для чего используется ниобий

Ниобий. Свойства ниобия. Применение ниобия

Описание и свойства ниобия

Ниобий – металл бело-стального оттенка, имеет пластичность – легко прокатывается в листы. Электронное строение ниобия наделяет его определёнными характеристиками. Отмечается показание большого температурного режима при плавке и точки кипения металла. За счёт этого, как особенность отмечается электронный исход электронов. Сверхпроводимость проявляется только при большой температуре. Для окисления металлу требуется минимальная температура около 300º С и выше. При этом образуется специфичный оксид ниобия Nb2O5.

Ниобий, свойства которого активно взаимодействовать с некоторыми газами. Это водород, кислород и азот, под их воздействием может поменять определённые характеристики. Чем выше температура, тем интенсивнее поглощается водород, делающий ниобий более хрупким, при достижении контрольной отметки 600º С, начинает происходить обратное выделение, и металл восстанавливает утраченные показатели. После этого начинается образование нитрида NbN, для плавления которого требуется 2300º С.

Углерод и содержащие его газы, начинают своё взаимодействие с ниобием при необходимой температуре свыше 1200º С, в результате образуется карбид NbC – t плавления — 3500º С. В результате взаимодействия кремния и бора с металлом ниобием образуется борид NbB2 – t плавления — 2900º С.

Элемент ниобий устойчив почти ко всем известным кислотам, кроме плавиковой кислоты, а особенно её смеси с азотной кислотой. Металл подвержен воздействию щелочей, особенно, горячих. При растворении в них, происходит процесс окисления, и образуется ниобиевая кислота.

Добыча и происхождение ниобия

Содержание металла на тонну заемной породы сравнительно невелико – всего 18 г на тонну. Содержание увеличено в более кислых породах. Наиболее часто в одном залеже встречаются ниобий и тантал, за счёт их близких химических свойств, которые позволяют находится им в одном минерале, и участвовать в общих процессах. Зачастую в некоторых минералах содержащих титан, происходит замещающее явление – «ниобий – титан».

Известно около ста различных минералов содержащих ниобий. Но в промышленности используются единицы. Это пирохлор, лопарит, торолит и т.д. В ультраосновных и щелочных породах ниобий встречается в перовските и эвдиалите.

Месторождения ниобия имеются в Бразилии, Австралии, Канаде, Конго, Нигерии и Руанде.

Производство ниобия довольно сложный процесс, имеющий три основных стадии. Для начала вскрывается концентрат, потом разделяются ниобий и тантал на чистые соединения. Завершающей стадией является восстановительные процессы и рафинирование металла. Из наиболее распространенных способов можно отметить – карботермические, алюмотермические и натриетермические методы.

К примеру, смешивая оксид ниобия и сажу при высоких температурах в водородной среде получают карбид, затем смешав карбид и оксид ниобия при тех же температурах, но уже в полном вакууме получают металл, из которого в дальнейшем выплавляют различные сплавы ниобия. Не исключено получение сплавов ниобия, используя методы порошковой металлургии, с применением вакуумных и электроннолучевых способов дуговой плавки.

Применение ниобия

В связи с уникальными свойствами, ниобий находит применение во многих областях промышленности. Сплавы ниобия обладают тугоплавкостью, жаропрочностью, сверхпроводимостью, геттерными и антикоррозийными свойствами. К тому же он довольно легко обрабатывается и сваривается. Он широко применяется в космических и авиационных технологиях, радио и электротехнике, химической отрасли и атомной энергетике. В генераторных лампах многие нагревательные элементы, выполнены с его применением. Также для этих целей применяются его сплав с танталом.

Электрические выпрямители и электролитические конденсаторы тоже содержат определённое количество этого металла. Его применение в этих устройствах обусловлено характерными ему пропускными и окислительными свойствами. Конденсаторы, включающие в свой состав данный металл, при сравнительно небольших габаритах, обладают большим сопротивлением. Все элементы конденсаторов, выполняются из специальной фольги. Она прессуется из порошка ниобия.

За счёт слабого воздействия ниобия с промышленным ураном, при сравнительно невысоких температурах ( 900º С), металл годен для создания защитного слоя на атомных реакторах. При такой оболочке становиться возможным применение натриевых теплоносителей, с которыми он также почти не взаимодействует. Ниобий значительно продлевает срок службы урановых элементов, создавая на их поверхности защитную окись, от пагубного влияния водяного пара.

В состав некоторых сплавов для обработки стали имеется карбид ниобия, усиливающий свойства сплава. Сравнительно небольшая прибавка ниобия, в нержавеющую сталь, усиливает её антикоррозийные свойства и улучшает качество получаемых сварных швов. Многие инструментальные стали также имеют примесь ниобия. Как катализ его различные соединения участвуют в процессах искусственного органического синтеза.

