выше 200°С, а порошок покрывается окисной пленкой уже при 150°С. При этом проявляется одно из чудесных свойств этого металла - он сохраняет пластичность.
В виде опилок при нагревании выше 900°С он полностью сгорает до Nb2O5. Энергично сгорает в токе хлора:
Nb + 5Cl2 = 2NbCl5
При нагревании реагирует с серой. С большинством металлов он сплавляется с трудом. Исключение, пожалуй, составляют лишь два: железо, с которым образуются твердые растворы разного отношения, да алюминий, имеющий с ниобием соединение Al2Nb.
Какие же качества ниобия помогают ему сопротивляться действию сильнейших кислот-окислителей? Оказывается, это относится не к свойствам металла, а к особенностям его оксидов. При соприкосновении с окислителями на поверхности металла возникает тончайший (поэтому он и незаметен), но очень плотный слой оксидов. Этот слой встает неодолимой преградой на пути окислителя к чистой металлической поверхности. Проникнуть сквозь него могут только некоторые химические реагенты, в частности анион фтора. Следовательно, по существу металл окисляется, но практически результатов окисления незаметно из-за присутствия тонкой защитной пленки. Пассивность по отношению к разбавленной серной кислоте используют для создания выпрямителя переменного тока. Устроен он просто: платиновая и ниобиевая пластинки погружены в 0,05 м. раствор серной кислоты. Ниобий в пассивированном состоянии может проводить ток, если является отрицательным электродом - катодом, т. е. электроны могут проходить сквозь слой оксидов только со стороны металла. Из раствора путь электронам закрыт. Поэтому, когда через такой прибор пропускают переменный ток, то проходит только одна фаза, для которой платина - анод, а ниобий - катод.
ниобий металл галоген
4. Ниобий в свободном состоянии
Он настолько красив, что одно время пытались из него делать ювелирные изделия: своим светло-серым цветом ниобий напоминает платину. Несмотря на высокие температуры плавления (2500°С) и кипения (4840°C), из него легко можно сделать любое изделие. Металл настолько пластичен, что его можно обрабатывать на холоду. Очень важно, что ниобий сохраняет свои механические свойства при высоких температурах. Правда, как и в случае ванадия, даже небольшие примеси водорода, азота, углерода и кислорода сильно уменьшают пластичность и повышают твердость. Ниобий становится хрупким при температуре от - 100 до - 200 °С.
Получение ниобия в сверхчистом и компактном виде стало возможным с привлечением техники последних лет. Весь технологический процесс сложен и трудоемок. В принципе он делится на 4 этапа:
1.получение концентрата: феррониобия или ферротанталониобия;
.вскрытие концентрата - перевод ниобия (и тантала) в какие-либо нерастворимые соединения, чтобы отделить от основной массы концентрата;
.разделение ниобия и тантала и получение их индивидуальных соединений;
.получение и рафинирование металлов.
Первые два этапа довольно просты и обычны, хотя и трудоемки. Степень разделения ниобия и тантала определяется третьим этапом. Стремление получить как можно больше ниобия и особенно тантала заставило изыскать новейшие методы разделения: избирательной экстракции, ионного обмена, ректификации соединений этих элементов с галогенами. В результате получают либо оксид, либо пятихлориды тантала и ниобия в отдельности. На последнем этапе применяют восстановление углем (сажей) в токе водорода при 1800°С, а затем температуру повышают до 1900°С и понижают давление. Получившийся при взаимодействии с углем карбид вступает в реакцию с Nb2O5:
2Nb2O5 + 5NbC = 9Nb + 5CO3,
и появляется порошок ниобия. Если в результате отделения ниобия от тантала получен не оксид, а соль, то ее обрабатывают металлическим натрием при 1000°С и также получают порошкообразный ниобий. Поэтому при дальнейшем превращении порошка в компактный монолит проводят переплавку в дуговой печи, а для получения монокристаллов особо чистого ниобия используют электроннолучевую и зонную плавку.
Оксиды ниобия и их соли
Число соединений с кислородом у ниобия невелико, значительно меньше, чем у ванадия. Объясняется это тем, что в соединениях, соответствующих степени окисления +4, +3 и +2, ниобий крайне неустойчив. Если атом этого элемента начал отдавать электроны, то он стремится отдавать все пять, чтобы обнажить стабильную электронную конфигурацию.
Если сравнивать ионы одной и той же степени окисления двух соседей по группе - ванадия и ниобия, то обнаруживается усиление свойств в сторону металлов. Кислотный характер оксида Nb2O5заметно слабее, чем у оксида ванадия (V). Кислоту при растворении он не образует. Лишь при сплавлении со щелочами или карбонатами проявляются его кислотные свойства:
O5 + 3Nа2СО3 = 2Nа3NbO4 + ЗС02
Эта соль - ортониобат натрия - похожа на такие же соли ортофосфорной и ортованадиевой кислот. Однако у фосфора и мышьяка ортоформа самая устойчивая, а попытка получить ортониобат в чистом виде не удается. При обработке сплава водой выделяется не соль Nа3NbO4, а метаниобат NaNbO3. Это бесцветный труднорастворимый в холодной воде мелкокристаллический порошок. Следовательно, у ниобия в высшей степени окисления более устойчива не орто- , а мета-форма соединений.
Из других соединений оксида ниобия (V) с основными оксидами известны диниобаты K4Nb2O7, напоминающие о пирокислотах, и полиниобаты (как тень полифосфорных и поливанадиевых кислот) с примерными формулами K7Nb5O16.nH2O и K8Nb6O19.mH2O. Упомянутые соли, отвечающие высшему оксиду ниобия, содержат этот элемент в составе аниона. Форма этих солей позволяет считать их производными ниобиевых. кислот. В чистом виде эти кислоты получить нельзя, так как их скорее можно рассматривать как оксиды, имеющие связь с молекулами воды. Например, мета-форма - это Nb2O5. H2O, а орго-форма Nb2O5. 3H2O. Наряду с такого рода соединениями у ниобия есть и другие, где он уже входит в состав катиона. Ниобий не образует простых солей типа сульфатов, нитратов и т. д. При взаимодействии с гидросульфатом натрия NaHSО4 или с оксидом азота N2О4 появляются вещества со сложным катионом: Nb2О2(SО4)3. Катионы в этих солях напоминают катион ванадия с той лишь разницей, что здесь ион пятизарядный, а у ванадия степень окисления в ионе ванадила равна четырем. Такой же катион NbO3+ входит, в состав некоторых комплексных солей. Оксид Nb2O5 довольно легко растворяется в водной фтористоводородной кислоте. Из таких растворов можно выделить комплексную соль K2. H2O.
На основании рассмотренных реакций можно сделать вывод, что ниобий в своей высшей степени окисления может входить как в состав анионов, так и в состав катиона. Это значит, что пятивалентный ниобий амфотерен, но все же со значительным преобладанием кислотных свойств.
