Области применения
Тантал и ниобий используют в радиоэлектронике и электротехнике, производстве жаропрочных, сверхпроводниковых и твердых сплавов, легированных сталей, атомной энергетике и химическом машиностроении. В одних из этих областей преимущественно применяют тантал, в других - ниобий.
Радиоэлектроника и электротехника. В этих областях используют 60 - 70 % производимого тантала. Тантал и ниобий обладают сочетанием ценных свойств для изготовления деталей электронных приборов: высокой температурой плавления, хорошими эмиссионными характеристиками и способностью поглощать газы (что обеспечивает поддержание глубокого вакуума в электровакуумных приборах).
Из тантала, сплавов тантала с ниобием (а иногда и из чистого ниобия) изготовляют аноды, сетки, катоды косвенного накала и другие детали электронных ламп, особенно — мощных генераторных ламп.
Важное значение приобрело применение тантала для изготовления миниатюрных электролитических конденсаторов, обладающих высокой емкостью и допускающих эксплуатацию в интервале температур от —80 до +200 °С.
Сверхпроводящие сплавы. Некоторые соединения и сплавы ниобия отличаются высокой температурой перехода в состояние сверхпроводимости: NbN (12,5 К), твердые растворы NbN-NbC (17,8 К), интерметаллид Nb3Sn (18 К), твердые растворы Nb-Zr и Nb-Ti.
Сплав ниобия с 25 - 35% Zr и интерметаллид Nb3Sn применяют для создания мощных малогабаритных электромагнитов.
Жаропрочные сплавы и твердые сплавы. Ниобий и тантал входят в состав различных жаропрочных сплавов для газовых турбин реактивных двигателей. Детали из ниобия и сплавов на его основе можно использовать при рабочих температурах 1000 - 1200 °С при условии защиты от окисления покрытиями, а также при работе в вакууме или инертных газах.
Карбиды ниобия и тантала входят в состав некоторых марок твердых сплавов на основе карбида вольфрама.
Производство сталей. Основное количество добываемого ниобия (70 — 80 %) расходуется в производстве легированных сталей.
Добавка ниобия в нержавеющие стали (в количестве, в 6—10 раз превышающем содержание в ней углерода) устраняет межкристаллитную коррозию стали и предохраняет сварные швы от разрушения. Важное значение имеют низколегированные стали, содержащие ниобий и молибден, для изготовления труб большого диаметра для газо- и нефтепроводов и в качестве конструкционного материала в автомобилестроении.
Ниобием легируют также жаропрочные, инструментальные и магнитные стали. Ниобий вводят в сталь в составе феррониобия (до 60 % ниобия).
Иногда используют ферротанталониобий с различными отношением ниобия и тантала.
Атомная энергетика. Ниобий обладает сочетанием свойств, удовлетворяющих требованиям атомной энергетики к конструкционным материалам: тугоплавкостью, хорошей обра
батываемостью, коррозионной стойкостью и относительно
низким сечением захвата тепловых нейтронов (1,15х10-24 см2). При температуре до 900 °С ниобий слабо взаимодействует с ураном и пригоден для изготовления защитных оболочек тепловыделяющих элементов. При этом возможно использование в качестве теплоносителей жидкого натрия, с которым ниобий не реагирует до 600 °С.
Для повышения живучести урановых тепловыделяющих элементов уран легируют ниобием и цирконием (4 — 5 % Zг, 1,5- 10% Nb).
Химическое машиностроение. Коррозионная стойкость иио-бия и особенно тантала в кислотах и других средах в сочетании с высокой теплопроводностью и пластичностью делает их ценными конструкционными материалами для химической аппаратуры. -Металлы используют для изготовления подогревателей, облицовки химических аппаратов, мешалок и других деталей. Тантал служит материалом фильер (взамен платины) для формирования волокон в производстве искусственного шелка.
Другие области применения. Тантал в виде проволоки и листов применяют в медицине — в костной и пластической хирургии (скрепление костей, "заплаты" при повреждении черепа, наложение швов и др.). Металл не раздражает кожу и не вредит жизнедеятельности организма. Ниобаты и танталаты различных металлов применяют в качестве пьезоматери-алов, сегнетоэлектриков, преобразователей света. Диселе-ниды ниобия и тантала обладают, подобно дисульфиду молибдена, слоистой структурой и используются в составе твердых смазок.
Минералы, руды и рудные концентраты
Содержание ниобия в земной коре 1 • 10-3 %тантала -2 • 10-4 % (по массе). Ниобий и тантал входят в состав большого числа (около 100) минералов, представляющих собой большей частью сложные комплексные соли ниобиевой и_ танталовой кислот или титано-ниобий-танталовой кислоты. В их состав входят катионы железа, марганца, щелочных и щелочноземельных металлов, редкоземельных элементов, тория, урана и других.
