Ниобий — свойства, применение и сплавы ниобия. Применение ниобия. Производство ниобия в России Сплавы с ниобием

Существует довольно большое количество элементов, которые при соединении с другими веществами образуют сплавы с особыми эксплуатационными качествами. Примером можно назвать ниобий – элемент, который получил сначала название «колумбий» (по названию реки, где он впервые найден), но после был переименован. Ниобий – металл с довольно необычными свойствами, о которых далее поговорим подробнее.

Получение элемента

При рассмотрении свойств ниобия следует отметить, что содержание этого металла на тонну породы относительно невелико, составляет примерно 18 грамм. Именно поэтому после его открытия было предпринято довольно много попыток получения металла искусственным путем. За счет близкого химического состава это вещество достаточно часто добывается вместе с танталом.

Месторождения ниобия расположены практически по всему миру. Примером назовем рудники в Конго, Руанде, Бразилии и в многих других странах. Однако этот элемент нельзя назвать распространенным, во многих регионах он практически не встречается даже в малой концентрации.

Относительно небольшая концентрация вещества в земной породе усугубляется сложностями, возникающими при его получении из концентрата. Стоит учитывать, что ниобий НБШ получить можно только из породы, которая насыщена танталом. Особенностями производственного процесса назовем нижеприведенные моменты:

1. Для начала на завод поставляется концентрированная руда, которая проходит несколько этапов очистки. При производстве ниобия проводится разделение получаемой руды на чистые элементы, среди которых и тантал.
2. Завершающий процесс переработки заключается в рафинировании металла.

Несмотря на возникающие сложности при добыче и переработке рассматриваемой руды, с каждым годом объем производства рассматриваемого сплава существенно возрастает. Это связано с тем, что металл обладает исключительными эксплуатационными качествами и получил большое распространение в самых различных отраслях промышленности.

Оксиды ниобия

Рассматриваемый химический элемент может стать основой различных соединений. Самым распространенным можно назвать пятиокись ниобия. Среди особенностей данного соединения можно отметить нижеприведенные моменты:

1. Оксид ниобия представлен белым кристаллическим порошком, который имеет кремовый оттенок.
2. Вещество не растворяется в воде.
3. Получаемое вещество сохраняет свою структуру при смешивании с большинства кислотами.

К особенностям пентаоксида ниобия также можно отнести следующие свойства:

1. Повышенная прочность.
2. Высокая тугоплавкость. Вещество способно выдерживать температуру до 1490 градусов Цельсия.
3. При нагреве поверхность окисляется.
4. Реагирует на воздействие хлора, может восстанавливаться водородом.

Гидроксид ниобия в большинстве случаев применяется для получения высоколегированных марок стали, которые обладают довольно привлекательными эксплуатационными качествами.

Физические и химические свойства

Ниобий имеет химические свойства схожие с химическими свойствами тантала. Рассматривая основные характеристики ниобия, нужно уделить внимание нижеприведенным моментам:

1. Устойчивость к воздействию различных видов коррозии. Сплавы, получаемые при внедрении данного элемента в состав, обладают высокими коррозионностойкими качествами.
2. Рассматриваемый химический элемент демонстрирует высокий показатель температуры плавления. Как показывает практика, у большинства сплавов температура плавления более 1 400 градусов Цельсия. это усложняет процесс обработки, но делает металлы незаменимы в различных сферах деятельности.
3. Основные физические свойства также характеризуются легкостью сваривания получаемых сплавов.
4. При отрицательных температурах структура элемента остается практически неизменной, что позволяет сохранить эксплуатационные свойства металла.
5. Особое строение атома ниобия определяет сверхпроводящие качества материала.
6. Атомная масса составляет 92,9, валентность зависит от особенностей состава.

Основным достоинством вещества считается именно тугоплавкость. Именно поэтому он стал применяться в самых различных отраслях промышленности. Плавление вещества проходит при температуре около 2 500 градусов Цельсия. Некоторые сплавы и вовсе плавятся при рекордной температуре 4 500 градусов Цельсия. Плотность вещества достаточно высокая, составляет 8,57 грамма на кубический сантиметр. Стоит учитывать, что металл характеризуется парамагнитностью.

На кристаллическую решетку не оказывают воздействия следующие кислоты:

1. серная;
2. соляная;
3. фосфорная;
4. хлорная.

Не оказывает воздействие на металл и водные растворы хлора. При определенном воздействии на металл на его поверхности образуется диэлектрическая оксидная пленка. Именно поэтому металл стал использоваться при производстве миниатюрных высокоемкостных конденсаторов, которые также изготавливаются из более дорогостоящего тантала.

Применение ниобия

Изготавливаются самые различные изделия из ниобия, большая часть которых связана с выпуском авиационной техники. Примером можно назвать применение ниобия в изготовлении деталей, которые устанавливаются при сборе ракет или самолетов. Кроме этого, можно выделить следующее применение данного элемента:

1. Производство элементов, из которых изготавливают радарные установки.
2. Как ранее было отмечено, для получения более дешевых емкостных электрических конденсаторов может применяться рассматриваемый сплав.
3. Катоды, аноды из фольги тоже изготавливают при применении рассматриваемого элемента, что связано с высокой жаропрочностью.
4. Часто можно встретить конструкции мощных генераторных ламп, которые имеют внутри сетку. Для того чтобы эта сетка выдержала воздействие высокой температуры ее изготавливают из рассматриваемого сплава.

Высокие физические и химические качества определяют применение ниобия при производстве труб для транспортировки жидких металлов. Кроме этого, сплавы применяются для получения контейнеров самого различного предназначения.

Сплавы с ниобием

Рассматривая подобные сплавы следует учитывать, что часто этот элемент применяется для производства феррониобия. Этот материал получил широкое применение в литейных отраслях индустрии, а также при изготовлении электронных покрытий. В состав входит:

1. железо;
2. ниобий с танталом;
3. кремний;
4. алюминий;
5. углерод;
6. сера;
7. фосфор;
8. титан.

Концентрация основных элементов может варьироваться в достаточно большом диапазоне, от чего и зависят эксплуатационные качества материала.

Альтернативным сплавов феррониобия можно назвать ниобий 5ВМЦ. При его получении в качестве легирующих элементов используется вольфрам, цирконий и молибден. В большинстве случаев этот спав используется для производства полуфабрикатов.

В заключение отметим, что ниобий в некоторых странах применяется при производстве монет. Это связано с достаточно высокой стоимостью материала. При массовом выпуске сплавов, которые в качестве основного элемента имеют в составе ниобий, создаются своеобразные слитки.

Социально-экономические и гуманитарные науки

УДК 553.98 " = . "

ДОБЫЧА НИОБИЯ В РОССИИ

Г.Ю. Боярко*, В.Ю. Хатьков**

, * Томский политехнический университет

** Аппарат Правительства Российской Федерации. " "

E-mail: [email protected]

Добыча ниобия в России осуществляется на Ловозерском месторождении (Мурманская область) в виде лопаритового концентрата и на Татарском месторождении (Красноярский край) в виде пирохлоровото концентрата, а переработка ~ на Соликамском магниевом (Пермская область)"и Ключевском ферросплавном (Свердловская область) заводах. В результате вертикальной интеграции российских потребителей ниобия с добывающими предприятиями ликвидирована зависимость от импорта ниобиевых продуктов. Возможно вовлечение в производство нового редкоземельно-ниобиевого месторождения Томтор (Республика Саха-Якутия) и восстановление прежнего уровня добычи на Етыкинском тантало-ниобиевом месторождении (Читинская область). Ввиду наличия естественной мировой монополии бразильских продуцентов ниобия, российским ниобийдобы-вающим предприятиям следует ориентироваться преимущественно на металлургический рынок России, Украины, Казахстана и Китая.

Ниобий - тяжелый тугоплавкий металл, обладающий высокой пластичностью, коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и малым сечением захвата тепловых нейтронов. Он входит в состав жаропрочных и сверхпроводящих сплавов, а стали, легированные ниобием, обладают высокой прочностью и значительной пластичностью, моро-зо- и коррозионностойкостью. Основное потребление ниобия приходится на производство трубной продукции большого диаметра для магистральных трубопроводов из низколегированных (0,07...0,08 % №)) сталей. Низколегированные ниобиевые стали находят применение при изготовлении строительных конструкций, мостостроении, в дорожном и горном машиностроении, авиа- и автомобилестроении, при изготовлении оборудования для глубокого нефтяного бурения, аппаратуры для химической и нефтехимической промышленности и т.д. Сплавы ниобия с оловом, титаном и цирконием широко используются при изготовлении сверхпроводящих соленоидов для мощных электромагнитов, применяемых в магнитных сепараторах, ускорителях заряженных частиц, МГД-генераторах. Синтетические монокристаллы ниобатов лития и свинца используются в оптических затворах и акустоэлект-ронных устройствах. Объем мирового потребления ниобия составляет 25...26 тыс. т в год, причем наблюдается его отчетливый рост на 2...2,5 % в год . Лидируют в потреблении ниобия Япония (30 % мирового спроса),США (около 25 %) и страны Европейского Союза. Цены на ниобиевые продукты приведены в таблице. г

Ниобий извлекается гидрометаллургическими и пирометаллургическими методами из концентратов ниобиевых минералов - пирохлора {NaCaNb206F} (до 90 % мирового предложения), колумбит-танта-лита {(Fe,Mn)(Nb,Ta)206} (до 5 %) и лопарита {(Ca,TR)(Ti,Ta,Nb)02} (только в России). При их переработке попутно извлекается тантал (в отношении Ta/Nb= 1/10), а из лопарита - еще редкоземельные металлы и титан.

