Fizinės ir cheminės niobio savybės. Niobio panaudojimas ir jo savybės Koks buvo pradinis metalo niobio pavadinimas

Uralo valstybinis kalnakasybos universitetas

Tema: niobio savybės

Grupė: M-13-3

Mokinys: Mokhnashin Nikita

1. Bendra informacija apie elementą

Fizikinės niobio savybės

Cheminės niobio savybės

Niobis laisvoje valstybėje

Niobio oksidai ir jų druskos

Niobio junginiai

Šalys, pirmaujančios niobio gamyboje

1. Bendra informacija apie elementą

Elementas, užimantis 41-ąją periodinės lentelės ląstelę, žmonijai buvo žinomas ilgą laiką. Dabartinio pavadinimo – niobio – amžius yra beveik puse amžiaus mažesnis. Taip atsitiko, kad elementas #41 buvo atidarytas du kartus. Pirmą kartą – 1801 metais anglų mokslininkas Charlesas Hatchet ištyrė tinkamo mineralo pavyzdį, atsiųstą į Britų muziejų iš Amerikos. Iš šio mineralo jis išskyrė anksčiau nežinomo elemento oksidą. Hatchet naująjį elementą pavadino kolumbija, taip pažymėdamas transatlantinę jo kilmę. O juodasis mineralas vadinamas kolumbitu. Po metų švedų chemikas Ekebergas iš kolumbito išskyrė kito naujo elemento, vadinamo tantalu, oksidą. Kolumbijos ir tantalo junginių panašumas buvo toks didelis, kad 40 metų dauguma chemikų manė, kad tantalas ir kolumbis yra vienas ir tas pats elementas.

1844 metais vokiečių chemikas Heinrichas Rose ištyrė Bavarijoje rastus kolumbito pavyzdžius. Jis vėl atrado dviejų metalų oksidus. Vienas iš jų buvo jau žinomo tantalo oksidas. Oksidai buvo panašūs, ir, pabrėždamas jų panašumą, Rosé pavadino elementą, sudarantį antrąjį oksidą, niobiu pagal Niobės, mitologinio kankinio Tantalo dukters, vardo. Tačiau Rose, kaip ir Hatchet, nepavyko gauti šio elemento laisvoje būsenoje. Pirmą kartą metalinį niobį tik 1866 metais gavo švedų mokslininkas Blomstranas, redukuodamas niobio chloridą vandeniliu. XIX amžiaus pabaigoje. buvo rasti dar du šio elemento gavimo būdai. Moissan pirmiausia jį gavo elektrinėje krosnyje, redukuodamas niobio oksidą anglimi, o vėliau Goldschmidtui pavyko tą patį elementą redukuoti aliuminiu. Ir toliau elementą Nr.41 įvairiose šalyse vadino skirtingai: Anglijoje ir JAV – Kolumbija, kitose šalyse – niobiu. Tarptautinė grynosios ir taikomosios chemijos sąjunga (IUPAC) šią nesantaiką nutraukė 1950 m. Nuspręsta visur įteisinti elemento pavadinimą „niobis“, o pagrindiniam niobio mineralui buvo suteiktas pavadinimas „kolumbitas“. Jo formulė yra (Fe, Mn) (Nb, Ta)2 O 6.

Neatsitiktinai niobis laikomas retu elementu: jo tikrai nėra dažnai ir mažais kiekiais, o visada mineralų pavidalu ir niekada nebūna natūralios. Įdomi detalė: skirtinguose informaciniuose leidiniuose niobio klarkas (turinys žemės plutoje) skiriasi. Taip yra daugiausia dėl to, kad pastaraisiais metais Afrikos šalyse buvo rasta naujų niobio turinčių mineralų telkinių. „Chemiko žinyne“, 1 t. (M., „Chemija“, 1963), pateikti skaičiai: 3,2 10-5% (1939), 1 10-3% (1949) ir 2, 4 10-3% (1954). Tačiau net ir naujausi skaičiai yra neįvertinti: pastaraisiais metais aptikti Afrikos telkiniai čia neįtraukti. Nepaisant to, manoma, kad iš jau žinomų telkinių mineralų galima išlydyti apie 1,5 mln. tonų metalinio niobio.

Fizikinės niobio savybės

Niobis yra blizgus, sidabriškai pilkas metalas.

Elementinis niobis yra itin ugniai atsparus (2468°C) ir aukštai verdantis (4927°C) metalas, labai atsparus daugeliui agresyvių aplinkų. Visos rūgštys, išskyrus vandenilio fluoridą, jo neveikia. Oksiduojančios rūgštys „pasyvina“ niobį, padengdamos jį apsaugine oksido plėvele (Nr. 205). Tačiau esant aukštai temperatūrai, padidėja niobio cheminis aktyvumas. Jei 150...200°C temperatūroje oksiduojasi tik nedidelis paviršinis metalo sluoksnis, tai 900...1200°C temperatūroje oksido plėvelės storis gerokai padidėja.

Niobio kristalinė gardelė yra kūno centre, o parametras a = 3,294Å.

Grynas metalas yra kalus ir gali būti suvyniotas į ploną lakštą (iki 0,01 mm storio) šaltoje būsenoje be tarpinio atkaitinimo.

Galima pastebėti tokias niobio savybes kaip aukšta lydymosi ir virimo temperatūra, mažesnė elektronų darbo funkcija, palyginti su kitais ugniai atspariais metalais - volframu ir molibdenu. Pastaroji savybė apibūdina elektronų emisijos (elektronų emisijos) galimybę, kuri naudojama naudojant niobį elektrovakuuminėje technologijoje. Niobis taip pat turi aukštą superlaidumo pereinamąją temperatūrą.

Tankis 8,57 g/cm 3(20 °С); t pl 2500 °С; t kip 4927 °С; garų slėgis (mm Hg; 1 mm Hg = 133,3 N/m 2) 1 10 -5(2194 °С), 1 10 -4(2355 °С), 6 10 -4(prie t pl ), 1 10-3 (2539 °C).

Įprastoje temperatūroje niobis yra stabilus ore. Kaitinamas metalas iki 200 - 300°C, pastebima oksidacijos pradžia (atspalvio plėvelė). Aukštesnėje nei 500° temperatūroje vyksta greita oksidacija ir susidaro Nb2 oksidas O 5.

Šilumos laidumas W / (m K) esant 0 ° C ir 600 ° C, atitinkamai, 51,4 ir 56,2, tas pats cal / (cm s ° C) 0,125 ir 0,156. Savitoji tūrinė elektrinė varža 0°C temperatūroje 15.22 10 -8omų m (15,22 10 -6omų cm). Perėjimo į superlaidžią būseną temperatūra yra 9,25 K. Niobis yra paramagnetinis. Elektronų darbo funkcija yra 4,01 eV.

Grynas niobis lengvai apdorojamas šaltu slėgiu ir išlaiko patenkinamas mechanines savybes esant aukštai temperatūrai. Jo didžiausias stipris 20 ir 800 °C temperatūroje yra atitinkamai 342 ir 312 MN/m. 2, tas pats kgf / mm 234,2 ir 31,2; santykinis pailgėjimas 20 ir 800°C temperatūroje atitinkamai 19,2 ir 20,7 %. Gryno niobio kietumas pagal Brinell 450, techninis 750-1800 MN/m 2. Kai kurių elementų, ypač vandenilio, azoto, anglies ir deguonies, priemaišos labai pablogina plastiškumą ir padidina niobio kietumą.

3. Cheminės niobio savybės

Niobis ypač vertinamas dėl atsparumo neorganinių ir organinių medžiagų poveikiui.

Skiriasi miltelių pavidalo ir gumbuoto metalo cheminis elgesys. Pastarasis yra stabilesnis. Metalai jo neveikia, net jei jie yra kaitinami iki aukštos temperatūros. Skystieji šarminiai metalai ir jų lydiniai, bismutas, švinas, gyvsidabris, alavas gali ilgai liestis su niobu, nepakeisdami jo savybių. Net ir tokios stiprios oksiduojančios medžiagos kaip perchloro rūgštis, „karališka degtinė“, jau nekalbant apie azoto, sieros, druskos ir visas kitas, su ja nieko negali padaryti. Šarminiai tirpalai taip pat neturi įtakos niobui.

Tačiau yra trys reagentai, galintys paversti metalą niobį cheminiais junginiais. Vienas iš jų yra šarminio metalo hidroksido lydalas:

Nb + 4NaOH + 5O2 \u003d 4NaNbO3 + 2H2O

Kiti du yra vandenilio fluorido rūgštis (HF) arba jos mišinys su azoto rūgštimi (HF+HNO). Tokiu atveju susidaro fluorido kompleksai, kurių sudėtis labai priklauso nuo reakcijos sąlygų. Bet kuriuo atveju elementas yra 2 arba 2 tipo anijono dalis.