Наиболее важные промышленные минералы: танталит-колумбит, пирохлор, лопарит.
Танталит-колумбит (Fе,Мn)[(Ta,Nb)O3]2 . Из формулы следует, что минерал представляет собой изоморфную смесь метаниобатов железа и марганца. Если в составе преобладает ниобий, минерал называют колумбитом, при преобладании тантала - танталитом. Содержание суммы (NЬ2О5 + Та2O5) в минерале 75 - 86 %. Плотность минерала - от 5,0 г/см3 (чистый колумбит без тантала) до 8,2 г/см3(чистый танталит без ниобия). К этой группе относится имеющий промышленное значение минерал воджинит (Мп,Fе)(Та,Sп)2о6 .
Минералы ряда танталит-колумбит преимущественно встречаются в жилах гранитных пегматитов. Они ассоциируются с касситеритом, вольфрамитом, минералами титана и ряда других элементов.
Наиболее крупные месторождения находятся в Австралии, Канаде, Заире, Нигерии и Бразилии.
Пирохлор. Общая формула минерала (Na,Са...)2(Ti,Nb)2х О6F,OH]. Он представляет собой ниобато-титанат, в котором катионами являются натрий, кальций, редкоземельные и ряд других редких элементов. Плотность минерала 4,03 -4,36 г/см3. Пирохлор в настоящее время относится к важнейшим сырьевым источникам ниобия.
Аналогичный состав имеют более редкие минералы, в которых ниобий замещен танталом - микролит и гатчеттолит. Основным источником ниобия являются пирохлоровые руды карбонатитовых месторождений (нерудные минералы - карбонаты: кальцит, доломит, анкерит). Наиболее крупные месторождения пирохлоровых руд за рубежом находятся в Канаде и Бразилии. В СНГ также разведаны месторождения пирохлоровых руд.
Лопарит. Общая формула(Na,Са,Ce...)2(Ti,Nb)2О6. Он
представляет собой титано-ниобат натрия, кальция и редко
земельных элементов. Содержание тантала в 15 раз ниже, чем ниобия. Плотность минерала 4,75 - 4,89 г/см3. Крупнейшее месторождение лопарита находится в СНГ на Кольском полуострове.
Руды тантала и ниобия обычно бедные. В эксплуатируемых рудах содержание суммы оксидов (Та,Nb)2O5 составляет 0,003 - 0,2 %. Ввиду комплексного характера большинства руд минералы ниобия и тантала извлекаются попутно с другими ценными минералами (касситеритом, вольфрамитом, бериллом, литиевыми минералами, цирконом).
Основной метод обогащения танталитовых и колумбитовых руд — гравитационный (мокрая отсадка, обогащение на столах). В результате получают обычно коллективный концентрат, содержащий танталит (колумбит), касситерит, вольфрамит и некоторые другие минералы. Дальнейшее обогащение с разделением минералов ведут, применяя электромагнитные методы и флотацию. По техническим условиям, принятым в СНГ, танталитовые концентраты I сорта должны содержать не менее 60 - 65 % Та2O5, и сорта - не менее 40 % Та2O5; колумбитовые концентраты I и II сорта - не менее 60 % и 50 % Nb2O5 соответственно.
Некоторые танталитовые и колумбитовые руды относятся к труднообогатимым. При их обогащении с целью обеспечения удовлетворительной степени извлечения из руды получают бедные концентраты, содержащие 2-5% (Та,мъ)2О5 , которые направляют на химическую переработку.
Основным способом обогащения пирохлоровых и лопарито-вых руд также служит гравитационное обогащение. Черновые концентраты доводят до требуемых кондиций флотацией, электромагнитным и электростатическим методами.
В пирохлоровых концентратах, поступающих главным образом на выплавку феррониобия, по действующим в СНГ требованиям должно содержаться не менее 37 % (Nb,Та)2о5 , а в лопаритовых - не менее 8 % (Nb,Та)2O5 . Богатые пирохлоровые концентраты, выпускаемые обогатительными фабриками Канады и Бразилии, содержат 55-60%Nb2О5.
Существенным источников тантала и ниобия служат шлаки оловянных заводов, получаемые при выплавке олова из кас-ситеритовых концентратов. Шлаки содержат от 3 до 15 % (Та,КЬ)205 .
Обычно рудные концентраты и шлаки перерабатывают на химические соединения трех типов: оксиды (Та2O5 и Nb2О5), фтористые комплексные соли (K2ТаF7 и К2NbF7) и хлориды
(ТаС15 u NbCl5) .
Ферронuобий, используемый для введения ниобия в стали, получают либо из технического оксида ниобия, либо непосредственно из рудных концентратов. Иногда феррониобий перерабатывают с целью получения ниобия.
Главные производители сырья за рубежом - Бразилия, Канада, Нигерия, Австралия, Мозамбик, Заир, Таиланд.
Do'stlaringiz bilan baham: |