Мировая добыча ниобия составляет 25,7 тыс. т (2002 г.), причем 22 тыс. т приходится на бразильскую компанию Companhia Brasileira de Metalurgia e Minera^So Cia Brasileira de Metalurgia Minera?ao (CBMM), которая является естественным монополистом в производстве пирохлоровых концентратов, феррониобия (до 18 тыс. т в год), ниобия ме-

Таблица. Цены на ниобиевые (и попутные танталовые) продукты

Товарные продукты Цены, $ США за кг

Пирохлоровый концентрат (в пересчете на N^05) 6,0...6,5

Колумбитовый концентрат (в пересчете на N1^05) 6,5...7,0

Танталитовый концентрат (в пересчете наТа205) 65.. /75

Лопаритовый концентрат 1,1-

Феррониобий 14,5...15,5

Ниобий металлический 14,0.. Л 4,5

Тантал в порошке,. ■ 200...230

Тантал металлический 200...210

таллического и тантала. Она ведет отработку площадной коры выветривания на карбонатитовом массиве Араша (штат Амазонас) со средним содержанием 2,5 % Nb205 (4,3 млрд т руды) и оловоруд-ном месторождении Питанга содержащим 4,3 % Nb205 (30 млн т руды). Часть концентратов СВММ перерабатывается консолидированной компанией Catalao de Goäis (Mineralo Cataloa), выпускающей в год до 3,5 тыс. т феррониобия. В качестве резерва на территории Бразилии в пределах национального парка Пику-да-Неблина находится месторождение Сейс-Лагос с запасами 2,9 млрд т руды со средним содержанием Nb205 2,8 %. В Канаде добыча ниоби-евых руд осуществляется на месторождении Сент-Оноре (рудник Ниобик, штат Квебек) со средним содержанием Nb205 0,6 %. Добычей руд и переработкой концентратов занимаются две фирмы - Teck Corp. и Cambior Inc., которые в 2002 г. поставили на мировой рынок 3,2 тыс. т феррониобия. В крайне небольших количествах различные ниобиевые продукты (главным образом пирохлоровые концентраты) производят в Австралии (месторождение Грин-бушес), Нигерии (Плато Джое), Мозамбике (Мбея), Замбии (Луэш) и Конго (Маноно-Китололо).

В эпоху плановой экономики СССР добывал и производил до 2000 т ниобиевых продуктов (в пересчете на оксид ниобия), занимая третье место по добыче (после Бразилии и Канады) и четвертое по потреблению (после Японии, США и Германии). После развала единого экономического пространства на национальные анклавы СНГ технологическая цепочка редкометальной промышленности была разорвана, отдельные ее фрагменты стали нерентабельными. В результате этого российские потребители вынуждены стали удовлетворять свои потребности в ниобии путем экспорта 100...200 т ниобиевых сплавов в год (в основном из Бразилии).

Единственным сохранившимся действующим добычным предприятием на территории России являются ОАО Северные редкие металлы (бывший Ловозерский ГОК) в п. Ловозеро Ревдинского района Мурманской области и его оператор горных работ ОАО Ловозерская горная компания на рудниках Карнасурт и Умбозеро. Здесь на уникальном по запасам Ловозерском редкоземельно-ниобий-танталовом месторождении (бедным по содержанию Nb205 - всего 0,24 %) из лопаритсодержащих нефелиновых сиенитов добывалось до 25 тыс. т лопаритового концентрата в год, содержащего 6...8 % Nb, 0,5 % Та, 36...38 % TR и 38...42 % Ti. До 10 тыс. т лопаритового концентрата перерабатывается на ОАО Соликамский магниевый завод (основной владелец - СП Russia Growth Fund), где путем хлорирования получают гидрооксид ниобия, которые является промпродуктом для получения металлического ниобия (на Иртышском химико-металургичес-ком заводе в г. Усть-Каменогорск, Казахстан). В настоящее время Соликамский магниевый завод производит ежегодно 700...750 т оксидов ниобия и 70...80 т оксида тантала, полностью идущих на экс-

порт. Остальные 10...12тыс. тлопаритового концентрата ранее перерабатывались в А5> 8Пте1 (г. Силла-мяэ, Эстония) по сернокислой схеме до металлического ниобия и феррониобия. В настоящее время 5Пте1 отказался от покупок лопаритового сырья и перешел на более технологичные пирохлоровые концентраты из Бразилии и Нигерии. Соответственно упал и выпуск лопаритового концентрата Сев-редметом (до 8... 10 тыс. т), что привело это предприятие на грань банкротства. Попытка организации в 2000 г. собственного гидрометаллургического производства с получением феррониобия ввиду отсутствия требуемых инвестиций (100 млн $ США) не увенчалась успехом. В настоящее время владельцем АО Севредмета является компания ЗАО Компания ФТК (Финансы, технологии, консультации) (г. Москва), совладелец Соликамского магниевого завода (14 % акций), но реального выхода из сложившейся ситуации ограниченности спроса лопаритового сырья пока не видно . Иртышский химико-металургический завод тоже находился на грани банкротства и к 1996 г. прекратил выпуск ниобиевых продуктов, но в 2000 г. из него выделилось дееспособное подразделение ТОО КазНиобий ИХМЗ, которое начало выпускать до 60...80 т металлического ниобия в год, используя в качестве сырья соликамский гидрооксид ниобия. Переработка танталовых промпродуктов в СНГ осуществляется на ОАО Ульбинском металлургическом заводе НАККазатомпром (г. Усть-Каменогорск, Республика Казахстан), где производятся изделия из ниобия - порошок, слитки, прокат.

Другие российские предприятия, работавшие ранее на более богатых рудах, к 90-м годам XX века выработали их и при переходе на рыночную экономику закрыли свои убыточные производства. Это Вишневогорское рудоуправление (Челябинская область), разрабатывавшее одноименное месторождение, Малышевское РУ (Свердловская область), полностью отработавшее месторождение редкометаль-ных пегматитов Липовый луг, Орловский ГОК (Читинская область), отработавший Орловское месторождение и Забайкальский ГОК (Читинская область), остановивший добычу на Завитковском и Этыкинском месторождениях. Пирохлоровые и ко-лумбит-танталитовые концентраты этих предприятий перерабатывались на Ключевском заводе ферросплавов (пос. Двуреченск Сысертского района Свердловской области), который производил из них феррониобий и ниобиевые лигатуры.

Оздоровление редкометальной промышленности России произошло по инициативе потребителей ниобия - череповецких металлургов ОАО Северсталь (г. Череповец, Вологодская область). С целью ликвидации экспортной зависимости от ниобия этот холдинг организовал дочернее предприятие ОАО Стальмаг (г. Красноярск) по добыче пирохло-ровых концентратов из коры выветривания Татарского вермикулит-ниобат-фосфорного месторождения на одноименном карбонатитовом массиве, рас-

положенном в Мотыгинском районе Красноярского края |9|. В конце 2000т. на этом месторождении пущена фабрика первичного обогащения мощностью до 90 тыс. т руды в год. Из полученного концентрата, поставляемого на Ключевский завод ферросплавов, производится 150:..200 т феррониобия в год. С вводрм второй очереди производительность рудника будет увеличена вдвое,

В 2001 г. ОАО Забайкальский ГОК (п. Первомайский Шилкинского района Читинской области), занимавшийся в последние годы добычей флюорита и золота, возобновил отработку Этыкинского тан-тал-ниобий-оловянного месторождения в редкоме-тальных гранитах Этыкинского массива. Среднее содержание тантала в рудах - 0,031 %, ниобия -0,1 %, олова - 0,2 %. В 2001 ^добыто (в пересчете на металл) 40 т тантала, 60 т ниобия, 100 т олова. К 2005 г. планируется в пять раз увеличить мощности по добыче. На базе Забайкальского ГОКа в п. Первомайский ведется строительство гидрометаллургического цеха по производству фтортанталата калия и пентоксида ниобия. Из:этыкинских руд могут также извлекаться"и литиевые концентраты при среднем содержании в рудах Ы20 - 0,11 %. В рамках государственной программы "Добыча, производство и потребление лития, бериллия, тантала, олова, ниобия (ЛИБТОН)" планируется также возобновление добычи Забайкальским ГОКом на За-витинском литии-ниобиевом месторождении споду-меновых пегматитов .