Jei imsime miltelių pavidalo niobį, tai jis yra šiek tiek aktyvesnis. Pavyzdžiui, išlydytame natrio nitrate jis net užsidega, virsdamas oksidu. Kompaktiškas niobis pradeda oksiduotis kaitinant virš 200°C, o milteliai jau 150°C pasidengia oksido plėvele. Šiuo atveju pasireiškia viena iš nuostabių šio metalo savybių – jis išlaiko plastiškumą.

Pjuvenų pavidalu, kai kaitinama virš 900°C, visiškai sudega iki Nb2O5. Energingai dega chloro sraute:

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5

Kaitinamas, jis reaguoja su siera. Su daugeliu metalų jis sunkiai lydosi. Galbūt yra tik dvi išimtys: geležis, su kuria susidaro skirtingų santykių kieti tirpalai, ir aliuminis, kuriame yra Al2Nb junginys su niobu.

Kokios niobio savybės padeda jam atsispirti stipriausių oksiduojančių rūgščių poveikiui? Pasirodo, tai susiję ne su metalo savybėmis, o su jo oksidų savybėmis. Susilietus su oksiduojančiomis medžiagomis, metalo paviršiuje atsiranda labai plonas (todėl nematomas), bet labai tankus oksidų sluoksnis. Šis sluoksnis tampa neįveikiama kliūtimi oksiduojančios medžiagos kelyje į švarų metalinį paviršių. Pro jį gali prasiskverbti tik kai kurie cheminiai reagentai, ypač fluoro anijonas. Todėl iš esmės metalas yra oksiduojamas, tačiau praktiškai oksidacijos rezultatai nepastebimi dėl plonos apsauginės plėvelės. Pasyvumas praskiestos sieros rūgšties atžvilgiu naudojamas kuriant kintamos srovės lygintuvą. Jis išdėstytas paprastai: platinos ir niobio plokštelės panardinamos į 0,05 m sieros rūgšties tirpalą. Pasyvintos būsenos niobis gali pravesti srovę, jei tai neigiamas elektrodas – katodas, t.y. elektronai gali praeiti per oksido sluoksnį tik iš metalo pusės. Iš tirpalo kelias elektronams uždarytas. Todėl, kai per tokį įrenginį teka kintamoji srovė, praeina tik viena fazė, kurios anodas yra platina, o katodas – niobis.

niobio metalo halogenas

4. Niobis laisvoje būsenoje

Jis toks gražus, kad kažkada iš jo buvo bandoma daryti papuošalus: savo šviesiai pilka spalva niobis primena platiną. Nepaisant aukštų lydymosi (2500°C) ir virimo (4840°C) temperatūros, iš jo galima lengvai pagaminti bet kokį gaminį. Metalas yra toks lankstus, kad jį galima apdoroti šaltyje. Labai svarbu, kad niobis išlaikytų savo mechanines savybes aukštoje temperatūroje. Tiesa, kaip ir vanadžio atveju, net ir nedidelės vandenilio, azoto, anglies ir deguonies priemaišos labai sumažina plastiškumą ir padidina kietumą. Niobis tampa trapus, kai temperatūra svyruoja nuo -100 iki -200°C.

Pastaraisiais metais pasitelkus technologijas tapo įmanoma gauti itin gryno ir kompaktiško niobio. Visas technologinis procesas yra sudėtingas ir daug laiko reikalaujantis. Iš esmės jis suskirstytas į 4 etapus:

1.koncentrato gavimas: ferroniobis arba ferotantaloniobis;

.koncentrato atidarymas - niobio (ir tantalo) perkėlimas į bet kokius netirpius junginius, siekiant atskirti jį nuo pagrindinės koncentrato masės;

.niobio ir tantalo atskyrimas ir atskirų jų junginių gavimas;

.metalų gavimas ir rafinavimas.

Pirmieji du etapai yra gana paprasti ir įprasti, nors ir užima daug laiko. Niobio ir tantalo atskyrimo laipsnį lemia trečioji pakopa. Noras gauti kuo daugiau niobio ir ypač tantalo, privertė ieškoti naujausių atskyrimo būdų: selektyvaus ekstrahavimo, jonų mainų, šių elementų junginių rektifikavimo halogenais. Dėl to atskirai gaunamas oksidas arba tantalo ir niobio pentachloridai. Paskutiniame etape naudojamas redukavimas anglimi (suodžiais) vandenilio sraute 1800°C temperatūroje, po to temperatūra pakeliama iki 1900°C ir slėgis mažinamas. Karbidas, gautas sąveikaujant su anglimi, reaguoja su Nb2O5:

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

ir atsiranda niobio milteliai. Jei atskyrus niobį nuo tantalo, gaunamas ne oksidas, o druska, tada jis apdorojamas metaliniu natriu 1000 ° C temperatūroje ir taip pat gaunamas niobio milteliai. Todėl tolimesnio miltelių transformavimo į kompaktišką monolitą metu perlydymas atliekamas lankinėje krosnyje, o elektronų pluošto ir zonos lydymas naudojamas labai gryno niobio pavieniams kristalams gauti.

Niobio oksidai ir jų druskos

Junginių su deguonimi skaičius niobyje yra mažas, daug mažiau nei vanadyje. Tai paaiškinama tuo, kad junginiuose, atitinkančiuose oksidacijos laipsnį +4, +3 ir +2, niobis yra itin nestabilus. Jei šio elemento atomas pradėjo dovanoti elektronus, jis linkęs atsisakyti visų penkių, kad atskleistų stabilią elektroninę konfigūraciją.

Jei palyginsime dviejų gretimų kaimynų - vanadžio ir niobio - tos pačios oksidacijos laipsnio jonus, tada randamas savybių padidėjimas metalų atžvilgiu. Rūgštinė Nb2O5 oksido prigimtis yra pastebimai silpnesnė nei vanadžio (V) oksido. Ištirpęs jis nesudaro rūgšties. Tik susiliejus su šarmais ar karbonatais, atsiranda rūgštinės savybės:

O5 + 3Na2CO3 = 2Na3NbO4 + 3C02

Ši druska – natrio ortoniobatas – panaši į tas pačias ortofosforo ir ortovanado rūgščių druskas. Tačiau fosforas ir arsenas turi stabiliausią orto formą, todėl bandymai gauti gryną ortoniobatą nepavyksta. Kai lydinys apdorojamas vandeniu, išsiskiria ne Na3NbO4 druska, o NaNbO3 metaniobatas. Tai bespalviai smulkiai kristaliniai milteliai, sunkiai tirpūs šaltame vandenyje. Vadinasi, aukščiausios oksidacijos laipsnio niobyje ne orto-, o metaforma junginiai yra stabilesni.

Tarp kitų niobio (V) oksido junginių su baziniais oksidais žinomi pirorūgštis primenantys diniobatai K4Nb2O7 ir poliniobatai (kaip polifosforo ir polivanado rūgščių šešėlis), kurių formulės apytikslės K7Nb5O16.nH2O ir K8NbH2O19.m. Minėtos druskos, atitinkančios aukštesnįjį niobio oksidą, turi šio elemento anijono sudėtyje. Šių druskų forma leidžia jas laikyti niobio druskų dariniais. rūgštys. Šių rūgščių negalima gauti gryna forma, nes jos gali būti laikomos oksidais, kurie turi ryšį su vandens molekulėmis. Pavyzdžiui, meta forma yra Nb2O5. H2O, o orgo forma yra Nb2O5. 3H2O. Be tokio tipo junginių, niobis turi ir kitų, kur jis jau yra katijono dalis. Niobis nesudaro paprastų druskų, tokių kaip sulfatai, nitratai ir tt Sąveikaujant su natrio hidrosulfatu NaHSO4 arba su azoto oksidu N2O4, atsiranda medžiagų su sudėtingu katijonu: Nb2O2 (SO4) 3. Šiose druskose esantys katijonai primena vanadžio katijoną, vienintelis skirtumas yra tas, kad čia jonas yra penkių krūvių, o vanadžio oksidacijos būsena vanadilo jone yra keturi. Tas pats NbO3+ katijonas yra įtrauktas į kai kurias sudėtingas druskas. Oksidas Nb2O5 gana lengvai tirpsta vandenilio fluorido rūgštyje. Iš tokių tirpalų galima išskirti kompleksinę druską K2. H2O.

Remiantis nagrinėtomis reakcijomis, galima daryti išvadą, kad aukščiausios oksidacijos būsenos niobis gali būti įtrauktas ir į anijonų, ir į katijono sudėtį. Tai reiškia, kad penkiavalentis niobis yra amfoterinis, bet vis tiek turi reikšmingą rūgščių savybių vyravimą.

