Физични свойства на ниобия

Ниобият е лъскав сребристосив метал.

Елементарният ниобий е изключително огнеупорен (2468°C) и висококипящ (4927°C) метал, много устойчив на много агресивни среди. Всички киселини, с изключение на флуороводородна киселина, нямат ефект върху него. Окислителните киселини "пасивират" ниобия, покривайки го със защитен оксиден филм (№ 205). Но при високи температури химическата активност на ниобия се увеличава. Ако при 150...200°C се окислява само малък повърхностен слой метал, то при 900...1200°C дебелината на оксидния филм се увеличава значително.

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

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

Възможно е да се отбележат такива свойства на ниобия като високи точки на топене и кипене и др ниска производителностелектронен добив в сравнение с други огнеупорни метали - волфрам и молибден. Последното свойство характеризира способността за емисия на електрони (емисия на електрони), която се използва за използването на ниобий в електрическата вакуумна технология. Ниобият също има висока температура на преход към свръхпроводящо състояние.

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

При обикновени температури ниобият е стабилен на въздух. Началото на окисление (обезцветен филм) се наблюдава при нагряване на метала до 200 - 300°C. Над 500° настъпва бързо окисление с образуването на Nb2O5 оксид.

Топлинната проводимост в W/(m·K) при 0°C и 600°C е съответно 51,4 и 56,2, а същата в cal/(cm·sec·°C) е 0,125 и 0,156. Специфичен обем електрическо съпротивлениепри 0°C 15,22·10-8 ohm·m (15,22·10-6 ohm·cm). Температурата на преход към свръхпроводящо състояние е 9,25 К. Ниобият е парамагнитен. Работа на изход на електрона 4,01 eV.

Чистият ниобий се обработва лесно чрез студено налягане и запазва задоволително механични свойствапри високи температури. Неговата якост на опън при 20 и 800 °C е съответно 342 и 312 Mn/m2, същата в kgf/mm234,2 и 31,2; относителното удължение при 20 и 800 °C е съответно 19,2 и 20,7%. Твърдостта на чистия ниобий по Бринел е 450, техническа 750-1800 Mn/m2. Примесите на някои елементи, особено водород, азот, въглерод и кислород, значително влошават пластичността и увеличават твърдостта на ниобия.

Химични свойства на ниобия

Ниобият е особено ценен заради своята устойчивост на неорганични и органични вещества.

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

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

4Nb+4NaOH+5O2 = 4NaNbO3+2H2O

Другите две са флуороводородна киселина (HF) или нейната смес с азотна киселина (HF+HNO). В този случай се образуват флуоридни комплекси, чийто състав до голяма степен зависи от условията на реакцията. Във всеки случай елементът е част от анион от тип 2- или 2-.

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

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

2Nb + 5Cl2 = 2NbCl5

При нагряване реагира със сяра. Трудно се легира с повечето метали. Може би има само две изключения: желязото, с което се образуват твърди разтвори с различни съотношения, и алуминият, който има съединението Al2Nb с ниобий.

Какви качества на ниобия му помагат да устои на действието на силни киселини - окислители? Оказва се, че това не се отнася до свойствата на метала, а до характеристиките на неговите оксиди. При контакт с окислители върху металната повърхност се появява тънък (затова незабележим), но много плътен слой от оксиди. Този слой се превръща в непреодолима бариера по пътя на окислителя към чистотата метална повърхност. Само определени химични реагенти, по-специално флуорен анион, могат да проникнат през него. Следователно металът е по същество окислен, но на практика резултатите от окисляването са незабележими поради наличието на тънък защитно фолио. Пасивността към разредена сярна киселина се използва за създаване на AC токоизправител. Той е проектиран просто: платинени и ниобиеви плочи се потапят в 0,05 m разтвор на сярна киселина. Ниобият в пасивирано състояние може да провежда ток, ако е отрицателен електрод - катод, тоест електроните могат да преминават през оксидния слой само от страната на метала. Пътят на електроните извън разтвора е затворен. Следователно, когато преминават през такова устройство променлив ток, тогава преминава само една фаза, за която платината е анод, а ниобият е катод.

ниобиев метален халоген

Ниобият е елемент от страничната подгрупа на петата група от петия период на периодичната таблица на химичните елементи на Д. И. Менделеев, атомен номер 41. Означава се със символа Nb (лат. Ниобий).

История на откриването на ниобий

Случи се така, че елемент No41 беше отворен два пъти. За първи път през 1801 г. английският учен Чарлз Хачет изследва проба от истинския минерал, изпратена в Британския музей от Америка. От този минерал той изолира оксида на неизвестен досега елемент. Hatchet нарече новия елемент columbium, като по този начин отбеляза отвъдморския му произход. И черният минерал се нарича колумбит.

Година по-късно шведският химик Екеберг изолира оксида на друг нов елемент от колумбита, наречен тантал. Приликата между съединенията Колумбия и тантал беше толкова голяма, че в продължение на 40 години повечето химици вярваха, че танталът и колумбий са един и същ елемент.

