Mihin perheeseen niobium kuuluu? Niobiumin käyttö metallurgiassa ja teollisuudessa. Menetelmät niobin saamiseksi

Tantaalia ja niobiumia saadaan pelkistämällä erittäin puhtaista yhdisteistä: oksideista, kompleksifluoridisuoloista, klorideista. Teolliset menetelmät metallien valmistamiseksi voidaan jakaa neljään ryhmään:

Natrioterminen pelkistys kompleksisista fluorideista;

Oksideista pelkistys hiilellä (karboterminen menetelmä);

Pelkistys alumiinioksideista (aluminoterminen menetelmä);

Pelkistys klorideista vedyllä;

Sulan väliaineen elektrolyysi.

Tantaalin (~3000 C) ja niobin (~2500 C) korkeasta sulamispisteestä johtuen ne saadaan pelkistyksen tuloksena kaikilla luetelluilla menetelmillä, kolmatta lukuun ottamatta, jauheina tai sintrattuina sieninä. Kompaktin muovattavan tantaalin ja niobiumin valmistustehtävää vaikeuttaa se, että nämä metallit imevät aktiivisesti kaasuja (vetyä, typpeä, happea), joiden epäpuhtaudet tekevät niistä hauraita. Siksi jauheista puristetut aihiot on sintrattava tai sulatettava korkeassa tyhjiössä.

Natrioterminen menetelmä tantaali- ja niobiumjauheiden valmistukseen

Kompleksisten fluoridien K2TaF7 ja K2NbF7 natriumterminen pelkistys on ensimmäinen teollinen menetelmä tantaalin ja niobiumin valmistamiseksi. Sitä käytetään vielä tänäkin päivänä. Natrium, kalsium ja magnesium, joilla on korkea affiniteetti fluoria kohtaan, soveltuvat tantaalin ja niobiumin fluoridiyhdisteiden pelkistämiseen, kuten alla olevista arvoista käy ilmi:

Al<^ент Nb Та Na Mg Са

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

Natriumia käytetään pelkistykseen, koska natriumfluoridi on vesiliukoinen ja se voidaan erottaa pesemällä tantaali- ja niobijauheista, kun taas magnesium- ja kalsiumfluoridit liukenevat heikosti veteen ja happoihin.

Tarkastellaan prosessia tantaalituotannon esimerkillä. K2TaF7:n pelkistys natriumilla etenee suurella lämmön vapautumisella (jopa 5 kg:n latauskuormitusasteikolla), joka riittää prosessin spontaanisti etenemiseen. Kun panos on lämmitetty yhdessä paikassa 450-500 C:een, reaktio leviää nopeasti koko panoksen massaan ja lämpötila saavuttaa 800-900 C. Koska natrium sulaa 97 C:ssa ja kiehuu 883 C:ssa, on selvää, että neste ja natriumhöyry osallistuvat pelkistykseen:

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

Reaktioiden (2.18) ja (2.19) ominaislämpövaikutukset ovat vastaavasti 1980 ja 3120 kJ/kg varausta.

Pelkistys suoritetaan teräsupokkaassa, johon ladataan kerros kerrokselta kaliumfluorotantalaatti- ja natriumpalasia (~120 % stoikiometrisesti tarvittavasta määrästä), jotka leikataan erikoissaksilla. Seos peitetään päälle natriumkloridikerroksella, joka muodostaa matalassa lämpötilassa sulavan seoksen KF:n ja NaF:n kanssa. Sula suola suojaa hiukkasia hapettumiselta
tantaalijauhetta Prosessin yksinkertaisimmassa versiossa reaktion käynnistämiseksi upokkaan pohjassa olevaa seinämää kuumennetaan puhallusliekillä, kunnes näkyviin tulee punainen täplä. Reaktio etenee nopeasti läpi massan ja päättyy 1-2 minuutissa. Tällä prosessilla saadaan tuotteiden lyhytaikaisesta altistumisesta maksimilämpötilassa (800-900 C) hienojakoisia tantaalijauheita, jotka sisältävät suolojen pesun jälkeen jopa 2 % happea.

Karkeampirakeinen jauhe, jonka happipitoisuus on pienempi, saadaan asettamalla reaktioupokas akselisähköuuniin ja pitämällä sitä uunissa reaktion päätyttyä 1000 °C:ssa.

Tuloksena oleva tantaali leviää pienten hiukkasten muodossa fluoridikloridikuonaan, joka sisältää ylimäärän natriumia. Jäähdytyksen jälkeen upokkaan sisältö lyödään pois, murskataan leukamurskaimessa ja ladataan pieninä erinä reaktoriin veden kanssa, jossa natrium "sammutetaan" ja suurin osa suoloista liukenee. Sitten jauhe pestään peräkkäin laimennetulla natriumkloridilla (suolojen täydellisemmäksi pesemiseksi ja raudan ja osittain titaanin epäpuhtauksien liuottamiseksi). Tantaalioksidipitoisuuden vähentämiseksi jauhe pestään joskus lisäksi kylmällä laimealla fluorivetyhapolla. Sitten jauhe pestään tislatulla vedellä, suodatetaan ja kuivataan 110-120 C:ssa.

Käyttämällä edellä kuvattua menetelmää ja noudattaen suunnilleen samoja menetelmiä, niobijauheita saadaan pelkistämällä k2NbF7 natriumilla. Kuivattujen niobiumjauheiden koostumus, %: Ti, Si, Fe 0,02-0,06; O noin 0,5; N enintään 0,1; 0,1-0,15.

Karboterminen menetelmä niobin ja tantaalin valmistamiseksi oksideista

Tämä menetelmä kehitettiin alun perin niobiumin tuottamiseksi Nb2o5:stä.

Niobiumia voidaan pelkistää Nb2os:sta hiilellä 1800-1900 °C:ssa tyhjiöuunissa:

Nb2Os + 5C = 2Nb + SCO. (2.20)

Nb205 + 5C -panos sisältää vähän niobiumia ja sen tiheys on jopa brikettitilassa pieni (~1,8 g/cm3). Samalla vapautuu suuri määrä co (~0,34 m3) 1 kg latausta kohti. Nämä olosuhteet tekevät reaktion (2.20) mukaisen prosessin suorittamisen kannattamattomaksi, koska tyhjiöuunin tuottavuus on alhainen. Siksi prosessi suoritetaan kahdessa vaiheessa:

Vaihe I - niobiumkarbidin tuotanto

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

Vaihe P - niobin tuotanto tyhjiöuuneissa

Nb2Os + 5NbC = 7Nb + 5CO. (2.22)

її-vaiheen briketoitu panos sisältää 84,2 % (painosta) niobiumia, brikettien tiheys on ~3 g/cm3, tilavuus muodostuu 0,14 m3 per 1 kg panosta (~ 2,5 kertaa vähemmän kuin panoksen tapauksessa). varaus Nb2o5 + sc). Tämä varmistaa alipaineuunin suuremman tuottavuuden.

Kaksivaiheisen prosessin merkittävä etu on myös se, että ensimmäinen vaihe voidaan suorittaa ilmakehän paineessa grafiittiputkivastuksen uuneissa (kuva 29).

Niobiumkarbidin saamiseksi (prosessin vaihe 1) briketoidaan Nb2o5:n ja noen seos ja briketit kuumennetaan grafiittiputkiuunissa vety- tai argonatmosfäärissä 1800-1900 °C:ssa (brikettejä liikutetaan jatkuvasti pitkin uuniin

Riisi. 29. Grafiittiputkiresistanssiuunin kaavio:

1 - kotelo; 2 - grafiittifilamenttiputki; 3 - suojagrafiittiputki; 4- nokea eristävä täyttö; 5 - jääkaappi; 6 - kosketusgrafiittikartiot; 7 - jäähdytetty kosketuspää; 8 - luukku; 9 - virtaa syöttävät väylät

Perustuu heidän oleskelunsa kuumalla vyöhykkeellä 1-1,5 tuntia). Murskattuun niobiumkarbidiin sekoitetaan kuulamyllyssä Nb2o5:tä, jota otetaan hieman ylimääränä (3-5 %) verrattuna siihen, mitä reaktio vaatii (2.22).

Panos puristetaan 100 MPa:n paineella aihioiksi, jotka kuumennetaan grafiittilämmittimissä tyhjiöuuneissa (tai tyhjiöinduktiouuneissa grafiittiputkella) 1800-1900 C. Altistus päättyy, kun jäännöspaine saavuttaa 1,3-0,13 Pa .

Reaktiot (2.21) ja (2.22) ovat yhteensä. Ne etenevät alempien oksidien (Nt>o2 ja NbO) sekä Nb2c-karbidin muodostumisen välivaiheissa. Vaiheen I tärkeimmät reaktiot:

Nb2Os + C = 2Nb02 + CO; (2.23)

Nb02 + C = NbO + CO; (2.24)

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

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

Vaiheen 1 reaktiot:

Nb2Os + 2NbC = 2Nb02 + Nb2C + CO; (2,27)

Nb02 + 2NbC = NbO + Nb2C + CO; (2.28)

NbO + Nb2C = 3Nb + CO. (2.29)

Metallista niobiumia saadaan prosessin II vaiheen (2.29) lopullisessa reaktiossa. Tasapainopaine co reaktiolle (2.29) 1800 °C:ssa > 1,3 Pa. Siksi prosessi on suoritettava jäännöspaineessa, joka on pienempi kuin tietyn reaktion tasapainopaine (0,5-0,13 Pa).

Saadut sintratut huokoiset niobiubriketit sisältävät, %: C 0,1-0,15; Noin 0,15-0,30; N 0,04-0,5. Kompaktin muovattavan metallin saamiseksi briketit sulatetaan elektronisuihkuuunissa. Toinen tapa on saada jauhetta briketeista (hydraamalla 450 C:ssa, jauhamalla ja sen jälkeen dehydraamalla tyhjiössä), puristamalla tangot ja sintraamalla ne tyhjiössä 2300-2350 C:ssa. hiili poistetaan koostumuksesta co, ja ylimääräinen happi koostumuksessa haihtuvien alempien oksidien.

Karbotermisen menetelmän tärkeimmät edut ovat metallin korkea suora saanto (vähintään 96 %) ja halvan pelkistimen käyttö. Tämän menetelmän haittana on korkean lämpötilan tyhjiöuunien suunnittelun monimutkaisuus.

Karbotermisellä menetelmällä voidaan valmistaa myös tantaalia ja niobi-tantaaliseoksia.

Aluminaterminen menetelmä niobin ja tantaalin valmistamiseksi korkeammista oksideista

Viime vuosina kehitetyllä aluminometrisellä menetelmällä niobiumin valmistamiseksi pelkistämällä niobiumpentoksidia alumiinilla on teknisiä ja taloudellisia etuja muihin niobiumin valmistusmenetelmiin verrattuna sen matalavaiheisen luonteen ja laitteiston yksinkertaisuuden vuoksi.

Menetelmä perustuu eksotermiseen reaktioon:

3Nb2Os + 10A1 = 6Nb + 5A1203; (2.30)

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

Reaktion korkea spesifinen lämpövaikutus (2640 kJ/kg stökiömetrisen koostumuksen varausta) mahdollistaa prosessin suorittamisen ilman ulkoista kuumennusta sulattamalla niobium-alumiiniseosharkon. Onnistunut uunin ulkopuolinen aluminoterminen pelkistys on mahdollista, jos prosessilämpötila on korkeampi kuin sulamispiste A12®3 = 2030 °C) ja metallifaasi (Nb +10 % ai metalliseos sulaa 2050 °C:ssa). Kun panoksessa oleva alumiiniylimäärä on 30 - 40 % stoikiometrisen määrän yläpuolella, prosessilämpötila saavuttaa ~2150-2200 C. Pelkistyksen nopean esiintymisen vuoksi lämpötilan nousu noin 100-150 C sulamiseen verrattuna Kuona- ja metallifaasien lämpötila on riittävä varmistamaan niiden erottamisen. Yllä mainitulla alumiiniylimäärällä panoksessa saadaan niobiuseos, jossa on 8-10 % alumiinia, ja todellinen niobiuutto on 98-98,5 %.

