Свойства ниобия

Чистый ниобий представляет собой пластичный металл серого цвета со следующими основ­ными физико-химическими свойствами: атомная масса 92,91; плотность 8,6 г/см3; валентность 2, 3, 4 и 5; темпе­ратура плавления 2468° С. Температура плавления про­мышленных сплавов, содержащих 50—60% Nb, состав­ляет ~1600° С. С углеродом ниобий образует карбиды Nb2C и NbC, а с кислородом — три оксида: Nb2O5, NbO2 и NbO.

Присадка ниобия к нержавеющим и жаропрочным сталям способствует увеличению пластичности и коррозионной стойкости, а введение ниобия в конструкцион­ные стали улучшает свариваемость и повышает прочность и пластичность, предотвращает коррозию сварного шва. Для легирования стали употребляется ферронио­бий, состав которого приведен в табл. 22.

Состав феррониобия по ГОСТ 16773—71

Ниобий является сравнительно редким элементом, содержание его в земной коре составляет 0,001%. Как правило, ниобию сопутствует тантал. В качестве сырья для получения сплавов ниобия применяют концентрат с содержанием >37% (Nb2O5+Ta2O5). Ниобиевый концентрат содержит около 12% ZrO2. Также ис­пользуют технический пятиоксид ниобия, получаемый химической переработкой ниобиевого концентрата и со­держащий 90—98% Nb2O5.

Технология производства феррониобия

Пятиоксид ниобия может быть восстановлен углеродом, кремнием и алюминием. Все эти реакции легко осуществимы. Сплав при углетермическом восстановлении всегда будет за­грязнен углеродом. Выплавка феррониобия этим мето­дом применяется только для переработки бедных кон­центратов, при этом получается сплав, содержащий 22— 37% Nb и ∼5% С, а извлечение ниобия достигает 98%.

При восстановлении пятиоксида ниобия кремнием наряду с реакцией восстановления его до металла будут протекать реакции неполного восстановления до низших оксидов, довосстановление которых кремнием связано с большими трудностями и приводит к получению крем­нистого сплава (до 12% Si) и к большим потерям ниобия со шлаком. Извлечение ниобия составляет ~70%. По­этому силикотермический способ производства ферро­ниобия не получил распространения.

Наиболее широко в промышленности применяют раз­личные варианты алюминотермического метода. При восстановлении пятиоксида ниобия алюминием выделя­ется 3220 кДж (766 ккал) тепла на 1 кг Nb2O5. В связи с тем, что в концентратах содержится большое количест­во трудновосстановимых оксидов и кристаллизационной влаги, удельная теплота процесса восстановле­ния составляет 46—50 кДж/г-атом (11—12 ккал/г-атом) шихты, что значительно меньше необходимых при про­мышленной плавке 92 кДж (22 ккал) на 1 г-атом ших­ты. Поэтому для повышения удельной теплоты процесса выплавки феррониобия в шихту вводят железную руду и бертолетову соль или натриевую селитру. При вос­становлении чистого пятиоксида ниобия и железной руды выделяется достаточно тепла для нормального проте­кания процесса без термитных добавок.

Обычно колоша шихты для металлотермической плав­ки феррониобия имеет следующий состав: 100 кг ниобиевого концентрата, 40—43 кг порошка первичного алюминия, 8,5 кг железной руды и 26 кг натриевой селитры.

Плавку феррониобия ведут с нижним запалом в чу­гунных разъемных шахтах диаметром 1,6 м, футеро­ванных магнезитовым кирпичом. Дозированную, тща­тельно смешанную шихту подают шнековым питателем. Нормальная продолжительность плавки на 2400 кг кон­центрата составляет 6—7 мин. В отдельных случаях по окончании плавки сливают шлак и затем выпускают сплав в изложницу. После остывания блок дробят, очи­щают и упаковывают. Примерный состав шлака: 60% Al2O3; 4% TiO2; 2,6% Nb2O5; 10% CaO; 1,7% MgO; 5,9% SiO2; 0,9% FeO; 4,9% ZrO2 и 4% Na2O. В послед­нее время плавку феррониобия ведут с проплавлением шихты в электропечи. Это снижает расход алюминия и ниобиевого концентрата.

Низкокремнистый феррониобий выплавляют из тех­нического пятиоксида ниобия и малофосфористой гематитовой железной руды. Состав шихты следующий: 100 кг технического пятиоксида ниобия, 47—50 кг порошка первичного алюминия, 30—40 кг обогащенной железной руды и 10—20 кг извести. Максимальное извлечение ниобия достигается при содержании в шихте 110% восстановителя к теоретически необходимому и при содержании в сплаве 4,5% Al, при 30% извести в шихте от массы пятиоксида ниобия и при 72—76% нио­бия в сплаве. Плавку ведут с нижним запалом в плавиль­ном горне с магнезитовой футеровкой, приемная излож­ница состоит из чугунного кольца и блока металлическо­го хрома толщиной 200—250 мм, который служит поди­ной. При нормальном ходе плавка идет с закрытым ших­той зеркалом расплава. Скорость проплавления шихты составляет 160—180 кг/(м2·мин). По окончании загруз­ки шихты загружают известь, после растворения кото­рой производят слив шлака и сплава с выдержкой 1—2 мин после слива части шлака для образования шлако­вого гарниссажа. После остывания блока производится очистка, разделка и упаковка сплава.

Примерный состав шлака следующий: 73,5% Al2O3; 6,1% Nb2O5; 15,2% CaO; 3,21 % MgO; 1,15% FeO; 0,42% SiO2 и 0,18% Cr2O3.

При выплавке феррониобия на концентратах для по­лучения 1 т базового сплава необходимо 2440 кг кон­центрата, 600 кг алюминия, 160 кг железной руды. Рас­ход электроэнергии составляет 2000 кВт-ч, извлечение ниобия в этом случае 98,5%. При выплавке на пятиоксиде ниобия необходимо 2525 кг, Nb2O5, 480 кг алюминия, 900 кг железной руды и 400 кг извести; извлечение нио­бия составляет 95%.

Улучшение показателей производства обеспечивается ведением плавки в дуговой электропечи с магнезитовой футеровкой. Выплавка феррониобия в дуговой печи со сводом,без термитной добавки и с выпуском сплава и шлака в изложницу позволяет повысить использование ниобия и экономить алюминиевый порошок, при этом в феррониобии снижается содержание титана более чем в два раза, алюминия в три, серы в пять и газов в четыре раза по сравнению с внепечным.