Существует несколько способов получения Nb2O5. Во-первых, взаимодействие ниобия с кислородом при нагревании. Во-вторых, прокаливание на воздухе солей ниобия: сульфида, нитрида или карбида. В-третьих - наиболее обычный метод -обезвоживание гидратов. Из водных растворов солей концентрированными кислотами осаждается гидратированный оксид Nb2O5. xH2O. Затем при разбавлении растворов происходит выпадение белого осадка оксида. Обезвоживание осадка Nb2O5 xH2O сопровождается выделением теплоты. Вся масса накаляется. Происходит это из-за превращения аморфного оксида в кристаллическую форму. Оксид ниобия может быть двух цветов. В обычных условиях белый, но при нагревании приобретает желтую окраску. Стоит, однако, охладить оксид, как цвет исчезает. Оксид тугоплавок (tпл=1460°С) и нелетуч.
Более низким степеням окисления ниобия соответствуют NbО2 и NbО. Первый из этих двух представляет собой черный с голубым отливом порошок. Получают NbO2 из Nb2O5, отбирая кислород магнием или водородом при температуре около тысячи градусов:
O5 + Н2 = 2NbО2 + Н2О
На воздухе это соединение легко переходит обратно в высший оксид Nb2O5. Характер его довольно скрытный, так как оксид нерастворим ни в воде, ни в кислотах. Все же ему приписывают кислотный характер на основании взаимодействия с горячей водной щелочью; при этом, однако, идет окисление до пятизарядного иона.
Казалось бы, разница в один электрон не так уж велика, но в отличие от Nb2O5, оксид NbO2 проводит электрический ток. Очевидно, в этом соединении существует связь металл - металл. Если воспользоваться этим качеством, то при нагревании сильным переменным током можно заставить NbO2 отдать свой кислород.
При потере кислорода NbO2 переходит в оксид NbO, в дальнейшем довольно быстро отщепляется и весь кислород. О низшем оксиде ниобия NbО известно немного. Он имеет металлический блеск и по виду схож с металлом. Прекрасно проводит электрический ток. Словом, ведет себя так, будто кислорода в его составе вовсе и нет. Даже, подобно типичному металлу, бурно реагирует с хлором при нагревании и превращается в оксихлорид:
2NbO + 3Cl2=2NbOCl3
Из соляной кислоты вытесняет водород (будто и не оксид он вовсе, а металл вроде цинка):
NbO + 6HCl = 2NbOCl3 + 3H2
Получить в чистом виде NbО можно прокаливанием уже упоминавшейся комплексной соли K2 с металлическим натрием:
К2 + 3Na = NbO + 2KF + 3NaF
Оксид NbO имеет самую высокую из всех ниобиевых оксидов температуру плавления 1935°С. Чтобы очистить ниобий от кислорода, температуру повышают до 2300 - 2350°С, тогда одновременно с испарением происходит распад NbO на кислород и металл. Происходит рафинирование (очистка) металла.
Соединения ниобия
Рассказ об элементе был бы не полным без упоминания о его соединениях с галогенами, карбидами и нитридами. Это важно по двум причинам. Во-первых, благодаря фторидным комплексам удается отделить ниобий от его вечного спутника тантала. Во-вторых, эти соединения приоткрывают нам качества ниобия как металла.
Взаимодействие галогенов с металлическим ниобием:
Nb + 5Cl2 = 2NbCl5 могут быть получены, все возможные пентагалогениды ниобия.
Пентафторид NbF5 (tпл = 76 °С) в жидком состоянии и в парах бесцветен. Подобно пятифтористому ванадию, в жидком состоянии он полимерен. Атомы ниобия соединены друг с другом через атомы фтора. В твердом виде имеет структуру, состоящую из четырех молекул (рис. 2).
Рис. 2. Структура NbF5 и TaF5 в твердом виде состоит из четырех молекул.
Растворы в фтористоводбродной кислоте H2F2 содержат различные комплексные ионы:
H2F2 = Н2 ;+ H2O = H2
Калиевая соль K2 . H2O важна для отделения ниобия от тантала, так как в отличие от соли тантала она хорошо растворима.
Остальные пентагалогениды ниобия ярко окрашены: NbCl5 желтый, NbBr5 пурпурно-красный, NbI2 коричневый. Все они возгоняются без разложения в атмосфере соответствующего галогена; в паре они мономеры. Температуры их плавления и кипения возрастают при переходе от хлора к брому и иоду. Некоторые из способов получения пентагалогенидов таковы:
2Nb+5I22NbI5;O5+5C+5Cl22NbCl5+5CO;.
2NbCl5+5F22NbF5+5Cl2
Пентагалогениды хорошо растворяются в органических растворителях: эфире, хлороформе, спирте. Водой, однако, полностью разлагаются -гидролизуются. В результате гидролиза получаются две кислоты -галогеноводородная и ниобиевая. Например,
4H2О = 5HCl + H3NbО4
Когда гидролиз нежелателен, то вводят какую-либо сильную кислоту и равновесие написанного выше процесса смещается в сторону NbCl5. В таком случае пентагалогенид растворяется, не подвергаясь гидролизу,
Особую признательность у металлургов заслужил карбид ниобия. В любой стали, есть углерод; ниобий, связывая его в карбид, повышает качества легированной стали. Обычно при сварке нержавеющей стали, шов имеет меньшую прочность. Введение ниобия в количестве 200 г на тонну помогает исправить этот недостаток. При нагревании ниобий раньше всех других металлов стали образует соединение с углеродом - карбид. Это соединение достаточно пластичное и в то же время способно выдерживать температуру до 3500°С. Слоя карбида толщиной всего в полмиллиметра достаточно, чтобы оградить от коррозии металлы и, что особенно ценно, графит. Карбид может получаться при нагревании металла или оксид ниобия (V) с углеродом или углеродсодержащими газами (СН4, СО).
Нитрид ниобия - соединение, на которое не действуют никакие кислоты и даже «царская водка» при кипячении; устойчив по отношению к воде. Единственное, с чем его можно заставить вступить во взаимодействие, - кипящая щелочь. В этом случае он разлагается с выделением аммиака.
Нитрид NbN светло-серый с желтоватым оттенком. Он тугоплавок (тем. пл. 2300°С), имеет замечательную особенность - при температуре, близкой к абсолютному нулю (15,6 К, или -267,4 °С), обладает сверхпроводимостью.
Из соединений, содержащих ниобий в более низкой степени окисления, более всего известны галогениды. Все низшие галогениды - твердые кристаллические вещества темного цвета (от темно-красного до черного). Устойчивость их уменьшается по мере понижения степени окисления металла.
Применение ниобия в различных отраслях
Применение ниобия для легирования металлов
Сталь, легированная ниобием, обладает хорошей коррозионной стойкостью. Хром тоже повышает коррозионную стойкость стали, и он намного дешевле ниобия. Этот читатель прав и не прав одновременно. Не прав потому, что забыл об одном.
В хромоникелевой стали, как и во всякой другой, всегда есть углерод. Но углерод соединяется с хромом, образуя карбид, который делает сталь более хрупкой. Ниобий имеет большее сродство к углероду, чем хром. Поэтому при добавлении в сталь ниобия обязательно образуется карбид ниобия. Легированная ниобием сталь приобретает высокие антикоррозионные свойства и не теряет своей пластичности. Нужный эффект достигается, когда в тонну стали добавлено всего 200 г металлического ниобия. А хромо-маргаицевой стали ниобий придает высокую износоустойчивость.