Aluminoterminen pelkistys suoritetaan teräsupokkaassa, jonka vuoraus on kalsinoitua magnesiumia tai alumiinioksideja. Sulatustuotteiden purkamisen helpottamiseksi upokas on tehty irrotettavaksi. Koskettimet työnnetään seinien läpi sähkövirran (20 V, 15 A) syöttämiseksi sulakkeeseen nikromilangan muodossa, joka on asetettu varaukseen. Toinen mahdollinen vaihtoehto on suorittaa prosessi massiivisessa halkeamassa kupariupokkaassa, jonka seinämiin muodostuu suojakerros.

Upokkaaseen ladataan huolellisesti kuivatun Nb2o5:n ja alumiinijauheen seos, jonka hiukkaskoko on ~100 μm. Kosketuksen välttämiseksi ilman kanssa on suositeltavaa sijoittaa upokas kammioon, joka on täytetty argonilla.

Sulakkeen kytkemisen jälkeen reaktio etenee nopeasti koko varauksen massan ajan. Tuloksena oleva metalliseosharkko murskataan paloiksi ja altistetaan tyhjiölämpökäsittelylle 1800-2000 C:ssa uunissa, jossa on grafiittilämmitin ~0,13 Pa:n jäännöspaineella suurimman osan alumiinista (sen pitoisuuteen 0,2 % asti) poistamiseksi. ). Sitten suoritetaan raffinointisulatus elektronisuihkuuunissa, jolloin saadaan erittäin puhtaita niobiharkkoja, joiden epäpuhtauspitoisuus %: 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.

Periaatteessa tantaalin aluminoterminen tuotanto on mahdollista, mutta prosessi on hieman monimutkaisempi. Pelkistysreaktion ominaislämpövaikutus on 895 kJ/kg varausta. Tantaalin ja sen alumiiniseosten korkeasta sulamispisteestä johtuen panokseen lisätään rautaoksidia valanteen sulattamiseksi (nopeudella, jolla saadaan seos, jossa on 7-7,5 % rautaa ja 1,5 % alumiinia), sekä lämmitys. lisäaine - kaliumkloraatti (bertoliittisuola) . Upokas panokseen asetetaan uuniin. 925 C:ssa alkaa spontaani reaktio. Tantaalin uuttaminen seokseen on noin 90 %.

Tyhjiölämpökäsittelyn ja elektronisuihkusulatuksen jälkeen tantaaliharkkojen puhtaus on korkea, verrattavissa edellä niobiumille annettuun.

Tantaalin ja niobin valmistus pelkistämällä niiden klorideista vedyllä

Tantaalin ja niobiumin pelkistämiseen klorideistaan on kehitetty erilaisia menetelmiä: pelkistys magnesiumilla, natriumilla ja vedyllä. Lupaavimpia ovat jotkin vaihtoehdot pelkistämiseen vedyllä, erityisesti jäljempänä käsitelty menetelmä kloridihöyryjen pelkistämiseksi kuumennetuilla substraateilla kompaktin metallisauvan valmistamiseksi.

Kuvassa Kuvassa 30 on kaavio laitteistosta, jolla tantaalia tuotetaan pelkistämällä TaC15-höyryä vedyllä tantaalinauhalla, joka on lämmitetty 1200-1400 °C:seen. Vedyn kanssa sekoitettu TaCI5-höyry virtaa haihduttimesta reaktoriin, jonka keskellä on tantaaliliuska, joka kuumennetaan ohjaamalla sähkövirtaa suoraan tiettyyn lämpötilaan. Höyry-kaasuseoksen tasaiseksi jakamiseksi hihnan pituudelle ja sen pintaan nähden kohtisuoran virtauksen varmistamiseksi hihnan ympärille on asennettu reiällinen ruostumattomasta teräksestä valmistettu seula. Reaktio tapahtuu kuumennetulla pinnalla:

TaC15 + 2,5 H2 = Ta + 5 HCI; AG°m k = -512 kJ. (2.31)

Riisi. 30. Kaavio laitteistosta tantaalipentakloridin pelkistämiseksi vedyllä: 1 - reaktorin laippa; 2 - eristetty sähkönsyöttö; 3 - puristinkoskettimet; 4 - kondensaattori reagoimattomalle kloridille; 5 - tantaalinauha; 6 - rei'illä varustetut seulat, - 7 - reaktorin runko; 8 - reaktorin lämmitin; 9 - lämmitetty rotametri; 10 - neulaventtiili; 11 - höyrystimen sähköuuni; 12 - tantaalipentakloridihaihdutin; 13 - rotametri vedylle

Optimaaliset olosuhteet tantaalipinnoitukselle: nauhan lämpötila 1200-1300 °C, TaCI5-pitoisuus kaasuseoksessa ~ 0,2 mol/mol seoksesta. Saostumisnopeus näissä olosuhteissa on 2,5-3,6 g/(cm2 h) (tai 1,5-2,1 mm/h), Siten 24 tunnissa saadaan puhdas tantaalitanko, jonka keskihalkaisija on 24-25 mm, joka voidaan valssataan levyiksi, käytetään uudelleensulatukseen elektronisuihkuuunissa tai valmistetaan erittäin puhtaiksi jauheiksi (hydraamalla, jauhamalla ja dehydraamalla jauhetta). Kloridin konversioaste (suora uutto pinnoitteeksi) on 20-30 %. Reagoimaton kloridi kondensoidaan ja käytetään uudelleen. Sähkönkulutus on 7-15 kWh / 1 kg tantaalia valitusta tilasta riippuen.

Vetyä voidaan palauttaa prosessiin sen jälkeen, kun HCl-höyryt on erotettu veteen imeytymällä.

Kuvatulla menetelmällä voidaan valmistaa myös niobisauvoja. Optimaaliset olosuhteet niobiumille: nauhan lämpötila 1000-1300 C, pentakloridipitoisuus 0,1-0,2 mol/mol kaasuseosta. Metallin kerrostumisnopeus on 0,7-1,5 g/(cm2-h), kloridin konversioaste metalliksi 15-30 %, sähkönkulutus 17-22 kWh/kg metallia. Niobiumin prosessia vaikeuttaa se tosiasia, että osa NbCl5:stä pienenee reaktorin tilavuudessa jollain etäisyydellä kuumennetusta nauhasta reaktorin seinämille kerrostuneeksi haihtumattomaksi NbCl3:ksi.

Elektrolyyttinen menetelmä tantaalin valmistamiseksi

Tantaalia ja niobiumia ei voida eristää elektrolyysillä vesiliuoksista. Kaikki kehitetyt prosessit perustuvat sulan väliaineen elektrolyysiin.

Teollisessa käytännössä menetelmää käytetään tantaalin saamiseksi. Näin ollen Fensteel (USA) on käyttänyt tantaalin elektrolyyttistä menetelmää useiden vuosien ajan, ja osa Japanissa tuotetusta tantaalista saadaan tällä hetkellä elektrolyysillä. Neuvostoliitossa suoritettiin menetelmän laaja tutkimus ja teollinen testaus.

Menetelmä tantaalin elektrolyyttiseksi valmistamiseksi on samanlainen kuin alumiinin valmistusmenetelmä.

Elektrolyytti perustuu sulaisiin suoloihin K2TaF7 - KF - - KS1, joihin on liuotettu tantaalioksidia Ta205. Vain yhtä suolaa, K2TaF7, sisältävän elektrolyytin käyttö on käytännössä mahdotonta jatkuvan anodisen vaikutuksen vuoksi grafiittianodia käytettäessä. Elektrolyysi on mahdollista kylvyssä, joka sisältää K2TaF7, KC1 ja NaCl. Tämän elektrolyytin haittana on fluoridisuolojen kertyminen siihen elektrolyysin aikana, mikä johtaa kriittisen virrantiheyden laskuun ja vaatii kylvyn koostumuksen säätämistä. Tämä epäkohta on eliminoitu lisäämällä Ta205:tä elektrolyyttiin. Elektrolyysin tulos on tässä tapauksessa tantaalioksidin elektrolyyttinen hajoaminen tantaalin vapautuessa katodissa ja anodissa happi reagoi anodin grafiitin kanssa muodostaen CO2:ta ja CO:ta. Lisäksi Ta205:n lisääminen suolasulaan parantaa grafiittianodin kastumista sulatteen kanssa ja lisää kriittistä virrantiheyttä.

Elektrolyyttikoostumuksen valinta perustuu K2TaF7-KCl-KF-kolmiosysteemin tutkimustuloksiin (kuva 31). Tämä järjestelmä sisältää kaksi kaksoissuolaa K2TaF7 KF (tai KjTaFg) ja K2TaF7 KS1 (tai K3TaF7Cl), kaksi kolmiosaista eutektiikkaa Ei ja E2, jotka sulavat 580 ja 710 C:ssa, ja peritektisen pisteen P 678 °C:ssa. Kun Ta205 viedään sulatteeseen, se vuorovaikuttaa fluorotantalaattien kanssa muodostaen oksofluorotantalaattia:

3K3TaF8 + Ta2Os + 6KF = 5K3TaOF6. (2.32)

Reaktio K3TaF7Cl:n kanssa etenee samalla tavalla. Tantaalioksofluoridikompleksien muodostuminen määrittää Ta2O5:n liukoisuuden elektrolyyttiin. Rajaliukoisuus riippuu K3TaF8-pitoisuudesta sulatteessa ja vastaa reaktion stoikiometriaa (2.32).

Tietojen perusteella elektrolyyttikoostumuksen vaikutuksesta elektrolyysin suorituskykyyn (kriittinen virrantiheys, virran tehokkuus, uutto, tantaalijauheen laatu) Neuvostoliiton tutkijat ehdottivat seuraavaa optimaalista elektrolyyttikoostumusta: 12,5% (painosta) K2TaF7, loput KS1 ja KF suhteessa 2:1 (painon mukaan). Lisättyjen Ta2O:iden pitoisuus on 2,5-3,5 % (painosta). Tässä elektrolyytissä 700-800 °C lämpötiloissa grafiittianodia käyttäen oksofluoridikompleksin hajoamisjännite on 1,4 V, kun taas KF:n ja KS1:n hajoamisjännitteet ovat vastaavasti ~3,4 V ja ~4,6 V.