путными продуктами при среднем содержании в рудах Та205 -0,0139 % и №>205 -0,02%.

Компания ЗАО Алроса (г. Мирный, Республика Саха-Якутия) по программе диверсификации своего алмазного бизнеса осуществляет подготовку горного проекта отработки участка Бурный уникального по запасам и качеству руд ниобий-редкоземель-ного месторождения Томтор в Оленекском улусе Республики Саха-Якутия. Этот фрагмент месторождения представляет собой озерную россыпь ближнего сноса, сформировавшуюся за счет перемыва коры выветривания Томторского карбонатитового массива. Среднее содержание ЫЬ205 составляет здесь 6,71 %, У - 0,59 %, 8Т11 - 9,53 %. Проектом разработки участка Бурный планируется первоначальный годовой объем переработки горной массы 13,73 тыс. м3, и извлечение пирохлорового концентрата, содержащего 583 т ЫЬ205, и редкоземельного концентрата, содержащего 690 т оксидов редкоземельных металлов (У203, Се02, Ьа203, Рг6Ои, 8ш203, №203, Еи203, 8с203). В дальнейшем планируется увеличение мощностей добычи до 30 тыс. м3 руды и выпуску до 2000 т пирохлорового концентрата в пересчете на №205 .

Небольшое производство по опытной добыче существовало при разведке Белозиминского ниобиево-фосфатного месторождения (1984-1986 гг.) в Тулун-ском районе Иркутской области. Рудные образования представляют собой площадную кору выветривания по карбонатитам (содержащим 0,24 % №>205), в богатых блоках которой на участках Основной и Ягодный среднее содержание МЬ205 составляет 1,06 и 1,39 %, соответственно . Однако сквозное

Рисунок. Схема размещения ниобиевых. месторождений и компаний, добывающих и перерабатывающих ниобий.

1) месторождения ниобия ■2) холдинги ниобийдобывающих компаний; 3~5) рудники: 3) действующие, 4) вводимые в производство, 5) закрытые или остановленные; 6) перерабатывающие предприятия

извлечение Nb205 при этих опытах не превысило 30 %. В качестве попутного сырья из белозиминс-ких руд может быть получен фосфатный (апатит + франколит) концентрат, при исходном содержании Р205 в рудах - 11,25%.

На базе ликвидированного Орловского ГОКа в 2000 г. было сформировано новое предприятие ОАО Ново-Орловский ГОК (п. Новоорловский Агинского района Читинской области), восстановлены опытная обогатительная фабрика № 1 и танталовая секция обогатительной фабрики № 2. Объектом добычи здесь служат техногенные месторождения (отвальный комплекс) вольфрамового производства Орловского ГОКа, вмещающие 5190 т W, 550 т Nb и 440 т Та. Ориентировочный выход тантала и ниобия - до 10...20 т в год.

С целью извлечения тантала и ниобия на Ключевском заводе ферросплавов периодически перерабатываются шлаки оловянных плавок ОАО Новосибирский оловянный завод. В пересчете на годовую реализацию выпуск ниобия и тантала из сырья Новосибирского оловянного завода не превышал первых тонн.

Из других ниобийевых и тантало-ниобиевых месторождений России следует отметить :

Большетагнинское фосфор-ниобиевое месторождение, расположенное в 12 км к западу от Бело-зиминского месторождения (Иркутская область) и приуроченное к кальцит-микроклиновым кар-бонатитам одноименного карбонатитового массива. Среднее содержание Nb205 в рудах составляет 1,02 %.

Среднезиминское урон-ниобий-фосфорное месторождение, расположенное в 18 км к югу от Бело-зиминского месторождения (Иркутская область) и приуроченное к кальцит-микроклиновым кар-бонатитам. Средние содержание Nb205 в рудах составляет 0,10...0,18 %, урана до 0,02 %, фосфора - 2,5...3,5 %. Месторождение проблемное, в первую очередь, из-за низких концентраций полезных компонентов и высокой радиоактивности руд.

Участок Неске-Вара Вуориярвинского ниобиевого месторождения расположен в Кандалакшинском районе Мурманской области. Он представляет собой крупный

Рудный блок апатит-магнетитового состава с вкрапленностью бадделеита и пирохлора. Среднее содержание Nb2Os в рудах участка - 0,53 %, Та205 - 0,017 %. Месторождение находится в непосредственной близости от действующего предприятия ОАО Ковдорский ГОК, добывающего железные руды с попутным выпуском апатитового и бадцелеитового (Zr- и TR-содержащего) концентратов. Месторождение мелкое - всего 6,2 тыс. т Nb205 и 200 т Та205, но эти руды вписываются в технологическую цепочку Ковдорс-кого ГОКа, и этот объект легко может быть вовлечен в эксплуатацию.

Улуг-Танзёкское ниобий-редкоземельное месторождение (Республика Тыва) представляет собой минерализованные зоны рудоносных (пирохлор, колумбит-танталит, циркон, литиевые, берилли-евые и редкоземельные минералы) кварц-альбит-микроклиновых метасоматитов. Месторождение оценивалось в 90-е годы XX века и осталось недоразведанным. Содержание №205 -0,2 %, Та205 - 0,0155 %, БТИ - 0,063 % (доля ит-триевых элементов 30...40 %), 1л20 - 0,086,1хОг - 0,4 %. Технологической схемой обогащения руд предусматривается получение №>, Та, Ъг, Щ

ТИ (У), и, и, ЯЬ.

Катугинское иттриевоземелъно-ниобий-циркони-евое месторождение рудоносных приразломных щелочных (кварц-альбит-микроклиновых) метасоматитов расположено на севере Читинской области в 140 км от станции Новая Чара на Байкало-Амурской магистрали. Среднее содержание №>205 в рудах - 0,31, Та205 - 0,019 %, 8ТЯ -0,25 % (доля иттриевых элементов 40...50 %), гг02 - 1,38 %. Инвестиционный проект освоения этого месторождения разрабатывает Забайкальский ГОК.

Горноозерское ниобиевое месторождение расположено в Усть-Майском улусе Республики Саха-Якутия и приурочено к одноименному карбона-титовому массиву. Месторождение изучено только с поверхности, его оценка весьма слабая. Пи-рохлоровая минерализация приурочена к линейным зонам магнезиальных карбонатитов. Среднее содержание №>205 по ограниченному числу проб - 0,25 %. На месторождении выявлена также озерная россыпь пирохлора, которая осталась неоцененной. По аналогии с Томторским месторождением она может быть достаточно богатой.

Вишняковское танталовое месторождение расположено в Иркутской области в 110 км от станции Тайшет и связано с ней автодорогой. Жильные тела редкометальных пегматитов мощностью до 40 м содержат танталитовую, бериллие-вую и липедолитовую (литиевую) минерализацию. Среднее содержание Та205 составляет 0,0198 %, а по отдельным жилам участка Рябиновый - 0,023...0,03 %. Возможно попутное извлечение лития при среднем содержании 1л20 -0,086 %, а также бериллия. Содержание №>205 невысокое - 0,02 %, но при добыче танталового сырья ниобий будет извлекаться уже как попутный компонент. Месторождение требует дораз-ведки .

В целом действующие мощности по добычи ниобиевого сырья уже обеспечивают потребности российских металлургов в ниобиевых легирующих добавках (200...250 т в год), и даже с учетом роста потребности трубной продукции для магистральных трубопроводов только плановое развитие мощностей Стальмага и Забайкальского ГОКа может пере-

крыть новые объемы спроса вплоть до 2005 г. (до 600...800 т).

Проблемы Севредмета и Соликамского МЗ необходимо решать их владельцам (Компании ФТК и Russia Growth Fund) в рамках создания единой технологии переработки комплексного ниобиевого-ред-коземельного сырья с получением конечных товарных продуктов (индивидуальных редкоземельных металлов и их оксидов, феррониобия, металлических ниобия и тантала) и создании достаточных мощностей для годовой переработки-22...25 тыс. т лопари-тового концентрата. Этот холдинг может выпускать в год до 1000 т ниобиевых и до 100 т танталовых продуктов. . :■.