Цена ниобия

Источник

Применение ниобия в высокотехнологичных областях промышленности

Металлургическая промышленность выпускает несколько видов полуфабрикатов из ниобия, наиболее востребованными из которых являются: ниобиевая проволока, ниобиевая лента, ниобиевый пруток, ниобиевая труба, ниобиевый лист и ниобиевый порошок. Требуемые характеристики полуфабрикатам из ниобия придаются с помощью обработки металла по определенным технологическим схемам.

Производство сверхпроводников

Широкое применение ниобиевый пруток марки НбП1(2) и ниобиевая проволока марки НбПр-1 (ТУ 48-4-316-74) получили в производстве многоволоконных низкотемпературных сверхпроводников для термоядерных реакторов, магнитных систем нового поколения, ускорителей заряженных частиц. Для промышленного изготовления сверхпроводников используется несколько методов. Один из них построен на твердофазной диффузии (структурном встраивании) ниобиевых прутков в сердечник из олова, окруженных медной матрицей. После волочения заготовки до необходимого диаметра и высокотемпературной обработки, получают сверхпроводящие провода Nb₃Sn в медной стабилизирующей оболочке.

Рисунок 1. Сверхпроводник в разрезе.

Кристаллический ниобиевый порошок также используется для конструирования сверхпроводников по Методу Кюнцлера («порошок в трубе»). Порошок ниобия смешивается с оловянным порошком, затем смесь собирают с ниобиевыми прутками и прессуют в медной матрице. Многоволоконные области окружаются диффузионным барьером, материалом для которого обычно служит тонкий ниобиевый лист марки Нб-1(НбЦ-1) или фольга марки НБ (ТУ 48-19-293-78). Высокую эффективность в качестве сверхпроводников показывают интерметаллиды ниобия – соединения с титаном, цирконием, германием, которые производятся путем горячего плавления металлов. Технические ниобиевосодержащие сверхпроводники применяют в аппаратах формирования магнитных полей, томографах (медицинских), спектрографах, детекторах столкновения частиц. Например, провод из интерметаллида Nb-Ti использован для обмотки сверхпроводящих магнитов БАК в Церне.

Атомная энергетика

Ниобий обладает уникальным сочетанием свойств, критически необходимых для конструкционных элементов атомных реакторов. Наиболее важные из них: слабое взаимодействие с ураном (при температурах до 900-1100°С) и малое сечение радиационного захвата тепловых нейтронов (около 1,15 х 10-24 см 2 ). В связи с этим ниобиевый лист входит в число основных материалов, из которых изготавливают защитные оболочки тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) водяных и кипящих энергетических реакторов. В свою очередь ниобиевая труба марки НБЦ-1 используется в конструкциях трубопроводов и насосного оборудования, которые применяются на объектах атомной промышленности.

Химическое машиностроение

Способность ниобия эффективно противостоять коррозии в минеральных и органических кислотах, в большинстве солей, морской воде, обуславливает его ценность в качестве материала для ответственных узлов и деталей химических машин и аппаратов. При производстве конструкционных элементов используется практически весь спектр полуфабрикатов: ниобиевая лента марки Нб1(Нб2) и пруток, труба, лист, проволока. Из ниобия и ниобиевых сплавов производят трубопроводы и теплообменники, участвующие в высокотемпературных процессах до 1000–2000°С, а также работающие с агрессивными жидкими рабочими средами, например, для производства высокочистых кислот. Поскольку ниобий хорошо поглощает газы, из него изготавливают лабораторное вакуумное оборудование и камеры для нагрева газов, а благодаря незаурядной термостойкости, металл используют для огнеупорного покрытия высокотемпературных печей.

Металлургия

В металлургической промышленности ниобий применяется для легирования стали и цветных металлов (Ni, Co, Cr и др.) при производстве коррозионностойких жаропрочных и жаростойких сплавов, высокопрочных и легких сталей. Низколегированные ниобием стали применяют для изготовления кузовов и рам автомобилей, корпусов морских и речных судов, нефтегазовых труб большого диаметра различного климатического исполнения. При концентрации ниобия, превышающей концентрацию углерода в 6-10 раз, сталь становится более устойчивой к межкристаллитной коррозии, приобретает высокую прочность сварных швов. Содержащие ниобий жаростойкие и жаропрочные сплавы отличаются высокой рабочей температурой 800–1250°С, жесткостью и плотностью, что позволяет использовать их для производства деталей двигателей самолетов, ракетных сопел, лопаток газовых турбин, компонентов бортовой аппаратуры ракетной техники. Из твердых карбидов ниобия изготавливают высокопроизводительный режущий инструмент, бурильные насадки для горнодобывающей отрасли, зубья экскаваторных ковшей, износостойкие детали различных машин и механизмов.