KS I K2TaF,-KCl KJaFf

Riisi. 31. K2TaF7-KF-KCl-järjestelmän sulakekaavio

Katodilla tapahtuvan elektrolyysin aikana Ta5+ -kationien purkautuminen tapahtuu vaiheittain:

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

Prosessit anodilla voidaan esittää reaktioilla: TaOF63" - Ze = TaFs + F" + 0; 20 + C = C02; CO2 + C = 2CO; TaFj + 3F~ = TaF|~. TaF|~-ionit, jotka reagoivat sulatteeseen lisättyjen Ta2O:iden kanssa, muodostavat jälleen TaOF|~-ioneja. Elektrolyysilämpötiloissa 700-750 °C kaasun koostumus on -95 % CO2, 5-7 % CO; 0,2-

Neuvostoliitossa testatuista elektrolysaattorimalleista parhaat tulokset saatiin niissä, joissa katodi on nikkelistä (tai nikkelin ja kromin seoksesta) valmistettu upokas keskellä

Kuva 32. Kaavio elektrolysaattorista tantaalin valmistukseen:

1 - suppilo syöttölaitteella Ta205; 2 - syöttölaitteen sähkömagneettinen värähtelijä; 3 - kiinnike anodin kiinnikkeellä; 4 - ontto grafiittianodi, jossa on reikiä seinässä; 5 - nikromupokas-katodi; 6 - kansi; 7 - lämpöä eristävä lasi; 8 - ohjauspyörä toimilaitteen nostamiseen; 9 - pistoke tangolla virtalähteeseen

Joka sisältää onton grafiittianodin, jonka seinissä on reikiä (kuva 32). Tantaalioksidia syötetään ajoittain automaattisella tärisevällä syöttölaitteella onttoon anodiin. Tällä syöttömenetelmällä katodikerrostuman mekaaninen kontaminaatio liukenemattomalla tantaalipentoksidilla eliminoituu. Kaasut poistetaan koneen imulla. Elektrolyysilämpötilassa 700-720 C, jatkuva Ta205-kylvyn syöttö (eli minimimäärä anodiefektejä), katodivirrantiheys 30-50 A/dm2 ja suhde DjDк = 2*4, suora tantaaliuutto on 87-93 %, tuotto nykyisellä 80 %:lla.

Elektrolyysiä suoritetaan, kunnes 2/3 upokkaan hyödyllisestä tilavuudesta on täytetty katodisedimentillä. Elektrolyysin lopussa anodi nostetaan ja elektrolyytti katodikerrostuman kanssa jäähdytetään. Katodituotteen käsittelyssä käytetään kahta menetelmää elektrolyytin erottamiseen tantaalijauheen hiukkasista: jauhaminen ilmaerotuksella ja tyhjiölämpöpuhdistus.

Neuvostoliitossa kehitetty tyhjiö-terminen menetelmä koostuu pääosan suoloista erottamisesta tantaalista sulattamalla (sulattamalla) argonatmosfäärissä, minkä jälkeen jäännös poistetaan haihduttamalla tyhjössä 900 C:ssa. Sulanut ja kondensoitunut elektrolyytti palautetaan elektrolyysiin.

Että hiomalla ilmaerotuksella 30-70 mikronia ja tyhjiölämpökäsittelyä käytettäessä - 100-120 mikronia.

Niobiumin tuotantostä, kuten tantaalista, ei antanut positiivisia tuloksia, koska katodilla purkamisen aikana muodostuu alempia oksideja, jotka saastuttavat metallia. Virtateho on alhainen.

Happeettomat elektrolyytit ovat lupaavia niobiumille (sekä tantaalille). Niobi- ja tantaalipentakloridit liukenevat sulaisiin alkalimetalliklorideihin muodostaen kompleksisia suoloja A/eNbCl6 ja MeTaCl6. Näiden kompleksien elektrolyyttisen hajoamisen aikana katodilla vapautuu karkeakiteisiä niobi- ja tantaalikerrostumia ja grafiittianodilla klooria.

Niobiumin kuvaus ja ominaisuudet

Niobium– viidenteen jaksolliseen ryhmään kuuluva alkuaine, atomiluku – 41. Elektroninen niobiumin kaava- Nb 4d45sl. Niobiumin graafinen kaava- Nb - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 4d 4 5s 1. Löydettiin vuonna 1801 - alun perin nimeltään "Columbia", sen joen nimen mukaan, josta se löydettiin. Myöhemmin nimetty uudelleen.

Niobium - metalli valkoinen teräsvarjostin, on plastisuus - helposti rullattu levyiksi. Niobiumin elektroninen rakenne antaa sille tiettyjä ominaisuuksia. Merkitään korkeasta lämpötilasta sulamisen aikana ja metallin kiehumispisteestä. Tästä johtuen elektronien elektroninen ulosvirtaus mainitaan ominaisuutena. Suprajohtavuus ilmenee vain korkeissa lämpötiloissa. Hapettumista varten metalli vaatii vähintään noin 300 ºC:n lämpötilan. Tämä luo spesifisen niobiumoksidi Nb2O5.

Niobium, ominaisuudet joka on aktiivisesti vuorovaikutuksessa tiettyjen kaasujen kanssa. Nämä ovat vety, happi ja typpi, joiden vaikutuksesta se voi muuttaa tiettyjä ominaisuuksia. Mitä korkeampi lämpötila, sitä voimakkaammin vety imeytyy, mikä tekee niobiumista hauraampaa, kun 600 ºC:n säätöpiste saavutetaan, käänteistä kehitystä alkaa tapahtua ja metalli palauttaa kadonneet ominaisuudet. Tämän jälkeen alkaa NbN-nitridin muodostuminen, jonka sulaminen vaatii 2300 ºC.

Hiili ja sitä sisältävät kaasut aloittavat vuorovaikutuksensa niobin kanssa vaaditussa lämpötilassa yli 1200 º C, jolloin muodostuu karbidi NbC - sulamispiste - 3500 º C. Piin ja boorin vuorovaikutuksen seurauksena metallin niobin kanssa boridi NbB2 on muodostuu - sulamispiste - 2900 ºC.

Elementti niobium kestää lähes kaikkia tunnettuja happoja paitsi fluorivetyhappoa ja erityisesti sen seosta typpihapon kanssa. Metalli on herkkä alkaleille, erityisesti kuumille. Niihin liuotettuna tapahtuu hapettumisprosessi ja muodostuu niobihappoa.

Niobiumin louhinta ja alkuperä

Metallipitoisuus lainakiveä kohti on suhteellisen alhainen - vain 18 g per tonni. Pitoisuus lisääntyy happammissa kivissä. Useimmiten löytyy yhdestä talletuksesta niobium ja tantaali, johtuen niiden samankaltaisista kemiallisista ominaisuuksista, joiden ansiosta ne löytyvät samasta mineraalista ja osallistuvat yhteisiin prosesseihin. Usein joissakin titaania sisältävissä mineraaleissa tapahtuu korvausilmiö - "niobium - titaani".

Niobiumia sisältäviä mineraaleja tunnetaan noin sata. Mutta vain muutamia niistä käytetään teollisuudessa. Näitä ovat pyrokloori, lopariitti, toroliitti jne. Ultramafisissa ja alkalisissa kivissä niobiumia esiintyy perovskiitissa ja eudialyytissä.

Niobiumsiintymät saatavilla Brasiliassa, Australiassa, Kanadassa, Kongossa, Nigeriassa ja Ruandassa.

Niobiumin tuotanto melko monimutkainen prosessi, jossa on kolme päävaihetta. Ensin rikaste avataan, sitten niobium erotetaan puhtaiksi yhdisteiksi. Viimeinen vaihe on talteenottoprosessit ja metallin jalostus. Yleisimpiä menetelmiä ovat karbotermiset, aluminotermiset ja natriumtermiset menetelmät.

Esimerkiksi sekoittamalla niobioksidia ja nokea korkeissa lämpötiloissa vetyympäristössä saadaan karbidia, sitten sekoittamalla karbidia ja niobioksidia samoissa lämpötiloissa, mutta täydellisessä tyhjiössä, saadaan metallia, josta erilaisia niobiumisseokset. Niobiumseoksia on mahdollista valmistaa jauhemetallurgisilla menetelmillä, tyhjiö- jalä.

Niobiumin sovellukset

Ainutlaatuisten ominaisuuksiensa ansiosta niobiumia käytetään monilla teollisuuden aloilla. Niobium seokset niillä on tulenkestävyys, lämmönkestävyys, suprajohtavuus, sieppaus- ja korroosionestoominaisuudet. Lisäksi se on melko helppo käsitellä ja hitsata. Sitä käytetään laajalti avaruus- ja ilmailuteknologioissa, radio- ja sähkötekniikassa, kemianteollisuudessa ja ydinenergiassa. Generaattorilampuissa monet lämmityselementit valmistetaan sen avulla. Sen tantaaliseosta käytetään myös näihin tarkoituksiin.

Sähkötasasuuntaajat ja elektrolyyttikondensaattorit sisältävät myös tietyn määrän tätä metallia. Sen käyttö näissä laitteissa johtuu sen ominaisista siirto- ja hapetusominaisuuksista. Tätä metallia sisältävillä kondensaattoreilla, joiden mitat ovat suhteellisen pienet, on korkea vastus. Kaikki kondensaattorielementit on valmistettu erityisestä kalvosta. Se puristetaan niobijauheesta.

Erilaisten happojen vastustuskyky, korkea lämmönjohtavuus ja rakenteen taipuisuus määräävät sen suosion kemiassa ja metallurgiassa, erilaisten laitteiden ja rakenteiden luomisessa. Tämän tärkeän metallin positiivisten ominaisuuksien yhdistelmällä on kysyntää jopa ydinenergiassa.

Niobiumin heikon vaikutuksen vuoksi teollisen uraanin kanssa suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa (900 ºC) metalli soveltuu suojaavan kerroksen muodostamiseen ydinreaktoreille. Tällaisella kuorella on mahdollista käyttää natriumjäähdytysnesteitä, joiden kanssa se ei myöskään melkein ole vuorovaikutuksessa. Niobium pidentää uraanialkuaineiden käyttöikää merkittävästi luomalla niiden pinnalle suojaavan oksidin vesihöyryn haitallisilta vaikutuksilta.

Joidenkin lämmönkestäviä ominaisuuksia voidaan parantaa seostamalla niobiumilla. Niobiseokset ovat myös osoittautuneet varsin hyvin. Tämä on esimerkiksi metalliseos niobium - zirkonium, jolle on ominaista merkittävät ominaisuudet. Tällaisista seoksista valmistetaan erilaisia avaruus- ja lentokoneiden osia sekä niiden nahkaa. Tällaisen seoksen käyttölämpötila voi olla jopa 1200 ºC.

Jotkut teräksen käsittelyyn tarkoitetut seokset sisältävät niobiumkarbidia, joka parantaa lejeeringin ominaisuuksia. Suhteellisen pieni niobiumin lisäys ruostumattomaan teräkseen parantaa sen korroosionesto-ominaisuuksia ja parantaa tuloksena olevien hitsien laatua. Monet työkaluteräkset sisältävät myös niobiumia. Sen erilaiset yhdisteet osallistuvat katalyysinä keinotekoisen orgaanisen synteesin prosesseihin.

Niobiumin hinta

Pääasiallinen myyntimuoto maailmanmarkkinoilla on niobiharkot, mutta muut säilytysmuodot ovat täysin mahdollisia. Maailmalla on aina ollut kysyntää niobium, hinta joka pysyi vakaalla tasolla vuoden 2000 alkuun asti. Monien maiden talouksien kehitykseen liittyvä kysynnän luottavainen kasvu ja tuotantomäärien kasvu innovatiivisten teknologioiden, metallurgian ja kemianteollisuuden aloilla vaikuttivat hintojen voimakkaaseen nousuun vuoteen 2007 mennessä 12 dollarista 32 dollariin metallikiloa kohti.

Seuraavina vuosina taloussektorin maailmanlaajuisen kriisin vuoksi, vuoteen 2012 asti, havaittiin lievää laskua. Kaupan vaihtuvuus laski vastaavasti. Mutta vuoteen 2012 mennessä hinnat olivat jälleen nousseet ja jopa silloin osta niobiumia se oli mahdollista vain 60 dollarilla kilolta, eikä kasvu ole vielä pysähtynyt. Kysymys vastaavista, mutta helpommin saatavilla olevista korvikkeista on ollut esillä pitkään. Ja niitä on olemassa, mutta niiden ominaisuudet ovat selvästi huonommat kuin niobiumilla. Siksi se on edelleen hinnassa.

