НИОБИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Описание и свойства ниобия

Ниобий – элемент, относящийся к пятой группе периодической таблицы, атомный номер – 41. Электронная формула ниобия — Nb 4d45sl. Графическая формула ниобия — Nb — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 4d 4 5s 1. Открыт в 1801 г. – первоначально назван “колумбием”, по названию реки, в которой был обнаружен. В дальнейшем переименован.

НИОБИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

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.

НИОБИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

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.

НИОБИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

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.

НИОБИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

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.

Стойкость к воздействию различных кислот, высокая теплопроводность и  податливость структуры, обуславливают его популярность в химии и металлургии , при создании различной аппаратов и конструкций. Сочетание  положительных свойств этого важного металла, востребовано даже в атомной энергетике.

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.

НИОБИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Улучшить жаростойкие свойства некоторых сплавов, можно посредством легирования с помощью ниобия. Также довольно хорошо себя зарекомендовали сплавы  из ниобия.

К примеру, это сплав ниобий – цирконий, отличающийся примечательными свойствами. Из подобных сплавов изготовляются различные детали для космических аппаратов и самолётов, а также их обшивки.

Рабочая температура такого сплава может доходить до 1200º С.

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

Основной формой для продажи на мировом рынке является ниобий в слитках, но вполне возможны  и другие формы хранения.  В мире всегда имелся спрос на ниобий, цена которого до начала 2000 года держалась на стабильном уровне.

Уверенный рост спроса, связанный с развитием экономики многих стран, и увеличением объёма производства в области инновационных технологий, металлургических и химических отраслях, способствовало резкому взлёту цен к 2007 году с 12 $ до 32 $ за килограмм метала.

НИОБИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

В последующих годах, в связи с мировым кризисом в экономической отрасли, вплоть до 2012 года, отмечалось их некоторое падение. Темпы товарооборота соответственно снизились.

Но уже к 2012 году цены снова поползли вверх, и уже тогда ниобий купить можно было только по 60 $ за килограмм, и рост пока не остановился. Уже давно стоит вопрос о равноценных, но более доступных заменителях.

И они имеются, но по свойствам явно уступают ниобию. Поэтому он пока находится в цене.

Ниобий — свойства, применение и сплавы ниобия |

Химические элементы ниобий и тантал неразрывно связаны между собой еще со времени открытия. Их взаимосвязь проявляется даже мифологически: название первого, происходит от имени Ниоба, которая в древнегреческой мифологии была дочерью царя Тантала.

Генрих Розе приложил свою «легкую руку» к тому, чтобы наименование Nb крепко закрепилось в научных кругах и таблице Менделеева. Исследования немецкого химика в области изучения свойств минерала колумбита позволили выделить окислы двух металлов (1844 год).

Первый относился к уже известному тогда танталу, второй оказался оксидом нового элемента – ниобия.

Что на сегодня известно о Nb

Ниобий – химический элемент, занимает место в V группе таблицы Менделеева, атомный номер – 41, атомная масса 92,9. Как и многие металлы, он характеризуется серо-стальным блеском. Формула элемента электронно выглядит как 4d45sl, графическая интерпретация оболочек ниобия следующая: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 4d 4 5s 1.

Тугоплавкость считается самым важным физическим свойством металла, именно благодаря ей ниобий стал востребованным во многих областях промышленности.

Плавится и кипит при температурах 2468 и 4927 0С, соответственно. Плотность вещества при комнатных условиях оценивается как 8.57 грамм в кубическом сантиметре. Металл обладает парамагнитностью.

Имеет ОЦК кристаллическую решетку с радиусом 3.294 ангстрем.

НИОБИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Слитки ниобия

Химические свойства ниобия и танталу также достаточно близки. Металлы отличаются высокой устойчивостью к воздействию отрицательных температур и большинства агрессивных сред. Например, заметное окисление Nb на воздухе наблюдается только при нагреве вещества свыше 200 0С. Список кислот, не воздействующих на ниобий, достаточно широк и включает:

Также металл устойчив к водным растворам аммиака. Уникальное свойство элемента образовывать диэлектрическую оксидную пленку в составе кислых электролитов нашло применение в изготовлении миниатюрных высокоемкостных конденсаторов, где элемент заменяет более дорогостоящий тантал.

Видео – Ниобий, химические и физические свойства:

Читайте также:  КАХОЛОНГ: магические свойства, кому подходит по знаку Зодиака, значение и стоимость украшений с камнем

Производство ниобия

Несмотря на то, что запасы Nb-содержащих руд превосходят аналоги для тантала, первые характеризуются очень скудным содержанием элемента. Как правило, концентраты содержат пятиокись ниобия – Nb2O5, процентное вхождение которое определяется типом руды:

  • колумбитовая – от 30 до 60%.

Обычно, руда ниобия проходит цикл термического восстановления с участием алюминия или кремния. Результат процесса – соединения феррониобий и ферротанталониобий. Металлический ниобий добывают из аналогичного сырья, но сама технология более сложная и состоит из трех стадий:

  1. Добыча руды, его содержащей, переработка до состояния концентратов их вскрытие.
  2. Получение химических соединений Nb и Та с привлечением методов порошковой металлургии.
  3. Рафинирование позволяет получать металлический ниобий высокой пробы.

НИОБИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Так выглядит феррониобий

На сегодня, наиболее развиты такие методики получения Nb, как алюмино-, натрие- и карботермическая. Различными оказываются и прекурсоры для высокотемпературного восстановления ниобия.

При натриетермическом способе – это K2NbF7, тогда как в алюминотермической методике используется пятиокись ниобия. Карботермическая технология подразумевает смешивание оксида Nb с сажей в высокотемпературной водородной среде, чтобы получить карбид ниобия.

На следующем этапе, водородная среда заменяется вакуумом, и при тех же температурах, смешав карбид ниобия с его оксидом, получают сам металл.

НИОБИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Фольга из ниобия

Бестигельная электроннолучевая зонная плавка дает возможность вести производство монокристаллов Nb. Методами порошковой металлургии, пользуются для получения сначала сплавов, а после и чистого металла ниобий.

Поэтому ничего удивительного, что «куплю ниобий» – частое содержание объявлений, публикуемых на страницах интернета.

Ведь в таких ситуациях, вполне можно использовать вторичное сырье, а не руду или концентрат из нее.

Среди форм выпускаемого металла распространен ниобий в слитках. Они предназначены на изготовление сплавов на базе металла и прочих полуфабрикатов.

Альтернативно выпускается штабик ниобия, классифицируемый соответственно чистоте химического состава. Наименьшее содержание примесей соответствует марке НБШ-00.

Штабик ниобия НБШ-0 отличается повышенным вхождением железа, кремния тантала и титана. Наиболее легированная марка штабика ниобия – НБШ-1.

Альтернативная форма выпуска – прокат ниобия. В частности, большинство организаций предпочитает покупать листовой металл, пруток, проволоку. Еще одна разновидность проката ниобий фольга.

Магнитные и другие сплавы с Nb

НИОБИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Сплавы ниобия

Феррониобий представляет собой соединение, базовый состав которого определяют элементы: железо с одной стороны, а также смесь ниобия с танталом – с другой.

Источником для соединения выступает техническая пятиокись ниобия из которой вещество производят электропечным алюминотермическим способом.

Суммарное содержание Nb и Ta в сплаве составляет 40 – 65% и зависит от конкретной марки феррониобия, детальная информация по которым сведена в ГОСТ 16773-2003. Остальные составляющие соединения:

Наибольшим содержанием, кроме ниобия с танталом, в сплаве представлены Si и Al. При этом, феррониобий с минимальным процентным вхождением Nb и Ta, характеризуется высоким вхождением кремния до 20%. Напротив, в сплаве с максимальным содержанием ниобия и тантала, среди легирующих добавок преобладает алюминий.

НИОБИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

В интернете много объявления о продаже и покупке феррониобия

Свое применение феррониобий нашел сталеплавильной – производство конструкционной стали и литейной отраслях индустрии, а также в изготовлении электронных покрытий.

Основной производитель соединения Вишневогорский металлургический завод «Северный ниобий». Предприятие расположено в Челябинской области, вблизи одноименного населенного пункта.

В сферу деятельности ООО «Северный ниобий» также входит изготовление ферросплавов других металлов, включая молибден, вольфрам и титан.

Альтернативой соединения феррониобий, оказывается деформируемый сплав 5ВМЦ, где легирующими металлами выступают: цирконий, молибден и вольфрам. Применение 5ВМЦ, в основном, ограничено изготовлением полуфабрикатов.

Наибольшее распространение среди этого вида соединений получила пятиокись ниобия. Это неорганическое вещество представлено белым кристаллическим порошком, обладающим кремовым оттенком и нерастворимым в воде, большинстве кислот. Пентаоксид ниобия характеризуется химической формулой Nb2O5 и подразделяется на три марки, в зависимости от чистоты: 99 – 97% исходного вещества.

Основные свойства пятиокиси ниобия:

  • тугоплавкость – температура плавления 1490 0С;
  • окисляется при нагревании;
  • реагирует с хлором, восстанавливается водородом.

Пятиокись ниобия получают разнообразными методиками, среди которых присутствуют: сжигание Nb в кислороде и проколка различных форм ниобия:

Основная сфера использования пятиокиси ниобия – производство высоколегированных марок сталей, изготовление сплавов.

Изделия из ниобия

Ассортимент продукции, как и формы выпускаемого металла достаточно разнообразны. Популярность элемента ниобий применение и производство его, обусловлены следующими свойствами элемента:

  • устойчивость к разным видам коррозии;
  • малая эффективность от столкновения с нейтронами;
  • образование сплавов с жаропрочными и сверхпроводящими качествами;
  • сохранение работоспособности при отрицательных температурах;

НИОБИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Аноды из ниобия

Среди отраслей, эксплуатирующих металл, следует выделить технику для авиации и космонавтики, где на базе Nb выпускают детали самолетов, ракет. Дополнительно, ниобий востребован радиотехникой, где из него изготавливают сдлелующее:

  • детали электрических конденсаторов;
  • элементы радарных установок;
  • аноды из фольги, катоды, сетки для работы внутри мощных генераторных ламп.

Чтобы изготовить оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов, в атомной энергетике также применяют ниобий и его сплавы. Из соединения изготавливают контейнеры, трубы для транспортировки жидких металлов.

Альтернативная сфера, где цена продукции определяется не только содержанием элемента – монеты из ниобия и тантала. Так металл используют Австрийский монетный двор и Национальный банк Латвии, где активно развита чеканка ниобиевых монет в сочетании с серебром. Уже выпущено шесть разновидностей, общий вид которых: сердцевина – ниобий различных цветов и внешнее кольцо – серебро 900-й пробы.

Видео – рассказ о ниобии:

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.

НИОБИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторожденияКак 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.

Читайте также:  БЕРИЛЛИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

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:

  • Nb – 62–69%;
  • железа – 29–30%;
  • кремния – 2%;
  • алюминия – 1–3%.

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: описание металла, свойства, сферы применения и месторожденияНиобий 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:

  1. Стержни для дуговой сварки стабилизированных марок нержавеющей стали.
  2. Стержень управления ядерным реактором из-за его высокой температуры плавления и коррозионной стойкости, а также низкого поглощения нейтронов в поперечном сечении.
  3. Тигли для производства синтетических алмазов.
  4. Ювелирные изделия, на поверхности Nb можно создать яркие цвета.
  5. Сверхпроводник, суперколлайдери ускоритель частиц с использованием сверхчистых металлов и сплавов.
  6. Оптическое покрытие и объектив камеры.
  7. Литий Nb для волновода в коммуникациях.
  8. Тонкопленочный солнечный элемент.