Yra keletas būdų, kaip gauti Nb2O5. Pirma, niobio sąveika su deguonimi kaitinant. Antra, niobio druskų kalcinavimas ore: sulfidas, nitridas arba karbidas. Trečia, labiausiai paplitęs būdas yra hidratų dehidratacija. Hidratuotas oksidas Nb2O5 nusėda iš vandeninių druskų tirpalų su koncentruotomis rūgštimis. xH2O. Tada, kai tirpalai praskiedžiami, susidaro baltos oksido nuosėdos. Nb2O5 xH2O nuosėdų dehidrataciją lydi šilumos išsiskyrimas. Visa masė įkaista. Taip atsitinka dėl amorfinio oksido virsmo kristaline forma. Niobio oksidas gali būti dviejų spalvų. Normaliomis sąlygomis jis yra baltas, tačiau kaitinant tampa geltonas. Tačiau kai oksidas atvėsinamas, spalva išnyksta. Oksidas yra ugniai atsparus (lydymosi temperatūra = 1460 °C) ir nelakus.

Žemesnės niobio oksidacijos laipsniai atitinka NbO2 ir NbO. Pirmasis iš šių dviejų yra juodos spalvos milteliai su mėlynu atspalviu. NbO2 gaunamas iš Nb2O5 pašalinant deguonį magniu arba vandeniliu maždaug tūkstančio laipsnių temperatūroje:

O5 + H2 = 2NbO2 + H2O

Ore šis junginys lengvai virsta aukštesniuoju oksidu Nb2O5. Jo charakteris yra gana slaptas, nes oksidas netirpus nei vandenyje, nei rūgštyse. Tačiau jam priskiriamas rūgštus pobūdis dėl sąveikos su karštu vandeniniu šarmu; tačiau šiuo atveju įvyksta oksidacija iki penkių krūvių jonų.

Atrodytų, kad vieno elektrono skirtumas nėra toks didelis, tačiau skirtingai nei Nb2O5, NbO2 oksidas praleidžia elektros srovę. Akivaizdu, kad šiame junginyje yra metalo ir metalo jungtis. Jei pasinaudosite šia kokybe, kaitinant stipria kintama srove galite priversti NbO2 atsisakyti deguonies.

Netekus deguonies, NbO2 pereina į NbO oksidą, o tada visas deguonis gana greitai pašalinamas. Mažai žinoma apie žemesnįjį niobio oksidą NbO. Jis turi metalinį blizgesį ir atrodo panašus į metalą. Puikus elektros laidininkas. Žodžiu, jis elgiasi taip, tarsi jo sudėtyje iš viso nebūtų deguonies. Netgi, kaip ir įprastas metalas, kaitinant jis smarkiai reaguoja su chloru ir virsta oksichloridu:

2NbO + 3Cl2=2NbOCl3

Jis išstumia vandenilį iš druskos rūgšties (tarsi tai visai ne oksidas, o metalas kaip cinkas):

NbO + 6HCl = 2NbOCl3 + 3H2

Gryną NbO galima gauti kalcinuojant jau minėtą kompleksinę druską K2 metaliniu natriu:

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

NbO oksidas turi aukščiausią lydymosi temperatūrą iš visų niobio oksidų 1935 °C temperatūroje. Norint išvalyti niobį iš deguonies, temperatūra pakeliama iki 2300 - 2350 °C, tada kartu su garavimu NbO skyla į deguonį ir metalą. Vyksta metalo rafinavimas (valymas).

Niobio junginiai

Pasakojimas apie elementą nebūtų baigtas, nepaminėjus jo junginių su halogenais, karbidais ir nitridais. Tai svarbu dėl dviejų priežasčių. Pirma, fluoro kompleksų dėka galima atskirti niobį nuo jo amžinojo palydovo tantalo. Antra, šie junginiai atskleidžia mums niobio, kaip metalo, savybes.

Halogenų sąveika su metaliniu niobu:

Nb + 5Cl2 = 2NbCl5 galima gauti, visi galimi niobio pentahalidai.

Pentafluoridas NbF5 (lydymosi temperatūra = 76 °C) skystoje būsenoje ir garuose yra bespalvis. Kaip ir vanadžio pentafluoridas, jis yra polimerinis skystoje būsenoje. Niobio atomai yra sujungti vienas su kitu per fluoro atomus. Kieto pavidalo jo struktūra susideda iš keturių molekulių (2 pav.).

Ryžiai. 2. Kietos formos NbF5 ir TaF5 struktūra susideda iš keturių molekulių.

Vandenilio fluorido rūgšties H2F2 tirpaluose yra įvairių sudėtingų jonų:

H2F2 \u003d H2; + H2O = H2

Kalio druska K2. H2O yra svarbus atskiriant niobį nuo tantalo, nes, skirtingai nei tantalo druska, jis gerai tirpsta.

Likę niobio pentahalidai yra ryškios spalvos: NbCl5 geltona, NbBr5 violetinė-raudona, NbI2 ruda. Visi jie yra didingi, neskyla atitinkamo halogeno atmosferoje; suporuoti jie yra monomerai. Jų lydymosi ir virimo temperatūra didėja pereinant nuo chloro prie bromo ir jodo. Kai kurie pentahalidų gavimo būdai yra šie:

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

2NbCl5+5F22NbF5+5Cl2

Pentahalidai gerai tirpsta organiniuose tirpikliuose: eteryje, chloroforme, alkoholyje. Tačiau vanduo visiškai suyra – hidrolizuojamas. Dėl hidrolizės gaunamos dvi rūgštys - hidrohalogeninė ir niobinė. Pavyzdžiui,

4H2O = 5HCl + H3NbO4

Kai hidrolizė yra nepageidautina, įvedama šiek tiek stiprios rūgšties ir aukščiau aprašyto proceso pusiausvyra perkeliama link NbCl5. Šiuo atveju pentahalidas ištirpsta be hidrolizės,

Niobio karbidas nusipelnė ypatingo metalurgų įvertinimo. Bet kuriame pliene yra anglies; niobis, sujungdamas jį į karbidą, pagerina legiruotojo plieno kokybę. Paprastai suvirinant nerūdijantį plieną, siūlės stiprumas yra mažesnis. Šį trūkumą padeda ištaisyti niobio įvedimas 200 g/t. Kaitinamas, niobis, prieš visus kitus plieno metalus, sudaro junginį su anglies karbidu. Šis junginys yra gana plastiškas ir tuo pačiu gali atlaikyti iki 3500°C temperatūrą. Norint apsaugoti metalus ir, svarbiausia, grafitą nuo korozijos, pakanka vos pusės milimetro storio karbido sluoksnio. Karbidą galima gauti kaitinant metalą arba niobio (V) oksidą anglies arba anglies turinčiomis dujomis (CH4, CO).

Niobio nitridas yra junginys, kurio verdant neveikia jokios rūgštys ir net „karališka degtinė“; atsparus vandeniui. Vienintelis dalykas, su kuriuo jis gali būti priverstas sąveikauti, yra verdantis šarmas. Šiuo atveju jis suyra išskirdamas amoniaką.

NbN nitridas yra šviesiai pilkas su gelsvu atspalviu. Jis yra atsparus ugniai (temp. pl. 2300 ° C), turi nepaprastą savybę - esant temperatūrai, artimai absoliučiam nuliui (15,6 K, arba -267,4 ° C), turi superlaidumą.

Iš junginių, kurių sudėtyje yra žemesnės oksidacijos niobio, geriausiai žinomi halogenidai. Visi žemesni halogenidai yra tamsios kristalinės kietosios medžiagos (nuo tamsiai raudonos iki juodos). Jų stabilumas mažėja mažėjant metalo oksidacijos laipsniui.

Niobio naudojimas įvairiose pramonės šakose

Niobio naudojimas metalams legiruoti

Plienas, legiruotas su niobu, turi gerą atsparumą korozijai. Chromas taip pat padidina plieno atsparumą korozijai ir yra daug pigesnis nei niobis. Šis skaitytojas yra teisus ir neteisingas tuo pačiu metu. Negerai, nes pamiršau vieną dalyką.

Chromo-nikelio pliene, kaip ir bet kuriame kitame, visada yra anglies. Tačiau anglis jungiasi su chromu ir sudaro karbidą, dėl kurio plienas tampa trapesnis. Niobis turi didesnį afinitetą anglies atžvilgiu nei chromas. Todėl, kai į plieną dedama niobio, būtinai susidaro niobio karbidas. Plienas, legiruotas su niobu, įgauna aukštas antikorozines savybes ir nepraranda savo plastiškumo. Norimas efektas pasiekiamas, kai į toną plieno įpilama tik 200 g metalinio niobio. O chromo-mango plieno niobis suteikia didelį atsparumą dilimui.