Ниобием легируют и многие цветные металлы. Так, алюминий, легко растворяющийся в щелочах, не реагирует с ними, если в него добавлено всего 0,05% ниобия. А медь, известную своей мягкостью, и многие ее сплавы ниобий словно закаляет. Он увеличивает прочность таких металлов, как титан, молибден, цирконий, и одновременно повышает их жаростойкость и жаропрочность.
Сейчас свойства и возможности ниобия по достоинству оценены авиацией, машиностроением, радиотехникой, химической промышленностью, ядерной энергетикой. Все они стали потребителями ниобия.
Уникальное свойство - отсутствие заметного взаимодействия ниобия с ураном при температуре до 1100°C и, кроме того, хорошая теплопроводность, небольшое эффективное сечение поглощения тепловых нейтронов сделали ниобий серьезным конкурентом признанных в атомной промышленности металлов - алюминия, бериллия и циркония. К тому же искусственная (наведенная) радиоактивность ниобия невелика. Поэтому из него можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов или установки по их использованию.
Химическая промышленность потребляет сравнительно немного ниобия, но это объясняется только его дефицитностью. Из ниобийсодержащих сплавов и реже из листового ниобия иногда делают аппаратуру для производства высокочистых кислот. Способность ниобия влиять на скорость некоторых химических реакций используется, например, при синтезе спирта из бутадиена.
Потребителями элемента №41 стали также ракетная и космическая техника. Не секрет, что на околоземных орбитах уже вращаются какие-то количества этого элемента. Из ниобийсодержащих сплавов и чистого ниобия сделаны некоторые детали ракет и бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли.
Использования ниобия в других отраслях промышленности
Из ниобиевых листов и штабиков изготовляют «горячую арматуру» (т.е. нагреваемые детали) - аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие детали электронных ламп, особенно мощных генераторных ламп.
Кроме чистого металла для тех же целей применяют танталониобиевые сплавы.
Ниобий применяли для изготовления электролитических конденсаторов и выпрямителей тока. Здесь использована способность ниобия к образованию устойчивой окисной плёнки при анодном окислении. Окисная плёнка устойчива в кислых электролитах и пропускает ток только в направлении от электролита к металлу. Ниобиевые конденсаторы с твёрдым электролитом отличаются высокой ёмкостью при малых размерах, высоким сопротивлением изоляции.
Ниобиевые элементы конденсаторов изготовляют из тонкой фольги или пористых пластинок, спрессованных из металлических порошков.
Коррозионная стойкость ниобия в кислотах и других средах, в сочетании с высокой теплопроводностью и пластичностью делают его ценным конструкционным материалом для аппаратуры в химических и металлургических производствах. Ниобий обладает сочетанием свойств, удовлетворяющих требования атомной энергетики к конструкционным материалам.
До 900°С ниобий слабо взаимодействует с ураном и пригоден для изготовления защитных оболочек для урановых тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. При этом возможно использование жидких металлических теплоносителей: натрия или сплава натрия с калием, с которыми ниобий не взаимодействует до 600°С. Для повышения живучести урановых тепловыделяющих элементов уран легируют ниобием (~ 7% ниобия). Присадка ниобия стабилизирует защитную окисную плёнку на уране, что повышает устойчивость его против паров воды.
Ниобий входит в состав различных жаропрочных сплавов для газовых турбин реактивных двигателей. Легирование ниобием молибдена, титана, циркония, алюминия и меди резко улучшает свойства этих металлов, а также их сплавов. Существуют жаропрочные сплавы на основе ниобия в качестве конструкционного материала для деталей реактивных двигателей и ракет (изготовление турбинных лопаток, передних кромок крыльев, носовых концов самолётов и ракет, обшивки ракет). Ниобий и сплавы на его основе можно использовать при рабочих температурах 1000 - 1200°С.
Карбид ниобия входит в состав некоторых марок твёрдых сплавов на основе карбида вольфрама, используемых для резания сталей.
Ниобий широко используется как легирующая добавка в сталях. Добавка ниобия в количестве, в 6 - 10 раз превышающем содержание углерода в стали, устраняет межкристаллитную коррозию нержавеющей стали и предохраняет сварные швы от разрушения.
Ниобий также вводят в состав различных жаропрочных сталей (например, для газовых турбин), а также в состав инструментальных и магнитных сталей.
Ниобий вводят в сталь в сплаве с железом (феррониобий), содержащем до 60% Nb. Кроме этого, применяют ферротанталониобий с различным соотношением между танталом и ниобием в ферросплаве.
В органическом синтезе применяют некоторые соединения ниобия (фтористые комплексные соли, окислы) как катализаторы.
Применение и производство ниобия быстро возрастают, что обусловлено сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов, способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и др. сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоде и свариваемость. Основные области применения ниобия: ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение, атомная энергетика.
Применение металлического ниобия
Из чистого ниобия или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы; для жидких металлов; детали электролитических конденсаторов; «горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и др.); коррозионноустойчивую аппаратуру в химической промышленности.
Ниобием легируют другие цветные металлы, в том числе уран.
Ниобий применяют в криотронах - сверхпроводящих элементах вычислительных машин. Ниобий также известен тем, что он используется в ускоряющих структурах большого адронного коллайдера.
Интерметаллиды и сплавы ниобия
Станнид Nb3Sn и сплавы ниобия с титаном и цирконием применяются для изготовления сверхпроводящих соленоидов.
Ниобий и сплавы с танталом во многих случаях заменяют тантал, что даёт большой экономический эффект (ниобий дешевле и почти вдвое легче, чем тантал).
Феррониобий вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали др. типов для улучшения их свойств.
Ниобий используется при чеканке коллекционных монет. Так, Латвийский Банк утверждает, что в коллекционных монетах достоинством 1 лат наряду с серебром используется ниобий.
Применение соединений ниобияO5 катализатор в химической промышленности;
в производстве огнеупоров, керметов, спец. стёкол, нитрид, карбид, ниобаты.
Карбид ниобия (т. пл. 3480 °C) в сплаве с карбидом циркония и карбидом урана-235, является важнейшим конструкционным материалом для ТВЭЛов твердофазных ядерных реактивных двигателей.
Нитрид ниобия NbN используется для производства тонких и ультратонких сверхпроводящих пленок с критической температурой от 5 до 10 К с узким переходом, порядка 0,1 К
Ниобий в медицине
Высокая коррозионная стойкость ниобия позволила использовать его в медицине. Ниобиевые нити не вызывают раздражения живой ткани и хорошо сращиваются с ней. Восстановительная хирургия успешно использует такие нити для сшивания порванных сухожилий, кровеносных сосудов и даже нервов.
Применение в ювелирном деле
Ниобий не только обладает комплексом нужных технике свойств, но и выглядит достаточно красиво. Этот белый блестящий металл ювелиры пытались использовать для изготовления корпусов ручных часов. Сплавы ниобия с вольфрамом или рением иногда заменяют благородные металлы: золото, платину, иридий. Последнее особенно важно, так как сплав ниобия с рением не только внешне похож на металлический иридий, но почти так же износоустойчив. Это позволило некоторым странам обходиться без дорогого иридия в производстве напаек для перьев авторучек.