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.

Цена Nb на мировом рынке в тыс. $ за метрическую тонну по годам:

  • 1940 – 0.77162;
  • 1950 -13.991;
  • 2004 – 48.372;
  • 2010 – 41.500;
  • 2018 – 42.280.

Азиатско-Тихоокеанский регион в потреблении Nb начал доминировать на мировом рынке с 2017 года, что было вызвано ростом использования конструкционных сталей в автомобильной и аэрокосмической промышленности в таких странах, как Китай, Индия и Япония.

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

Другие известные компании:

  1. China Molybdenum Co. Ltd, Китай NIOBEC (Magris Resources Company), Канада.
  2. Alkane Resources Ltd, США.
  3. Современное российское предприятие-производитель Nb в концентрате — ООО «Ловозерский горно-обогатительный комбинат».
  4. Предприятия, которые остановили производство: Malyshevskoye mine department, ОАО «Забайкальский ГОК», ООО «Стальмаг», ОАО «Вишневогорский ГОК».

НИОБИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторожденияЦена ниобия – 42.280 тыс. $ за метрическую тонну

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

  1. Томторпроект.
  2. Белозиминское месторождение.
  3. Катугинскоеместорождение.
  4. Чуктуконскоеместорождение.
  5. Зашихинскоеместорождение.
  6. Улуг-Танзекское месторождение.

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.

Тугоплавкий металл ниобий

Калькулятор металлопроката С высоким эл. сопротивлением

Ниобий сочетает в себе множество полезных физических, механических и технологических свойств, которые определяют его применение от металлургии до ядерной физики. На странице представлено описание данного металла: физические, химические свойства, области применения, марки, виды продукции.

Ниобий (Nb) — химический элемент V группы периодической системы, атомный номер 41, атомная масса 92,90. Блестящий серебристо-серый металл, относящийся к классу тугоплавких. Имеет плотность 8,57 г/см3, температуру плавления tпл. = 2468 °С, температуру кипения tкип. = 4742 °С. Обладает хорошей прочностью, твердостью и пластичностью.

Описываемый химический элемент относится к редким тугоплавким металлам. В рудах всегда присутствует совместно с танталом. Основные минералы — колумбит-танталит, лопарит, пирохлор.

Открытие ниобия было сделано английским ученым Чарльзом Хэтчетом в 1801 г. Тогда этот металл получил название “колумбий”. До 1844 г. считалось, что Ta и Nb являются одним и тем же элементом. Получить Nb в чистом виде удалось лишь в конце XIX века. Это было сделано французским химиком Анри Муассаном путем восстановления оксида ниобия углеродом в электропечи.

Свойство Значение
Атомный номер 41
Атомная масса, а.е.м 92,90
Радиус атома, пм 146
Плотность, г/см³ 8,57
Молярная теплоемкость, Дж/(K·моль) 22,44
Теплопроводность, Вт/(м·K) 53,7
Температура плавления, °С 2468
Температура кипения, °С 4742
Теплота плавления, кДж/моль 26,8
Теплота испарения, кДж/моль 680
Молярный объем, см³/моль 10,8
Группа металлов Тугоплавкий металл
Свойство Значение
Ковалентный радиус, пм 164
Радиус иона, пм (+5e) 69
Электроотрицательность (по Полингу) 1,6
Электродный потенциал 0
Степени окисления 5, 4, 3, 2, 1

Промышленное применение находит ка чистый ниобий, не содержащий никаких легирующих элементов, так и сплавы на его основе.