Daugelis spalvotųjų metalų taip pat legiruojami su niobu. Taigi šarmuose lengvai tirpstantis aliuminis su jais nereaguoja, jei į jį dedama tik 0,05 % niobio. O varis, žinomas dėl savo minkštumo, ir daugelis jo lydinių, niobis, atrodo, sukietėja. Tai padidina metalų, tokių kaip titanas, molibdenas, cirkonis, stiprumą ir tuo pačiu padidina jų atsparumą karščiui ir atsparumą karščiui.

Dabar niobio savybes ir galimybes vertina aviacija, mechaninė inžinerija, radiotechnika, chemijos pramonė, atominė energetika. Visi jie tapo niobio vartotojais.

Unikali savybė – pastebimos niobio sąveikos su uranu nebuvimas esant temperatūrai iki 1100 °C ir, be to, geras šilumos laidumas, mažas efektyvus šiluminių neutronų sugerties skerspjūvis, padarė niobį rimtu konkurentu metalams, pripažintiems branduolinė pramonė – aliuminis, berilis ir cirkonis. Be to, dirbtinis (sukeltas) niobio radioaktyvumas yra mažas. Todėl iš jo gali būti gaminami konteineriai radioaktyviosioms atliekoms laikyti arba jų naudojimo įrenginiai.

Chemijos pramonėje niobio suvartojama palyginti nedaug, tačiau tai galima paaiškinti tik jo trūkumu. Iš niobio turinčių lydinių ir rečiau iš lakštinio niobio kartais gaminama įranga, skirta didelio grynumo rūgštims gaminti. Niobio gebėjimas paveikti kai kurių cheminių reakcijų greitį naudojamas, pavyzdžiui, sintezuojant alkoholį iš butadieno.

Elemento Nr.41 vartotojai taip pat buvo raketų ir kosmoso technologijos. Ne paslaptis, kad kai kurie šio elemento kiekiai jau sukasi artimose Žemės orbitose. Iš niobio turinčių lydinių ir gryno niobio gaminamos kai kurios raketų dalys ir dirbtinių Žemės palydovų bortinė įranga.

Niobio naudojimas kitose pramonės šakose

Iš niobio lakštų ir strypų gaminamos „karštos detalės“ (t.y. šildomos dalys) - anodai, tinkleliai, netiesiogiai šildomi katodai ir kitos elektroninių lempų dalys, ypač galingos generatorinės lempos.

Be gryno metalo, tiems patiems tikslams naudojami ir tantalono-obiumo lydiniai.

Niobis buvo naudojamas elektrolitiniams kondensatoriams ir lygintuvams gaminti. Čia naudojamas niobio gebėjimas sudaryti stabilią oksido plėvelę anodinės oksidacijos metu. Oksido plėvelė yra stabili rūgštiniuose elektrolituose ir praleidžia srovę tik kryptimi nuo elektrolito iki metalo. Niobio kondensatoriai su kietu elektrolitu pasižymi didele talpa esant mažiems dydžiams, didele izoliacijos varža.

Niobio kondensatorių elementai gaminami iš plonos folijos arba akytų plokščių, presuotų iš metalo miltelių.

Dėl niobio atsparumo korozijai rūgštyse ir kitose terpėse, kartu su dideliu šilumos laidumu ir plastiškumu, jis yra vertinga chemijos ir metalurgijos pramonės įrangos konstrukcinė medžiaga. Niobis pasižymi savybių deriniu, atitinkančiu branduolinės energijos reikalavimus konstrukcinėms medžiagoms.

Iki 900°C niobis silpnai sąveikauja su uranu ir yra tinkamas jėgainių reaktorių urano kuro elementų apsauginiams apvalkalams gaminti. Tokiu atveju galima naudoti skystus metalinius aušinimo skysčius: natrį arba natrio ir kalio lydinį, su kuriuo niobis nesąveikauja iki 600°C. Siekiant padidinti urano kuro elementų patvarumą, uranas legiruojamas niobu (~ 7% niobio). Niobio priedas stabilizuoja apsauginę oksido plėvelę ant urano, todėl padidėja jo atsparumas vandens garams.

Niobis yra įvairių karščiui atsparių lydinių, skirtų reaktyvinių variklių dujų turbinoms, sudedamoji dalis. Molibdeno, titano, cirkonio, aliuminio ir vario legiravimas su niobu smarkiai pagerina šių metalų, taip pat ir jų lydinių, savybes. Yra karščiui atsparių lydinių, kurių pagrindą sudaro niobis, kaip reaktyvinių variklių ir raketų dalių konstrukcinė medžiaga (turbinų menčių, sparnų priekinių briaunų, orlaivių ir raketų priekinių galų, raketų apvalkalų gamyba). Niobis ir jo pagrindu pagaminti lydiniai gali būti naudojami 1000 - 1200°C darbinėje temperatūroje.

Niobio karbidas yra kai kurių rūšių volframo karbido karbidų, naudojamų plienui pjauti, sudedamoji dalis.

Niobis plačiai naudojamas kaip legiravimo priedas plienuose. Pridėjus niobio, kurio anglies kiekis yra 6–10 kartų didesnis nei pliene, pašalinama nerūdijančio plieno tarpkristalinė korozija ir apsaugomos suvirinimo siūlės nuo sunaikinimo.

Niobis taip pat įtraukiamas į įvairių karščiui atsparių plienų (pavyzdžiui, dujų turbinų), taip pat į įrankių ir magnetinio plieno sudėtį.

Niobis į plieną įtraukiamas lydinyje su geležimi (feroniobiu), kuriame yra iki 60 % Nb. Be to, ferotantaloniobis naudojamas su skirtingu tantalo ir niobio santykiu ferolydinyje.

Organinėje sintezėje kai kurie niobio junginiai (fluoro kompleksų druskos, oksidai) naudojami kaip katalizatoriai.

Sparčiai didėja niobio naudojimas ir gamyba, o tai lemia jo savybių, tokių kaip atsparumas ugniai, nedidelis šiluminio neutronų gaudymo skerspjūvis, gebėjimas formuoti karščiui atsparius, superlaidžius ir kitus lydinius, atsparumas korozijai, geterio savybės, derinys, maža elektronų darbo funkcija, geras apdirbamumas šaltai ir suvirinamumas. Pagrindinės niobio panaudojimo sritys: raketų mokslas, aviacijos ir kosmoso technologijos, radiotechnika, elektronika, chemijos aparatų gamyba, atominės energetikos inžinerija.

Metalinio niobio panaudojimas

Orlaivių dalys gaminamos iš gryno niobio arba jo lydinių; urano ir plutonio kuro elementų korpusai; konteineriai ir vamzdžiai; skystiems metalams; elektrolitinių kondensatorių detalės; "karšta" elektroninių (radarų įrenginių) ir galingų generatorių lempų (anodai, katodai, tinkleliai ir kt.) priedai; korozijai atspari įranga chemijos pramonėje.

Niobis yra legiruotas su kitais spalvotaisiais metalais, įskaitant uraną.

Niobis naudojamas kriotronuose – superlaidžiuose kompiuterių elementuose. Niobis taip pat žinomas dėl savo naudojimo greitinančiose Didžiojo hadronų greitintuvo struktūrose.

Tarpmetaliniai niobio junginiai ir lydiniai

Superlaidžių solenoidų gamybai naudojamas Nb3Sn stanidas ir niobio lydiniai su titanu ir cirkoniu.

Niobis ir lydiniai su tantalu daugeliu atvejų pakeičia tantalą, o tai duoda didelį ekonominį efektą (niobis yra pigesnis ir beveik dvigubai lengvesnis už tantalą).

Ferroniobis įterpiamas į nerūdijantį chromo-nikelio plieną, kad būtų išvengta jų tarpkristalinės korozijos ir sunaikinimo, ir į kitų rūšių plieną, siekiant pagerinti jų savybes.

Niobis naudojamas kolekcinėms monetoms kaldinti. Taigi Latvijos bankas teigia, kad 1 lato kolekcinėse monetose kartu su sidabru naudojamas niobis.

Niobio junginių O5 katalizatoriaus panaudojimas chemijos pramonėje;

gaminant ugniai atsparias medžiagas, keramiką, specialius stiklas, nitridas, karbidas, niobatai.

Niobio karbidas (temp. 3480 °C) lydinyje su cirkonio karbidu ir urano-235 karbidu yra svarbiausia kietosios fazės branduolinių reaktyvinių variklių kuro strypų konstrukcinė medžiaga.

Niobio nitridas NbN naudojamas plonoms ir itin plonoms superlaidžioms plėvelėms, kurių kritinė temperatūra yra nuo 5 iki 10 K, su siauru perėjimu, maždaug 0,1 K, gaminti.