През 1844 г. немският химик Хайнрих Розе изследва проби от колумбит, намерени в Бавария. Той отново открива оксиди на два метала. Един от тях беше оксидът на вече познатия тантал. Оксидите били сходни и, подчертавайки сходството им, Роуз нарекъл елемента, образуващ втория оксид ниобий, след Ниоба, дъщерята на митологичния мъченик Тантал.

Но Роуз, подобно на Хатчет, не успя да получи този елемент в свободно състояние.

Металният ниобий е получен за първи път едва през 1866 г. от шведския учен Blomstrand по време на редукция на ниобиев хлорид с водород. IN края на XIX V. бяха намерени още два начина за получаване на този елемент. Първо, Moissan го получава в електрическа пещ, редуцирайки ниобиев оксид с въглерод, а след това Goldschmidt успява да редуцира същия елемент с алуминий.

И извикайте елемент № 41 в различни странипродължи по различни начини: в Англия и САЩ - с Колумбия, в други страни - с ниобий. Международният съюз за чиста и приложна химия (IUPAC) сложи край на този спор през 1950 г. Беше решено да се легитимира името на елемента „ниобий“ навсякъде и името „колумбит“ беше присвоено на основния минерал ниобий. Формулата му е (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6.

Намиране на ниобий в природата

Кларк ниобий 18 g/t. Съдържанието на ниобий се увеличава от ултраосновни (0,2 g/t Nb) до кисели скали (24 g/t Nb). Ниобият винаги е придружен от тантал. Сходните химични свойства на ниобия и тантала определят съвместното им присъствие в едни и същи минерали и участие в общи геоложки процеси. Ниобият може да замести титана в редица титаносъдържащи минерали (сфен, ортит, перовскит, биотит). Формата на поява на ниобий в природата може да бъде различна: разпръсната (в скалообразуващи и спомагателни минерали на магмени скали) и минерална. Общо са известни повече от 100 минерала, съдържащи ниобий. От тях само няколко са от промишлено значение: колумбит-танталит (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6, пирохлор (Na, Ca, TR, U) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 ( OH, F ) (Nb 2 O 5 0 - 63%), лопарит (Na, Ca, Ce) (Ti, Nb)O 3 ((Nb, Ta) 2 O 5 8 - 10%), евксенит, торолит, илменорутил понякога се използват, както и минерали, съдържащи ниобий като примеси (илменит, каситерит, волфрамит). В алкални - ултраосновни скали, ниобият е диспергиран в минерали от перовскитен тип и в евдиалит. При екзогенни процеси минералите от ниобий и тантал, като стабилни, могат да се натрупват в колувиално-алувиални разсипи (колумбитни разсипи), понякога в боксити на кората на изветряне.

Колумбитът (Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6 е първият ниобиев минерал, познати на човечеството. И същият този минерал е най-богатият на елемент No41. Оксидите на ниобия и тантала представляват до 80% от теглото на колумбита. Има много по-малко ниобий в пирохлор (Ca, Na) 2 (Nb, Ta, Ti) 2 O 6 (O, OH, F) и лопарит (Na, Ce, Ca) 2 (Nb, Ti) 2 O 6. Общо са известни повече от 100 минерала, които съдържат ниобий. Има значителни находища на такива минерали в различни страни: САЩ, Канада, Норвегия, Финландия, но най-големият доставчикАфриканската държава Нигерия навлезе на световния пазар на ниобиеви концентрати. Русия има големи запаси от лопарит, те са открити на полуостров Кола.

Получаване на ниобий

Ниобиевите руди обикновено са сложни и бедни на метали. Рудните концентрати съдържат Nb 2 O 5: пирохлор - най-малко 37%, лопарит - 8%, колумбит - 30-60%. Повечето от тях се преработват чрез алуминиева или силикотермична редукция във ферониобий (40-60% Nb) и феротанталониобий. Металният ниобий се получава от рудни концентрати по сложна технология на три етапа:

1) отваряне на концентрата, 2) разделяне на ниобий и тантал и получаване на техните чисти химични съединения, 3) редукция и рафиниране на метален ниобий и неговите сплави.

Металният ниобий може да бъде получен чрез редуциране на неговите съединения, като ниобиев хлорид или калиев флуоринеобат, при висока температура:

K 2 NbF 7 + 5Na → Nb + 2KF + 5NaF.

Но преди да достигне този по същество краен етап на производство, ниобиевата руда преминава през много етапи на обработка. Първият от тях е обогатяване на руда, получаване на концентрати. Концентратът се слива с различни флюси: сода каустик или сода. Получената сплав се излугва. Но не се разтваря напълно. Неразтворимата утайка е ниобий. Вярно е, че все още е в състава на хидроксид, не е отделен от своя аналог в подгрупата - тантал - и не е пречистен от някои примеси.

Ниобиеви кристали и метален ниобиев куб

До 1866 г. не е бил известен промишлено подходящ метод за разделяне на тантал и ниобий. Първият метод за разделяне на тези изключително сходни елементи е предложен от Jean Charles Galissard de Marignac. Методът се основава на различната разтворимост на комплексните съединения на тези метали и се нарича флуорид. Сложният танталов флуорид е неразтворим във вода, но аналогичното ниобиево съединение е разтворимо.

Флуорният метод е сложен и не позволява пълно разделяне на ниобий и тантал. Ето защо в наши дни почти не се използва. Той беше заменен от методи на селективна екстракция, йонообмен, ректификация на халогениди и др. Тези методи се използват за получаване на петвалентен ниобиев оксид и хлорид.

След разделянето на ниобий и тантал настъпва основната операция - редукция. Ниобиевият пентоксид Nb 2 O 5 се редуцира с алуминиев, натриев, сажди или ниобиев карбид, получен чрез взаимодействие на Nb 2 O 5 с въглерод; Ниобиевият пентахлорид се редуцира с метален натрий или натриева амалгама. Така се получава прахообразен ниобий, който след това трябва да се превърне в монолит, да се направи пластичен, компактен и подходящ за обработка. Подобно на други огнеупорни метали, ниобиевият монолит се произвежда чрез методи на прахова металургия, чиято същност е следната.

Полученият метален прах се пресова под високо налягане (1 t/cm2) в така наречените пръти с правоъгълно или квадратно напречно сечение. Във вакуум при 2300°C тези пръти се синтероват и комбинират в пръти, които се стопяват във вакуумни дъгови пещи, а прътите в тези пещи действат като електрод. Този процес се нарича топене на консумативен електрод.

Монокристален пластмасов ниобий се произвежда чрез електронно лъчево топене в зона без тигел. Същността му е, че мощен лъч електрони се насочва към прахообразен ниобий (операциите по пресоване и синтероване са изключени!), който разтопява праха. Капки метал се стичат върху ниобиевия слитък, който постепенно нараства и се отстранява от работната камера.

Както можете да видите, пътят на ниобия от рудата до метала във всеки случай е доста дълъг, а методите на производство са сложни.

Физични свойства на ниобия

Ниобият е лъскав сребристосив метал.

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

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

Може да се отбележат такива свойства на ниобия като високи точки на топене и кипене, по-ниска работна функция на електрони в сравнение с други огнеупорни метали - волфрам и молибден. Последното свойство характеризира способността за емисия на електрони (емисия на електрони), която се използва за използването на ниобий в електрическата вакуумна технология. Ниобият също има висока температура на преход към свръхпроводящо състояние.

Плътност 8,57 g/cm3 (20 °C); t pl 2500 °C; точка на кипене 4927 °C; парно налягане (в mm Hg; 1 mm Hg = 133,3 n/m 2) 1 10 -5 (2194 °C), 1 10 -4 (2355 °C), 6 10 -4 (при температура на топене), 1·10 -3 (2539 °C).

Топлинната проводимост в W/(m·K) при 0°C и 600°C е съответно 51,4 и 56,2, а същата в cal/(cm·sec·°C) е 0,125 и 0,156. Специфично обемно електрическо съпротивление при 0°C 15,22·10 -8 ohm·m (15,22·10 -6 ohm·cm). Температурата на преход към свръхпроводящо състояние е 9,25 К. Ниобият е парамагнитен. Работа на изход на електрона 4,01 eV.

Чистият ниобий лесно се обработва чрез студено налягане и запазва задоволителни механични свойства при високи температури. Неговата якост на опън при 20 и 800 °C е съответно 342 и 312 Mn/m2, същата в kgf/mm2 34,2 и 31,2; относителното удължение при 20 и 800 °C е съответно 19,2 и 20,7%. Твърдостта по Бринел на чистия ниобий е 450, технически 750-1800 Mn/m2. Примесите на някои елементи, особено водород, азот, въглерод и кислород, значително влошават пластичността и увеличават твърдостта на ниобия.

Химични свойства на ниобия

Химически ниобият е доста стабилен. При калциниране на въздух се окислява до Nb 2 O 5 . За този оксид са описани около 10 кристални модификации. При нормално налягане β-формата на Nb 2 O 5 е стабилна.

Когато Nb 2 O 5 се легира с различни оксиди, се получават ниобати: Ti 2 Nb 10 O 29, FeNb 49 O 124. Ниобатите могат да се разглеждат като соли на хипотетични ниобови киселини. Те се разделят на метаниобати MNbO 3 , ортониобати M 3 NbO 4 , пирониобати M 4 Nb 2 O 7 или полиниобати M 2 O·nNb 2 O 5 (M е еднозареден катион, n = 2-12). Известни са ниобати на двойно и тризаредени катиони.

Ниобатите реагират с HF, стопи хидрофлуориди на алкални метали (KHF 2) и амоний. Някои ниобати с високо съотношение M 2 O/Nb 2 O 5 се хидролизират:

6Na 3 NbO 4 + 5H 2 O = Na 8 Nb 6 O 19 + 10NaOH.

Ниобият образува NbO 2, NbO, серия от оксиди, междинни между NbO 2,42 и NbO 2,50 и близки по структура до β-формата на Nb 2 O 5.

С халогените ниобият образува пентахалогениди NbHal 5, тетрахалогениди NbHal 4 и фази NbHal 2.67 - NbHal 3+x, в които има групи Nb 3 или Nb 2. Ниобиевите пентахалогениди лесно се хидролизират от вода.

Характерно свойство на ниобия е способността да абсорбира газове - водород, азот и кислород. Малките примеси на тези елементи значително влияят на механичните и електрическите свойства на метала. При ниски температури водородът се абсорбира бавно; при температура от приблизително 360°C водородът се абсорбира с максимална скорост и се получава не само адсорбция, но и хидридът NbH. Абсорбираният водород прави метала крехък, но при нагряване във вакуум над 600°C почти целият водород се освобождава и предишните механични свойства се възстановяват.

Ниобият абсорбира азот още при 600°C; при по-висока температура се образува NbN нитрид, който се топи при 2300°C.

Въглеродът и съдържащите въглерод газове (CH 4, CO) при високи температури (1200 - 1400 ° C) взаимодействат с метала, за да образуват твърд и огнеупорен карбид NbC (топи се при 3500 ° C).

С бор и силиций ниобият образува огнеупорен и твърд борид и силицид NbB 2 (топи се при 2900°C).

В присъствието на водна пара и кислород, NbCl 5 и NbBr 5 образуват оксихалогениди NbOCl 3 и NbOBr 3 - рохкави вещества, подобни на памучна вата.

При взаимодействие на ниобий и графит се образуват карбиди Nb 2 C и NbC, твърди топлоустойчиви съединения. В системата Nb - N има няколко фази с променлив състав и нитриди Nb 2 N и NbN. Ниобият се държи по подобен начин в системи с фосфор и арсен. При взаимодействие на ниобий със сяра се получават следните сулфиди: NbS, NbS 2 и NbS 3. Синтезирани са двойни флуориди Nb и калий (натрий) - K 2.

Ниобият е устойчив на действието на солна, сярна, азотна, фосфорна и органични киселини с всякаква концентрация на студено и при 100 - 150°C. Металът се разтваря във флуороводородна киселина и особено интензивно в смес от флуороводородна и азотна киселини.

Ниобият е по-малко стабилен в основи. Горещи разтвори на каустични алкали забележимо корозират метала; в разтопени алкали и сода той бързо се окислява, за да образува натриева сол на ниобовата киселина.

Все още не е възможно ниобият да се изолира електрохимично от водни разтвори. Възможно е електрохимично да се произвеждат сплави, съдържащи ниобий. Металният ниобий може да бъде изолиран чрез електролиза на безводна солна стопилка.

Конфигурацията на външните електрони на Nb атома е 4d 4 5s l. Най-стабилните съединения са петвалентен ниобий, но са известни и съединения със степен на окисление + 4, +3, +2 и +1, към образуването на които ниобият е по-склонен от тантала. Например, в системата ниобий-кислород са установени следните фази: Nb 2 O 5 оксид (топилка 1512 ° C, бял), нестехеометричен NbO 2.47 и NbO 2.42, NbO 2 оксид (топилка 2080 ° C, черен) , NbO оксид (т.т. 1935 °C, сив цвят) и твърд разтвор на кислород в ниобий. NbO 2 - полупроводник; NbO, разтопен в слитък, има метален блясък и електропроводимост от метален тип, забележимо се изпарява при 1700 ° C, интензивно при 2300-2350 ° C, което се използва за вакуумно пречистване на ниобий от кислород; Nb 2 O 5 е киселинен по природа; ниобовите киселини не са изолирани под формата на специфични химични съединения, но са известни техните соли, ниобати.

С водорода Nb образува интерстициален твърд разтвор (до 10 at.% H) и хидрид със състав от NbH 0,7 до NbH. Разтворимост на водород в Nb (в g/cm3) при 20 °C 104, при 500 °C 74,4, при 900 °C 4,0. Абсорбцията на водорода е обратима: при нагряване, особено във вакуум, се отделя водород; това се използва за пречистване на Nb от водород (което прави метала чуплив) и за хидрогениране на компактен Nb: крехкият хидрид се раздробява и дехидрогенира във вакуум, като се получава чист ниобиев прах за електролитни кондензатори. Разтворимостта на азота в ниобия е (% тегловни) съответно 0,005, 0,04 и 0,07 при 300, 1000 и 1500 °C. Ниобият се рафинира от азот чрез нагряване във висок вакуум над 1900 °C или чрез стапяне във вакуум. Висшият нитрид NbN е светлосив с жълтеникав оттенък; температурата на преход към свръхпроводящо състояние е 15,6 K. С въглерод при 1800-2000 ° C Nb образува 3 фази: α-фаза - твърд разтвор на въглеродна интеркалация в ниобий, съдържащ до 2 ат.% C при 2335 ° C; β-фаза - Nb 2 C, δ-фаза - NbC.

Химичен състав на ниобий в слитъци и пръти

		Примеси, %, не повече

Ниобиеви слитъци
	ГОСТ 16099-70


Ниобий в пръчки
	ГОСТ 16100-70

Приложения на ниобий

Сега свойствата и възможностите на ниобия са оценени от авиацията, машиностроенето, радиотехниката, химическата промишленост и ядрената енергетика. Всички те станаха потребители на ниобий.

Уникалното свойство - липсата на забележимо взаимодействие на ниобий с уран при температури до 1100 ° C и в допълнение добра топлопроводимост, малко ефективно напречно сечение на поглъщане на топлинни неутрони - направи ниобия сериозен конкурент на металите, признати в ядрената индустрия - алуминий, берилий и цирконий. В допълнение, изкуствената (предизвикана) радиоактивност на ниобия е ниска. Следователно от него могат да се направят контейнери за съхранение на радиоактивни отпадъци или инсталации за тяхното използване.

Производство на ниобий в Русия

IN последните годиниСветовното производство на ниобий е на ниво от 24-29 хиляди тона. Трябва да се отбележи, че световният пазар на ниобий е значително монополизиран от бразилската компания CBMM, която представлява около 85% от световното производство на ниобий.
Основният потребител на продукти, съдържащи ниобий (предимно ферониобий), е Япония. Тази страна внася годишно над 4 хиляди тона ферониобий от Бразилия. Следователно японските вносни цени за продукти, съдържащи ниобий, могат да се приемат с голяма увереност като близки до средните за света.
През последните години се наблюдава тенденция за покачване на цените на ферониобия. Това се дължи на нарастващото му използване за производството на нисколегирани стомани, предназначени основно за нефтопроводи и газопроводи. Като цяло трябва да се отбележи, че през последните 15 години световното потребление на ниобий се е увеличило средно с 4-5% годишно.
Със съжаление трябва да признаем, че Русия е встрани от пазара на ниобий. В началото на 90-те години, според специалистите на Giredmet, бившият СССР произвежда
Бяха изразходвани около 2 хиляди тона ниобий (по отношение на ниобиев оксид). В момента потреблението на ниобиеви продукти от руската промишленост не надвишава само 100 - 200 тона.
Трябва да се отбележи, че в бившия СССР бяха създадени значителни мощности за производство на ниобий, разпръснати в различни републики - Русия, Естония, Казахстан. Тази традиционна характеристика на развитието на промишлеността в СССР сега постави Русия в много трудна ситуация по отношение на много видове суровини и метали.
Пазарът на ниобий започва с производството на ниобий-съдържащи суровини. Основният му вид в Русия беше и остава лопаритен концентрат, произведен в Ловозерския ГОК (сега Sevredmet JSC, Мурманска област). Преди разпадането на СССР предприятието произвежда около 23 хиляди тона лопаритен концентрат (съдържанието на ниобиев оксид е около 8,5%). Впоследствие производството на концентрат постоянно намалява, през 1996-1998г. Компанията спря няколко пъти поради липса на продажби. В момента се оценява, че производството на лопаритен концентрат в предприятието е на ниво от 700 - 800 тона на месец.
Трябва да се отбележи, че предприятието е доста строго обвързано с единствения си потребител - Соликамския магнезиев завод. Факт е, че лопаритният концентрат е доста специфичен продукт, който се получава само в Русия. Технологията му на обработка е доста сложна поради комплекса от редки метали, които съдържа (ниобий, тантал, титан). Освен това концентратът е радиоактивен, поради което до голяма степен всички опити за навлизане на световния пазар с този продукт завършиха напразно. Трябва също да се отбележи, че е невъзможно да се получи ферониобий от лопаритен концентрат.
През 2000 г. в завода Sevredmet компанията Rosredmet стартира експериментална инсталация за преработка на лопаритен концентрат, за да произвежда, наред с други метали, продаваеми продукти, съдържащи ниобий (ниобиев оксид).

Основните пазари за ниобиеви продукти на SMZ са страни извън ОНД: доставките се извършват в САЩ, Япония и европейски страни. Делът на износа в общото производство е над 90%.
Значителни мощности за производство на ниобий в СССР са съсредоточени в Естония - в Химическото и металургично производствено обединение Силамае (Силламае). Сега естонската компания се казва Silmet. В съветско време предприятието преработваше лопаритен концентрат от минно-обогатителния комбинат в Ловоозерск, а от 1992 г. доставката му беше спряна. В момента Silmet обработва само малък обем ниобиев хидроксид от магнезиевия завод в Соликамск. Понастоящем компанията получава повечето си суровини, съдържащи ниобий, от Бразилия и Нигерия. Ръководството на предприятието не изключва доставката на лопаритен концентрат, но Sevredmet се опитва да следва политика за преработката му на местно ниво, тъй като износът на суровини е по-малко изгоден от готовите продукти.

Производство на ниобиеви полупроводници в Русия

Единственото руско производство на свръхпроводници на базата на ниобий-калай и ниобий-титан, създадено през 2009 г. в OJSC ChMP, е затворен цикъл, започвайки от производството на изходни материали и компоненти (ниобий, ниобий-титанови сплави, бронз с високо съдържание на калай) до готови нишки на свръхпроводници, оборудвани със зони за измерване на електрически характеристики и мониторинг на параметрите на целия технологичен етап. Създаването на мащабно производство на свръхпроводящи материали се извършва под научното ръководство на АО ВНИИНМ им. А.А. Бочвара“.

Общо до 2013 г. Чепецкият механичен завод ще произведе 170 тона SPM за проекта ITER на базата на ниобий-титан и ниобий-калай.

Ниобий(лат. Niobium), Nb, химически елемент V група от периодичната система на Менделеев; атомен номер 41, атомна маса 92,9064; метал сиво-стоманен цвят. Елементът има един естествен изотоп, 93 Nb.

Ниобият е открит през 1801 г. от английския учен К. Хачет (1765-1847) в минерал, открит в Колумбия, и той го нарече "Колумбий". През 1844 г. немският химик G. Roes (1795-1864) открива "нов" елемент и го нарича "ниобий" в чест на дъщерята на Тантал Ниоба, което подчертава приликите между ниобия и тантала. По-късно беше установено, че ниобият е същият елемент като Колумбия.

Разпространение на ниобия в природата.Средното съдържание на ниобий в земната кора (кларк) е 2·10 -3% от масата. Само в алкални магмени скали - нифелинови сиенити и други, съдържанието на ниобий е повишено до 10 -2 - 10 -1%. В тези скали и свързаните с тях пегматити, карбонатити, както и в гранитни пегматити са открити 23 ниобиеви минерала и около 130 други минерали, съдържащи повишени количества ниобий. Това са предимно сложни и прости оксиди. В минералите Nb се свързва с редкоземни елементи и с Ta, Ti, Ca, Na, Th, Fe, Ba (тантал-ниобати, титанати и други). От 6-те промишлени минерала пирохлорът и колумбитът са най-важните. Промишлените находища на ниобий са свързани с масиви от алкални скали (например на полуостров Кола), техните изветрителни кори, както и с гранитни пегматити. важноИма и разсипи от танталониеви бати.

В биосферата геохимията на ниобия е слабо проучена. Установено е, че в райони на алкални скали, обогатени с ниобий, той мигрира под формата на съединения с органични и други комплекси. Известни са ниобиеви минерали, образувани при изветряне на алкални скали (мурманит, герасимовскит и др.). IN морска водасамо около 1·10 -9% ниобий по маса.

Физични свойства на ниобия.Кристалната решетка на ниобия е обемно-центрирана кубична с параметър a = 3,294 Å. Плътност 8,57 g/cm3 (20 °C); t pl 2500 °C; точка на кипене 4927 °C; парно налягане (в mm Hg; 1 mm Hg = 133,3 n/m 2) 1 10 -5 (2194 °C), 1 10 -4 (2355 °C), 6 10 -4 (при температура на топене), 1·10 -3 (2539 °C). Топлинната проводимост в W/(m·K) при 0°C и 600°C е съответно 51,4 и 56,2, а същата в cal/(cm·sec·°C) е 0,125 и 0,156. Специфично обемно електрическо съпротивление при 0°C 15,22·10 -8 ohm·m (15,22·10 -6 ohm·cm). Температурата на преход към свръхпроводящо състояние е 9,25 К. Ниобият е парамагнитен. Работа на изход на електрона 4,01 eV.

Химични свойства на ниобия.По химични свойства ниобият е близък до тантала. И двата са изключително устойчиви (тантал повече от ниобий) на студ и при леко нагряване на действието на много агресивни среди. Компактният ниобий се окислява забележимо на въздух само над 200 °C. Ниобият се влияе от: хлор над 200 °C, водород при 250 °C (интензивно при 360 °C), азот при 400 °C. Течният Na, K и техните сплави Li, Bi, Pb, Hg, Sn, които се използват като течни метални охладители в ядрени реактори, практически нямат ефект върху ниобия, пречистен от кислородни примеси.

Ниобият е устойчив на много киселини и солни разтвори. Не се повлиява от царска вода, солна и сярна киселина при 20 °C, азотна, фосфорна, перхлорна киселина и водни разтвори на амоняк. Флуороводородната киселина, нейната смес с азотна киселина и алкали разтварят ниобий. В киселинните електролити върху ниобия се образува аноден оксиден филм с високи диелектрични характеристики, което прави възможно използването на ниобий и неговите сплави с Ta вместо дефицитния чист Ta за производството на миниатюрни електролитни кондензатори с голям капацитет с ниски токове на утечка.

Конфигурацията на външните електрони на Nb атома е 4d 4 5s l. Най-стабилните съединения са петвалентен ниобий, но са известни и съединения със степен на окисление + 4, +3, +2 и +1, към образуването на които ниобият е по-склонен от тантала. Например, в системата ниобий-кислород са установени следните фази: Nb 2 O 5 оксид (топилка 1512 ° C, бял), нестехеометричен NbO 2.47 и NbO 2.42, NbO 2 оксид (топилка 2080 ° C, черен) , NbO оксид (т.т. 1935 °C, сив цвят) и твърд разтвор на кислород в ниобий. NbO 2 - полупроводник; NbO, разтопен в слитък, има метален блясък и електропроводимост тип метал, забележимо се изпарява при 1700 °C, интензивно при 2300-2350 °C, което се използва за вакуумно пречистване на ниобий от кислород; Nb 2 O 5 е киселинен по природа; ниобовите киселини не са изолирани под формата на специфични химични съединения, но са известни техните соли, ниобати.

Получаване на ниобий. Nb рудите обикновено са сложни и с ниско съдържание на Nb, въпреки че техните запаси далеч надвишават тези на Ta рудите. Рудните концентрати съдържат Nb 2 O 5: пирохлор - най-малко 37%, лопарит - 8%, колумбит - 30-60%. Повечето от тях се преработват чрез алумино- или силикотермична редукция във ферониобий (40-60% Nb) и феротанталониобий. Металик Nb се получава от рудни концентрати по сложна технология в три етапа: 1) отваряне на концентрата, 2) разделяне на Nb и Ta и получаване на техните чисти химични съединения, 3) редукция и рафиниране на метален ниобий и неговите сплави. Основен индустриални методипроизводство на Nb и сплави - алуминотермично, натриево термично, карботермично: от смес от Nb 2 O 5 и сажди, карбидът се получава първо при 1800 ° C във водородна атмосфера, след това от смес от карбид и оксид (V) при 1800 -1900°C във вакуум - метал; за получаване на ниобиеви сплави към тази смес се добавят оксиди на легиращи метали; според друг вариант ниобият се редуцира при висока температура във вакуум директно от Nb 2 O 5 със сажди. Ниобият се редуцира чрез натриев термичен метод от K 2 NbF 7 с натрий и чрез алуминотермичен метод чрез алуминий от Nb 2 O 5 . Компактен метал (сплав) се произвежда чрез използване на методи на праховата металургия, синтероване на пръти, пресовани от прахове във вакуум при 2300 °C, или електронен лъч и вакуумно дъгово топене; монокристали Nb с висока чистота - зоново топене на електронен лъч без тигел.

Приложение на ниобий.Използването и производството на ниобий бързо се увеличават, което се дължи на комбинация от такива свойства като огнеупорност, малко напречно сечение за улавяне на топлинни неутрони (1,15 b), способността да се образуват топлоустойчиви, свръхпроводящи и други сплави, устойчивост на корозия, геттерни свойства, ниска работна функция на електрони, добра студена обработваемост и заваряемост. Основните области на приложение на ниобия: ракетна техника, авиационна и космическа техника, радиотехника, електроника, химическо инженерство, ядрена енергия. Частите на самолетите са направени от чист ниобий или негови сплави; обвивки за уранови и плутониеви горивни елементи; контейнери и тръби за течни метали; части от електрически кондензатори; "гореща" арматура за електронни (за радарни инсталации) и мощни генераторни лампи (аноди, катоди, решетки и други); устойчиво на корозия оборудване в химическата промишленост. Други цветни метали, включително уран, са легирани с ниобий. Ниобий се използва в криотрони - свръхпроводящи елементи на компютри, и Nb 3 Sn станнид и Nb сплави с Ti и Zr - за производството на свръхпроводящи соленоиди. Nb и сплавите с Ta в много случаи заместват Ta, което дава голям икономически ефект (Nb е по-евтин и почти два пъти по-лек от Ta). Ферониобият се въвежда в неръждаемите хром-никелови стомани, за да се предотврати тяхната междукристална корозия и разрушаване и в други видове стомани, за да се подобрят техните свойства. Използват се и ниобиеви съединения: Nb 2 O 5 (катализатор в химическата промишленост; в производството на огнеупори, металокерамика, специални стъкла), нитрид, карбид, ниобати.

Има доста голям бройелементи, които, когато се комбинират с други вещества, образуват сплави със специални експлоатационни свойства. Пример за това е ниобият, елемент, който първоначално е наречен „колумбий“ (след името на реката, където е открит за първи път), но по-късно е преименуван. Ниобият е метал с доста необичайни свойства, за които ще говорим по-подробно по-късно.

Получаване на елемент

Когато се разглеждат свойствата на ниобия, трябва да се отбележи, че съдържанието на този метал на тон скала е сравнително малко, приблизително 18 грама. Ето защо след откриването му са направени доста опити металът да бъде получен по изкуствен път. За сметка на някой близък химичен съставТова вещество често се добива заедно с тантал.

Депозитите на ниобий са разположени почти по целия свят. Пример са мините в Конго, Руанда, Бразилия и много други страни. Въпреки това, този елемент не може да се нарече широко разпространен, в много региони той практически не се среща дори в ниски концентрации.

Сравнително малката концентрация на веществото в земната скала се утежнява от трудностите, срещани при получаването му от концентрат. Струва си да се има предвид, че ниобий NBS може да се получи само от скала, която е наситена с тантал. Характеристика производствен процесНека назовем следните точки:

Като начало в завода се доставя концентрирана руда, която преминава през няколко етапа на пречистване. При производството на ниобий получената руда се разделя на чисти елементи, включително тантал.
Последният процес на обработка включва рафиниране на метала.

Въпреки трудностите, които срещат при добива и преработката на въпросната руда, всяка година обемът на производство на въпросната сплав се увеличава значително. Това се дължи на факта, че металът има изключителни експлоатационни качества и се използва широко в голямо разнообразие от индустрии.

Ниобиеви оксиди

Въпросният химичен елемент може да стане основата на различни съединения. Най-често срещаният е ниобиев пентоксид. Сред характеристиките на тази връзка могат да се отбележат следните точки:

Ниобиевият оксид е бял кристален прах с кремав оттенък.
Веществото не се разтваря във вода.
Полученото вещество запазва структурата си при смесване с повечето киселини.

Характеристиките на ниобиев пентоксид също включват следните свойства:

Повишена сила.
Висока огнеупорност. Веществото може да издържа на температури до 1490 градуса по Целзий.
При нагряване повърхността се окислява.
Реагира на хлор и може да се редуцира с водород.

Ниобиевият хидроксид в повечето случаи се използва за производство на високолегирани стомани, които имат доста атрактивни експлоатационни свойства.

Физични и химични свойства

Ниобият има химични свойства, подобни на химични свойстватантал. Когато разглеждате основните характеристики на ниобия, трябва да обърнете внимание на следните точки:

Устойчивост на удар различни видовекорозия. Сплави, получени по време на изпълнение на този елементсъстав, имат високи качества за устойчивост на корозия.
Въпросният химичен елемент има висока точка на топене. Както показва практиката, повечето сплави имат точка на топене над 1400 градуса по Целзий. това усложнява процеса на обработка, но прави металите незаменими в различни полетадейности.
Основен физически свойствасъщо се характеризират с лекота на заваряване на получените сплави.
При отрицателни температури структурата на елемента остава практически непроменена, което ви позволява да запазите експлоатационни свойстваметал
Специалната структура на ниобиевия атом определя свръхпроводящите качества на материала.
Атомната маса е 92,9, валентността зависи от характеристиките на състава.

Основното предимство на веществото се счита за неговата огнеупорност. Ето защо той започна да се използва в голямо разнообразие от индустрии. Веществото се топи при температура около 2500 градуса по Целзий. Някои сплави дори се топят при рекордна температура от 4500 градуса по Целзий. Плътността на веществото е доста висока, 8,57 грама на кубичен сантиметър. Струва си да се има предвид, че металът се характеризира с парамагнитност.

Следните киселини не влияят на кристалната решетка:

сярна;
сол;
фосфор;
хлор

Не засяга метални и водни хлорни разтвори. При известно въздействие върху метала върху повърхността му се образува диелектричен оксиден филм. Ето защо металът започва да се използва в производството на миниатюрни кондензатори с голям капацитет, които също са направени от по-скъп тантал.

Приложения на ниобий

Повечето различни продуктиот ниобий, повечето откоето е свързано с производството на авиационна техника. Пример е използването на ниобий в производството на части, които се монтират по време на сглобяването на ракети или самолети. Освен това може да се подчертае следващо приложениена този елемент:

Производство на елементи, от които се изработват радарни инсталации.
Както беше отбелязано по-рано, въпросната сплав може да се използва за производството на по-евтини капацитивни електрически кондензатори.
Катодите и анодите от фолио също се изработват с помощта на въпросния елемент, който се свързва с висока устойчивост на топлина.
Често можете да намерите проекти на мощни генераторни лампи, които имат решетка вътре. За да издържи тази мрежа на удара висока температуратой е направен от въпросната сплав.

Високите физични и химични качества определят използването на ниобий в производството на тръби за транспортиране на течни метали. В допълнение, сплавите се използват за производство на контейнери за голямо разнообразие от цели.

Сплави с ниобий

При разглеждането на такива сплави трябва да се има предвид, че този елемент често се използва за производството на ферониобий. Този материал получен широко приложениев леярската промишленост, както и в производството на електронни покрития. Включва:

желязо;
ниобий с тантал;
силиций;
алуминий;
въглерод;
сяра;
фосфор;
титан.

Концентрацията на основните елементи може да варира в доста широк диапазон, което определя ефективността на материала.

Алтернативна ферониобиева сплав може да се нарече ниобий 5VMC. При производството му като легиращи елементи се използват волфрам, цирконий и молибден. В повечето случаи тази смола се използва за производството на полуготови продукти.

В заключение отбелязваме, че ниобият се използва при производството на монети в някои страни. Това се дължи на доста високата цена на материала. С масовото производство на сплави, които съдържат ниобий като основен елемент, се създават уникални слитъци.