  • Нб1 — ниобий высокой чистоты с количеством Nb — 99,84%; поставляется в виде слитков.
  • НбШ00, НбШ0, НбШ1 — чистый ниобий в виде штабиков, содержание Nb составляет 99,77%, 99,56%, 99,37% соответственно.
  • НбП, НбП-а, НбП-б — чистый ниобий в виде порошка.
  • ВН1, ВН2, ВН2АЭ — сплавы ниобия с молибденом; молибденом и цирконием. Первая марка содержит в своем составе 3,8-52% Mo, вторая — 3,5-4,7% Mo и 0,5-0,9% Zr.
  • НбЦ, НбЦУ, Нб5В2МЦ, Нб10В2МЦ, Нб10В5МЦУ — группа сплавов на основе ниобия, в состав которых в разных количествах входят вольфрам, молибден, цирконий, углерод.
    Достоинства:

  • имеет высокую температуру плавления;
  • стоек к коррозии во многих химически агрессивных средах;
  • имеет хорошие технологические и механические свойства — хорошая пластичность и свариваемость, прочность.
    Недостатки:

  • относительно небольшой процент содержания в земной коре;
  • достаточно высокая стоимость (дешевле, чем тантал, но существенно дороже вольфрама и молибдена).

Основные направления использования металла следующие:

  • химическая и атомная промышленность;
  • металлургия;
  • электроника;
  • ядерная физика;
  • авиастроение.

Высокая прочность и хорошая стойкость к коррозии в том числе и при высоких температурах позволяют применять ниобий в качестве конструкционного материала. Подобное использование характерно для изготовления деталей летательных аппаратов, труб и контейнеров для передачи и хранения жидких металлов, оболочек для радиоактивных тепловыделяющих элементов. Nb — распространенный легирующий элемент, который позволяет существенно улучшать свойства содержащих его сталей и сплавов. Nb передает в легируемые материалы прочность, коррозионную стойкость, тугоплавкость. Рассматриваемый металл также применяется в изготовлении конденсаторов — важных элементов электронной промышленности. По своим характеристикам ниобиевые конденсаторы уступают танталовым, однако имеют существенно меньшую цену.

Читайте также:  ОСМИЙ: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Соединения ниобия Nb3Sn, Nb3Ge, NbN и NbTi применяются для производства сверхпроводников. Такие свойства востребованы в научном оборудовании, используемом, например, в физических экспериментах.

Современное промышленное производство предлагает практически полный спектр стандартных заготовок, активно используемых в различных областях. Из круглого проката можно выделить ниобиевую проволоку, пруток и трубу. Плоский прокат представляет ниобиевая фольга и лента, листы, полосы. К исходному сырью можно отнести порошок ниобия, который занимает основополагающее место в цепочке производства изделий из данного металла.

Применение ниобия и его свойства

Химический элемент, названный в честь античной Ниобы – женщины, осмелившейся смеяться над богами и поплатившейся за это смертью своих детей.

Ниобий олицетворяет переход человечества от промышленного производства к цифровому; от паровых локомотивов к ракетным носителям; от угольных теплостанций к ядерной энергетике.

В мире цена ниобия за грамм достаточно высока, также как и спрос на него. Большинство последних достижений науки тесно связаны с использованием этого металла. 

Цена на ниобий за грамм

Так как основные способы использования ниобия связаны с ядерной и космической программами, его относят к группе стратегических материалов. Переработка намного выгоднее в финансовом плане, чем освоение и добыча новых руд, что делает ниобий востребованным на рынке вторичного металла.

Значение цены на него определяется несколькими факторами:

  • Чистота металла. Чем больше посторонних примесей, тем ниже цена.
  • Форма поставки.
  • Объем поставки. Прямо пропорционален ценам на металл.
  • Местонахождение пункта приема лома. Каждый регион имеет различную потребность в ниобии и, соответственно, цена на него.
  • Наличие в составе редких металлов. Сплавы, содержащие такие элементы как тантал, вольфрам, молибден, выше в цене.
  • Значение котировок на мировых биржах. Именно эти значения являются базовыми при установке цены.