Niobis medicinoje

Didelis niobio atsparumas korozijai leido jį naudoti medicinoje. Niobio gijos nedirgina gyvų audinių ir gerai su jais susilieja. Rekonstrukcinė chirurgija sėkmingai panaudojo tokius siūlus plyšusioms sausgyslėms, kraujagyslėms ir net nervams taisyti.

Taikymas papuošaluose

Niobis ne tik turi aibę savybių, kurių reikalauja technika, bet ir atrodo gana gražiai. Juvelyrai bandė naudoti šį baltą blizgantį metalą laikrodžių korpusams gaminti. Niobio lydiniai su volframu ar reniu kartais pakeičia tauriuosius metalus: auksą, platiną, iridį. Pastarasis yra ypač svarbus, nes niobio ir renio lydinys ne tik atrodo kaip metalinis iridis, bet yra beveik toks pat atsparus dilimui. Tai leido kai kurioms šalims apsieiti be brangaus iridžio fontanų antgalių litavimo gamyboje.

Niobio kasyba Rusijoje

Pastaraisiais metais pasaulinė niobio gamyba siekė 24-29 tūkst.t.Pažymėtina, kad pasaulinę niobio rinką ženkliai monopolizuoja Brazilijos įmonė CBMM, kuri pagamina apie 85% pasaulio produkcijos. niobio.

Japonija yra pagrindinė niobio turinčių produktų (pirmiausia ferroniobio) vartotoja. Ši šalis kasmet iš Brazilijos importuoja per 4000 tonų feroniobio. Todėl niobio turinčių gaminių iš Japonijos importo kainas galima drąsiai vertinti kaip artimas pasaulio vidurkiui. Pastaraisiais metais pastebima feroniobio kainų augimo tendencija. Taip yra dėl to, kad jis vis dažniau naudojamas mažai legiruoto plieno, daugiausia skirto naftos ir dujotiekiams, gamybai. Apskritai reikėtų pažymėti, kad per pastaruosius 15 metų niobio suvartojimas pasaulyje kasmet vidutiniškai išaugo 4–5 proc.

Reikia su apgailestavimu pripažinti, kad Rusija yra niobio rinkos nuošalyje. Dešimtojo dešimtmečio pradžioje, pasak Giredmet ekspertų, buvusioje SSRS buvo pagaminta ir sunaudota apie 2000 tonų niobio (skaičiuojant niobio oksidu). Šiuo metu Rusijos pramonės niobio produktų suvartojimas neviršija tik 100 - 200 tonų.. Pažymėtina, kad buvusioje SSRS buvo sukurti nemaži niobio gamybos pajėgumai, išsibarstę po skirtingas respublikas – Rusiją, Estiją, Kazachstaną. . Dėl šios tradicinės SSRS pramonės plėtros ypatybės Rusija atsidūrė labai sudėtingoje padėtyje daugelio rūšių žaliavų ir metalų atžvilgiu. Niobio rinka prasideda nuo niobio turinčių žaliavų gamybos. Pagrindinis jo tipas Rusijoje buvo ir išlieka loparito koncentratas, gautas Lovozersky GOK (dabar - Sevredmet UAB, Murmansko sritis). Iki SSRS žlugimo įmonė pagamino apie 23 tūkst. tonų loparito koncentrato (niobio oksido kiekis jame yra apie 8,5%). Vėliau koncentrato gamyba nuolat mažėjo, 1996-1998 m. įmonė buvo ne kartą stabdoma dėl pardavimų trūkumo. Šiuo metu, remiantis skaičiavimais, įmonėje loparito koncentrato gamyba siekia 700–800 tonų per mėnesį.

Reikėtų pažymėti, kad įmonė yra gana griežtai susieta su vieninteliu savo vartotoju - Solikamsko magnio gamykla. Faktas yra tas, kad loparito koncentratas yra gana specifinis produktas, gaunamas tik Rusijoje. Jo apdirbimo technologija yra gana sudėtinga dėl jame esančio retųjų metalų (niobio, tantalo, titano) komplekso. Be to, koncentratas yra radioaktyvus, todėl iš esmės visi bandymai su šiuo produktu patekti į pasaulinę rinką baigėsi bergždžiais. Taip pat reikia pažymėti, kad iš loparito koncentrato ferroniobio gauti neįmanoma. 2000 m. Sevredmet gamykloje Rosredmet bendrovė pradėjo eksperimentinę loparito koncentrato perdirbimo gamyklą, kurioje, be kitų metalų, gaminami komerciniai niobio turintys produktai (niobio oksidas).

Pagrindinės SMZ niobio produktų rinkos yra ne NVS šalys: pristatomos į JAV, Japoniją ir Europos šalis. Eksporto dalis visoje produkcijoje viršija 90 proc. Reikšmingi niobio gamybos pajėgumai SSRS buvo sutelkti Estijoje - Sillamäe chemijos ir metalurgijos gamybos asociacijoje (Sillamäe). Dabar Estijos įmonė vadinasi „Silmet“. Tarybiniais laikais įmonė apdorojo loparito koncentratą iš Lovoozersky GOK, nuo 1992 m. jo siuntimas buvo sustabdytas. Dabar Silmet apdoroja tik nedidelį niobio hidroksido kiekį iš Solikamsko magnio gamyklos. Dauguma žaliavų, kurių sudėtyje yra niobio, šiuo metu tiekiamos iš Brazilijos ir Nigerijos. Įmonės vadovybė neatmeta ir loparito koncentrato tiekimo, tačiau „Sevredmet“ stengiasi vykdyti jo perdirbimo vietoje politiką, nes žaliavų eksportas yra mažiau pelningas nei gatavų gaminių.

Mokymas

Reikia pagalbos mokantis temos?

Mūsų ekspertai patars arba teiks kuravimo paslaugas jus dominančiomis temomis.
Pateikite paraišką nurodydami temą dabar, kad sužinotumėte apie galimybę gauti konsultaciją.

Niobio gamyba kartu su tantalu, taip pat tantaloniolio lydinių, turi didelę ekonominę reikšmę abiejų vertingų metalų kompleksinio panaudojimo požiūriu.
Daugeliu atvejų vietoj to paties poveikio tantalo galima naudoti artimą niobį pagal savybes arba tantalo ir niobio lydinius, nes šie metalai sudaro nuolatinę kietų tirpalų seriją, kurių savybės yra artimos pirminių metalų savybėms.
Tantalo ir niobio lydinį galima gauti sumaišius atskirai gautus tantalo ir niobio miltelius, po to mišinį presuojant ir sukepinant vakuume, taip pat vienu metu redukuojant tantalo ir niobio junginių mišinį, pavyzdžiui, komplekso mišinį. fluoridai K2TaF7 ir K2NbF7, chloridų mišinys, oksidų mišinys ir kt.
Paprastai taikant vandenilio fluorido rūgšties metodą, atskiriant tantalą ir niobį, pastarasis yra atskiriamas fluoroksiniobato K2NbOF5*H2O pavidalu.
Ši druska netinka natrio kiekiui mažinti dėl dviejų priežasčių:
a) kristalizacijos vanduo, kuris yra šios druskos dalis, reaguodamas su natriu, gali sukelti sprogimą,
b) deguonis, kuris yra druskos dalis ir susijęs su niobiu, nėra redukuojamas natrio ir lieka oksido priemaišos pavidalu redukcijos produkte.
Todėl kalio fluoroksiniobatas turi būti perkristalizuojamas per vandenilio fluorido rūgšties tirpalą, kurio HF koncentracija viršija 10%, todėl susidaro K2NbF7 druska, tinkama natrio redukcijai.
Niobį taip pat galima gaminti elektrolizės būdu tokiomis sąlygomis, kaip aprašyta tantalo gamybai. Srovės efektyvumas yra mažesnis nei gaminant tantalo elektrolitą, taip pat sunkumų, susijusių su pastebimu skirtingų valentų niobio junginių tirpumu elektrolite.
Taip pat galima elektrolizė iš mišrios vonios, kurioje yra Ta2O5 + Nb2O5 mišinys kaip skaidantys komponentai ir K2TaF7 kaip tirpiklis. Tokiu atveju gaunamas niobio ir tantalo lydinys.
Norint gauti niobį, buvo pasiūlytas niobio pentoksido anglies redukcijos metodas vakuume.