Реализация продукции реконструированного Севредмета и нового добычного предприятия Ап-росы на Томторском месторождении требует уже выхода за пределы российского рынка. Выход на мировой рынок ограничен политикой мирового монополиста ниобиевой продукции - бразильской компании СВММ. Имея самую низкую себестоимость добычи и переработки ниобиевого сырья, она может контролировать уровень мировых цен, препятствуя появлению серьезных конкурентов. Российским производителям избыточной ниобиевой продукции необходимо ориентироваться на солидарный рынок металлургии стран СНГ (Украины, Казахстана) и растущий рынок потребления металлургии Китая. Кроме сектора металлургии необходимо серьезно изучить тенденции развития в ближайшие 20 лет мировых энергосберегающих технологий на основе сверхпроводящих систем электропередачи, основанных на ниобиевых сплавах, на производство которых потребуется до 5 тыс. т в год.

Имеющихся производственных мощностей Ключевского завода ферросплавов хватает для про-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Елютин А.В., Чистов Л.Б., Эпштейн Е.М. Проблемы освоения минерально-сырьевой базы ниобия // Минеральные ресурсы России. Экономика и управ-

" ление. - 1999. - № 3. - С. 22-29.

2. Кудрин B.C., Кушпаренко Ю..С., Петрова Н.В. и др. " Минеральное сырье. Ниобий й тантал. Справочник.

М.: Геоинформарк, 1998. - 63 с.

3. Минеральные ресурсы мира на начало 2001 года. -М.: Аэрогеология, 2002. - Т. 2. - 476 с.

4. Mineral commodity summaries "2003. - Pittsburgh, PA (USA): USGS, 2003. - 196 p."!

5. Niobium. Mineral annual review 2001. - Pittsburgh, PA (USA): USGS, 2002. - P. 21.1-28.14.

6. Metal prices in the United States through 1998. -Pittsburgh, PA (USA): USGS; 1998. - 179 p.

8. Жевелюк И."Охота за "движимым" имуществом // Норд-Вест-Курьер. - № 41 (54):- 21-27 ноября 2002 года. т

изводства 1500 т феррониобия в год, 1000 т N¿-N5 сплава и 500 т Сг-№-М-лигатуры. Таким образом, объемы предлагаемых к переработке пирохлоровых продуктов Стальмага, Забайкальского и Ново-Ор-ловского ГОКов, а также планируемых к поставке с Томторского месторождения, могут быть приняты к переделу этим предприятием. Для производства товарных металлических изделий из ниобия и тантала российским компаниям можно использовать толлинговые схемы работы с казахстанскими компаниями КазНиобий - Иртышский химико-металлургический завод и Ульбинский металлургический завод. В случае улучшения конъюнктуры сверхпроводящих материалов реален и вариант организации на территории России производства по выпуску ниобиевого проката. Такое производство существовало ранее на Опытном химико-металлургическом заводе ГИРЕДМЕДа (г. Подольск, Московской области) и Опытном заводе тугоплавких металлов и твердых сплавов (г. Москва).

Создание новых производств по добыче и выпуску ниобиевой продукции возможно также в рамках попутного их извлечения при освоении месторождений других полезных ископаемых - например Катугинскогоиттриеворедкоземельно-циркониево-го, Вишняковского танталового, Завитинского литиевого и др. Ввод этих объектов будет давать дополнительное предложение всего в первые десятки т ниобия, что не может серьезно отразится на рынке его спроса.

Освоение же месторождений дальнего резерва (Улуг-Танзекского в Республике Тыва и Гусиноозер-ского в республике Саха-Якутия) в условиях избыточного предложения ниобиевого сырья более дееспособных компаний, работающих на богатых и легкообогатимых рудах, вряд ли целесообразно.

9. Семененко Ю. Российский ниобий. Первая ласточка из Сибири // Природо-ресурсные ведомости. - 31 августа 2001 года, http://gazeta.priroda.ru.

10. Сайтов Ю.Г., Харитонов Ю.Ф., Шевчук Г.А. Минерально-сырьевая база Читинской области. Перспективы освоения и развития: Часть 2 // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. - 2002. -№ 5. - С. 8-20.

11. Темнов A.B. Геолого-технические проблемы отработки ультрабогатых редкометалльных руд Томторского месторождения // Природные и техногенные россыпи и месторождения кор выветривания на рубеже тысячелетий. Тез. докл. XII Междунар. совещ". - М.: ИГЕМ РАН, 2000. - С! 345-347.

12. Эпштейн Е.М., Усова Т.Ю., Данильченко H.A. и др. Ниобий России: состояние, перспективы освоения и развития минерально-сырьевой базы // Минеральное сырье. Серия геолого-экономическая, № 8. - М.: ВИМС, 2000. - 103 с.

13. Кудрин B.C., Рожанец A.B., Чистов Л.Б. и др. Тантал России: состояние, перспективы освоения и развития минерально-сырьевой базы // Минеральное сырье*. Серия геолого-экономическая, № 4. - М.: ВИМС, 1999.-90 с.

Уральский государственный горный университет

На тему: Свойства ниобия

Группа: М-13-3

Студент: Мохнашин Никита

1. Общие сведения об элементе

Физические свойства ниобия

Химические свойства ниобия

Ниобий в свободном состоянии

Оксиды ниобия и их соли

Соединения ниобия

Страны лидеры в производстве ниобия

1. Общие сведения об элементе

С элементом, занимающим в менделеевской таблице 41-ю клетку, человечество знакомо давно. Возраст его нынешнего названия - ниобий - почти на полстолетия меньше. Случилось так, что элемент №41 был открыт дважды. Первый раз - в 1801 г. английский ученый Чарльз Хатчет исследовал образец верного минерала, присланного в Британский музей из Америки. Из этого минерала он выделил окисел неизвестного прежде элемента. Новый элемент Хатчет назвал колумбием, отмечая тем самым его заокеанское происхождение. А черный минерал получил название колумбита. Через год шведский химик Экеберг выделил из колумбита окисел еще одного нового элемента, названного танталом. Сходство соединений Колумбия и тантала было так велико, что в течение 40 лет большинство химиков считало: тантал и колумбий - один и тот же элемент.

В 1844 г. немецкий химик Генрих Розе исследовал образцы колумбита, найденные в Баварии. Он вновь обнаружил окислы двух металлов. Один из них был окислом известного уже тантала. Окислы были похожи, и, подчеркивая их сходство, Розе назвал элемент, образующий второй окисел, ниобием по имени Ниобы, дочери мифологического мученика Тантала. Впрочем, Розе, как и Хатчет, не сумел получить этот элемент в свободном состоянии. Металлический ниобий был впервые получен лишь в 1866 г. шведским ученым Бломстрандом при восстановлении хлорида ниобия водородом. В конце XIX в. были найдены еще два способа получения этого элемента. Сначала Муассан получил его в электропечи, восстанавливая окись ниобия углеродом, а затем Гольдшмидт сумел восстановить тот же элемент алюминием. А называть элемент №41 в разных странах продолжали по-разному: в Англии и США - колумбием, в остальных странах - ниобием. Конец этой разноголосице положил Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) в 1950 г. Было решено повсеместно узаконить название элемента «ниобий», а за основным минералом ниобия так и закрепилось наименование «колумбит». Его формула (Fe, Mn) (Nb, Ta)2О6.

Ниобий не случайно считается редким элементом: он действительно встречается не часто и в небольших количествах, причем всегда в виде минералов и никогда в самородном состоянии. Любопытная деталь: в разных справочных изданиях кларк (содержание в земной коре) ниобия разный. Это объясняется главным образом тем, что в последние годы в странах Африки найдены новые месторождения минералов, содержащих ниобий. В «Справочнике химика», т. 1 (М., «Химия», 1963) приведены цифры: 3,2·10-5% (1939 г.), 1·10-3% (1949 г.) и 2,4·10-3% (1954 г.). Но и последние цифры занижены: африканские месторождения, открытые в последние годы, сюда не вошли. Тем не менее подсчитано, что из минералов уже известных месторождений можно выплавить примерно 1,5 млн т металлического ниобия.

Физические свойства ниобия

Ниобий - блестящий серебристо-серый металл.

Элементарный ниобий - чрезвычайно тугоплавкий (2468°C) и высококипящий (4927°C) металл, очень стойкий во многих агрессивных средах. Все кислоты, за исключением плавиковой, не действуют на него. Кислоты-окислители «пассивируют» ниобий, покрывая его защитной окисной пленкой (№205). Но при высоких температурах химическая активность ниобия повышается. Если при 150...200°C окисляется лишь небольшой поверхностный слой металла, то при 900...1200°C толщина окисной пленки значительно увеличивается.

Кристаллическая решетка Ниобия объемно центрированная кубическая с параметром а = 3,294Å.