Ориентировочный обзор по ценам в Москве:

  • Ниобий НБ-2. Цена варьируется в пределах 420-450 руб. за кг.
  • Ниобиевая стружка. 500-510 руб. за кг.
  • Штабик ниобия НБШ00. Отличается повышенными ценами по причине ничтожного содержания примесей. 490-500 руб. за кг.
  • Ниобиевый штабик НБШ-0. 450-460 руб. за кг.
  • Ниобий НБ-1 в виде прутка. Цена составляет 450-480 руб. за кг.

Несмотря на высокую стоимость спрос на ниобий в мире продолжает расти. Происходит это из-за огромных возможностей его в применении и дефицита металла. На 10 тонн земли приходится всего 18 граммов ниобия.

Научное сообщество продолжает работу по поиску и разработке заменителя столь дорогого материала. Но до сих пор конкретного результата в этом не получила. А это значит, что ближайшее время падение ниобия в цене не предвидится.

Для регулирования цены и увеличения скорости товарооборота предусмотрены следующие категории на изделия из ниобия:

  • Ниобиевые слитки. Их размер и вес нормируется ГОСТом 16099-70. В зависимости от чистоты металла подразделяются на 3 марки: ниобий НБ-1, ниобий НБ-2 и, соответственно, ниобий НБ-3.
  • Ниобиевый штабик. Отличается более высоким процентом содержания посторонних примесей.
  • Ниобиевая фольга. Изготавливается толщиной до 0,01 мм.
  • Ниобиевый пруток. Согласно ТУ 48-4-241-73 поставляется марками НбП1 и НбП2.

Физические свойства ниобия

Механические характеристики также находятся на высоком уровне. Плотность составляет 8570 кг/м3 при аналогичном показателе стали 7850 кг/м3. Устойчив к работе как при динамических нагрузках, так и циклических. Предел прочности на разрыв – 34,2 кг/мм2. Обладает высокой пластичностью. Коэффициент относительного удлинения варьируется пределах 19-21%, что позволяет получать из него листовой прокат ниобия толщиной до 0,1 мм.

Твердость связана с чистотой металла от вредных примесей и повышается с увеличением их в составе. Чистый ниобий имеет 450 единиц шкалы твердости по Бринеллю.

Ниобий хорошо поддается обработке давлением при температурах ниже -30 ºС и плохо резанием.

Теплопроводность существенно не изменяется при больших колебаниях температуры. Например, при 20 ºС она составляет 51,4 вт/ (м К), а при 620 С повышается всего на 4 единицы.

Ниобий конкурирует в электропроводности с такими элементами как медь и алюминий. Электросопротивление — 153,2 нОм м. Относится к категории сверхпроводящих материалов.

Температура, при которой сплав переходит в режим сверхпроводника, составляет 9,171 К.

Крайне устойчив к воздействию кислой среды. Такие распространённые кислоты как серная, соляная, ортофосфорная, азотная никак не влияют на его химическую структуру.

При температурах свыше 250 ºС ниобий начинает активно окисляться кислородом, а также вступать в химические реакции с молекулами водорода и азота. Данные процессы увеличивают хрупкость металла, тем самым снижая его прочность.

  • Не относится к аллергенным материалам. Внедренный в тело человека, он не вызывает реакции отторжения организмом.
  • Является металлом первой группы свариваемости. Сварные швы получаются плотными и не требуют подготовительных операций. Устойчивые к образованию трещин.