Производство оптически активных материалов

Техническая пятиокись (пентаоксид) ниобия – ниобиевый порошок белого цвета, который традиционно используется для создания ниобиевых ферросплавов и сплавов с ниобием, нашел применение в производстве оптического стекла для целого ряда приборов различного назначения. Материал обладает высоким коэффициентом преломления и низким коэффициентом оптического поглощения света. Эти особенности, вкупе с высокой механической, химической и термической стойкостью, делают сверхчистый пентаоксид ниобия (Nb₂O₅) эффективным компонентом оптического стекла, существенно улучшающим его потребительские и технические характеристики. Путем смешения порошка пятиокиси ниобия с оксидом лития (Li₂CO₃) при 1000-1100°C, изготавливают оптические монокристаллы ниобата лития (LiNbO₃), которые обладают выдающимися пьезоэлектрическими, фотоупругими и электрооптическими свойствами, позволяющими изменять длину световой волны в видимом и инфракрасном диапазонах спектра.

Заключение

Рисунок 2. Вакуумный диод.

Помимо перечисленных выше направлений, ниобиевая лента и ниобиевая труба, а также пруток, проволока, лист, порошок, востребованы во многих других отраслях промышленности. В частности, ниобиевая проволока применяется для производства анодов, сеток и катодов электронных ламп. Образование на поверхности металла оксидной пленки с высокими диэлектрическими свойствами, устойчивой к кислым электролитам, обусловило использование ниобия в производстве микроконденсаторов для современной электроники. По оценкам того же Bloomberg, в ближайшее время темпы роста спроса на ниобий составят 10% в год, что лишний раз подтверждает статус металла, как стратегически важного для развития широкого спектра высокотехнологичной продукции.

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Источник

Ниобий

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.

Химический элемент ниобий

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:

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:

К особенностям пентаоксида ниобия также можно отнести следующие свойства:

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:

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:

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:

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:

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.

Источник

Ниобий: происхождение и область применения

Ниобий (Nb) – 41-й элемент периодической таблицы, представляет собой мягкий серый кристаллический металл, используемый в самых разных областях — от производства стали до гипоаллергенных украшений. Первоначально он был обнаружен британским химиком Чарльзом Хэтчеттом в 1801 году, при исследовании коллекции американских минералов в Британском музее. Исследователь назвал этот элемент Колумбиум в честь Христофора Колумба. В Европе на протяжении многих лет использовали другое его название — ниобий.

Добыча и происхождение ниобия

Тантал и ниобий часто встречаются вместе, на протяжении многих лет их практически не отличали друг от друга. По предложению Королевского химического общества он стал называться в честь греческой богини слез Ниобе, дочери короля Тантала.

Nb имеет запутанную историю. Джон Уинтроп открыл руду в штате Массачусетс в 1734 году и отправил ее в Англию. Минерал хранился в коллекции Британского музея в течение многих лет, пока в 1801 году его не стал изучать Чарльз Хэтчетт. Он обнаружил новый элемент в руде и назвал его колумбием в честь Колумбии, самого поэтического звучания Америки. В 1809 году английский химик Уильям Хайд Волластон сравнил колумбит с другим минералом, танталитом. Эти металлические элементы очень похожи, всегда находятся вместе и их трудно выделить.

В 1844 году Генрих Роуз, работая с образцами колумбита и танталита, создал две новые отдельные, но очень похожие кислоты, которые он назвал соответственно ниобиевой и пелоповой и переименовал элемент в ниобий. Двадцать лет спустя швейцарский химик Жан Шарль Галиссар де Мариньяк выделил металлический Nb путем нагревания хлорида в атмосфере водорода.

Как выглядит ниобий

В Соединенных Штатах в течение примерно 100 лет изначальный элемент назывался колумбий (символ Cb), тогда как в Европе его называли ниобием. В 1949 году Международный союз теоретической и прикладной химии официально принял ниобий в качестве официального названия элемента. Однако многие металлургические общества США до сих пор называют его колумбием.

Свойства и особенности производства

Образец чистого металла был изготовлен в 1864 году Кристианом Бломстрандом, который восстановил хлорид ниобия, нагревая его газообразным водородом. Почти весь Nb добывается в Бразилии и Канаде. Предполагается, что промышленное его количество в земной коре сохранится в течение следующих пяти веков.
Согласно исследованиям, некоторые соединения ниобиевой пыли могут вызывать раздражение глаз и кожи, тем не менее, не зафиксированы какие-либо серьезные последствия при работе с Nb, так же как и негативного влияния его на экологию.

Элемент встречается в виде оксида и обладает сильной геохимической связью с танталом. Основные минералы — пирохлор [(Na, Ca) 2 Nb 2 O 6 F] и колумбит [(Fe, Mn) (Nb, Ta) 2 O 6], состоящий из ниобата, танталата, железа и марганца. Пирохлор встречается обычно в карбонатитах и пегматитах, полученных из щелочных пород, связанных с минералами циркония, титана, тория, урана и редкоземельных элементов. Колумбит содержится в интрузивных пегматитах и биотитах, а также в щелочных гранитах. Однако, поскольку большинство таких месторождений невелики и распределены неравномерно на земле, они получаются, как побочный продукт других металлов.

Металл добывают открытым способом, руда, делится на блоки и перерабатывается путем разрыва, с помощью бульдозера, погрузки и транспортировки. Добыча в Квебеке (Канада) идет подземными методами. Концентрация руды достигается путем дробления и измельчения, магнитного разделения для удаления магнетита, а затем обесшламливания и флотационного разделения.

Концентрат пирохлора обычно восстановлен до феррониобия через алюминотермический процесс. Он смешивается с гематитом, алюминиевым порошком и небольшим количеством флюорошпатового и известкового флюсов в роторном смесителе. Затем выгружается в стальные контейнеры, облицованные огнеупорным кирпичом из магнезита.

Здесь смесь помещается в круглые углубления, сделанные из смеси извести, плавикового шпата и кварцевого песка, и восстанавливается воспламенением смеси алюминиевого порошка и хлората натрия или пероксида бария. Экзотермическая реакция длится примерно от 15 до 30 минут, а температура процесса порядка 2400 C. Большая часть примесей из концентрата, включая все оксиды тория и урана, попадают в расплавленный шлак, Когда реакция заканчивается, он отводится, и сосуд поднимается, оставляя металл остывать в песке.

Сплав товарного феррониобия измельчают до размеров частиц с составом:

Область применения

По данным USGS (Геологическое обследование США), около 80 процентов Nb используется в сталелитейной промышленности для создания высокопрочных низколегированных сталей. Свойства ниобия позволяют применять его в сплавах, что повышает механическую и жаропрочность, ударную вязкость и коррозионную стойкость.

Другие области применения его включают строительство трубопроводов, суперсплавов для жаропрочного оборудования, а также реактивные двигатели и ювелирные изделия. Ниобий, вольфрам, молибден, тантал и рений известны как пять тугоплавких металлов. Все они обладают очень высокой устойчивостью к нагреву и износу.

Ниобий используется в сталелитейной промышленности

Промышленное использование Nb началось еще в начале 1900-х годов. Крупнейшим рынком ниобия (> 80%) является производство высокопрочной низколегированной стали, где он обеспечивает высокую жаропрочность и коррозионную стойкость для газопроводов, автомобильных компонентов и конструкционной стали.

Nb, как и тантал, позволяет переменному току проходить только в одном направлении через электролизер. Металл ниобий используется в дуговых сварочных стержнях для стабилизированных марок нержавеющей стали. Наиболее интересные его применения в области сверхпроводимости. Сверхпроводящие магниты изготовлены из проволоки Nb-Zr (ниобий и цирконий), которая сохраняет сверхпроводимость в сильных магнитных полях.

Сплавы с ниобием

Ниобий чаще всего используется для создания сплавов. Даже при содержании Nb всего 0,01% прочность стали заметно улучшается. Такие сплавы часто встречаются в нефтегазовых установках и трубопроводах. Суперсплавы Nb, такие, как никель-ниобий, обладают способностью сохранять стабильность, что делает их незаменимыми в ракетостроении и производстве энергетических турбин. Ниобий-титановые сплавы являются сверхпроводящими в определенном диапазоне низких температур. Эти сплавы используются для создания специальных магнитов, используемых в МРТ сканерах.

Использование сплавов Nb:

Цена ниобия

Поскольку элемент не имеет больших залежей на земле и имеет сложную технологию производства его цена всегда было очень высокой и сростом развития автомобилестроения, энергетики, самолетостроения и космической технологии его цена неуклонно росла. При этом были периоды, когда она оставалась низкой из-за кризисных явлениях в мировой экономики.

На мировом рынке Nb крупным производителем является CBMM (Бразилия), обладающая монополией на его поставки с 84% долей мирового рынка.

Другие известные компании:

Сегодня в России реализуются проекты с инвестициями по восстановлению редкоземельных месторождений и развитию ниобиевой отрасли:

Ожидается, что в 2019-2024 гг на мировом рынке ниобия будет среднегодовой темп роста в 5,90%. Основные факторы, влияющими на него – высокое потребление Nb в конструкционной стали и широкое использование сплавов при производстве авиационных двигателей.

Источник