Чистый металл пластичен и может быть прокатан в тонкий лист (до толщины 0, 01 мм.) в холодном состоянии без промежуточного отжига.

Можно отметить такие свойства ниобия как высокая температура плавления и кипения, более низкая работа выхода электронов по сравнению с другими тугоплавкими металлами - вольфрамом и молибденом. Последнее свойство характеризует способность к электронной эмиссии (испусканию электронов), что используется для применения ниобия в электровакуумной технике. Ниобий также имеет высокую температуру перехода в состояние сверхпроводимости.

Плотность 8,57 г/см3 (20 °С); tпл 2500 °С; tкип 4927 °С; давление пара (в мм рт. ст.; 1 мм рт. ст.= 133,3 н/м2) 1·10-5 (2194 °С), 1·10-4 (2355 °С), 6·10-4 (при tпл), 1·10-3 (2539 °С).

При обычной температуре ниобий устойчив на воздухе. Начало окисления (плёнки побежалости) наблюдается при нагревании металла до 200 - 300°С. Выше 500° происходит быстрое окисление с образованием окисла Nb2O5.

Теплопроводность в вт/(м·К) при 0°С и 600 °С соответственно 51,4 и 56,2, то же в кал/(см·сек·°С) 0,125 и 0,156. Удельное объемное электрическое сопротивление при 0°С 15,22·10-8 ом·м (15,22·10-6 ом·см). Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,25 К. Ниобий парамагнитен. Работа выхода электронов 4,01 эв.

Чистый Ниобий легко обрабатывается давлением на холоду и сохраняет удовлетворительные механические свойства при высоких температурах. Его предел прочности при 20 и 800 °С соответственно равен 342 и 312 Мн/м2, то же в кгс/мм234,2 и 31,2; относительное удлинение при 20 и 800 °С соответственно 19,2 и 20,7%. Твердость чистого Ниобиы по Бринеллю 450, технического 750-1800 Mн/м2. Примеси некоторых элементов, особенно водорода, азота, углерода и кислорода, сильно ухудшают пластичность и повышают твердость Ниобия.

3. Химические свойства ниобия

Ниобий особенно ценится за его устойчивость к действию неорганических и органических веществ.

Есть разница в химическом поведении порошкообразного и кускового металла. Последний более устойчив. Металлы на него не действуют, даже если нагреть их до высоких температур. Жидкие щелочные металлы и их сплавы, висмут, свинец, ртуть, олово могут находиться в контакте с ниобием долго, не меняя его свойств. С ним ничего не могут поделать даже такие сильные окислители, как хлорная кислота, «царская водка», не говоря уж об азотной, серной, соляной и всех прочих. Растворы щелочей на ниобий тоже не действуют.

Существует, однако, три реагента, которые могут переводить металлический ниобий в химические соединения. Одним из них является расплав гидроксида какого-либо щелочного металла:

Nb+4NaOH+5О2 = 4NaNbO3+2H2О

Двумя другими являются плавиковая кислота (HF) или ее смесь с азотной (HF+HNO). При этом образуются фторидные комплексы, состав которых в значительной степени зависит от условий проведения реакции. Элемент в любом случае входит в состав аниона типа 2- или 2-.

Если же взять порошкообразный ниобий, то он несколько более активен. Например, в расплавленном нитрате натрия он даже воспламеняется, превращаясь в оксид. Компактный ниобий начинает окисляться при нагревании выше 200°С, а порошок покрывается окисной пленкой уже при 150°С. При этом проявляется одно из чудесных свойств этого металла - он сохраняет пластичность.

В виде опилок при нагревании выше 900°С он полностью сгорает до Nb2O5. Энергично сгорает в токе хлора:

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5

При нагревании реагирует с серой. С большинством металлов он сплавляется с трудом. Исключение, пожалуй, составляют лишь два: железо, с которым образуются твердые растворы разного отношения, да алюминий, имеющий с ниобием соединение Al2Nb.

Какие же качества ниобия помогают ему сопротивляться действию сильнейших кислот-окислителей? Оказывается, это относится не к свойствам металла, а к особенностям его оксидов. При соприкосновении с окислителями на поверхности металла возникает тончайший (поэтому он и незаметен), но очень плотный слой оксидов. Этот слой встает неодолимой преградой на пути окислителя к чистой металлической поверхности. Проникнуть сквозь него могут только некоторые химические реагенты, в частности анион фтора. Следовательно, по существу металл окисляется, но практически результатов окисления незаметно из-за присутствия тонкой защитной пленки. Пассивность по отношению к разбавленной серной кислоте используют для создания выпрямителя переменного тока. Устроен он просто: платиновая и ниобиевая пластинки погружены в 0,05 м. раствор серной кислоты. Ниобий в пассивированном состоянии может проводить ток, если является отрицательным электродом - катодом, т. е. электроны могут проходить сквозь слой оксидов только со стороны металла. Из раствора путь электронам закрыт. Поэтому, когда через такой прибор пропускают переменный ток, то проходит только одна фаза, для которой платина - анод, а ниобий - катод.

ниобий металл галоген

4. Ниобий в свободном состоянии

Он настолько красив, что одно время пытались из него делать ювелирные изделия: своим светло-серым цветом ниобий напоминает платину. Несмотря на высокие температуры плавления (2500°С) и кипения (4840°C), из него легко можно сделать любое изделие. Металл настолько пластичен, что его можно обрабатывать на холоду. Очень важно, что ниобий сохраняет свои механические свойства при высоких температурах. Правда, как и в случае ванадия, даже небольшие примеси водорода, азота, углерода и кислорода сильно уменьшают пластичность и повышают твердость. Ниобий становится хрупким при температуре от - 100 до - 200 °С.

Получение ниобия в сверхчистом и компактном виде стало возможным с привлечением техники последних лет. Весь технологический процесс сложен и трудоемок. В принципе он делится на 4 этапа:

1.получение концентрата: феррониобия или ферротанталониобия;

.вскрытие концентрата - перевод ниобия (и тантала) в какие-либо нерастворимые соединения, чтобы отделить от основной массы концентрата;

.разделение ниобия и тантала и получение их индивидуальных соединений;

.получение и рафинирование металлов.

Первые два этапа довольно просты и обычны, хотя и трудоемки. Степень разделения ниобия и тантала определяется третьим этапом. Стремление получить как можно больше ниобия и особенно тантала заставило изыскать новейшие методы разделения: избирательной экстракции, ионного обмена, ректификации соединений этих элементов с галогенами. В результате получают либо оксид, либо пятихлориды тантала и ниобия в отдельности. На последнем этапе применяют восстановление углем (сажей) в токе водорода при 1800°С, а затем температуру повышают до 1900°С и понижают давление. Получившийся при взаимодействии с углем карбид вступает в реакцию с Nb2O5:

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

и появляется порошок ниобия. Если в результате отделения ниобия от тантала получен не оксид, а соль, то ее обрабатывают металлическим натрием при 1000°С и также получают порошкообразный ниобий. Поэтому при дальнейшем превращении порошка в компактный монолит проводят переплавку в дуговой печи, а для получения монокристаллов особо чистого ниобия используют электроннолучевую и зонную плавку.

Оксиды ниобия и их соли

Число соединений с кислородом у ниобия невелико, значительно меньше, чем у ванадия. Объясняется это тем, что в соединениях, соответствующих степени окисления +4, +3 и +2, ниобий крайне неустойчив. Если атом этого элемента начал отдавать электроны, то он стремится отдавать все пять, чтобы обнажить стабильную электронную конфигурацию.

Если сравнивать ионы одной и той же степени окисления двух соседей по группе - ванадия и ниобия, то обнаруживается усиление свойств в сторону металлов. Кислотный характер оксида Nb2O5заметно слабее, чем у оксида ванадия (V). Кислоту при растворении он не образует. Лишь при сплавлении со щелочами или карбонатами проявляются его кислотные свойства:

O5 + 3Nа2СО3 = 2Nа3NbO4 + ЗС02

Эта соль - ортониобат натрия - похожа на такие же соли ортофосфорной и ортованадиевой кислот. Однако у фосфора и мышьяка ортоформа самая устойчивая, а попытка получить ортониобат в чистом виде не удается. При обработке сплава водой выделяется не соль Nа3NbO4, а метаниобат NaNbO3. Это бесцветный труднорастворимый в холодной воде мелкокристаллический порошок. Следовательно, у ниобия в высшей степени окисления более устойчива не орто- , а мета-форма соединений.