Niobio pentoksido redukcija anglimi

Niobiui gauti K. Bolke sukūrė niobio pentoksido redukavimo niobio karbidu vakuume metodą pagal reakciją:

Iš esmės šis procesas redukuojamas iki niobio pentoksido redukavimo anglimi.
Dėl didelio niobio pentoksido cheminio stiprumo, anglies redukcijai esant atmosferos slėgiui reikalinga aukšta temperatūra (apie 1800-1900 °), kurią galima gauti grafito vamzdžių krosnyje. Niobis turi didelį afinitetą anglies (laisva susidarymo energija niobio karbidas -ΔF ° = 38,2 kcal ), todėl krosnyje esant anglies dujoms ir esant dideliam difuzijos greičiui kietoje fazėje, besivystančioje tokioje aukštoje temperatūroje, niobis yra užterštas niobio karbidu, net jei partijos pagal reakciją

Vakuume redukcijos reakcija su anglimi vyksta žemesnėje temperatūroje (1600-1700°),
Briketai ruošiami iš niobio pentoksido ir suodžių mišinio, paimamo stechiometriniais santykiais pagal reakciją

Valcavimas atliekamas 1800-1900° grafito vamzdžių krosnyje apsauginėje atmosferoje (vandenilis, argonas) arba vakuume 1600° temperatūroje, kol nutrūks CO emisija. Gautas produktas yra lengvai sukepinti briketai, sudaryti iš pilkų miltelių karbido dalelių. Karbidas susmulkinamas rutuliniame malūne ir sumaišomas su pentoksidu proporcijomis, atitinkančiomis reakciją (1). Nb2O5 + NbC mišinio briketai vėl kaitinami vakuume maždaug 1600° temperatūroje.
Norint užtikrinti anglies pašalinimą iš prakaito CO pavidalu, į Nb2O5 + NbC krūvio sudėtį reikia įpilti nedidelį niobio pentoksido perteklių. Atliekant vėlesnio metalinio niobio miltelių presuotų strypų sukepinimo (suvirinimo) aukštoje temperatūroje operaciją, pašalinamas niobio pentoksido perteklius, nes niobio oksidai (taip pat ir tantalas) išgaruoja vakuume žemesnėje nei metalo lydymosi temperatūroje.
Dėl neišvengiamo laiko vakuumui sukurti ir produktui jame aušinti, vakuuminės krosnies produktyvumas gaminant pradinį niobio karbidą yra daug mažesnis nei grafito vamzdžių krosnies, veikiančios atmosferos slėgyje, produktyvumas, kuriame nenutrūkstamas procesas gali būti atliktas pastumiant kasetes Nb2O5 + C mišinio briketais. Todėl tikslingiau NbC gauti nuolat grafito vamzdžių krosnyje esant atmosferos slėgiui, nors ir 1800-1900 ° temperatūroje.
Metalinį niobį būtų galima gauti vakuuminėje krosnyje tiesiogiai reaguojant pentoksidui su suodžiais pagal reakciją (2), kai įkrovoje yra nedidelis Nb2O5 perteklius. Tačiau kraunant Nb2O5 + 5NbC mišinį į vakuuminę krosnį, jo produktyvumas žymiai padidėja, lyginant su kraunant Nb2O5 + 5C mišinį, nes Nb2O5 + SNbC mišinyje niobio yra 1,5 karto daugiau (82,4%) nei Nb2O5 + 5C mišinyje ( 57. %) Be to, pirmojo mišinio savitasis tankis yra 1,7 karto didesnis nei antrojo mišinio (atitinkamai 6,25 g/cm3 ir 3,7 g/cm3).
Be to, reikia atsižvelgti į tai, kad niobio karbidas, kuris sudaro vyraujančią Nb2O5 + 5NbC mišinio dalį, yra stambesnio grūdėtumo nei disperguoti Nb2O5 milteliai ir suodžiai, o tai yra papildoma didesnės Nb2O5 masės priežastis. + 5NbC mišinys nei Nb2O5 + 5C mišinys.
Dėl viso to į kasetės tūrio vienetą gali tilpti 2,5–3 kartus daugiau medžiagos (pagal niobio kiekį) Nb2O5 + 5NbC mišinio briketų pavidalu nei Nb2O5 + 5C mišinio briketai.
Bolke'o darbe nėra pakankamai tvirtų įrodymų, kad reikia griežtai laikytis jo rekomenduojamo Nb2O5 + 5NbC mišinio sudėties, įkelto į vakuuminę krosnį.
Deginant Nb2O5 + 5C mišinį anglies vamzdelio krosnyje esant atmosferos slėgiui, galima su dideliu našumu (nepertraukiamo proceso metu) gauti produktą, savo sudėtimi panašų į metalinį niobį su nedideliu anglies mišiniu. Šiuos niobio turtingus miltelius, turinčius didelį savitąjį svorį ir tūrinį tankį, galima sumaišyti su atitinkamu kiekiu Nb2O5 (su nedideliu Nb2O5 pertekliumi, palyginti su lygiaverčiu niobio anglies priemaišų kiekiu) ir briketuotą mišinį kaitinti vakuuminėje krosnyje, kad būtų pašalinta. anglis CO pavidalu.
Pasirinkus šią parinktį, vakuuminės krosnies talpa ir, atitinkamai, našumas bus didžiausias. Nedidelis likęs Nb2O5 perteklius išgaruos toliau aukštoje temperatūroje sukepinant niobį, o pastarasis pavirs kompaktišku kaliuoju metalu.
Naudojant mažai anglies dioksido į aplinką išskiriantį niobį vietoj niobio karbido sąveikai su pentoksidu, gali kilti tam tikrų technologinių komplikacijų. Faktas yra tas, kad kai grafito vamzdžių krosnies reakcijos erdvėje esant atmosferos slėgiui gaunamas mažai anglies turintis niobis, visada galimas azoto mišinys iš oro, kuris gali patekti į krosnį. Niobis, turintis didelį afinitetą azotui, aktyviai jį sugeria. Kai gaunamas niobio karbidas, produkto užteršimo azotu galimybė yra daug mažesnė dėl didesnio niobio afiniteto anglies nei azotui.
Todėl metalinio niobio gamybą, naudojant mažai anglies turintį niobį kaip pradinę medžiagą, apsunkina poreikis sudaryti sąlygas, neleidžiančias azotui patekti į reakcijos erdvę, o tai sunku pasiekti grafito vamzdžių krosnyje, laisvai prijungtoje prie atmosfera. Norint pašalinti azotą iš krosnies, būtina kruopščiai užpildyti krosnį grynu vandeniliu arba argonu, stebėti korpuso sandarumą, vengti oro įsiurbimo į reakcijos vamzdelį, kai kraunant kasetes su Nb2O5 + 5C mišiniu ir iškraunant niobį. ir kt.
Todėl niobio karbido arba mažai anglies dioksido turinčio niobio preliminarios gamybos atmosferos slėgyje varianto (su vėlesniu šių produktų kalcinavimu mišinyje su Nb2O5 vakuume) privalumų klausimas gali būti išspręstas kiekvienu individualiu atveju praktinėmis galimybėmis.
Niobio anglies redukcijos privalumai pagal vieną iš aprašytų variantų yra šie: pigaus reduktorius suodžių pavidalu ir didelis tiesioginis niobio atgavimas į gatavą metalą.
Tantalo ir niobio oksidų savybių panašumas leidžia naudoti aprašytą metodą kaliojo tantalo gamybai.

15.08.2019

Armatūra – statybinis metalas, kurio profilis gali būti lygus (A1 klasė) arba periodinis. Armatūra naudojama sustiprinti ir padidinti stiprumą...

15.08.2019

Plazminio pjovimo metodas buvo atrastas palyginti neseniai, tačiau jis labai aktyviai naudojamas pramonėje, nes buvo gerai ištirtas.

15.08.2019

Technologijų tobulėjimas leidžia tobulinti pneumatinius įrankius. Jie maitinami suspaustu oru. Toks įrankis aktyviai naudojamas pramonėje, ...

15.08.2019

Mokslo metų pradžia mažyliui – rimtas išbandymas, nes sugenda įprastas gyvenimo būdas. Tėvai turėtų padėti jam išgyventi šį pokytį. Labai svarbus...

14.08.2019

Armatūra – tai elementų kompleksas, suteikiantis papildomo tvirtumo įvairioms gelžbetoninėms konstrukcijoms. Paprastai jis naudojamas su betonu. Medžiagos viduje ji...

14.08.2019

Visi vairuotojai keliaudami gali susidurti su nenumatytų situacijų. Galite patekti į eismo įvykį, automobilio sistemos ir komponentai gali netikėtai ...

14.08.2019

Profiliuotas lakštas yra metalinis gofruotas standus lakštas su cinko arba polimero danga. Tokio tipo stogo dangos yra labai paplitusios ir paklausios.