Разновидности сплавов

По значению механических свойств в условиях повышенных температур ниобиевые сплавы подразделяются:

  1. Низкопрочные. Работают в пределах 1100-1150 ºС. Обладают простым набором легирующих элементов. В основном сюда относится цирконий, титан, тантал, ванадий, гафний. Прочность составляет 18-24 кг/мм2. После перехода критического температурного порога она резко падает и становится аналогичной чистому ниобию. Основное преимущество – высокие пластичные свойства при температурах до 30 ºС и хорошая обрабатываемость давлением.
  2. Среднепрочные. Их рабочая температура находится в пределах 1200-1250 ºС. Помимо вышеперечисленных легирующих элементов содержат примеси вольфрама, молибдена, тантала. Основное назначение данных добавок – сохранение механических свойств при увеличении температуры. Обладают умеренной пластичностью и хорошо обрабатываются давлением. Ярким примером сплава служит ниобий 5ВМЦ.
  3. Сплавы высокой прочности. Используются при температурах до 1300 ºС. При кратковременном воздействии до 1500 ºС. Отличаются химическим составом более высокой сложности. На 25% состоят из добавок, основная доля которых приходится на вольфрам и молибден. Некоторые виды данных сплавов отличаются повышенным содержанием углерода, что положительно влияет на значение их жаропрочности. Главным недостатком высокопрочного ниобия является низкая пластичность, которая затрудняет проведения технологической обработки. И, соответственно, получению производственных полуфабрикатов.

Следует учесть, что перечисленные выше категории имеют условный характер и дают лишь общее представление о способе применения того или иного сплава.

Также следует упомянуть о таких соединениях как феррониобий и оксид ниобия.

Феррониобий представляет собой соединение ниобия с железом, где содержание последнего находится на уровне 50%. Помимо основных элементов он включает в себя сотые доли титана, серы, фосфора, кремния, углерода. Точное процентное соотношение элементов нормируется ГОСТом 16773-2003.

Пентаксид ниобия – кристаллический порошок белого цвета. Не подвержен растворению в кислоте и воде. Производится методом сжигания ниобия в среде кислорода. Полностью аморфен. Температура плавления 1500 ºС.

Применение ниобия

Все вышеперечисленные свойства делают металл крайне востребованным в разного рода отраслей производства. Среди множества способов его применения выделяют следующие позиции:

  • Использование в металлурги в виде легирующего элемента. Причем ниобием легируют как черные, так и цветные сплавы. Например, добавление всего 0,02% его в состав нержавеющей стали 12Х18Н10Т увеличивает ее износостойкость на 50%. Улучшенный ниобием (0,04%) алюминий становится полностью невосприимчив к щелочи. На медь ниобий действует как закалка на сталь, увеличивая ее механические свойства на порядок. Отметим, что ниобием легируют даже уран.
  • Пентооксид ниобия является основным компонентом при изготовлении особо огнеупорной керамики. Также ему нашли применение в оборонной промышленности: бронированные стекла военной техники, оптика с большим углом преломления и прочее.
  • Феррониобий используется для легирования сталей. Основная его задача — это увеличение коррозионостойкости.
  • В электротехнике применяют для изготовления конденсаторов и токовыпрямителей. Такие конденсаторы отличаются повышенной емкостью и сопротивлением изоляции, малыми размерами.
  • Широким применением пользуются соединения кремния и германия с ниобием в области электроники. Из них изготавливают сверхпроводимые соленоиды и элементы генераторов тока.
  • В ядерной энергетике служит материалом защитной обшивки термоядерных урановых реакторов. Такое применение обусловлено инертностью ниобия к урану при температурах до 900 ºС, которое позволяет существенно экономить ядерное топливо.
  • Сплав 5ВМЦ применяют в аэрокосмической отрасли при конструировании ответственных деталей термореактивных двигателей. В частности, применение 5ВМЦ при изготовлении лопаток газовых турбин, способствует увеличению их долговечности.
  • Карбид вольфрама является компонентом твердых сплавов, которые в машиностроении применяются как режущий инструмент.
  • Благодаря своей коррозионной стойкости и высокой пластичности ниобий нашел применение в аппаратуре и приборах химической промышленности.

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector