Современная металлургическая промышленность производит почти все известные металлы

5. ПРОИЗВОДСТВО ТАНТАЛА И НИОБИЯ
Тантал и ниобий получают восстановлением из соединений высокой чистоты: оксидов, комплексных фтористых солей, хлоридов. Промышленные способы получения металлов можно подразделить на четыре группы:
1) натриетермическое восстановление из комплексных
фторидов;

2. 
   восстановление из оксидов углеродом (карботермичес-
   кий способ);
   
3. 
   восстановление из оксидов алюминия (алюминотерми-
   ческий способ);
   
4. 
   восстановление из хлоридов водородом;
   
5. 
   электролиз расплавленных сред.
   

В связи с высокой температурой плавления тантал (~3000°С) и ниобия (~2500°С) их получают в результате восстановления всеми перечисленными способами, кроме тре­тьего, в форме порошков или спекшейся губки.
Задача полу­чения компактных ковких тантала и ниобия осложняется тем, что эти металлы активно поглощают газы (водород, азот,кислород), примеси которых придают им хрупкость. Поэтому спекать спрессованные из порошков заготовки или плавить их необходимо в высоком вакууме.
Натриетермический способ производства порошков тантала и ниобия
Натриетермическое восстановление комплексных фторидов К₂ТаF₇ и К₂NЬF₇ — первый промышленный способ получения тантала и ниобия. Его применяют и в настоящее время. Для восстановления фтористых соединений тантала и ниобия при­годны натрий, кальций и магний, имеющие высокое средств к фтору.
Для восстановления используют натрий, так как фторид; натрия растворим в воде и может быть отделен отмывкой от порошков тантала и ниобия, тогда как фториды магния кальция малорастворимы в воде и кислотах.
Рассмотрим процесс на примере получения тантала. Восстановление К₂ТаF₇ натрием протекает с большим выделением тепла (даже при масштабах загрузки шихты до 5 кг), достаточным для самопроизвольного течения процесса.
После подогрева шихты в одном месте до 450-500 С реакция быстро распространяется по всей массе шихты. Причем температура достигает 800-900 С. Поскольку натрий плавится при 97 С, а кипит при 883 , очевидно, что в восстановлении участвуют жидкий и парообразный натрий:
К₂ТаF₇ + 5Na(ж) = Та + 5NаF + 2КF;
К₂ТаF₇ + 5Na(газ) = Та + 5NaF + 2КF.
Удельные тепловые эффекты реакций рав­ны 1980 и 3120 кДж/кг шихты соответственно.
Восстановление ведут в стальном тигле, куда послойно загружают фторотанталат калия и кусочки натрия (~120 % от стехиометрически необходимого количества), которые наре­зают специальными ножницами. Сверху шихту засыпают слоем хлорида натрия, образующего с КF и NaF легкоплавкую смесь. Солевой расплав защищает от окисления частицы порошка тантала. В наиболее простом варианте проведения процесса для возбуждения реакции стенку тигля у дна наг­ревают пламенем паяльной лампы до появления красного пят­на. Реакция быстро протекает по всей массе и заканчивает­ся за 1-2 мин. При таком осуществлении процесса вслед­ствие кратковременной выдержки продуктов при-максимальной температуре (800-900 С) получаются тонкодисперсные по­рошки тантала, которые после отмывки солей содержат до 2 % кислорода.
Более крупнозернистый порошок с меньшим содержанием кислорода получают при помещении реакционного тигля в шахтную электропечь с выдержкой его в печи после оконча­ния реакции при 1000 С.
Получающийся в результате восстановления тантал вкрап­лен в виде мелких частиц во фтористо-хлоридном шлаке, со­держащем избыточный натрий. После остывания содержимое тигля выбивают, дробят на щековой дробилке и загружают небольшими порциями в реактор с водой, где происходит "гашение" натрия и растворение основной массы солей. За­тем порошок последовательно промывают разбавленной на (для более полной отмывки солей, растворения примеси же­леза и частично титана). Для понижения содержания оксидов тантала порошок иногда дополнительно отмывают холодной разбавленной плавиковой кислотой. Затем порошок промывают дистиллированной водой, фильтруют и сушат при 110-120 С.
Порошки содержат, %: О 0,5-2; Т1 до 0,01; Fе до 0,005; N. до 0,1; С около 0,2; (Nа+К) 0,1; Н 0,1.
Описанным выше способом с соблюдением примерно тех же режимов получают порошки ниобия восстановлением К₂NbF₇ натрием. Высушенные порошки ниобия имеют состав, %: Т1, Si, Fе 0,02-0,06; О около 0,5; N до 0,1; С 0,1-0,15.


Карботермический способ получения ниобия и тантала из оксидов
Этот способ был первоначально разработан для производ­ства ниобия из Nb₂О₅.
Ниобий может быть восстановлен из Nb₂О₅ углеродом при 1800-1900 °С в вакуумной печи:
Nb₂0₅ + 5С = 2Nb + 5СО.


Шихта Nb₂О₅ + 5С содержит мало ниобия [57,2 %(по мас­се)] и даже в брикетированном состоянии имеет низкую плотность (~1,8 г/см³). Вместе с тем на 1 кг шихты выде­ляется большой объем со (~0,34 м³). Эти обстоятельства делают невыгодным проведение процесса по реакции (2.20), так как производительность вакуумной печи при этом низ­кая. Поэтому процесс проводят в две стадии:
I cтадия – получение карбида ниобия:
Nb₂0₅ + 7С = 2NbС + 5СО.
П стадия- получение ниобия в вакуумных печах:
Nb₂0₅ + 5NbС = 7Nb + 5СО
Брикетированная шихта II стадии содержит 84,2 % (по массе) ниобия, плотность брикетов ~3 г/см³, объем образу­ющегося со 0,14 м³ на 1 кг шихты (~ в 2,5 раза меньше, чем в случае шихты Nb₂05 + 5C). Это обеспечивает более высокую производительность вакуумной печи.
Существенное преимущество двустадийного процесса со­стоит также в том, что первую стадию можно проводить при атмосферном давлении в графитово-трубчатых печах сопро­тивления (рис. 29).
Металлический ниобий получается по завершающей ре­акции II стадии.