Yra gana daug elementų, kurie kartu su kitomis medžiagomis sudaro lydinius, pasižyminčius ypatingomis eksploatacinėmis savybėmis. Pavyzdys yra niobis – elementas, kuris iš pradžių buvo pavadintas „kolumbu“ (pagal upės, kurioje jis pirmą kartą buvo rastas, pavadinimo), tačiau vėliau buvo pervadintas. Niobis yra gana neįprastų savybių metalas, kurį plačiau aptarsime vėliau.

Elemento gavimas

Kalbant apie niobio savybes, reikia pažymėti, kad šio metalo kiekis tonoje uolienų yra palyginti mažas, maždaug 18 gramų. Būtent todėl po jo atradimo metalą buvo bandoma gauti dirbtinai. Dėl panašios cheminės sudėties ši medžiaga dažnai kasama kartu su tantalu.

Niobio telkiniai yra beveik visame pasaulyje. Pavyzdys yra kasyklos Konge, Ruandoje, Brazilijoje ir daugelyje kitų šalių. Tačiau šis elementas negali būti vadinamas įprastu, daugelyje regionų jis praktiškai nerandamas net ir mažomis koncentracijomis.

Palyginti mažą medžiagos koncentraciją žemės uolienoje apsunkina sunkumai, kylantys ją gaunant iš koncentrato. Reikėtų nepamiršti, kad NBSh niobio galima gauti tik iš tantalo prisotintų uolienų. Gamybos proceso ypatybės yra šios:

1. Pirmiausia į gamyklą tiekiama koncentruota rūda, kuri pereina kelis valymo etapus. Gaminant niobį, susidariusi rūda yra padalinama į grynus elementus, įskaitant tantalą.
2. Galutinis apdorojimo procesas yra metalo rafinavimas.

Nepaisant sunkumų, su kuriais susiduriama išgaunant ir apdorojant nagrinėjamą rūdą, kasmet aptariamo lydinio gamybos apimtys labai didėja. Taip yra dėl to, kad metalas pasižymi išskirtinėmis savybėmis ir yra plačiai naudojamas įvairiose pramonės šakose.

Niobio oksidai

Nagrinėjamas cheminis elementas gali tapti įvairių junginių pagrindu. Labiausiai paplitęs yra niobio pentoksidas. Tarp šio ryšio savybių galima pastebėti šiuos dalykus:

1. Niobio oksidas yra balti kristaliniai milteliai, turintys kreminį atspalvį.
2. Medžiaga netirpi vandenyje.
3. Susidariusi medžiaga išlaiko savo struktūrą, kai sumaišoma su dauguma rūgščių.

Prie niobio pentoksido savybių taip pat gali būti priskiriamos šios savybės:

1. Padidėjusi jėga.
2. Didelis kietumas. Medžiaga gali atlaikyti iki 1490 laipsnių Celsijaus temperatūrą.
3. Kaitinamas paviršius oksiduojasi.
4. Reaguoja į chlorą, gali būti redukuojamas vandeniliu.

Daugeliu atvejų niobio hidroksidas naudojamas labai legiruoto plieno rūšims, kurios pasižymi gana patraukliomis eksploatacinėmis savybėmis, gauti.

Fizinės ir cheminės savybės

Niobis turi panašias chemines savybes kaip tantalas. Atsižvelgiant į pagrindines niobio savybes, reikia atkreipti dėmesį į šiuos dalykus:

1. Atsparus įvairių tipų korozijai. Lydiniai, gauti įvedus šį elementą į kompoziciją, pasižymi aukštomis korozijai atspariomis savybėmis.
2. Nagrinėjamas cheminis elementas pasižymi aukšta lydymosi temperatūra. Kaip rodo praktika, daugumos lydinių lydymosi temperatūra yra didesnė nei 1400 laipsnių Celsijaus. tai apsunkina apdirbimo procesą, tačiau metalai tampa nepakeičiami įvairiose veiklos srityse.
3. Pagrindinės fizinės savybės taip pat pasižymi lengvu gautų lydinių suvirinimu.
4. Esant neigiamai temperatūrai, elemento struktūra išlieka praktiškai nepakitusi, o tai leidžia išsaugoti metalo eksploatacines savybes.
5. Ypatinga niobio atomo struktūra lemia medžiagos superlaidžias savybes.
6. Atominė masė yra 92,9, valentingumas priklauso nuo kompozicijos savybių.

Pagrindinis medžiagos pranašumas laikomas atsparumu ugniai. Štai kodėl jis buvo naudojamas įvairiose pramonės šakose. Medžiagos lydymasis vyksta maždaug 2500 laipsnių Celsijaus temperatūroje. Kai kurie lydiniai net išsilydo esant rekordinei 4500 laipsnių Celsijaus temperatūrai. Medžiagos tankis yra gana didelis, jis yra 8,57 gramo kubiniame centimetre. Reikėtų nepamiršti, kad metalui būdingas paramagnetizmas.

Šios rūgštys neturi įtakos kristalinei gardelei:

1. sieros;
2. druskos;
3. fosforo;
4. chloridas.

Neveikia metalo ir vandeninių chloro tirpalų. Tam tikru poveikiu metalui ant jo paviršiaus susidaro dielektriko oksido plėvelė. Būtent todėl metalas pradėtas naudoti gaminant miniatiūrinius didelės talpos kondensatorius, kurie taip pat gaminami iš brangesnio tantalo.

Niobio panaudojimas

Gaminami labai įvairūs niobio gaminiai, kurių dauguma siejami su aviacinės įrangos gamyba. Pavyzdys yra niobio naudojimas gaminant dalis, kurios montuojamos surenkant raketas ar orlaivius. Be to, galima išskirti tokį šio elemento panaudojimą:

1. Elementų, iš kurių gaminami radarų įrenginiai, gamyba.
2. Kaip minėta anksčiau, aptariamas lydinys gali būti naudojamas pigesniems talpiniams elektriniams kondensatoriams gauti.
3. Folijos katodai ir anodai taip pat gaminami naudojant atitinkamą elementą, kuris yra susijęs su dideliu atsparumu karščiui.
4. Dažnai galite rasti galingų generatorių lempų su tinkleliu viduje. Kad ši tinklelis atlaikytų aukštą temperatūrą, jis pagamintas iš atitinkamo lydinio.

Aukštos fizinės ir cheminės savybės lemia niobio panaudojimą vamzdžių, skirtų skystiems metalams transportuoti, gamyboje. Be to, lydiniai naudojami įvairios paskirties konteineriams gaminti.

Lydiniai su niobu

Atsižvelgiant į tokius lydinius, reikia atsižvelgti į tai, kad šis elementas dažnai naudojamas ferroniobio gamybai. Ši medžiaga buvo plačiai naudojama liejyklų pramonėje, taip pat elektroninių dangų gamyboje. Į kompoziciją įeina:

1. geležies;
2. niobis su tantalu;
3. silicio;
4. aliuminio;
5. anglis;
6. siera;
7. fosforo;
8. titano.

Pagrindinių elementų koncentracija gali skirtis gana plačiame diapazone, nuo kurio priklauso medžiagos eksploatacinės savybės.

Niobio 5VMT gali būti vadinamas alternatyviu feroniobio lydiniu. Kai jis gaunamas, kaip legiravimo elementai naudojami volframas, cirkonis ir molibdenas. Daugeliu atvejų šis ikras naudojamas pusgaminiams gaminti.

Baigdami pažymime, kad kai kuriose šalyse niobis naudojamas monetų gamyboje. Taip yra dėl gana didelės medžiagos kainos. Masiškai gaminant lydinius, kurių pagrindinis elementas yra niobis, sukuriami originalūs luitai.

Verta pradėti nuo to, kad niobis yra neatsiejamai susijęs su tokia medžiaga kaip tantalas. Taip yra nepaisant to, kad šios medžiagos nebuvo aptiktos tuo pačiu metu.

Kas yra niobis

Kas šiandien žinoma apie tokią medžiagą kaip niobis? Tai cheminis elementas, esantis 5-oje periodinės lentelės grupėje, kurio atominis skaičius yra 41, o atominė masė yra 92,9. Kaip ir daugelis kitų metalų, šiai medžiagai būdingas plieninis pilkas blizgesys.

Vienas iš svarbiausių fizinių parametrų yra jo atsparumas ugniai. Būtent dėl ​​šios savybės niobio naudojimas tapo plačiai paplitęs daugelyje pramonės šakų. Šios medžiagos lydymosi temperatūra yra 2468 laipsniai Celsijaus, o virimo temperatūra yra 4927 laipsniai Celsijaus.

Šios medžiagos cheminės savybės taip pat yra aukšto lygio. Jis pasižymi aukštu atsparumo neigiamoms temperatūroms lygiu, taip pat daugumos agresyvios aplinkos poveikiui.

Gamyba

Verta pasakyti, kad rūdos, kurioje yra elemento Nb (niobio), yra daug daugiau nei tantalo, tačiau problema yra paties elemento kiekio šioje rūdoje trūkumas.