Uralin osavaltion kaivosyliopisto

Aiheesta: Niobiumin ominaisuudet

Ryhmä: M-13-3

Opiskelija: Mokhnashin Nikita

1. Yleistä tietoa elementistä

Niobiumin fysikaaliset ominaisuudet

Niobiumin kemialliset ominaisuudet

Ilmaista niobiumia

Niobioksidit ja niiden suolat

Niobiyhdisteet

Johtavat maat niobiumin tuotannossa

1. Yleistä tietoa elementistä

Ihmiskunta on tuntenut alkuaineen, joka sijaitsee jaksollisen taulukon 41. solussa, jo pitkään. Sen nykyinen nimi, niobium, on lähes puoli vuosisataa nuorempi. Niin tapahtui, että elementti nro 41 avattiin kahdesti. Ensimmäistä kertaa - vuonna 1801 englantilainen tiedemies Charles Hatchet tutki näytteen todellisesta mineraalista, joka lähetettiin British Museumiin Amerikasta. Tästä mineraalista hän eristi aiemmin tuntemattoman alkuaineen oksidin. Hatchet nimesi uuden elementin kolumbiumiksi, mikä totesi sen ulkomaisen alkuperän. Ja mustaa mineraalia kutsuttiin kolumbiitiksi. Vuotta myöhemmin ruotsalainen kemisti Ekeberg eristi kolumbiitista toisen uuden alkuaineen, tantaalin, oksidin. Kolumbian ja tantaalin samankaltaisuus oli niin suuri, että useimmat kemistit uskoivat 40 vuoden ajan tantaalin ja kolumbiumin olevan sama alkuaine.

Vuonna 1844 saksalainen kemisti Heinrich Rose tutki Baijerista löydettyjä kolumbiittinäytteitä. Hän löysi jälleen kahden metallin oksideja. Yksi niistä oli jo tunnetun tantaalin oksidi. Oksidit olivat samankaltaisia, ja korostaen niiden samankaltaisuutta Rose nimesi toisen oksidin muodostavan alkuaineen niobiumiksi mytologisen marttyyri Tantaluksen tyttären Nioben mukaan. Rose, kuten Hatchet, ei kuitenkaan pystynyt saamaan tätä elementtiä vapaana. Ruotsalainen tiedemies Blomstrand sai metallisen niobiumin ensimmäisen kerran vasta vuonna 1866 pelkistämällä niobiumkloridia vedyllä. 1800-luvun lopulla. löydettiin kaksi muuta tapaa saada tämä elementti. Ensin Moissan sai sen sähköuunissa pelkistäen niobiumoksidia hiilellä, ja sitten Goldschmidt pystyi pelkistämään saman alkuaineen alumiinilla. Ja elementtiä nro 41 kutsuttiin edelleen eri tavalla eri maissa: Englannissa ja Yhdysvalloissa - Columbia, muissa maissa - niobium. Kansainvälinen puhtaan ja sovelletun kemian liitto IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) lopetti tämän kiistan vuonna 1950. Alkuaineen nimi "niobium" päätettiin laillistaa kaikkialla, ja nimi "kolumbiitti" annettiin niobiumin päämineraalille. Sen kaava on (Fe, Mn) (Nb, Ta)2 NOIN 6.

Ei ole sattumaa, että niobiumia pidetään harvinaisena alkuaineena: sitä todellakin löytyy harvoin ja pieninä määrinä, aina mineraalien muodossa eikä koskaan alkuperäisessä tilassa. Mielenkiintoinen yksityiskohta: niobiumin clarke (pitoisuus maankuoressa) on eri viitejulkaisuissa erilainen. Tämä selittyy pääasiassa sillä, että Afrikan maista on viime vuosina löydetty uusia niobiumia sisältäviä mineraaliesiintymiä. The Chemist's Handbook, osa 1 (M., Chemistry, 1963) antaa seuraavat luvut: 3,2 10-5 % (1939), 1 10-3 % (1949) ja 2, 4,10-3 % (1954). Mutta viimeisimmät luvut ovat myös aliarvioituja: viime vuosina löydetyt Afrikan esiintymät eivät sisälly tähän. Siitä huolimatta on arvioitu, että noin 1,5 miljoonaa tonnia metallista niobiumia voidaan sulattaa jo tunnettujen esiintymien mineraaleista.

Niobiumin fysikaaliset ominaisuudet

Niobium on kiiltävä hopeanharmaa metalli.

Elemental niobium on erittäin tulenkestävä (2468°C) ja korkealla kiehuva (4927°C) metalli, joka kestää hyvin monia aggressiivisia ympäristöjä. Kaikilla hapoilla, fluorivetyhappoa lukuun ottamatta, ei ole siihen vaikutusta. Hapettavat hapot "passivoivat" niobiumin peittäen sen suojaavalla oksidikalvolla (nro 205). Mutta korkeissa lämpötiloissa niobin kemiallinen aktiivisuus kasvaa. Jos 150...200°C:ssa vain pieni pintakerros metallia hapettuu, niin 900...1200°C:ssa oksidikalvon paksuus kasvaa merkittävästi.

Niobiumin kidehila on kehokeskeinen kuutio, jonka parametri a = 3,294 Å.

Puhdas metalli on sitkeää ja voidaan valssata ohuiksi levyiksi (paksuudeltaan 0,01 mm) kylmässä tilassa ilman välihehkutusta.

Niobiumin ominaisuuksia ovat korkeat sulamis- ja kiehumispisteet, alempi elektronien toimintakyky verrattuna muihin tulenkestäviin metalleihin - volframiin ja molybdeeniin. Viimeinen ominaisuus luonnehtii elektroniemissiokykyä (elektroniemissio), jota käytetään niobiumin käyttöön sähkötyhjiötekniikassa. Niobiumilla on myös korkea siirtymälämpötila suprajohtavaan tilaan.

Tiheys 8,57 g/cm 3(20 °C); t pl 2500 °C; t paali 4927 °C; höyrynpaine (mm Hg; 1 mm Hg = 133,3 n/m 2) 1·10 -5(2194 °C), 110 -4(2355 °C), 6 10 -4(osoitteessa t pl ), 1·10-3 (2539 °C).

Tavallisissa lämpötiloissa niobium on stabiili ilmassa. Hapettumisen alkaminen (värjäytyskalvo) havaitaan, kun metalli kuumennetaan 200 - 300 °C:seen. Yli 500°:ssa tapahtuu nopeaa hapettumista Nb2-oksidin muodostuessa O 5.

Lämmönjohtavuus yksikössä W/(m·K) 0 °C:ssa ja 600 °C:ssa on 51,4 ja 56,2, vastaavasti, ja sama cal/(cm·s·°C) on 0,125 ja 0,156. Tilavuusominaisvastus 0 °C:ssa 15,22 10 -8ohm m (15,22 10 -6ohm cm). Siirtymälämpötila suprajohtavaan tilaan on 9,25 K. Niobi on paramagneettista. Elektronityötoiminto 4,01 eV.

Puhdas niobium on helppo käsitellä kylmällä paineella ja säilyttää tyydyttävät mekaaniset ominaisuudet korkeissa lämpötiloissa. Sen vetolujuus 20 °C:ssa ja 800 °C:ssa on vastaavasti 342 ja 312 Mn/m 2, sama kgf/mm 234,2 ja 31,2; suhteellinen venymä 20 ja 800 °C:ssa on 19,2 ja 20,7 %. Puhtaan niobin Brinell-kovuus on 450, tekninen 750-1800 Mn/m 2. Tiettyjen alkuaineiden, erityisesti vedyn, typen, hiilen ja hapen epäpuhtaudet heikentävät suuresti niobiumin sitkeyttä ja lisäävät kovuutta.

3. Niobiumin kemialliset ominaisuudet

Niobiumia arvostetaan erityisesti sen kestävyydestä epäorgaanisia ja orgaanisia aineita vastaan.

Jauheen ja metallipalan kemiallisessa käyttäytymisessä on eroa. Jälkimmäinen on vakaampi. Metallit eivät vaikuta siihen, vaikka ne kuumennettaisiin korkeisiin lämpötiloihin. Nestemäiset alkalimetallit ja niiden lejeeringit, vismutti, lyijy, elohopea ja tina voivat olla pitkään kosketuksissa niobiumin kanssa sen ominaisuuksia muuttamatta. Jopa sellaiset voimakkaat hapettimet, kuten perkloorihappo, aqua regia, puhumattakaan typpi-, rikki-, kloorivety- ja kaikista muista, eivät tee sille mitään. Alkaliliuokset eivät myöskään vaikuta niobiumiin.

On kuitenkin olemassa kolme reagenssia, jotka voivat muuttaa niobimetallin kemiallisiksi yhdisteiksi. Yksi niistä on alkalimetallin hydroksidin sula:

Nb+4NaOH+502 = 4NaNbO3+2H2O

Kaksi muuta ovat fluorivetyhappoa (HF) tai sen seosta typpihapon kanssa (HF+HNO). Tässä tapauksessa muodostuu fluoridikomplekseja, joiden koostumus riippuu suurelta osin reaktio-olosuhteista. Joka tapauksessa elementti on osa tyyppiä 2- tai 2- olevaa anionia.

Jos otat jauhettua niobiumia, se on jonkin verran aktiivisempi. Esimerkiksi sulassa natriumnitraatissa se jopa syttyy palamaan muuttuen oksidiksi. Kompakti niobium alkaa hapettua kuumennettaessa yli 200°C:een ja jauhe peittyy oksidikalvolla jo 150°C:ssa. Samaan aikaan yksi tämän metallin upeista ominaisuuksista ilmenee - se säilyttää taipuisuutensa.

Sahanpurun muodossa se palaa yli 900°C kuumennettaessa täysin Nb2O5:ksi. Palaa voimakkaasti kloorivirrassa:

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5

Kuumennettaessa se reagoi rikin kanssa. Sitä on vaikea seostaa useimpien metallien kanssa. Poikkeuksia on ehkä vain kaksi: rauta, jolla muodostuu kiinteitä liuoksia eri suhteilla, ja alumiini, jossa on yhdiste Al2Nb niobin kanssa.

Mitkä niobiumin ominaisuudet auttavat sitä vastustamaan voimakkaimpien hapettavien happojen vaikutusta? Osoittautuu, että tämä ei viittaa metallin ominaisuuksiin, vaan sen oksidien ominaisuuksiin. Joutuessaan kosketuksiin hapettimien kanssa metallipinnalle ilmestyy ohut (siis huomaamaton), mutta erittäin tiheä oksidikerros. Tästä kerroksesta tulee ylitsepääsemätön este hapettimen matkalla puhtaalle metallipinnalle. Vain tietyt kemialliset reagenssit, erityisesti fluorianionit, voivat tunkeutua sen läpi. Näin ollen metalli olennaisesti hapettuu, mutta käytännössä hapettumisen tulokset ovat näkymättömiä ohuen suojakalvon vuoksi. Passiivisuutta laimeaa rikkihappoa kohtaan käytetään AC-tasasuuntaajan luomiseen. Se on suunniteltu yksinkertaisesti: platina- ja niobiumlevyt upotetaan 0,05 m:n rikkihappoliuokseen. Passivoitunut niobium voi johtaa virtaa, jos se on negatiivinen elektrodi - katodi, eli elektronit voivat kulkea oksidikerroksen läpi vain metallipuolelta. Elektronien polku liuoksesta on suljettu. Siksi, kun vaihtovirta johdetaan tällaisen laitteen läpi, vain yksi vaihe kulkee läpi, jolle platina on anodi ja niobium katodi.

niobimetallihalogeeni

4. Niobium vapaassa tilassa

Se on niin kaunis, että aikoinaan siitä yritettiin tehdä koruja: vaaleanharmaalla värillään niobium muistuttaa platinaa. Huolimatta korkeista sulamispisteistä (2500°C) ja kiehumispisteistä (4840°C), siitä voidaan valmistaa helposti mikä tahansa tuote. Metalli on niin sitkeä, että sitä voidaan käsitellä kylmässä. On erittäin tärkeää, että niobium säilyttää mekaaniset ominaisuutensa korkeissa lämpötiloissa. Totta, kuten vanadiinin tapauksessa, jopa pienet vedyn, typen, hiilen ja hapen epäpuhtaudet vähentävät suuresti sitkeyttä ja lisäävät kovuutta. Niobium muuttuu hauraaksi lämpötiloissa -100 - -200 °C.