Добыча ниобия на территории России
В последние годы мировое производство ниобия находится на уровне 24-29 тыс. т. Следует отметить, что мировой рынок ниобия существенно монополизирован бразильской компанией СВММ, на долю которой приходится около 85% мирового объема выпуска ниобия.
Основным потребителем ниобий содержащей продукции (к ней прежде всего относится феррониобий) является Япония. Эта страна импортирует ежегодно свыше 4 тыс. т феррониобия из Бразилии. Поэтому японские импортные цены на ниобий содержащую продукцию можно с большой уверенностью принимать за близкие к среднемировым значениям. В последние годы имеет место тенденция роста цен на феррониобий. Это связано с растущим его применением для производства низколегированных сталей предназначенных, главным образом для труб нефте и газопроводов. Вообще надо отметить, что за последние 15 лет мировое потребление ниобия возрастает в среднем на 4-5 % ежегодно.
С сожалением надо признать, что Россия находится на «обочине» рынка ниобия. В начале 90-х годов, по оценкам специалистов Гиредмета, в бывшем СССР производилось и потреблялось около 2 тыс.т ниобия (в пересчете на оксид ниобия). В настоящее время потребление российской промышленностью ниобиевой продукции не превышает всего 100 - 200 т. Следует отметить, что в бывшем СССР были созданы значительные мощности по выпуску ниобия, разбросанные по разным республикам - Россия, Эстония, Казахстан. Это традиционная черта развития промышленности СССР поставила сейчас Россию в очень сложное положение по многим видам сырья и металлам. Рынок ниобия начинается с производства ниобий содержащего сырья. Основным его видом в России был и остается лопаритовый концентрат, получаемый на Ловозерском ГОКе (теперь - АО «Севредмет», Мурманская область). До распада СССР предприятие выпускало около 23 тыс.т лопаритового концентрата (содержание в нем оксида ниобия около 8,5 %). В последующем производство концентрата постоянно снижалось, в 1996-1998 гг. предприятие неоднократно останавливалось из-за отсутствия сбыта. В настоящее время, по оценкам, производство лопаритового концентрата на предприятии находится на уровне 700 - 800 т в месяц.
Следует отметить, что предприятие достаточно жестко привязано к своему единственному потребителю - Соликамскому магниевому заводу. Дело в том, что лопаритовый концентрат - это достаточно специфический продукт, который получают только в России. Его технология переработки достаточно сложна из-за содержащегося в нем комплекса редких металлов (ниобий, тантал, титан). Кроме того, концентрат радиоактивен, во многом поэтому все попытки выйти на мировой рынок с этой продукцией закончились безрезультатно. Следует также отметить, что из лопаритового концентрата невозможно получение феррониобия. В 2000 г. на комбинате «Севредмет» силами компании «Росредмет» запущена экспериментальная установка по переработке лопаритового концентрата с получением в числе других металлов товарной ниобий содержащей продукции (оксида ниобия).
Основными рынками ниобиевой продукции СМЗ являются страны дальнего зарубежья: поставки осуществляются в США, Японию и страны Европы. Доля экспорта в общем объеме производства составляет свыше 90 %. Значительные мощности по выпуску ниобия в СССР были сосредоточены в Эстонии - на Силламяэском химико-металлургическом произ-водственном объединении (г. Силламяэ). Сейчас эстонское предприятие называется «Силмет». В советские времена предприятие перерабатывало лопаритовый концентрат Ловоозерского ГОКа, с 1992 г. его отправка была прекращена. Сейчас «Силмет» перерабатывает только небольшой объем гидроксида ниобия Соликамского магниевого завода. Большую часть ниобий содержащего сырья в настоящее время предприятие получает из Бразилии и Нигерии. Руководство предприятия не исключает поставок лопаритового концентрата, однако «Севредмет» пытается проводить политику переработки его на месте, поскольку экспорт сырья менее выгоден, чем готовой продукции.
Репетиторство
Нужна помощь по изучению какой-либы темы?
Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку
с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.
Тантал и ниобий получают восстановлением из соединений высокой чистоты: оксидов, комплексных фтористых солей, хлоридов. Промышленные способы получения металлов можно подразделить на четыре группы:
Натриетермическое восстановление из комплексных фторидов;
Восстановление из оксидов углеродом (карботермичес - кий способ);
Восстановление из оксидов алюминия (алюминотерми - ческий способ);
Восстановление из хлоридов водородом;
Электролиз расплавленных сред.
В связи с высокой температурой плавления тантал (~3000 С) и ниобия (~2500 С) их получают в результате восстановления всеми перечисленными способами, кроме третьего, в форме порошков или спекшейся губки. Задача получения компактных ковких тантала и ниобия осложняется тем, что эти металлы активно поглощают газы (водород, азот, кислород), примеси которых придают им хрупкость. Поэтому спекать спрессованные из порошков заготовки или плавить их необходимо в высоком вакууме.
Натриетермический способ производства порошков тантала и ниобия
Натриетермическое восстановление комплексных фторидов K2TaF7 и K2NbF7 - первый промышленный способ получения тантала и ниобия. Его применяют и в настоящее время. Для восстановления фтористых соединений тантала и ниобия пригодны натрий, кальций и магний, имеющие высокое сродство к фтору, как видно из приведенных ниже величин:
Эл<^ент Nb Та Na Mg Са
AG298, кДж/г-атом F. . . . -339 -358 -543 -527 -582
Для восстановления используют натрий, так как фторид натрия растворим в воде и может быть отделен отмывкой от порошков тантала и ниобия, тогда как фториды магния и кальция малорастворимы в воде и кислотах.
Рассмотрим процесс на примере получения тантала. Восстановление K2TaF7 натрием протекает с большим выделением тепла (даже при масштабах загрузки шихты до 5 кг), достаточным для самопроизвольного течения процесса. После подогрева шихты в одном месте до 450-500 С реакция быстро распространяется по всей массе шихты, причем температура достигает 800-900 С. Поскольку натрий плавится при 97 С, а кипит при 883 , очевидно, что в восстановлении участвуют жидкий и парообразный натрий:
K2TaF7 + 5NaW = Та + 5NaF + 2KF; K2TaF7 + 5Na(ra3) = Та + 5NaF + 2KF.
Удельные тепловые эффекты реакций (2.18) и (2.19) равны 1980 и 3120кДж/кг шихты соответственно.
Восстановление ведут в стальном тигле, куда послойно загружают фторотанталат калия и кусочки натрия (~120 % от стехиометрически необходимого количества), которые нарезают специальными ножницами. Сверху шихту засыпают слоем хлорида натрия, образующего с KF и NaF легкоплавкую смесь. Солевой расплав защищает от окисления частицы по
рошка тантала. В наиболее простом варианте проведения процесса для возбуждения реакции стенку тигля у дна нагревают пламенем паяльной лампы до появления красного пятна. Реакция быстро протекает по всей массе и заканчивается за 1-2 мин. При таком осуществлении процесса вследствие кратковременной выдержки продуктов при максимальной температуре (800-900 С) получаются тонкодисперсные порошки тантала, которые после отмывки солей содержат до 2 % кислорода.