Dažniausiai, norint gauti šį elementą, atliekamas terminės redukcijos procesas, kuriame dalyvauja aliuminis arba silicis. Šios operacijos metu gaunami ferroniobio ir ferotantaloniobio junginiai. Verta paminėti, kad metalinė šios medžiagos versija gaminama iš tos pačios rūdos, tačiau naudojama sudėtingesnė technologija. Niobio tigliai ir kitos gautos medžiagos pasižymi labai aukštomis eksploatacinėmis savybėmis.

Niobio gavimo būdai

Šiuo metu viena iš labiausiai išsivysčiusių šios medžiagos gavimo sričių yra aliuminoterminė, natrio šiluminė ir karboterminė. Skirtumas tarp šių tipų taip pat slypi pirmtakuose, kurie naudojami niobio mažinimui. Tarkime, K2NbF7 naudojamas natrio terminiu metodu. Bet, pavyzdžiui, naudojant aliuminoterminį metodą, naudojamas niobio pentoksidas.

Jei mes kalbame apie karboterminį gavimo būdą, tada ši technologija reiškia Nb maišymą su suodžiais. Šis procesas turėtų vykti aukštos temperatūros ir vandenilio aplinkoje. Dėl šios operacijos bus gautas niobio karbidas. Antrasis etapas – vandenilio terpė pakeičiama vakuumine ir palaikoma temperatūra. Šiuo metu jo oksidas pridedamas prie niobio karbido ir gaunamas pats metalas.

Svarbu pažymėti, kad tarp gaminamo metalo formų luituose esantis niobis yra gana dažnas. Šis gaminys skirtas metalo lydinio, taip pat įvairių kitų pusgaminių gamybai.

Taip pat galima pagaminti šios medžiagos lazdelę, kuri pagal medžiagos grynumą skirstoma į kelias kategorijas. Mažiausias priemaišų kiekis yra lazdelėje, pažymėtoje NBSh-00. NBSh-0 klasei būdingas didesnis tokių elementų, kaip geležis, titanas ir tantalo silicis, buvimas. Didžiausia priemaišų norma yra NBSh-1. Galima pridurti, kad luituose esantis niobis tokios klasifikacijos neturi.

Alternatyvūs gamybos būdai

Alternatyvūs metodai apima betiglio elektronų pluošto zonos lydymą. Šis procesas leidžia gauti pavienius Nb kristalus. Šiuo metodu gaminami niobio tigliai. Tai priklauso miltelių metalurgijai. Jis naudojamas norint iš pradžių gauti šios medžiagos lydinį, o tada gryną mėginį. Dėl šio metodo niobio pirkimo skelbimai buvo gana dažni. Šis metodas leidžia grynam metalui gauti naudoti ne pačią rūdą, kurią gana sunku išgauti, ar koncentratą iš jos, o antrines žaliavas.

Kitas alternatyvus gamybos būdas – niobio valcavimas. Verta paminėti, kad dauguma įvairių įmonių renkasi būtent strypus, vielą ar lakštinį metalą.

Susukti ir folija

Šios medžiagos folija yra gana dažnas pusgaminis. Tai ploniausias valcuotas šios medžiagos lakštas. Jis naudojamas kai kurių gaminių ir dalių gamybai. Niobio folija gaunama iš grynų žaliavų šalto valcavimo Nb luitais būdu. Gauti gaminiai pasižymi tokiais rodikliais kaip didelis atsparumas korozijai, agresyvi aplinka, aukšta temperatūra. Niobio ir jo luitų valcavimas taip pat suteikia tokias savybes kaip gaminio atsparumas dilimui, didelis plastiškumas ir geras apdirbamumas.

Tokiu būdu gauti produktai dažniausiai naudojami tokiose srityse kaip orlaivių gamyba, raketų mokslas, medicina (chirurgija), radiotechnika, elektrotechnika, branduolinė energetika, atominė energetika. Niobio folija supakuojama į ritinius ir laikoma sausoje vietoje, apsaugotoje nuo drėgmės patekimo, taip pat nuo mechaninio poveikio iš išorės apsaugotoje vietoje.

Naudojimas elektroduose ir lydiniuose

Niobio naudojimas yra labai paplitęs. Jis gali būti naudojamas, kaip ir chromas ir nikelis, kaip medžiaga, kuri yra geležies lydinio, naudojamo elektrodams gaminti, dalis. Dėl to, kad niobis, kaip ir tantalas, gali sudaryti itin kietą karbidą, jis dažnai naudojamas ypač kietiems lydiniams gaminti. Galima pridurti, kad šiuo metu šios medžiagos pagalba bandoma pagerinti lydinių, gautų remiantis

Kadangi niobis yra žaliava, galinti sukurti karbido elementus, jis, kaip ir tantalas, naudojamas kaip legiravimo mišinys plieno gamyboje. Reikia pažymėti, kad ilgą laiką niobio, kaip tantalo priemaišos, naudojimas buvo laikomas neigiamu poveikiu. Tačiau šiandien nuomonė pasikeitė. Nustatyta, kad Nb gali būti tantalo pakaitalas ir labai sėkmingai, nes dėl mažesnės atominės masės galima panaudoti mažesnį medžiagos kiekį, išsaugant visas senas produkto galimybes ir poveikį.

Taikymas elektrotechnikoje

Verta pabrėžti, kad niobį, kaip ir jo brolį tantalą, galima naudoti lygintuvuose dėl to, kad jie turi vienpolio laidumo savybę, tai yra, šios medžiagos praleidžia elektros srovę tik viena kryptimi. Iš šio metalo galima sukurti tokius įrenginius kaip anodai, kurie naudojami didelės galios generatoriuose ir stiprinančiose lempose.

Labai svarbu pažymėti, kad niobio naudojimas pasiekė atominės energetikos pramonę. Šioje pramonėje gaminiai, pagaminti iš šios medžiagos, naudojami kaip konstrukcinės medžiagos. Tai įmanoma, nes dėl Nb esančios dalyse jos yra atsparios karščiui, taip pat suteikia joms aukštą cheminio atsparumo kokybę.

Puikios šio metalo fizinės savybės lėmė tai, kad jis plačiai naudojamas raketų technikoje, reaktyviniuose lėktuvuose ir dujų turbinose.

Niobio gamyba Rusijoje

Jei kalbėtume apie šios rūdos atsargas, tai iš viso jų yra apie 16 mln. Didžiausias telkinys, užimantis maždaug 70% viso kiekio, yra Brazilijoje. Rusijos teritorijoje yra apie 25% šios rūdos atsargų. Šis rodiklis laikomas reikšminga visų niobio atsargų dalimi. Didžiausias šios medžiagos telkinys yra Rytų Sibire, taip pat Tolimuosiuose Rytuose. Iki šiol Lovozersky GOK įmonė užsiima šios medžiagos gavyba ir gamyba Rusijos Federacijos teritorijoje. Matyti, kad niobio gamyba Rusijoje užsiėmė ir įmonė „Stalmag“. Jis sukūrė šios rūdos totorių telkinį, tačiau buvo uždarytas 2010 m.

Taip pat galite pridurti, kad ji užsiima niobio oksido gamyba. Jie jį gauna perdirbdami loparito koncentratą. Ši įmonė gamina nuo 400 iki 450 tonų šios medžiagos, kurios didžioji dalis eksportuojama į tokias šalis kaip JAV ir Vokietija. Dalis likusio oksido patenka į Chepetsky mechaninę gamyklą, kuri gamina ir gryną niobį, ir jo lydinius. Yra dideli pajėgumai, leidžiantys pagaminti iki 100 tonų medžiagos per metus.

Niobio metalas ir jo kaina

Nepaisant to, kad šios medžiagos taikymo sritis yra gana plati, pagrindinė paskirtis yra kosmoso ir branduolinė pramonė. Dėl šios priežasties Nb priskiriama strateginei medžiagai.

Pagrindiniai parametrai, turintys įtakos niobio kainai:

• lydinio grynumas, didelis kiekis priemaišų sumažina kainą;
• medžiagų tiekimo forma;
• tiekiamos medžiagos kiekiai;
• rūdos priėmimo taško vieta (skirtingiems regionams reikia skirtingo elemento kiekio, vadinasi, jo kaina skiriasi).

Apytikslis medžiagų kainų sąrašas Maskvoje:

• niobio prekės ženklas NB-2 yra 420–450 rublių už kg;
• niobio drožlės kainuoja nuo 500 iki 510 rublių už kg;
• NBSh-00 markės strypas kainuoja nuo 490 iki 500 rublių už kg.

Verta paminėti, kad nepaisant didžiulių šio produkto kainų, jo paklausa tik didėja.