Niobiumin saaminen erittäin puhtaassa ja kompaktissa muodossa on tullut mahdolliseksi tekniikan avulla viime vuosina. Koko teknologinen prosessi on monimutkainen ja työvoimavaltainen. Periaatteessa se on jaettu 4 vaiheeseen:

1.saadaan konsentraatti: ferroniobium tai ferrotantaloniobium;

.konsentraatin avaaminen - niobiumin (ja tantaalin) muuntaminen joiksikin liukenemattomiksi yhdisteiksi sen erottamiseksi suurimmasta osasta konsentraattia;

.niobin ja tantaalin erottaminen ja niiden yksittäisten yhdisteiden saaminen;

.metallien tuotanto ja jalostus.

Kaksi ensimmäistä vaihetta ovat melko yksinkertaisia ja yleisiä, vaikkakin työvaltaisia. Niobiumin ja tantaalin erotusaste määräytyy kolmannessa vaiheessa. Halu saada mahdollisimman paljon niobiumia ja erityisesti tantaalia pakotti meidät löytämään uusimmat erotusmenetelmät: valikoiva uutto, ioninvaihto ja näiden alkuaineiden yhdisteiden rektifiointi halogeeneilla. Tämän seurauksena joko tantaalin ja niobin oksideja tai pentaklorideja saadaan erikseen. Viimeisessä vaiheessa käytetään pelkistystä hiilellä (nokella) vetyvirrassa 1800 °C:ssa, minkä jälkeen lämpötila nostetaan 1900 °C:seen ja painetta alennetaan. Vuorovaikutuksesta hiilen kanssa muodostuva karbidi reagoi Nb2O5:n kanssa:

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

ja niobijauhetta ilmestyy. Jos niobiumin tantaalista erottamisen tuloksena ei saada oksidia, vaan suolaa, sitä käsitellään metallinatriumilla 1000°C:ssa ja saadaan myös jauhettua niobiumia. Sen vuoksi jauheen edelleen muuntamisen yhteydessä tiiviiksi monoliitiksi uudelleensulatus suoritetaan kaariuunissa ja erityisen puhtaan niobiumin yksittäiskiteiden saamiseksi käytetään elektronisuihku- ja vyöhykesulatusta.

Niobioksidit ja niiden suolat

Niobiumissa happiyhdisteiden määrä on pieni, huomattavasti vähemmän kuin vanadiinissa. Tämä selittyy sillä, että hapetusastetta +4, +3 ja +2 vastaavissa yhdisteissä niobium on erittäin epästabiili. Jos tämän alkuaineen atomi alkaa luopua elektroneista, se pyrkii luopumaan kaikista viidestä paljastaakseen vakaan elektronikonfiguraation.

Jos vertaamme ryhmän kahden naapurin - vanadiinin ja niobiumin - saman hapetusasteen ioneja, havaitsemme ominaisuuksien lisääntymisen metallien suuntaan. Nb2O5-oksidin hapan luonne on huomattavasti heikompi kuin vanadiini(V)oksidin. Se ei muodosta happoa liukeneessaan. Ainoastaan emästen tai karbonaattien kanssa sulatettuna sen happamat ominaisuudet näkyvät:

O5 + 3Nа2СО3 = 2Nа3NbO4 + 3С02

Tämä suola - natriumortoniobaatti - on samanlainen kuin samat ortofosfori- ja ortovanadiinihapon suolat. Fosforissa ja arseenissa ortomuoto on kuitenkin stabiilin, ja yritys saada ortoniobaattia puhtaassa muodossaan epäonnistui. Kun seosta käsitellään vedellä, Na3NbO4-suolaa ei vapaudu, vaan NaNbO3-metaniobaatti. Se on väritön, huonosti liukeneva hienokiteinen jauhe kylmään veteen. Näin ollen niobiumissa korkeimmassa hapetusasteessa ei ole orto-, vaan yhdisteiden meta-muoto stabiilimpi.

Muiden niobium(V)oksidin yhdisteiden joukossa emäksisten oksidien kanssa tunnetaan pyrohappoja muistuttavat diniobaatit K4Nb2O7 ja polyniobaatit (polyfosfori- ja polyvanadiumhappojen varjona) likimääräisin kaavoin K7Nb5O16.nH2O ja K8NbH2O9. Mainitut suolat, jotka vastaavat korkeampaa niobioksidia, sisältävät tämän alkuaineen osana anionia. Näiden suolojen muoto antaa meille mahdollisuuden pitää niitä niobiumjohdannaisina. hapot Näitä happoja ei voida saada puhtaassa muodossaan, koska niitä voidaan pikemminkin pitää vesimolekyyleihin sitoutuneina oksideina. Esimerkiksi metamuoto on Nb2O5. H2O, ja orgo-muoto on Nb2O5. 3H2O. Tällaisten yhdisteiden ohella niobiumilla on muita, joissa se on jo osa kationia. Niobium ei muodosta yksinkertaisia suoloja, kuten sulfaatteja, nitraatteja jne. Kun se on vuorovaikutuksessa natriumvetysulfaatin NaHSO4 tai typen oksidin N2O4 kanssa, ilmaantuu aineita, joissa on monimutkainen kationi: Nb2O2(SO4)3. Näiden suolojen kationit muistuttavat vanadiinikationia sillä ainoalla erolla, että tässä ioni on viisivarautunut ja vanadyyli-ionin hapetusaste on neljä. Sama kationi NbO3+ sisältyy joidenkin kompleksisten suolojen koostumukseen. Nb2O5-oksidi liukenee melko helposti vesipitoiseen fluorivetyhappoon. Tällaisista liuoksista voidaan eristää K2-kompleksisuola. H2O.

Tarkastettujen reaktioiden perusteella voimme päätellä, että niobium voi korkeimmassa hapetustilassaan olla osa sekä anioneja että kationia. Tämä tarkoittaa, että viisiarvoinen niobium on amfoteerinen, mutta silti happamien ominaisuuksien hallitsevuus.

Nb2O5:n saamiseksi on useita tapoja. Ensinnäkin niobin vuorovaikutus hapen kanssa kuumennettaessa. Toiseksi niobiumsuolojen kalsinointi ilmassa: sulfidi, nitridi tai karbidi. Kolmanneksi yleisin menetelmä on hydraattien kuivaus. Hydratoitu oksidi Nb2O5 saostetaan vesipitoisista suolaliuoksista väkevällä hapolla. xH2O. Sitten, kun liuokset laimennetaan, muodostuu valkoinen oksidisakka. Nb2O5 xH2O -sedimentin dehydraatioon liittyy lämmön vapautumista. Koko massa lämpenee. Tämä johtuu amorfisen oksidin muuttumisesta kiteiseen muotoon. Niobiumoksidia on kahta väriä. Normaaleissa olosuhteissa se on valkoista, mutta kuumennettaessa se muuttuu keltaiseksi. Kuitenkin heti, kun oksidi jäähtyy, väri katoaa. Oksidi on tulenkestävää (sulamislämpötila = 1460 °C) ja haihtumaton.

Niobiumin alemmat hapetusasteet vastaavat NbO2:ta ja NbO:ta. Ensimmäinen näistä kahdesta on musta jauhe sinisellä sävyllä. NbO2 saadaan Nb2O5:stä poistamalla happea magnesiumilla tai vedyllä noin tuhannen asteen lämpötilassa:

O5 + H2 = 2NbO2 + H2O

Ilmassa tämä yhdiste muuttuu helposti takaisin korkeammaksi oksidiksi Nb2O5. Sen luonne on melko salaperäinen, koska oksidi on liukenematon veteen tai happoihin. Silti sille annetaan hapan luonne sen vuorovaikutuksen perusteella kuuman vesipitoisen alkalin kanssa; tässä tapauksessa kuitenkin tapahtuu hapettumista viisivarautuneeksi ioniksi.

Vaikuttaa siltä, että yhden elektronin ero ei ole niin suuri, mutta toisin kuin Nb2O5, NbO2-oksidi johtaa sähkövirtaa. Ilmeisesti tässä yhdisteessä on metalli-metalli-sidos. Jos hyödynnät tätä laatua, voit lämmitettynä voimakkaalla vaihtovirralla pakottaa NbO2:n luopumaan hapestaan.

Kun happea häviää, NbO2 muuttuu NbO-oksidiksi ja sitten kaikki happi irtoaa melko nopeasti. Alemmasta niobiumoksidista NbO tiedetään vähän. Siinä on metallinen kiilto ja se on ulkonäöltään samanlainen kuin metalli. Johtaa sähköä täydellisesti. Sanalla sanoen, se käyttäytyy ikään kuin sen koostumuksessa ei olisi ollenkaan happea. Jopa, kuten tyypillinen metalli, se reagoi kiivaasti kloorin kanssa kuumennettaessa ja muuttuu oksikloridiksi:

2NbO + 3Cl2 = 2NbOCl3

Se syrjäyttää vedyn suolahaposta (ikään kuin se ei olisi lainkaan oksidia, vaan metallia, kuten sinkki):

NbO + 6HCl = 2NbOCl3 + 3H2

NbO voidaan saada puhtaassa muodossa kalsinoimalla jo mainittu kompleksisuola K2 metallisen natriumin kanssa:

K2 + 3Na = NbO + 2KF + 3NaF

NbO-oksidilla on korkein sulamispiste kaikista niobioksideista, 1935 °C. Niobiumin puhdistamiseksi hapesta lämpötila nostetaan 2300 - 2350°C:een, minkä jälkeen NbO hajoaa samanaikaisesti haihdutuksen kanssa hapeksi ja metalliksi. Metallin jalostus (puhdistus) tapahtuu.

Niobiyhdisteet

Tarina alkuaineesta ei olisi täydellinen mainitsematta sen yhdisteitä halogeenien, karbidien ja nitridien kanssa. Tämä on tärkeää kahdesta syystä. Ensinnäkin fluoridikompleksien ansiosta on mahdollista erottaa niobium sen ikuisesta kumppanista tantaalista. Toiseksi nämä yhdisteet paljastavat meille niobiumin ominaisuudet metallina.

Halogeenien vuorovaikutus metallisen niobin kanssa:

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5 voidaan saada, kaikki mahdolliset niobiumpentahalidit.

NbF5-pentafluoridi (sula = 76 °C) on väritöntä nesteessä ja höyryssä. Kuten vanadiinipentafluoridi, se on nestemäisessä tilassa polymeeristä. Niobiatomit ovat yhteydessä toisiinsa fluoriatomien kautta. Kiinteässä muodossa sen rakenne koostuu neljästä molekyylistä (kuva 2).

Riisi. 2. NbF5:n ja TaF5:n rakenne kiinteässä muodossa koostuu neljästä molekyylistä.

Liuokset fluorivetyhapossa H2F2 sisältävät erilaisia monimutkaisia ioneja:

H2F2 = H2;+ H20 = H2

Kaliumsuola K2. H2O on tärkeä niobin erottamisessa tantaalista, koska se on hyvin liukoista, toisin kuin tantaalisuolaa.