Из других соединений оксида ниобия (V) с основными оксидами известны диниобаты K4Nb2O7, напоминающие о пирокислотах, и полиниобаты (как тень полифосфорных и поливанадиевых кислот) с примерными формулами K7Nb5O16.nH2O и K8Nb6O19.mH2O. Упомянутые соли, отвечающие высшему оксиду ниобия, содержат этот элемент в составе аниона. Форма этих солей позволяет считать их производными ниобиевых. кислот. В чистом виде эти кислоты получить нельзя, так как их скорее можно рассматривать как оксиды, имеющие связь с молекулами воды. Например, мета-форма - это Nb2O5. H2O, а орго-форма Nb2O5. 3H2O. Наряду с такого рода соединениями у ниобия есть и другие, где он уже входит в состав катиона. Ниобий не образует простых солей типа сульфатов, нитратов и т. д. При взаимодействии с гидросульфатом натрия NaHSО4 или с оксидом азота N2О4 появляются вещества со сложным катионом: Nb2О2(SО4)3. Катионы в этих солях напоминают катион ванадия с той лишь разницей, что здесь ион пятизарядный, а у ванадия степень окисления в ионе ванадила равна четырем. Такой же катион NbO3+ входит, в состав некоторых комплексных солей. Оксид Nb2O5 довольно легко растворяется в водной фтористоводородной кислоте. Из таких растворов можно выделить комплексную соль K2. H2O.

На основании рассмотренных реакций можно сделать вывод, что ниобий в своей высшей степени окисления может входить как в состав анионов, так и в состав катиона. Это значит, что пятивалентный ниобий амфотерен, но все же со значительным преобладанием кислотных свойств.

Существует несколько способов получения Nb2O5. Во-первых, взаимодействие ниобия с кислородом при нагревании. Во-вторых, прокаливание на воздухе солей ниобия: сульфида, нитрида или карбида. В-третьих - наиболее обычный метод -обезвоживание гидратов. Из водных растворов солей концентрированными кислотами осаждается гидратированный оксид Nb2O5. xH2O. Затем при разбавлении растворов происходит выпадение белого осадка оксида. Обезвоживание осадка Nb2O5 xH2O сопровождается выделением теплоты. Вся масса накаляется. Происходит это из-за превращения аморфного оксида в кристаллическую форму. Оксид ниобия может быть двух цветов. В обычных условиях белый, но при нагревании приобретает желтую окраску. Стоит, однако, охладить оксид, как цвет исчезает. Оксид тугоплавок (tпл=1460°С) и нелетуч.

Более низким степеням окисления ниобия соответствуют NbО2 и NbО. Первый из этих двух представляет собой черный с голубым отливом порошок. Получают NbO2 из Nb2O5, отбирая кислород магнием или водородом при температуре около тысячи градусов:

O5 + Н2 = 2NbО2 + Н2О

На воздухе это соединение легко переходит обратно в высший оксид Nb2O5. Характер его довольно скрытный, так как оксид нерастворим ни в воде, ни в кислотах. Все же ему приписывают кислотный характер на основании взаимодействия с горячей водной щелочью; при этом, однако, идет окисление до пятизарядного иона.

Казалось бы, разница в один электрон не так уж велика, но в отличие от Nb2O5, оксид NbO2 проводит электрический ток. Очевидно, в этом соединении существует связь металл - металл. Если воспользоваться этим качеством, то при нагревании сильным переменным током можно заставить NbO2 отдать свой кислород.

При потере кислорода NbO2 переходит в оксид NbO, в дальнейшем довольно быстро отщепляется и весь кислород. О низшем оксиде ниобия NbО известно немного. Он имеет металлический блеск и по виду схож с металлом. Прекрасно проводит электрический ток. Словом, ведет себя так, будто кислорода в его составе вовсе и нет. Даже, подобно типичному металлу, бурно реагирует с хлором при нагревании и превращается в оксихлорид:

2NbO + 3Cl2=2NbOCl3

Из соляной кислоты вытесняет водород (будто и не оксид он вовсе, а металл вроде цинка):

NbO + 6HCl = 2NbOCl3 + 3H2

Получить в чистом виде NbО можно прокаливанием уже упоминавшейся комплексной соли K2 с металлическим натрием:

К2 + 3Na = NbO + 2KF + 3NaF

Оксид NbO имеет самую высокую из всех ниобиевых оксидов температуру плавления 1935°С. Чтобы очистить ниобий от кислорода, температуру повышают до 2300 - 2350°С, тогда одновременно с испарением происходит распад NbO на кислород и металл. Происходит рафинирование (очистка) металла.

Соединения ниобия

Рассказ об элементе был бы не полным без упоминания о его соединениях с галогенами, карбидами и нитридами. Это важно по двум причинам. Во-первых, благодаря фторидным комплексам удается отделить ниобий от его вечного спутника тантала. Во-вторых, эти соединения приоткрывают нам качества ниобия как металла.

Взаимодействие галогенов с металлическим ниобием:

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5 могут быть получены, все возможные пентагалогениды ниобия.

Пентафторид NbF5 (tпл = 76 °С) в жидком состоянии и в парах бесцветен. Подобно пятифтористому ванадию, в жидком состоянии он полимерен. Атомы ниобия соединены друг с другом через атомы фтора. В твердом виде имеет структуру, состоящую из четырех молекул (рис. 2).

Рис. 2. Структура NbF5 и TaF5 в твердом виде состоит из четырех молекул.

Растворы в фтористоводбродной кислоте H2F2 содержат различные комплексные ионы:

H2F2 = Н2 ;+ H2O = H2

Калиевая соль K2 . H2O важна для отделения ниобия от тантала, так как в отличие от соли тантала она хорошо растворима.

Остальные пентагалогениды ниобия ярко окрашены: NbCl5 желтый, NbBr5 пурпурно-красный, NbI2 коричневый. Все они возгоняются без разложения в атмосфере соответствующего галогена; в паре они мономеры. Температуры их плавления и кипения возрастают при переходе от хлора к брому и иоду. Некоторые из способов получения пентагалогенидов таковы:

2Nb+5I22NbI5;O5+5C+5Cl22NbCl5+5CO;.

2NbCl5+5F22NbF5+5Cl2

Пентагалогениды хорошо растворяются в органических растворителях: эфире, хлороформе, спирте. Водой, однако, полностью разлагаются -гидролизуются. В результате гидролиза получаются две кислоты -галогеноводородная и ниобиевая. Например,

4H2О = 5HCl + H3NbО4

Когда гидролиз нежелателен, то вводят какую-либо сильную кислоту и равновесие написанного выше процесса смещается в сторону NbCl5. В таком случае пентагалогенид растворяется, не подвергаясь гидролизу,

Особую признательность у металлургов заслужил карбид ниобия. В любой стали, есть углерод; ниобий, связывая его в карбид, повышает качества легированной стали. Обычно при сварке нержавеющей стали, шов имеет меньшую прочность. Введение ниобия в количестве 200 г на тонну помогает исправить этот недостаток. При нагревании ниобий раньше всех других металлов стали образует соединение с углеродом - карбид. Это соединение достаточно пластичное и в то же время способно выдерживать температуру до 3500°С. Слоя карбида толщиной всего в полмиллиметра достаточно, чтобы оградить от коррозии металлы и, что особенно ценно, графит. Карбид может получаться при нагревании металла или оксид ниобия (V) с углеродом или углеродсодержащими газами (СН4, СО).

Нитрид ниобия - соединение, на которое не действуют никакие кислоты и даже «царская водка» при кипячении; устойчив по отношению к воде. Единственное, с чем его можно заставить вступить во взаимодействие, - кипящая щелочь. В этом случае он разлагается с выделением аммиака.

Нитрид NbN светло-серый с желтоватым оттенком. Он тугоплавок (тем. пл. 2300°С), имеет замечательную особенность - при температуре, близкой к абсолютному нулю (15,6 К, или -267,4 °С), обладает сверхпроводимостью.

Из соединений, содержащих ниобий в более низкой степени окисления, более всего известны галогениды. Все низшие галогениды - твердые кристаллические вещества темного цвета (от темно-красного до черного). Устойчивость их уменьшается по мере понижения степени окисления металла.

Применение ниобия в различных отраслях

Применение ниобия для легирования металлов

Сталь, легированная ниобием, обладает хорошей коррозионной стойкостью. Хром тоже повышает коррозионную стойкость стали, и он намного дешевле ниобия. Этот читатель прав и не прав одновременно. Не прав потому, что забыл об одном.

В хромоникелевой стали, как и во всякой другой, всегда есть углерод. Но углерод соединяется с хромом, образуя карбид, который делает сталь более хрупкой. Ниобий имеет большее сродство к углероду, чем хром. Поэтому при добавлении в сталь ниобия обязательно образуется карбид ниобия. Легированная ниобием сталь приобретает высокие антикоррозионные свойства и не теряет своей пластичности. Нужный эффект достигается, когда в тонну стали добавлено всего 200 г металлического ниобия. А хромо-маргаицевой стали ниобий придает высокую износоустойчивость.

Ниобием легируют и многие цветные металлы. Так, алюминий, легко растворяющийся в щелочах, не реагирует с ними, если в него добавлено всего 0,05% ниобия. А медь, известную своей мягкостью, и многие ее сплавы ниобий словно закаляет. Он увеличивает прочность таких металлов, как титан, молибден, цирконий, и одновременно повышает их жаростойкость и жаропрочность.

Сейчас свойства и возможности ниобия по достоинству оценены авиацией, машиностроением, радиотехникой, химической промышленностью, ядерной энергетикой. Все они стали потребителями ниобия.

Уникальное свойство - отсутствие заметного взаимодействия ниобия с ураном при температуре до 1100°C и, кроме того, хорошая теплопроводность, небольшое эффективное сечение поглощения тепловых нейтронов сделали ниобий серьезным конкурентом признанных в атомной промышленности металлов - алюминия, бериллия и циркония. К тому же искусственная (наведенная) радиоактивность ниобия невелика. Поэтому из него можно делать контейнеры для хранения радиоактивных отходов или установки по их использованию.

Химическая промышленность потребляет сравнительно немного ниобия, но это объясняется только его дефицитностью. Из ниобийсодержащих сплавов и реже из листового ниобия иногда делают аппаратуру для производства высокочистых кислот. Способность ниобия влиять на скорость некоторых химических реакций используется, например, при синтезе спирта из бутадиена.

Потребителями элемента №41 стали также ракетная и космическая техника. Не секрет, что на околоземных орбитах уже вращаются какие-то количества этого элемента. Из ниобийсодержащих сплавов и чистого ниобия сделаны некоторые детали ракет и бортовой аппаратуры искусственных спутников Земли.

Использования ниобия в других отраслях промышленности

Из ниобиевых листов и штабиков изготовляют «горячую арматуру» (т.е. нагреваемые детали) - аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие детали электронных ламп, особенно мощных генераторных ламп.

Кроме чистого металла для тех же целей применяют танталониобиевые сплавы.

Ниобий применяли для изготовления электролитических конденсаторов и выпрямителей тока. Здесь использована способность ниобия к образованию устойчивой окисной плёнки при анодном окислении. Окисная плёнка устойчива в кислых электролитах и пропускает ток только в направлении от электролита к металлу. Ниобиевые конденсаторы с твёрдым электролитом отличаются высокой ёмкостью при малых размерах, высоким сопротивлением изоляции.

Ниобиевые элементы конденсаторов изготовляют из тонкой фольги или пористых пластинок, спрессованных из металлических порошков.

Коррозионная стойкость ниобия в кислотах и других средах, в сочетании с высокой теплопроводностью и пластичностью делают его ценным конструкционным материалом для аппаратуры в химических и металлургических производствах. Ниобий обладает сочетанием свойств, удовлетворяющих требования атомной энергетики к конструкционным материалам.

До 900°С ниобий слабо взаимодействует с ураном и пригоден для изготовления защитных оболочек для урановых тепловыделяющих элементов энергетических реакторов. При этом возможно использование жидких металлических теплоносителей: натрия или сплава натрия с калием, с которыми ниобий не взаимодействует до 600°С. Для повышения живучести урановых тепловыделяющих элементов уран легируют ниобием (~ 7% ниобия). Присадка ниобия стабилизирует защитную окисную плёнку на уране, что повышает устойчивость его против паров воды.

Ниобий входит в состав различных жаропрочных сплавов для газовых турбин реактивных двигателей. Легирование ниобием молибдена, титана, циркония, алюминия и меди резко улучшает свойства этих металлов, а также их сплавов. Существуют жаропрочные сплавы на основе ниобия в качестве конструкционного материала для деталей реактивных двигателей и ракет (изготовление турбинных лопаток, передних кромок крыльев, носовых концов самолётов и ракет, обшивки ракет). Ниобий и сплавы на его основе можно использовать при рабочих температурах 1000 - 1200°С.

Карбид ниобия входит в состав некоторых марок твёрдых сплавов на основе карбида вольфрама, используемых для резания сталей.

Ниобий широко используется как легирующая добавка в сталях. Добавка ниобия в количестве, в 6 - 10 раз превышающем содержание углерода в стали, устраняет межкристаллитную коррозию нержавеющей стали и предохраняет сварные швы от разрушения.

Ниобий также вводят в состав различных жаропрочных сталей (например, для газовых турбин), а также в состав инструментальных и магнитных сталей.

Ниобий вводят в сталь в сплаве с железом (феррониобий), содержащем до 60% Nb. Кроме этого, применяют ферротанталониобий с различным соотношением между танталом и ниобием в ферросплаве.

В органическом синтезе применяют некоторые соединения ниобия (фтористые комплексные соли, окислы) как катализаторы.

Применение и производство ниобия быстро возрастают, что обусловлено сочетанием таких его свойств, как тугоплавкость, малое сечение захвата тепловых нейтронов, способность образовывать жаропрочные, сверхпроводящие и др. сплавы, коррозионная стойкость, геттерные свойства, низкая работа выхода электронов, хорошие обрабатываемость давлением на холоде и свариваемость. Основные области применения ниобия: ракетостроение, авиационная и космическая техника, радиотехника, электроника, химическое аппаратостроение, атомная энергетика.

Применение металлического ниобия

Из чистого ниобия или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы; для жидких металлов; детали электролитических конденсаторов; «горячую» арматуру электронных (для радарных установок) и мощных генераторных ламп (аноды, катоды, сетки и др.); коррозионноустойчивую аппаратуру в химической промышленности.

Ниобием легируют другие цветные металлы, в том числе уран.

Ниобий применяют в криотронах - сверхпроводящих элементах вычислительных машин. Ниобий также известен тем, что он используется в ускоряющих структурах большого адронного коллайдера.

Интерметаллиды и сплавы ниобия

Станнид Nb3Sn и сплавы ниобия с титаном и цирконием применяются для изготовления сверхпроводящих соленоидов.

Ниобий и сплавы с танталом во многих случаях заменяют тантал, что даёт большой экономический эффект (ниобий дешевле и почти вдвое легче, чем тантал).

Феррониобий вводят в нержавеющие хромоникелевые стали для предотвращения их межкристаллитной коррозии и разрушения и в стали др. типов для улучшения их свойств.

Ниобий используется при чеканке коллекционных монет. Так, Латвийский Банк утверждает, что в коллекционных монетах достоинством 1 лат наряду с серебром используется ниобий.

Применение соединений ниобияO5 катализатор в химической промышленности;

в производстве огнеупоров, керметов, спец. стёкол, нитрид, карбид, ниобаты.

Карбид ниобия (т. пл. 3480 °C) в сплаве с карбидом циркония и карбидом урана-235, является важнейшим конструкционным материалом для ТВЭЛов твердофазных ядерных реактивных двигателей.

Нитрид ниобия NbN используется для производства тонких и ультратонких сверхпроводящих пленок с критической температурой от 5 до 10 К с узким переходом, порядка 0,1 К

Ниобий в медицине

Высокая коррозионная стойкость ниобия позволила использовать его в медицине. Ниобиевые нити не вызывают раздражения живой ткани и хорошо сращиваются с ней. Восстановительная хирургия успешно использует такие нити для сшивания порванных сухожилий, кровеносных сосудов и даже нервов.

Применение в ювелирном деле

Ниобий не только обладает комплексом нужных технике свойств, но и выглядит достаточно красиво. Этот белый блестящий металл ювелиры пытались использовать для изготовления корпусов ручных часов. Сплавы ниобия с вольфрамом или рением иногда заменяют благородные металлы: золото, платину, иридий. Последнее особенно важно, так как сплав ниобия с рением не только внешне похож на металлический иридий, но почти так же износоустойчив. Это позволило некоторым странам обходиться без дорогого иридия в производстве напаек для перьев авторучек.

Добыча ниобия на территории России

В последние годы мировое производство ниобия находится на уровне 24-29 тыс. т. Следует отметить, что мировой рынок ниобия существенно монополизирован бразильской компанией СВММ, на долю которой приходится около 85% мирового объема выпуска ниобия.

Основным потребителем ниобий содержащей продукции (к ней прежде всего относится феррониобий) является Япония. Эта страна импортирует ежегодно свыше 4 тыс. т феррониобия из Бразилии. Поэтому японские импортные цены на ниобий содержащую продукцию можно с большой уверенностью принимать за близкие к среднемировым значениям. В последние годы имеет место тенденция роста цен на феррониобий. Это связано с растущим его применением для производства низколегированных сталей предназначенных, главным образом для труб нефте и газопроводов. Вообще надо отметить, что за последние 15 лет мировое потребление ниобия возрастает в среднем на 4-5 % ежегодно.