Более крупнозернистый порошок с меньшим содержанием кислорода получают при помещении реакционного тигля в шахтную электропечь с выдержкой его в печи после окончания реакции при 1000 °С.
Получающийся в результате восстановления тантал вкраплен в виде мелких частиц во фтористо-хлоридном шлаке, содержащем избыточный натрий. После остывания содержимое тигля выбивают, дробят на щековой дробилке и загружают небольшими порциями в реактор с водой, где происходит "гашение" натрия и растворение основной массы солей. Затем порошок последовательно промывают разбавленной неї (для более полной отмывки солей, растворения примеси железа и частично титана). Для понижения содержания оксидов тантала порошок иногда дополнительно отмывают холодной разбавленной плавиковой кислотой. Затем порошок промывают дистиллированной водой, фильтруют и сушат при 110-120 С.
Описанным выше способом с соблюдением примерно тех же режимов получают порошки ниобия восстановлением k2NbF7 натрием. Высушенные порошки ниобия имеют состав, %: Ті, Si, Fe 0,02-0,06; О около 0,5; N до 0,1; С 0,1-0,15.
Карботермический способ получения ниобия и тантала из оксидов
Этот способ был первоначально разработан для производства ниобия из Nb2o5.
Ниобий может быть восстановлен из Nb2os углеродом при 1800-1900 °С в вакуумной печи:
Nb2Os + 5С = 2Nb + SCO. (2.20)
Шихта Nb205 + 5С содержит мало ниобия и даже в брикетированном состоянии имеет низкую плотность (~1,8г/см3). Вместе с тем на 1 кг шихты выделяется большой объем со (~0,34 м3). Эти обстоятельства делают невыгодным проведение процесса по реакции (2.20), так как производительность вакуумной печи при этом низкая. Поэтому процесс проводят в две стадии:
І стадия - получение карбида ниобия
Nb203 + 1С = 2NbC + 5CO; (2.2l)
П стадия - получение ниобия в вакуумных печах
Nb2Os + 5NbC = 7Nb + 5CO. (2.22)
Брикетированная шихта її стадии содержит 84,2 % (по массе) ниобия, плотность брикетов ~3 г/см3, объем образующегося со 0,14 м3 на 1 кг шихты (~ в 2,5 раза меньше, чем в случае шихты Nb2o5 + sc). Это обеспечивает более высокую производительность вакуумной печи.
Существенное преимущество двустадийного процесса состоит также в том, что первую стадию можно проводить при атмосферном давлении в графитово-трубчатых печах сопротивления (рис. 29).
Для получения карбида ниобия (і стадии процесса) смесь - Nb2o5 с сажей брикетируют и брикеты нагревают в графито - вотрубчатой печи в атмосфере водорода или аргона при 1800-1900 °С (вдоль печи брикеты непрерывно продвигаются
Рис. 29. Схема графитово-трубчатой печи сопротивления:
1 - кожух; 2 - графитовая труба накала; 3 - экранирующая графитовая труба; 4- сажевая теплоизолирующая засыпка; 5 - холодильник; 6 - контактные графитовые конусы; 7 - охлаждаемая контактная головка; 8 - люк; 9 - шины, подводящие ток
Из расчета пребывания их в горячей зоне 1-1,5 ч). Измельченный карбид ниобия смешивают в шаровой мельнице с Nb2o5, взятой с небольшим избытком (3-5 %) против необходимого по реакции (2.22).
Шихту прессуют в заготовки под давлением 100 МПа, которые нагревают в вакуумных печах с графитовыми нагревателями (или вакуумных индукционных печах с графитовой трубой) при 1800-1900 С. Выдержка заканчивается при достижении остаточного давления 1,3-0,13 Па.
Реакции (2.21) и (2.22) являются суммарными. Они протекают через промежуточные стадии образования низших оксидов (Nt>o2 и NbO), а также карбида Nb2c. Основные реакции I стадии:
Nb2Os + С = 2Nb02 + СО; (2.23)
Nb02 + С = NbO + СО; (2.24)
2NbO + 3С = Nb2C + 2СО; (2.25)
Nb2C + С = 2NbC. (2.26)
Реакции п стадии:
Nb2Os + 2NbC = 2Nb02 + Nb2C + CO; (2.27)
Nb02 + 2NbC = NbO + Nb2C + CO; (2.28)
NbO + Nb2C = 3Nb + CO. (2.29)
Металлический ниобий получается по завершающей реакции II стадии процесса (2.29). Равновесное давление со для реакции (2.29) при 1800 °С > 1,3 Па. Следовательно, проводить процесс необходимо при остаточном давлении меньшем, чем равновесное для данной реакции (0,5- 0,13 Па).
Полученные спекшиеся пористые брикеты ниобия содержат, %: С 0,1-0,15; О 0,15-0,30; N 0,04-0,5. Для получения компактного ковкого металла брикеты плавят в электронно-лучевой печи. Другой путь состоит в получении из брикетов порошка (путем гидрирования при 450 С, измельчения и последующего дегидрирования в вакууме), прессовании штабиков и их спекании в вакууме при 2300-2350 С. В процессах вакуумной плавки и спекания в вакууме кислород и углерод удаляются в составе со, а избыточный кислород в составе летучих низших оксидов.
Основные преимущества карботермического способа - высокий прямой выход металла (не ниже 96 %) и применение дешевого восстановителя. Недостаток способа - сложность конструкций высокотемпературных вакуумных печей.
Карботермическим способом можно получать также тантал и сплавы ниобия с танталом.
Алюминатермический способ получения ниобия и тантала из высших оксидов
Разработанный в последние годы алюминометрический способ получения ниобия восстановлением пентоксида ниобия алюминием благодаря малостадийности и простоте аппаратурного оформления обладает технико-экономическими преимуществами по сравнению с другими способами производства ниобия.
Способ основан на экзотермической реакции:
3Nb2Os + 10А1 = 6Nb + 5А1203; (2.30)
Доу = -925,3 + 0,1362т, кДж/моль Nb2o5.
Высокий удельный тепловой эффект реакции (2640 кДж/кг шихты стехиометрического состава) обеспечивает возможность проведения процесса без внешнего подогрева с выплавкой слитка ниобиевоалюминиевого сплава. Успешное проведение внепечного алюмотермического восстановления возможно в том случае, если температура процесса выше температуры плавления А12о3 = 2030 °С) и металлической фазы (сплав Nb +10 % ai плавится при 2050 °С). При избытке алюминия в шихте 30 - 40 % сверх стехиометрического количества температура процесса достигает ~2150-2200 С. Вследствие быстрого протекания восстановления превышение температуры примерно на 100-150 С по сравнению с температурами плавления шлаковой и металлической фаз достаточно для обеспечения их разделения. При указанном выше избытке алюминия в шихте получают сплав ниобия с 8-10 % алюминия при реальном извлечении ниобия 98-98,5 %.
Алюминотермическое восстановление проводят в стальном тигле с набивной футеровкой из прокаленных оксидов магния или алюминия. Для удобства выгрузки продуктов плавки тигель делают разъемным. Через стенки вводят контакты для подвода электрического тока (20 В, 15 А) к запалу в виде нихромовой проволоки, помещенной в шихту. Другой возможный вариант - проведение процесса в массивном разъемном медном тигле, у стенок которого образуется гарниссажный защитный слой.
Смесь тщательно высушенного Nb2o5 и алюминиевого порошка крупностью ~100 мкм загружают в тигель. Целесообразно для исключения контакта с воздухом помещать тигель в камеру, заполненную аргоном.
После включения запала реакция протекает быстро по всей массе шихты. Полученный слиток сплава дробят на куски и подвергают вакуумтермической обработке при 1800-2000 С в печи с графитовым нагревателем при остаточном давлении ~0,13 Па с целью удаления большей части алюминия (до его содержания 0,2 %). Затем проводят рафинировочную плавку в электронно-лучевой печи, получая слитки ниобия высокой чистоты с содержанием примесей, %: А1 < 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.
Принципиально возможно алюминотермическое получение тантала, однако процесс несколько сложней. Удельный тепловой эффект реакции восстановления 895 кДж/кг шихты. Вследствие высокой температуры плавления тантала и его сплавов с алюминием для выплавки слитка в шихту вводят оксид железа (из расчета получения сплава с 7-7,5 % железа и 1,5 % алюминия), а также подогревающую добавку - хлорат калия (бертолетову соль). Тигель с шихтой помещают в печь. При 925 С начинается самопроизвольная реакция. Извлечение тантала в сплав около 90 %.
После вакуумтермической обработки и электронно-лучевой плавки слитки тантала имеют высокую чистоту, сравнимую с приведенной выше для ниобия.
Получение тантала и ниобия восстановлением из их хлоридов водородом
Разработаны различные способы восстановления тантала и ниобия из их хлоридов: восстановление магнием, натрием и водородом. Наиболее перспективны некоторые варианты восстановления водородом, в частности рассмотренный ниже способ восстановления паров хлоридов на нагретых подложках с получением прутка компактного металла.
На рис. 30 приведена схема установки для получения тантала восстановлением паров ТаС15 водородом на танталовой ленте, нагретой до 1200-1400 °С. Пары ТаСІ5 в смеси с водородом поступают из испарителя в реактор, в центре которого находится танталовая ленты, нагреваемая прямым пропусканием электрического тока до заданной температуры. Для равномерного распределения паро-газовой смеси по длине ленты и обеспечения перпендикулярного к ее поверхности потока вокруг ленты установлен экран из нержавеющей стали с отверстиями. На нагретой поверхности происходит реакция:
ТаС15 + 2,5 Н2 = Та + 5 HCl; AG°m к = -512 кДж. (2.31)
Рис. 30. Схема установки для восстановления пентахлорида тантала водородом: 1 - фланец реактора; 2 - изолированный электроподвод; 3 - зажимные контакты; 4 - конденсатор для непрореагировавшего хлорида; 5 - танталовая лента; 6 - экраи с отверстиями,- 7 - корпус реактора; 8 - нагреватель реактора; 9 - обогреваемый ротаметр; 10 - игольчатый вентиль; 11 - электропечь испарителя; 12 - испаритель пентахлорида тантала; 13 - ротаметр для водорода
Оптимальные условия осаждения тантала: температура ленты 1200-1300 °С, концентрация ТаСІ5 в газовой смеси ~ 0,2моля/моль смеси. Скорость осаждения в этих условиях равна 2,5-3,6 г/(см2 ч) (или 1,5-2,1 мм/ч), Таким образом, за 24 ч получают пруток чистого тантала со средним диаметром 24-25 мм, который может быть прокатан в лист, использован для переплавки в электронно-лучевой печи или превращен в высокочистые порошки (путем гидрирования, измельчения и дегидрирования порошка). Степень превращения хлорида (прямое извлечение в покрытие) составляют 20-30 %. Непрореагировавший хлорид конденсируют и снова используют. Расход электроэнергии равен 7-15 кВт ч на 1 кг тантала в зависимости от принятого режима.
Водород после отделения паров НСІ поглощением водой может быть возвращен в процесс.
Описанным способом можно получать также прутки ниобия. Оптимальные условия осаждения ниобия: температура ленты 1000-1300 С, концентрация пентахлорида 0,1-0,2 моля/моль газовой смеси. Скорость осаждения металла равна 0,7-1,5 г/(см2-ч), степень превращения хлорида в металл 15-30%, расход электроэнергии 17-22 кВт*ч/кг металла. Процесс для ниобия ослажняется тем, что часть NbCl5 восстанавливается в объеме реактора на некотором расстоянии от накаленной ленты до нелетучего NbCl3, осаждающегося на стенках реактора.
Электролитический способ получения тантала
Тантал и ниобий нельзя выделить электролизом из водных растворов. Все разработанные процессы основаны на электролизе расплавленных сред.
В промышленной практике метод применяют для получения тантала. Так, на протяжении ряда лет электролитический метод тантала использовала фирма "Фенстил" (США), часть производимого тантала в Японии в настоящее время получают электролизом. Широкие исследования и промышленные испытания метода проведены в СССР.
Метод электролитического получения тантала подобен методу получения алюминия.
Основой электролита служит расплав солей K2TaF7 - KF - - КС1, в котором растворен оксид тантала Та205. Применение электролита, содержащего лишь одну соль - K2TaF7, практически невозможно вследствие непрерывного анодного эффекта при использовании графитового анода. Электролиз возможен в ванне, содержащей K2TaF7, КС1 и NaCl. Недостаток этого электролита - накопление в нем в процессе электролиза фтористых солей, что приводит к снижению критической плотности тока и требует корректировки состава ванны. Этот недостаток устраняется введением в электролит Та205. Результатом электролиза в этом случае является электролитическое разложение оксида тантала с выделением на катоде тантала, а на аноде кислорода, реагирующего с графитом анода с образованием С02 и СО. Кроме того, введение в солевой расплав Та205 улучшает смачивание расплавом графитового анода и повышает величину критической плотности тока.
Выбор состава электролита базируется на данных исследований тройной системы K2TaF7-KCl-KF (рис.31). В этой системе установлены две двойные соли K2TaF7 KF (или KjTaFg) и K2TaF7 КС1 (или K3TaF7Cl), две тройные эвтектики Еі и Е2, плавящиеся при 580 и 710 С соответственно, и перитектическая точка Р при 678 °С. При введении Та205 в расплав он взаимодействует с фторотанталатами с образованием оксофторотанталата:
3K3TaF8 + Ta2Os + 6KF = 5K3TaOF6. (2.32)
Аналогично протекает реакция с K3TaF7Cl. Образование оксофторидных комплексов тантала обусловливает растворимость Та205 в электролите. Предельная растворимость зависит от содержания K3TaF8 в расплаве и соответствует стехиометрии реакции (2.32).
На основе данных о влиянии состава электролита на показатели электролиза (критическую плотность тока, выход по току, извлечение, качество танталового порошка) советскими исследователями предложен следующий оптимальный состав электролита: 12,5 % (по массе) K2TaF7, остальное КС1 и KF в отношении 2:1 (по массе). Концентрация вводимого Ta2Os 2,5-3,5 % (по массе). В данном электролите при температурах 700-800 °С при использовании графитового анода напряжение разложения оксофторидного комплекса 1,4 В, тогда как для KF и КС1 напряжения разложения равны ~3,4 В и ~4,6 В соответственно.
КС I K2TaF,-KCl KJaFf
Рис. 31. Диаграмма плавкости системы K2TaF7-KF-KCl
При электролизе на катоде происходит ступенчатый разряд катионов Та5+:
Та5+ + 2е > Та3+ + Ъе * Та0.
Процессы на аноде можно представить реакциями: TaOF63" - Зе = TaFs + F" + 0; 20 + С = С02; С02 + С = 2СО; TaFj + 3F~ = TaF|~. Ионы TaF|~, реагируя с вводимым в расплав Ta2Os, образуют вновь ионы TaOF|~. При температурах электролиза 700-750 °С в составе газов -95 % С02, 5-7 % СО; 0,2-
Среди испытанных в СССР конструкций электролизеров лучшие результаты были получены в тех, где катодом служит тигель из никеля (или сплава никеля с хромом), в центре
Рис.32. Схема электролизера для получения тантала:
1 - бункер с питателем подачи Та205; 2 - электромагнитный вибратор питателя; 3 - кронштейн с креплением для анода; 4 - полый графитовый анод с отверстиями в стенке; 5 - тигель-катод из нихрома; 6 - крышка; 7 - теплоизолирующий стакан; 8 - штурвал для подъема авода; 9 - пробка со стержнем для подвода тока
Которого расположен полый графитовый анод с отверстиями в стенках (рис. 32). Оксид тантала подают периодически автоматическим вибропитателем в полый анод. При таком способе питания исключается механическое загрязнение катодного осадка нерастворившейся пятиокисью тантала. Газы удаляют через бортовой отсос. При температуре электролиза 700-720 С, непрерывном питании ванны Та205 (т. е. при минимальном числе анодных эффектов), катодной плотности тока 30-50 А/дм2 и отношении DjDк = 2*4 прямое извлечение тантала составляет 87-93 %, выход по току 80 %.
Электролиз ведут до заполнения катодным осадком 2/3 полезного объема тигля. По окончании электролиза анод поднимают и электролит вместе с катодным осадком охлаждают. Применяют два способа обработки катодного продукта с целью отделения электролита от частиц танталового порошка: измельчение с воздушной сепарацией и вакуум-терми - ческую очистку.
Вакуум-термический способ, разработанный в СССР, состоит в отделении основной массы солей от тантала выплавкой (вытапливанием) в атмосфере аргона с последующим удалением остатка испарением в вакууме при 900 С. Выплавленный и сконденсированный электролит возвращают на электролиз.
Та измельчением с воздушной сепарацией 30-70 мкм, а при использовании вакуум-термической обработки - 100-120 мкм.
Получение ниобия из оксифторидно-хлоридных электролитов, подобно танталу, не дало положительных разультатов вследствие того, что при разряде на катоде образуются низшие оксиды, загрязняющие металл. Выход по току низкий.
Для ниобия (а также для тантала) перспективны бескислородные электролиты. Пентахлориды ниобия и тантала растворяются в расплавленных хлоридах щелочных металлов с образованием комплексных солей A/eNbCl6 и MeTaCl6. При электролитическом разложении этих комплексов на катоде выделяются крупнокристаллические осадки ниобия и тантала, а на графитовом аноде - хлор.
В др.-греч. мифологии * а. niobium; н. Niob, Niobium; ф. niobium; и. niobio), — химический элемент V группы периодической системы Менделеева , атомный номер 41, атомная масса 92,9064. Имеет один природный изотоп 93 Nb.
Оксид ниобия выделен впервые английским химиком Ч. Хатчетом в 1801 из колумбита . Металлический ниобий получил в 1866 шведский учёный К. В. Бломстранд.
Ниобий свойства
Ниобий- металл стального цвета, имеет объёмно-центрированную кубического решётку с а=0,3294 нм; плотность 8570 кг/м 3 ; t плавления2500°С, t кипения4927°С; теплоёмкость (298 К) 24,6 Дж/(моль.К); теплопроводность (273 К) 51,4 Вт/(м.К); температурный коэффициент линейного расширения (63-1103 К) 7,9.10 -6 К -1 ; удельное электрическое сопротивление (293 К) 16.10 -8 Ом.м; термический коэффициент электрического сопротивления (273 К) 3,95.10 -3 К -1 . Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,46 К.
Степень окисления +5, реже от +1 до +4. По химическим свойствам близок к танталу, чрезвычайно устойчив к холоду и при небольшом нагревании к действию многих агрессивных сред, в т.ч. и кислот. Ниобий растворяет только плавиковая кислота, её смесь с азотной кислотой и щёлочи. Амфотерен. При взаимодействии с галогенами образует галогениды ниобия. При сплавлении Nb 2 О 5 с содой получают соли ниобиевых кислот — ниобаты, хотя сами кислоты не существуют в свободном состоянии. Ниобий может образовывать двойные соли и комплексные соединения. Нетоксичен.
Получение и применение
Для получения ниобия ниобиевый концентрат сплавляют с едким натром или содой и образующийся сплав выщелачивают. Содержащиеся в нерастворившемся осадке Nb и Ta разделяют, оксид ниобия восстанавливают отдельно от оксида тантала. Компактный ниобий получают методами порошковой металлургии, электродуговой, вакуумной и электроннолучевой плавки.
Ниобий — один из основных компонентов при легировании жаропрочных сталей и сплавов. Ниобий и его сплавы используются как конструкционные материалы для деталей реактивных двигателей, ракет, газовых турбин, химической аппаратуры, электронных приборов, электрических конденсаторов, сверхпроводящих устройств. Ниобаты широко применяют как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, лазерные материалы.
Производство ниобия наряду с танталом, а также танталониобиевых сплавов имеет важное экономическое значение с точки зрения комплексного использования обоих ценных металлов.
Во многих случаях вместо тантала с тем же эффектом можно использовать близкий к нему по свойствам ниобий или сплавы тантала с ниобием, поскольку эти металлы образуют непрерывный ряд твердых растворов, свойства которых близки к свойствам исходных металлов.
Сплав тантала с ниобием можно получить путем смешения раздельно полученных порошков тантала и ниобия с последующим прессованием смеси и спеканием в вакууме, а также путем одновременного совместного восстановления смеси соединений тантала и ниобия, например смеси комплексных фторидов K2TaF7 и K2NbF7, смеси хлоридов, смеси окислов и т. п.
Обычно при плавиковокислом методе разделения тантала и ниобия последний отделяется в форме фтороксиниобата K2NbOF5*H2O.
Эта соль не пригодна для восстановления ее натрием по двум причинам:
а) кристаллизационная вода, входящая в состав указанной соли, реагируя с натрием, может привести к взрыву,
б) кислород, входящий в состав соли и связанный с ниобием, не восстанавливается натрием и остается в форме примеси окисла в продукте восстановления.
Поэтому фтороксиниобат калия должен быть перекристаллизован через раствор плавиковой кислоты с концентрацией HF выше 10%, в результате чего образуется соль K2NbF7, пригодная для восстановления натрием.
Ниобий также может быть получен электролизом в условиях, аналогичных описанным для производства тантала. Отмечаются более низкий выход по току, чем при электролитическом получении тантала, а также затруднения, связанные с заметной растворимостью в электролите соединений ниобия разных валентностей.
Возможен и электролиз из смешанной ванны, содержащей в качестве разлагающихся составляющих смесь Ta2O5+Nb2O5 и в качестве растворителя K2TaF7. В этом случае получается сплав ниобия с танталом.
Для получения ниобия был предложен метод углеродного восстановления пятиокиси ниобия в вакууме.
Восстановление пятиокиси ниобия углеродом
Для получения ниобия К. Болке разработал метод восстановления пятиокиси ниобия карбидом ниобия в вакууме по реакции:
По существу этот процесс сводится к восстановлению пятиокиси ниобия углеродом.
Ввиду большой химической прочности пятиокиси ниобия для восстановления углеродом при атмосферном давлении требуется высокая температура (около 1800-1900°), которая может быть получена в графитовотрубчатой печи Ниобий обладает большим сродством к углероду (свободная энергия образования карбида ниобия -ΔF° =38,2 ккал), поэтому при наличии углеродистых газов в печи и при большой скорости диффузии в твердой фазе, развивающейся при такой высокой температуре, ниобий оказывается загрязненным карбидом ниобия, даже в случае составления шихты в расчете на реакцию
В вакууме реакция восстановления углеродом протекает при более низкой температуре (1600-1700°),
Брикеты приготовляют из смеси пятиокиси ниобия и сажи, взятых в стехиометрических соотношениях по расчету на реакцию
Прокативание проводят при 1800-1900° в графитовотрубчатой печи в защитной атмосфере (водород, аргон) или в вакууме при температуре 1600° до прекращения выделения CO. Получающийся продукт представляет собой слегка спекшиеся брикеты, состоящие из частиц порошкообразного карбида серого цвета. Карбид измельчают в порошок в шаровой мельнице и смешивают с пятиокисью в соотношениях, соответствующих реакции (1). Брикеты смеси Nb2O5 + NbC вновь прокаливают в вакууме при температуре около 1600°.
Для обеспечения потного удаления углерода в виде CO в состав шихты Nb2O5 + NbC следует вводить небольшой избыток пятиокиси ниобия. В последующей операции высокотемпературного спекания (сварки) штабиков, спрессованных из порошкообразного металлического ниобия, избыток пятиокиси ниобия удаляется, так как.окислы ниобия (как и тантала) улетучиваются в вакууме при температуре ниже точки плавления металла
Вследствие неизбежных затрат времени на создание вакуума и остывания в нем продукта производительность вакуумной печи при изготовлении исходного карбида ниобия намного ниже производительности графитовотрубчатой печи, работающей при атмосферном давлении, в которой можно осуществлять непрерывный процесс продвижкой патронов с брикетами смеси Nb2O5 + С. Поэтому целесообразнее получать NbC непрерывным путем в графитовотрубчатой печи при атмосферном давлении хотя и при температурах 1800-1900°.
Можно было бы получать металлический ниобий в вакуумной печи непосредственно путем взаимодействия пятиокиси с сажей по реакции (2) с небольшим избытком Nb2O5 в шихте. Однако при загрузке в вакуумную печь смеси Nb2O5 + 5NbC ее производительность существенно повышается по сравнению с загрузкой смеси Nb2O5 + 5С, так как смесь Nb2O5 + SNbC содержит ниобия (82,4%) в 1,5 раза больше, чем смесь Nb2O5 + 5С (57,2%) Кроме того, первая смесь имеет аддитивный удельный вес в 1,7 раза больший, чем вторая смесь (6,25 г/см3 и 3,7 г/см3 соответственно).
Помимо этого, надо учитывать, что карбид ниобия, составляющий преобладающую часть смеси Nb2O5 + 5NbC, более крупнозернист чем дисперсные порошки Nb2O5 и сажи, что служит дополнительной причиной большего насыпного веса смеси Nb2O5 + 5NbC, чем смеси Nb2O5 + 5С.
Вследствие всего этого в единицу объема патрона может вместиться в 2,5-3 раза больше материала (в расчете на содержание ниобия) в форме брикетов смеси Nb2О5 + 5NbC, чем брикетов смеси Nb2O5 + 5С.
В работе Болке нет достаточно веских доказательств необходимости строго придерживаться рекомендуемого им состава Nb2O5 + 5NbC смеси, загружаемой в вакуумную печь.
Путем прокаливания смеси Nb2O5 + 5С в угольнотрубчатой печи при атмосферном давлении можно получить с большой производительностью (при непрерывном процессе) продукт, близкий по составу к металлическому ниобию с небольшой примесью углерода. Затем этот богатый ниобием порошок с высоким удельным и насыпным весом можно смешать с соответствующим количеством Nb2O5 (с небольшим избытком Nb2O5 по отношению к эквиваленту содержания примеси углерода в ниобии) и сбрикетированную смесь прокалить в вакуумной печи для удаления углерода в форме CO.
При таком варианте вместимость, а следовательно, и производительность вакуумной печи будет наибольшей. Небольшой остающийся избыток Nb2O5 улетучится в процессе дальнейшего высокотемпературного спекания ниобия, и последний превратится в компактный ковкий металл
При использовании малоуглеродистого ниобия вместо карбида ниобия для взаимодействия с пятиокисью могут возникнуть некоторые технологические осложнения. Дело в том, что при получении малоуглеродистого ниобия при атмосферном давлении в реакционном пространстве графитовотрубчатой печи всегда возможно присутствие примеси азота из воздуха могущего попасть в печь. Ниобий, обладая высоким сродством к азоту, активно поглощает его. При получении же карбида ниобия возможность загрязнения продукта азотом гораздо меньше вследствие большего сродства ниобия к углероду, чем к азоту.
Поэтому получение металлического ниобия при использовании в качестве исходного материала малоуглеродистого ниобия осложняется необходимостью создания условий, исключающих возможность попадания азота в реакционное пространство, что трудно достижимо в графитовотрубчатой печи, свободно соединенной с атмосферой. Для удаления азота из печи требуется тщательно заполнять печь чистым водородом или аргоном, соблюдать герметичность кожуха, избегать засасывания воздуха в реакционную трубу при загрузке в нее патронов со смесью Nb2O5 + 5С и при выгрузке ниобия и т. д.
Поэтому вопрос о преимуществах варианта предварительного получения карбида ниобия или малоуглеродистого ниобия при атмосферном давлении (с последующим прокаливанием этих продуктов в смеси с Nb2O5 в вакууме) может быть решен практическими возможностями в каждом отдельном случае.
Преимуществами процесса углеродного восстановления ниобия по одному из описанных вариантов являются: использование дешевого восстановителя в виде сажи и высокое прямое извлечение ниобия в готовый металл
Близость свойств окислов тантала и ниобия позволяет использовать описанный метод и для получения ковкого тантала.