Loput niobiumpentahalidit ovat kirkkaanvärisiä: NbCl5 keltainen, NbBr5 purppuranpunainen, NbI2 ruskea. Kaikki ne ovat yleviä hajoamatta vastaavan halogeenin ilmakehässä; pareittain ne ovat monomeerejä. Niiden sulamis- ja kiehumispisteet kohoavat siirryttäessä kloorista bromiin ja jodiin. Jotkut pentahalidien valmistusmenetelmistä ovat:

2Nb+5I2 2NbI5;05+5C+5Cl22NbCl5+5CO;.

2NbCl5+5F22NbF5+5Cl2

Pentahalidit liukenevat hyvin orgaanisiin liuottimiin: eetteriin, kloroformiin, alkoholiin. Veden vaikutuksesta ne kuitenkin hajoavat kokonaan - hydrolysoituvat. Hydrolyysin tuloksena saadaan kaksi happoa - halogenidivetyhappo ja niobihappo. Esimerkiksi,

4H20 = 5HCl + H3NbO4

Kun hydrolyysi ei ole toivottavaa, lisätään jonkin verran vahvaa happoa ja yllä kuvatun prosessin tasapaino siirtyy kohti NbCl5:tä. Tässä tapauksessa pentahalidi liukenee ilman hydrolyysiä,

Niobiumkarbidi on ansainnut erityisen kiitoksen metallurgeilta. Kaikissa teräksissä on hiiltä; niobium, sitomalla sen karbidiksi, parantaa seosteräksen laatua. Tyypillisesti ruostumatonta terästä hitsattaessa hitsillä on vähemmän lujuutta. Niobiumin lisääminen 200 g/tonni auttaa korjaamaan tämän puutteen. Kuumennettaessa niobium, ennen kaikkia muita teräsmetalleja, muodostaa yhdisteen hiilikarbidin kanssa. Tämä seos on melko muovinen ja samalla kestää jopa 3500 °C lämpötiloja. Vain puolen millimetrin paksuinen karbidikerros riittää suojaamaan metalleja ja mikä on erityisen arvokasta, grafiittia korroosiolta. Karbidia voidaan saada kuumentamalla metallia tai niobium(V)oksidia hiilen tai hiiltä sisältävien kaasujen (CH4, CO) kanssa.

Niobiumnitridi on yhdiste, johon ei vaikuta hapot ja edes "regiavodka" keitettäessä; vettä kestävä. Ainoa asia, jonka kanssa se voidaan pakottaa olemaan vuorovaikutuksessa, on kiehuva alkali. Tässä tapauksessa se hajoaa vapauttaen ammoniakkia.

NbN-nitridi on vaaleanharmaata kellertävällä sävyllä. Se on tulenkestävä (lämpötila sp. 2300 °C), sillä on huomattava ominaisuus - lämpötilassa, joka on lähellä absoluuttista nollaa (15,6 K tai -267,4 °C), sillä on suprajohtavuus.

Niobiumia alemmassa hapetusasteessa sisältävistä yhdisteistä halogenidit tunnetaan parhaiten. Kaikki alemmat halogenidit ovat tummia kiteisiä kiinteitä aineita (tummanpunaisesta mustaan). Niiden stabiilius heikkenee, kun metallin hapetusaste laskee.

Niobiumin käyttö eri teollisuudenaloilla

Niobiumin käyttö metalliseokseen

Niobiumilla seostetulla teräksellä on hyvä korroosionkestävyys. Kromi lisää myös teräksen korroosionkestävyyttä, ja se on paljon halvempaa kuin niobium. Tämä lukija on yhtä aikaa oikeassa ja väärässä. Olen väärässä, koska unohdin yhden asian.

Kromi-nikkeliteräs, kuten mikä tahansa muu, sisältää aina hiiltä. Mutta hiili yhdistyy kromin kanssa muodostaen karbidia, mikä tekee teräksestä hauraampaa. Niobiumilla on suurempi affiniteetti hiileen kuin kromilla. Siksi, kun niobiumia lisätään teräkseen, muodostuu välttämättä niobikarbidia. Niobiumilla seostettu teräs saa korkeat korroosionesto-ominaisuudet eikä menetä taipuisuuttaan. Haluttu vaikutus saavutetaan, kun vain 200 g niobiummetallia lisätään tonniin terästä. Ja niobium antaa korkean kulutuskestävyyden kromi-mangaaniteräkselle.

Myös monet ei-rautametallit on seostettu niobiumilla. Näin ollen alkaleihin helposti liukeneva alumiini ei reagoi niiden kanssa, jos siihen lisätään vain 0,05 % niobiumia. Ja kupari, joka tunnetaan pehmeyydestään, ja monet sen seokset näyttävät olevan niobiumin kovettamia. Se lisää metallien, kuten titaanin, molybdeenin, zirkoniumin, lujuutta ja samalla lisää niiden lämmönkestävyyttä ja lämmönkestävyyttä.

Nyt niobin ominaisuuksia ja ominaisuuksia arvostavat ilmailu, koneenrakennus, radiotekniikka, kemianteollisuus ja ydinenergia. Kaikista heistä tuli niobin kuluttajia.

Ainutlaatuinen ominaisuus - niobiumin ja uraanin välisen huomattavan vuorovaikutuksen puuttuminen jopa 1100 °C:n lämpötiloissa ja lisäksi hyvä lämmönjohtavuus, lämpöneutronien pieni tehokas absorptiopoikkileikkaus - teki niobista vakavan kilpailijan ydinaineissa tunnetuille metalleille. teollisuus - alumiini, beryllium ja zirkonium. Lisäksi niobin keinotekoinen (indusoitu) radioaktiivisuus on alhainen. Siksi siitä voidaan valmistaa säiliöitä radioaktiivisen jätteen varastointiin tai laitteistoja niiden käyttöä varten.

Kemianteollisuus kuluttaa niobiumia suhteellisen vähän, mutta tämä selittyy vain sen niukkuudella. Laitteet erittäin puhtaiden happojen tuotantoon valmistetaan joskus niobiumia sisältävistä seoksista ja harvemmin niobiumista. Niobiumin kykyä vaikuttaa tiettyjen kemiallisten reaktioiden nopeuteen käytetään esimerkiksi alkoholin synteesissä butadieenista.

Raketti- ja avaruusteknologiasta tuli myös elementin nro 41 kuluttajia. Ei ole mikään salaisuus, että jotkut määrät tätä elementtiä pyörivät jo lähellä maapalloa. Jotkut rakettien osat ja keinotekoisten maasatelliittien laitteet on valmistettu niobiumia sisältävistä seoksista ja puhtaasta niobiumista.

Niobiumin käyttö muilla teollisuudenaloilla

"Kuumat liittimet" (eli lämmitetyt osat) valmistetaan niobiumlevyistä ja -tankoista - anodeista, ristikoista, epäsuorasti lämmitetyistä katodeista ja muista elektronisten lamppujen osista, erityisesti tehokkaista generaattorilampuista.

Puhtaan metallin lisäksi samoihin tarkoituksiin käytetään tantalonium-bium-seoksia.

Niobiumia käytettiin elektrolyyttikondensaattoreiden ja virrantasasuuntaajien valmistukseen. Tässä käytetään niobin kykyä muodostaa stabiili oksidikalvo anodisen hapettumisen aikana. Oksidikalvo on stabiili happamissa elektrolyyteissä ja siirtää virtaa vain elektrolyytistä metalliin. Kiinteällä elektrolyytillä varustetuille niobikondensaattoreille on ominaista suuri kapasiteetti, pienikokoinen ja korkea eristysvastus.

Niobikondensaattorielementit on valmistettu ohuesta kalvosta tai huokoisista levyistä, jotka on puristettu metallijauheista.

Niobiumin korroosionkestävyys hapoissa ja muissa väliaineissa yhdistettynä korkeaan lämmönjohtavuuteen ja sitkeyteen tekevät siitä arvokkaan rakennemateriaalin kemian- ja metallurgisen teollisuuden laitteissa. Niobiumilla on yhdistelmä ominaisuuksia, jotka täyttävät ydinenergian vaatimukset rakennemateriaaleille.

Niobiumilla on 900°C:een asti heikosti vuorovaikutusta uraanin kanssa ja se soveltuu voimareaktorien uraanipolttoaine-elementtien suojakuorien valmistukseen. Tässä tapauksessa on mahdollista käyttää nestemäisiä metallijäähdytysaineita: natriumia tai natriumin ja kaliumin seosta, jonka kanssa niobium ei ole vuorovaikutuksessa 600 °C:seen asti. Uraanipolttoaine-elementtien kestävyyden lisäämiseksi uraani seostetaan niobiumilla (~ 7 % niobiumia). Niobiumin lisäaine stabiloi uraanin pinnalla olevaa suojaavaa oksidikalvoa, mikä lisää sen vesihöyrynkestävyyttä.

Niobium on komponentti erilaisissa suihkumoottorien kaasuturbiinien lämmönkestävissä seoksissa. Molybdeenin, titaanin, zirkoniumin, alumiinin ja kuparin seostaminen niobiumin kanssa parantaa dramaattisesti näiden metallien ja niiden seosten ominaisuuksia. Suihkumoottoreiden ja rakettien osien (turbiinien siipien, siipien etureunojen, lentokoneiden ja rakettien nokkapäiden, rakettinahojen) rakennemateriaalina on niobiumiin perustuvia lämmönkestäviä seoksia. Niobiumia ja siihen perustuvia seoksia voidaan käyttää käyttölämpötiloissa 1000 - 1200°C.

Niobiumkarbidi on osa eräitä terästen leikkaamiseen käytettyjä volframikarbidipohjaisia karbidilaatuja.

Niobiumia käytetään laajalti seosaineena teräksissä. Niobiumin lisäys 6-10 kertaa teräksen hiilipitoisuutta suurempi määrä eliminoi ruostumattoman teräksen rakeiden välisen korroosion ja suojaa hitsejä tuhoutumiselta.

Niobiumia lisätään myös erilaisiin lämpöä kestäviin teräksiin (esim. kaasuturbiineihin) sekä työkalu- ja magneettiteräksiin.

Niobiumia lisätään teräkseen raudan (ferroniobium) seoksena, joka sisältää jopa 60 % Nb:tä. Lisäksi ferrotantaloniobiumia käytetään ferroseoksessa eri suhteilla tantaalin ja niobiumin välillä.

Orgaanisessa synteesissä joitain niobiyhdisteitä (fluoridikompleksisuoloja, oksideja) käytetään katalyytteinä.

Niobiumin käyttö ja tuotanto lisääntyvät nopeasti, mikä johtuu sellaisten ominaisuuksien yhdistelmästä kuin tulenkesto, pieni poikkileikkaus lämpöneutronien sieppaamiseen, kyky muodostaa lämmönkestäviä, suprajohtavia ja muita metalliseoksia, korroosionkestävyys, sieppausominaisuudet, alhainen elektronityötoiminto, hyvä työstettävyys kylmässä paineessa ja hitsattavuus. Niobiumin pääasialliset käyttöalueet ovat: rakettitekniikka, lento- ja avaruustekniikka, radiotekniikka, elektroniikka, kemiantekniikka, ydinenergia.

Metallisen niobin sovellukset

Lentokoneiden osat on valmistettu puhtaasta niobiumista tai sen seoksista; uraanin ja plutoniumin polttoaine-elementtien päällysteet; säiliöt ja putket; nestemäisille metalleille; elektrolyyttikondensaattorien osat; "kuumat" liittimet elektronisia (tutka-asennuksia varten) ja tehokkaita generaattorilamppuja (anodit, katodit, ristikot jne.); korroosionkestävät laitteet kemianteollisuudessa.

Muut ei-rautametallit, mukaan lukien uraani, on seostettu niobiumilla.

Niobiumia käytetään kryotroneissa - tietokoneiden suprajohtavissa elementeissä. Niobium tunnetaan myös käytöstään Large Hadron Colliderin kiihdyttävissä rakenteissa.

Metallien väliset yhdisteet ja niobiumin seokset

Suprajohtavien solenoidien valmistukseen käytetään Nb3Sn-stannidia ja niobiumin seoksia titaanin ja zirkoniumin kanssa.

Niobi ja tantaaliseokset korvaavat monissa tapauksissa tantaalin, mikä antaa suuren taloudellisen vaikutuksen (niobi on halvempaa ja lähes kaksi kertaa kevyempää kuin tantaali).

Ferroniobiumia lisätään ruostumattomiin kromi-nikkeliteräksiin estämään niiden rakeiden välinen korroosio ja tuhoutuminen sekä muihin terästyyppeihin niiden ominaisuuksien parantamiseksi.

Niobiumia käytetään keräilykolikoiden lyömiseen. Näin ollen Latvian keskuspankki väittää, että niobiumia käytetään hopean kanssa yhden latin keräilykolikoissa.

Niobiyhdisteiden O5-katalyytin käyttö kemianteollisuudessa;

tulenkestävän materiaalin, kermettien, erikoistuotteiden tuotannossa. lasi, nitridi, karbidi, niobaatit.

Zirkoniumkarbidin ja uraani-235-karbidin kanssa seostettu niobiumkarbidi (sp. 3480 °C) on kiinteäfaasisten ydinsuihkumoottoreiden polttoainesauvojen tärkein rakennemateriaali.

Niobiumnitridi NbN:llä valmistetaan ohuita ja ultraohuita suprajohtavia kalvoja, joiden kriittinen lämpötila on 5–10 K ja kapea siirtymä luokkaa 0,1 K

Niobiumia lääketieteessä

Niobiumin korkea korroosionkestävyys on mahdollistanut sen käytön lääketieteessä. Niobilangat eivät ärsytä elävää kudosta ja kiinnittyvät siihen hyvin. Rekonstruktiivinen kirurgia on onnistuneesti käyttänyt tällaisia lankoja repeytyneiden jänteiden, verisuonten ja jopa hermojen yhdistämiseen.

Sovellus koruissa

Niobiumilla ei ole vain joukko tekniikalle välttämättömiä ominaisuuksia, vaan se näyttää myös melko kauniilta. Jalokivikauppiaat yrittivät käyttää tätä valkoista kiiltävää metallia kellokoteloiden valmistukseen. Niobiumin ja volframin tai reniumin seokset korvaavat joskus jalometalleja: kultaa, platinaa, iridiumia. Jälkimmäinen on erityisen tärkeä, koska niobiumin ja reniumin seos ei ole ainoastaan ulkoisesti samanlainen kuin metallisen iridiumin, vaan se on lähes yhtä kulutusta kestävä. Tämän ansiosta jotkut maat saattoivat tulla toimeen ilman kallista iridiumia täytekynän kärkien juotoskärkien tuotannossa.

Niobiumin louhinta Venäjällä

Viime vuosina maailmanlaajuinen niobiumin tuotanto on ollut 24-29 tuhannen tonnin tasolla. On huomattava, että brasilialainen yritys SVMM on monopolisoinut maailman niobiummarkkinoita merkittävästi, ja sen osuus maailman niobiumin tuotannosta on noin 85 prosenttia.

Niobiumia sisältävien tuotteiden (tähän pääasiassa ferroniobiin) pääasiallinen kuluttaja on Japani. Tämä maa tuo vuosittain yli 4 tuhatta tonnia ferroniobiumia Brasiliasta. Siksi niobiumia sisältävien tuotteiden japanilaisten tuontihintojen voidaan katsoa olevan lähellä maailman keskiarvoa. Viime vuosina ferroniobin hinnoilla on ollut taipumus nousta. Tämä johtuu sen kasvavasta käytöstä pääasiassa öljy- ja kaasuputkiin tarkoitettujen niukkaseosteisten terästen valmistukseen. Yleisesti ottaen on huomattava, että viimeisten 15 vuoden aikana niobin maailmanlaajuinen kulutus on kasvanut keskimäärin 4-5 % vuosittain.

Meidän on valitettavasti myönnettävä, että Venäjä on niobiummarkkinoiden sivussa. Giredmetin asiantuntijoiden mukaan 90-luvun alussa tuotettiin ja kulutettiin entisessä Neuvostoliitossa noin 2 tuhatta tonnia niobiumia (niobiumoksidina mitattuna). Tällä hetkellä Venäjän teollisuuden niobituotteiden kulutus ei ylitä vain 100 - 200 tonnia. On huomattava, että entisessä Neuvostoliitossa luotiin merkittäviä niobiumin tuotantokapasiteettia hajallaan eri tasavalloissa - Venäjällä, Virossa, Kazakstanissa. Tämä Neuvostoliiton teollisuuden kehityksen perinteinen piirre on nyt asettanut Venäjän erittäin vaikeaan tilanteeseen monentyyppisten raaka-aineiden ja metallien suhteen. Niobimarkkinat alkavat niobiumia sisältävien raaka-aineiden tuotannosta. Sen päätyyppi Venäjällä oli ja on edelleen Lovozersky GOK:ssa (nykyisin Sevredmet JSC, Murmanskin alue) valmistettu lopariittirikaste. Ennen Neuvostoliiton romahtamista yritys tuotti noin 23 tuhatta tonnia lopariittirikastetta (niobiumoksidin pitoisuus on noin 8,5%). Myöhemmin rikasteiden tuotanto väheni tasaisesti vuosina 1996-1998. Yritys lopetti useita kertoja myynnin puutteen vuoksi. Tällä hetkellä yrityksen lopariittirikasteen tuotannon arvioidaan olevan 700 - 800 tonnia kuukaudessa.

On huomattava, että yritys on melko tiukasti sidottu ainoaan kuluttajaansa - Solikamskin magnesiumtehtaan. Tosiasia on, että lopariittikonsentraatti on melko spesifinen tuote, jota saadaan vain Venäjällä. Sen käsittelytekniikka on melko monimutkainen sen sisältämien harvinaisten metallien (niobium, tantaali, titaani) vuoksi. Lisäksi rikaste on radioaktiivista, minkä vuoksi kaikki yritykset päästä maailmanmarkkinoille tällä tuotteella päättyivät turhaan. On myös huomattava, että ferroniobiumia on mahdotonta saada lopariittirikasteesta. Vuonna 2000 Rosredmet-yhtiö käynnisti Sevredmetin tehtaalla kokeellisen laitoksen lopariittirikasteen prosessoimiseksi muiden metallien ohella kaupallisten niobiumia sisältävien tuotteiden (niobiumoksidin) tuottamiseksi.

SMZ:n niobiumtuotteiden päämarkkinat ovat IVY-maat: toimitukset tehdään Yhdysvaltoihin, Japaniin ja Euroopan maihin. Viennin osuus kokonaistuotannosta on yli 90 %. Neuvostoliitossa merkittävät niobiumin tuotantokapasiteetit keskitettiin Viroon - Sillamäen kemian ja metallurgian tuotantoyhdistykseen (Sillamä). Virolainen yritys on nyt nimeltään Silmet. Neuvostoaikana yritys jalosti Lovoozerskin kaivos- ja jalostuslaitoksen lopariittirikastetta vuodesta 1992 lähtien, sen lähetys pysäytettiin. Tällä hetkellä Silmet käsittelee vain pienen määrän Solikamskin magnesiumtehtaalta peräisin olevaa niobiumhydroksidia. Tällä hetkellä yritys saa suurimman osan niobiumia sisältävistä raaka-aineistaan Brasiliasta ja Nigeriasta. Yrityksen johto ei sulje pois lopariittirikasteen toimittamista, mutta Sevredmet pyrkii kuitenkin noudattamaan politiikkaa jalostamaan sitä paikallisesti, koska raaka-aineiden vienti on vähemmän kannattavaa kuin valmiiden tuotteiden.

Tutorointi

Tarvitsetko apua aiheen tutkimiseen?

Asiantuntijamme neuvovat tai tarjoavat tutorointipalveluita sinua kiinnostavista aiheista.
Lähetä hakemuksesi ilmoittamalla aiheen juuri nyt saadaksesi selville mahdollisuudesta saada konsultaatio.

On olemassa melko suuri määrä elementtejä, jotka yhdistettyinä muihin aineisiin muodostavat seoksia, joilla on erityisiä suorituskykyominaisuuksia. Esimerkki on niobium, alkuaine, jota kutsuttiin ensin "kolumbiumiksi" (sen joen nimen mukaan, josta se löydettiin), mutta joka nimettiin myöhemmin uudelleen. Niobium on metalli, jolla on melko epätavallisia ominaisuuksia, joista keskustelemme tarkemmin myöhemmin.

Elementin hankkiminen

Niobiumin ominaisuuksia tarkasteltaessa on huomioitava, että tämän metallin pitoisuus kivitonnia kohden on suhteellisen pieni, noin 18 grammaa. Siksi sen löytämisen jälkeen metallia yritettiin saada keinotekoisesti. Samanlaisen kemiallisen koostumuksensa vuoksi tätä ainetta louhitaan usein yhdessä tantaalin kanssa.

Niobiumesiintymiä on lähes kaikkialla maailmassa. Esimerkkinä ovat kaivokset Kongossa, Ruandassa, Brasiliassa ja monissa muissa maissa. Tätä elementtiä ei kuitenkaan voida kutsua laajalle levinneeksi monilla alueilla sitä ei käytännössä löydy edes pieninä pitoisuuksina.

Aineen suhteellisen pientä pitoisuutta maan kivessä pahentavat vaikeudet saada sitä rikasteesta. On syytä ottaa huomioon, että NBS-niobiumia voidaan saada vain kivestä, joka on kyllästetty tantaalilla. Seuraavat ovat tuotantoprosessin ominaisuudet:

Aluksi laitokseen toimitetaan tiivistettyä malmia, joka käy läpi useita puhdistusvaiheita. Niobiumia valmistettaessa saatu malmi erotetaan puhtaiksi alkuaineiksi, mukaan lukien tantaali.
Lopullinen käsittelyprosessi sisältää metallin jalostuksen.

Huolimatta kyseessä olevan malmin louhinnassa ja käsittelyssä kohdatuista vaikeuksista, kyseisen lejeeringin tuotantomäärä kasvaa vuosittain merkittävästi. Tämä johtuu siitä, että metallilla on poikkeukselliset suorituskykyominaisuudet ja sitä käytetään laajasti monilla eri aloilla.

Niobioksidit

Kyseisestä kemiallisesta alkuaineesta voi tulla erilaisten yhdisteiden perusta. Yleisin on niobiumpentoksidi. Tämän yhteyden ominaisuuksista voidaan mainita seuraavat seikat:

Niobiumoksidi on valkoinen kiteinen jauhe, jolla on kermainen sävy.
Aine ei liukene veteen.
Saatu aine säilyttää rakenteensa, kun se sekoitetaan useimpien happojen kanssa.

Niobiumpentoksidin ominaisuudet sisältävät myös seuraavat ominaisuudet:

Lisääntynyt voima.
Korkea tulenkestävyys. Aine kestää jopa 1490 celsiusasteen lämpötiloja.
Kuumennettaessa pinta hapettuu.
Reagoi klooriin ja voidaan pelkistää vedyllä.

Niobiumhydroksidia käytetään useimmissa tapauksissa korkeaseosteisten teräslaatujen valmistukseen, joilla on varsin houkuttelevat suorituskykyominaisuudet.

Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet

Niobiumilla on samanlaiset kemialliset ominaisuudet kuin tantaalilla. Kun harkitset niobin pääominaisuuksia, sinun on kiinnitettävä huomiota seuraaviin kohtiin:

Kestää erilaisia korroosiota. Seoksilla, jotka on saatu lisäämällä tämä elementti koostumukseen, on korkeat korroosionkestävät ominaisuudet.
Kyseisellä alkuaineella on korkea sulamispiste. Kuten käytäntö osoittaa, useimpien metalliseosten sulamispiste on yli 1 400 celsiusastetta. tämä vaikeuttaa prosessointiprosessia, mutta tekee metalleista välttämättömiä eri toiminta-aloilla.
Fysikaalisille perusominaisuuksille on ominaista myös syntyvien metalliseosten hitsauksen helppous.
Nollan pakkasessa elementin rakenne pysyy käytännössä muuttumattomana, mikä mahdollistaa metallin suorituskyvyn säilymisen.
Niobiatomin erityinen rakenne määrää materiaalin suprajohtavat ominaisuudet.
Atomimassa on 92,9, valenssi riippuu koostumuksen ominaisuuksista.

Aineen pääasiallisena etuna pidetään sen tulenkestävyyttä. Siksi sitä alettiin käyttää monilla eri teollisuudenaloilla. Aine sulaa noin 2500 celsiusasteen lämpötilassa. Jotkut seokset jopa sulavat ennätyslämpötilassa 4 500 celsiusastetta. Aineen tiheys on melko korkea, 8,57 grammaa kuutiosenttimetriä kohden. On syytä ottaa huomioon, että metallille on ominaista paramagneettisuus.

Seuraavat hapot eivät vaikuta kidehilaan:

rikki;
suola;
fosfori;
kloori

Ei vaikuta metalli- ja vesipitoisiin klooriliuoksiin. Tietyllä vaikutuksella metalliin sen pinnalle muodostuu dielektrinen oksidikalvo. Siksi metallia alettiin käyttää pienikokoisten suurikapasiteettisten kondensaattoreiden valmistuksessa, jotka valmistetaan myös kalliimmasta tantaalista.

Niobiumin sovellukset

Valmistetaan monenlaisia niobiumtuotteita, joista suurin osa liittyy lentokoneiden tuotantoon. Esimerkkinä on niobin käyttö osien valmistuksessa, jotka asennetaan raketteja tai lentokoneita koottaessa. Lisäksi tälle elementille voidaan erottaa seuraavat käyttötarkoitukset:

Elementtien valmistus, joista tutka-asennuksia valmistetaan.
Kuten aiemmin todettiin, kyseistä metalliseosta voidaan käyttää halvempien kapasitiivisten sähkökondensaattoreiden valmistukseen.
Myös kalvosta valmistetut katodit ja anodit valmistetaan kyseisestä elementistä, johon liittyy korkea lämmönkestävyys.
Voit usein löytää tehokkaita generaattorilamppuja, joissa on verkko. Jotta tämä verkko kestäisi korkeita lämpötiloja, se on valmistettu kyseisestä seoksesta.

Korkeat fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet määräävät niobin käytön nestemäisten metallien kuljetusputkien valmistuksessa. Lisäksi seoksia käytetään säiliöiden valmistukseen monenlaisiin tarkoituksiin.

Seokset niobiumilla

Tällaisia seoksia harkittaessa on otettava huomioon, että tätä elementtiä käytetään usein ferroniobiumin valmistukseen. Tätä materiaalia käytetään laajalti valimoteollisuudessa sekä elektronisten pinnoitteiden valmistuksessa. Sisältää:

rauta;
niobium tantaalin kanssa;
pii;
alumiini;
hiili;
rikki;
fosfori;
titaani.

Pääelementtien pitoisuus voi vaihdella melko laajalla alueella, mikä määrää materiaalin suorituskyvyn.

Vaihtoehtoinen ferroniobiuseos voidaan kutsua niobium 5VMC:ksi. Sitä valmistettaessa käytetään seosaineina volframia, zirkoniumia ja molybdeeniä. Useimmissa tapauksissa tätä hartsia käytetään puolivalmiiden tuotteiden valmistukseen.

Lopuksi toteamme, että joissakin maissa niobiumia käytetään kolikoiden valmistukseen. Tämä johtuu materiaalin melko korkeista kustannuksista. Niobiumia pääelementtinä sisältävien metalliseosten massatuotannon avulla syntyy ainutlaatuisia harkkoja.

Niobiumin käyttö metalliseokseen

Nyt niobin ominaisuuksia ja ominaisuuksia arvostavat ilmailu, koneenrakennus, radiotekniikka, kemianteollisuus ja ydinenergia. Kaikista heistä tuli niobin kuluttajia.

Niobiumin käyttö muilla teollisuudenaloilla

Puhtaan metallin lisäksi samoihin tarkoituksiin käytetään tantalonium-bium-seoksia.

Niobikondensaattorielementit on valmistettu ohuesta kalvosta tai huokoisista levyistä, jotka on puristettu metallijauheista.

Niobiumkarbidi on osa eräitä terästen leikkaamiseen käytettyjä volframikarbidipohjaisia karbidilaatuja.

Niobiumia lisätään myös erilaisiin lämpöä kestäviin teräksiin (esim. kaasuturbiineihin) sekä työkalu- ja magneettiteräksiin.

Orgaanisessa synteesissä joitain niobiyhdisteitä (fluoridikompleksisuoloja, oksideja) käytetään katalyytteinä.

Metallisen niobin sovellukset

Lentokoneiden osat on valmistettu puhtaasta niobiumista tai sen seoksista; uraanin ja plutoniumin polttoaine-elementtien päällysteet; säiliöt ja putket; nestemäisille metalleille; elektrolyyttikondensaattorien osat; "kuumat" liittimet elektronisia (tutka-asennuksia varten) ja tehokkaita generaattorilamppuja (anodit, katodit, ristikot jne.); korroosionkestävät laitteet kemianteollisuudessa.
Muut ei-rautametallit, mukaan lukien uraani, on seostettu niobiumilla.
Niobiumia käytetään kryotroneissa - tietokoneiden suprajohtavissa elementeissä. Niobium tunnetaan myös käytöstään Large Hadron Colliderin kiihdyttävissä rakenteissa.

Metallien väliset yhdisteet ja niobiumin seokset

Suprajohtavien solenoidien valmistukseen käytetään Nb 3 Sn-stannidia ja niobin ja titaanin ja zirkoniumin seoksia.
Niobi ja tantaaliseokset korvaavat monissa tapauksissa tantaalin, mikä antaa suuren taloudellisen vaikutuksen (niobi on halvempaa ja lähes kaksi kertaa kevyempää kuin tantaali).
Ferroniobiumia lisätään ruostumattomiin kromi-nikkeliteräksiin estämään niiden rakeiden välinen korroosio ja tuhoutuminen sekä muihin terästyyppeihin niiden ominaisuuksien parantamiseksi.
Niobiumia käytetään keräilykolikoiden lyömiseen. Näin ollen Latvian keskuspankki väittää, että niobiumia käytetään hopean kanssa yhden latin keräilykolikoissa.

Niobiyhdisteiden käyttö

Nb 2 O 5 -katalyytti kemianteollisuudessa;
tulenkestävän materiaalin, kermettien, erikoistuotteiden tuotannossa. lasi, nitridi, karbidi, niobaatit.
Zirkoniumkarbidin ja uraani-235-karbidin kanssa seostettu niobiumkarbidi (sp. 3480 °C) on kiinteäfaasisten ydinsuihkumoottoreiden polttoainesauvojen tärkein rakennemateriaali.
Niobiumnitridi NbN:llä valmistetaan ohuita ja ultraohuita suprajohtavia kalvoja, joiden kriittinen lämpötila on 5–10 K ja kapea siirtymä luokkaa 0,1 K

Niobiumia lääketieteessä

Sovellus koruissa

Niobiumilla ei ole vain joukko tekniikalle välttämättömiä ominaisuuksia, vaan se näyttää myös melko kauniilta. Jalokivikauppiaat yrittivät käyttää tätä valkoista kiiltävää metallia kellokoteloiden valmistukseen. Niobiumin ja volframin tai reniumin seokset korvaavat joskus jalometalleja: kultaa, platinaa, iridiumia. Jälkimmäinen on erityisen tärkeä, koska niobium-renium-seos ei ainoastaan näytä samanlaiselta kuin metallinen iridium, vaan on melkein yhtä kulutusta kestävä. Tämän ansiosta jotkut maat saattoivat tulla toimeen ilman kallista iridiumia täytekynän kärkien juotoskärkien tuotannossa.

Niobium ensimmäisen sukupolven suprajohtava materiaali

Hämmästyttävän suprajohtavuuden ilmiön, jossa johtimen lämpötilan laskiessa siinä tapahtuu äkillinen sähköresistanssin katoaminen, havaitsi ensimmäisen kerran hollantilainen fyysikko G. Kamerlingh-Onnes vuonna 1911. Ensimmäinen suprajohde osoittautui elohopeaksi, mutta ei se, vaan niobiumista ja joistakin niobin metallien välisistä yhdisteistä oli tarkoitus tulla ensimmäiset teknisesti tärkeät suprajohtavat materiaalit.

Kaksi suprajohteiden ominaisuutta ovat käytännössä tärkeitä: kriittisen lämpötilan arvo, jossa siirtyminen suprajohtavuustilaan tapahtuu, ja kriittinen magneettikenttä (Kamerlingh Onnes havaitsi myös suprajohteen menetyksen suprajohtavuudesta, kun se altistuu riittävän voimakkaalle magneettikentällä ). Vuonna 1975 niobin ja germaniumin intermetallisesta yhdisteestä koostumuksella Nb 3 Ge tuli korkeimman kriittisen lämpötilan ennätys. Sen kriittinen lämpötila on 23,2 °K; Tämä on korkeampi kuin vedyn kiehumispiste. (Useimmat tunnetut suprajohteet muuttuvat suprajohtimiksi vain nestemäisen heliumin lämpötilassa).

Kyky siirtyä suprajohtavuustilaan on ominaista myös niobistannidille Nb 3 Sn, niobiumin ja alumiinin ja germaniumin tai titaanin ja zirkoniumin seoksille. Kaikkia näitä seoksia ja yhdisteitä käytetään jo suprajohtavien solenoidien sekä eräiden muiden tärkeiden teknisten laitteiden valmistukseen.

Yksi aktiivisesti käytetyistä suprajohteista (suprajohtavan siirtymälämpötila 9,25 K). Niobiyhdisteiden suprajohtava siirtymälämpötila on jopa 23,2 K (Nb 3 Ge).
Yleisimmin käytetyt teollisuuden suprajohteet ovat NbTi ja Nb3Sn.
Niobiumia käytetään myös magneettisissa seoksissa.
Käytetään seosaineena.
Niobiumnitridia käytetään suprajohtavien bolometrien valmistukseen.

Niobiumin ja sen tantaaliseosten poikkeuksellinen kestävyys tulistetun cesium-133-höyryn kanssa tekee siitä yhden suosituimmista ja halvimmista rakennemateriaaleista suuritehoisiin lämpögeneraattoreihin.

Mihin perheeseen niobium kuuluu? Niobiumin käyttö metallurgiassa ja teollisuudessa. Menetelmät niobin saamiseksi

Tutorointi

Elementin hankkiminen

Niobioksidit

Fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet

Niobiumin sovellukset

Seokset niobiumilla

Pelottavia tarinoita ja mystisiä tarinoita Jeffin kutsuminen tappajaksi kotona yöllä

Vanukkaiden ja souffleiden valmistus