С сожалением надо признать, что Россия находится на «обочине» рынка ниобия. В начале 90-х годов, по оценкам специалистов Гиредмета, в бывшем СССР производилось и потреблялось около 2 тыс.т ниобия (в пересчете на оксид ниобия). В настоящее время потребление российской промышленностью ниобиевой продукции не превышает всего 100 - 200 т. Следует отметить, что в бывшем СССР были созданы значительные мощности по выпуску ниобия, разбросанные по разным республикам - Россия, Эстония, Казахстан. Это традиционная черта развития промышленности СССР поставила сейчас Россию в очень сложное положение по многим видам сырья и металлам. Рынок ниобия начинается с производства ниобий содержащего сырья. Основным его видом в России был и остается лопаритовый концентрат, получаемый на Ловозерском ГОКе (теперь - АО «Севредмет», Мурманская область). До распада СССР предприятие выпускало около 23 тыс.т лопаритового концентрата (содержание в нем оксида ниобия около 8,5 %). В последующем производство концентрата постоянно снижалось, в 1996-1998 гг. предприятие неоднократно останавливалось из-за отсутствия сбыта. В настоящее время, по оценкам, производство лопаритового концентрата на предприятии находится на уровне 700 - 800 т в месяц.

Следует отметить, что предприятие достаточно жестко привязано к своему единственному потребителю - Соликамскому магниевому заводу. Дело в том, что лопаритовый концентрат - это достаточно специфический продукт, который получают только в России. Его технология переработки достаточно сложна из-за содержащегося в нем комплекса редких металлов (ниобий, тантал, титан). Кроме того, концентрат радиоактивен, во многом поэтому все попытки выйти на мировой рынок с этой продукцией закончились безрезультатно. Следует также отметить, что из лопаритового концентрата невозможно получение феррониобия. В 2000 г. на комбинате «Севредмет» силами компании «Росредмет» запущена экспериментальная установка по переработке лопаритового концентрата с получением в числе других металлов товарной ниобий содержащей продукции (оксида ниобия).

Основными рынками ниобиевой продукции СМЗ являются страны дальнего зарубежья: поставки осуществляются в США, Японию и страны Европы. Доля экспорта в общем объеме производства составляет свыше 90 %. Значительные мощности по выпуску ниобия в СССР были сосредоточены в Эстонии - на Силламяэском химико-металлургическом произ-водственном объединении (г. Силламяэ). Сейчас эстонское предприятие называется «Силмет». В советские времена предприятие перерабатывало лопаритовый концентрат Ловоозерского ГОКа, с 1992 г. его отправка была прекращена. Сейчас «Силмет» перерабатывает только небольшой объем гидроксида ниобия Соликамского магниевого завода. Большую часть ниобий содержащего сырья в настоящее время предприятие получает из Бразилии и Нигерии. Руководство предприятия не исключает поставок лопаритового концентрата, однако «Севредмет» пытается проводить политику переработки его на месте, поскольку экспорт сырья менее выгоден, чем готовой продукции.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

В др.-греч. мифологии * а. niobium; н. Niob, Niobium; ф. niobium; и. niobio), — химический элемент V группы периодической системы Менделеева , атомный номер 41, атомная масса 92,9064. Имеет один природный изотоп 93 Nb.

Оксид ниобия выделен впервые английским химиком Ч. Хатчетом в 1801 из колумбита . Металлический ниобий получил в 1866 шведский учёный К. В. Бломстранд.

Ниобий свойства

Ниобий- металл стального цвета, имеет объёмно-центрированную кубического решётку с а=0,3294 нм; плотность 8570 кг/м 3 ; t плавления2500°С, t кипения4927°С; теплоёмкость (298 К) 24,6 Дж/(моль.К); теплопроводность (273 К) 51,4 Вт/(м.К); температурный коэффициент линейного расширения (63-1103 К) 7,9.10 -6 К -1 ; удельное электрическое сопротивление (293 К) 16.10 -8 Ом.м; термический коэффициент электрического сопротивления (273 К) 3,95.10 -3 К -1 . Температура перехода в сверхпроводящее состояние 9,46 К.

Степень окисления +5, реже от +1 до +4. По химическим свойствам близок к танталу, чрезвычайно устойчив к холоду и при небольшом нагревании к действию многих агрессивных сред, в т.ч. и кислот. Ниобий растворяет только плавиковая кислота, её смесь с азотной кислотой и щёлочи. Амфотерен. При взаимодействии с галогенами образует галогениды ниобия. При сплавлении Nb 2 О 5 с содой получают соли ниобиевых кислот — ниобаты, хотя сами кислоты не существуют в свободном состоянии. Ниобий может образовывать двойные соли и комплексные соединения. Нетоксичен.

Получение и применение

Для получения ниобия ниобиевый концентрат сплавляют с едким натром или содой и образующийся сплав выщелачивают. Содержащиеся в нерастворившемся осадке Nb и Ta разделяют, оксид ниобия восстанавливают отдельно от оксида тантала. Компактный ниобий получают методами порошковой металлургии, электродуговой, вакуумной и электроннолучевой плавки.

Ниобий — один из основных компонентов при легировании жаропрочных сталей и сплавов. Ниобий и его сплавы используются как конструкционные материалы для деталей реактивных двигателей, ракет, газовых турбин, химической аппаратуры, электронных приборов, электрических конденсаторов, сверхпроводящих устройств. Ниобаты широко применяют как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, лазерные материалы.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Ниобий - сорок первый элемент Периодической таблицы. Обозначение - Nb от латинского «niobium». Расположен в пятом периоде, VBA группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 41.

В земной коре ниобия содержится 0,002% (масс.). Этот элемент во многом сходен с ванадием. В свободном состоянии он представляет собой тугоплавкий металл, твердый, но не хрупкий, хорошо поддающийся механической обработке (рис. 1.. Плотность ниобия 8,57 г/см 3 , температура плавления - 2500 o С.

Ниобий устойчив во многих агрессивных средах. На него не действует соляная кислота и царская водка, так как на поверхности этого металла образуется тонкая, но очень прочная и химически стойкая оксидная пленка.

Рис. 1. Ниобий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса ниобия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии ниобий существует в виде одноатомных молекул Nb, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 92,9063.

Изотопы ниобия

Известно, что в природе ниобий может находиться в виде единственного стабильного изотопа 93 Nb. Массовое число равно 93, ядро атома содержит сорок один протон и пятьдесят два нейтрона.

Существуют искусственные нестабильные изотопы циркония с массовыми числами от 81-го до 113-ти, а также двадцать пять изомерных состояния ядер, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 92 Nb с периодом полураспада равным 34,7 млн. лет.

Ионы ниобия

На внешнем энергетическом уровне атома ниобия имеется пять электронов, которые являются валентными:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 3 5s 2 .

В результате химического взаимодействия ниобий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Nb 0 -1e → Nb + ;

Nb 0 -2e → Nb 2+ ;

Nb 0 -3e → Nb 3+ ;

Nb 0 -4e → Nb 4+ ;

Nb 0 -5e → Nb 5+ .

Молекула и атом ниобия

В свободном состоянии ниобий существует в виде одноатомных молекул Nb. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу ниобия:

Сплавы ниобия

Ниобий - один из компонентов многих жаропрочных и коррозионностойких сплавов. Особенно большое значение имеют жаропрочные сплавы ниобия, которые применяются в производстве газовых турбин, реактивных двигателей, ракет.

Ниобий вводят также в нержавеющие стали. Он резко улучшает их механические свойства и сопротивляемость коррозии. Стали, содержащие от 1 до 4% ниобия, отличаются высокой жаропрочностью и используются как материал для изготовления котлов высокого давления.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Задание

Укажите валентность и степень окисления ниобия в соединениях: Gd 2 Nb 2 O 7 иPb(NbO 3) 2 .

Ответ

Чтобы определить валентность ниобия в кислородсодержащих соединениях, нужно строго соблюдать следующую последовательность действий. Рассмотрим на примере Gd 2 Nb 2 O 7 . Определяем число атомов кислорода в молекуле. Оно равно 7 — ми. Вычисляем общее число единиц валентности для кислорода: Вычисляем общее число единиц валентности для гадолиния: Находим разность этих величин: Определяем число атомов ниобия в соединении. Оно равно 2-м. Валентность ниобия равна IV (8/2 = 4). Чтобы найти степень окисления ниобия в этом же соединении примем её значение за х и учитываем тот факт, что заряд молекулы равен 0: 2×3 + 2×x +7×(-2) = 0 Степень окисления ниобия равна +4. Аналогичным образом определяем, что валентность и степень окисления ниобия в Pb(NbO 3) 2 равны IV и +1, соответственно.