鈮 Niobium
- 鈮，英文名稱：niobium，元素符號：Nb，原子序數41，是VB族金屬。 鈮的密度為8.57g/cm³，熔點為2477°C，沸點為4744°C 。鈮是一種銀灰色、質地較軟且具有延展性的稀有高熔點金屬。常溫下，鈮不與空氣發生反應，在氧氣中紅熱時也不會被完全氧化。鈮在高溫下能與硫、氮、碳直接化合。鈮不與無機酸或鹼發生反應，也不溶於王水，但可溶於氫氟酸。鈮在地殼中的含量為20 ppm，鈮資源分布也相對集中。由於鈮具有良好的超導性、熔點高、耐腐蝕、耐磨等特點，被廣泛應用到鋼鐵、超導材料、航空航天、原子能等領域。
鈮的發現及行業發展歷程
【鈮的發現簡史】
- 1801年，英國化學家查理斯•哈契特(Charles Hatchett)在大英博物館的一種礦石樣本中發現了鈮，這種礦石樣本是美國康乃狄克州的John Winthrop於1734年送來的。由於鈮和鉭非常的相似，起初他也認為兩者是同一種物質。但後來他發現從這種礦物中分離出來的化合物並不是鉻酸而是未知金屬的氧化物。由於這種礦物是來自於哥倫布發現的美國，為了紀念它的產地，哈契特把這種礦石命名為Columbite(鈳礦)。事實上，由於這兩種元素性質上非常相似，不少人認為它們是同一種元素。1809年，英國另一位化學家威廉•海德•伍拉斯頓(William Hyde Wollaston)就曾錯誤的將"鉭"與"鈳"歸為同一種物質，認為兩者除密度外，其他方面均相同。
- 1846年，德國化學家亨烈赫•羅沙(Heinrich Rose)分析了不同的鉭礦和鈳礦，他發現除鉭以外還有另一種元素，這元素和鉭很接近，並把這種新元素稱為Niobium(鈮)（Niobium取自於希臘神話人物Niobe，因為鉭的名字來源於希臘神話中Tantalos，而Niobe是Tantalos的女兒，這樣更能表明鉭和鈮之間的相似性）。1864至1865年間，一些科研成果也表明了"鈳"與"鈮"是同一種元素，在之後的一個世紀裡這兩種稱法是通用的。1864年，瑞士化學家Wilhelm Blomstrand第一次通過使用氫氣還原氯化物得到金屬鈮。1951年，國際理論與應用化學協會命名委員會正式決定統一採用鈮(Niobium)作為元素的正式名稱。
【鈮行業發展】
- 20世紀初，鈮才被首次應用到白熾燈的製造上。但這一應用很快就被鎢給替代了，因為鎢的熔點更高，更適合製造白熾燈。20世紀20年代，鈮能提高鋼強度的特性被發現，推動了鈮在鋼鐵領域的應用。現在，鋼鐵領域仍然是鈮的主要應用領域。20世紀40年代，鉭鈮高溫合金的應用得到發展。20世紀50年代，萃取分離鉭鈮技術的出現為鈮工業發展奠定了基礎。1961年，美國物理學家Eugene Kunzler和同事在貝爾實驗室發現，鈮錫合金能在強電流和強磁場存在的情況下繼續保持超導性，這一發現使推動了鈮在電能和電磁領域的應用。
- 20世紀70年代末，世界鈮消費量達到1000～1200噸，到80年代末，鈮的消費量增至1600～1800噸。根據美國地質調查局2014年發布的數據，2013年，全球鈮產量約為5.1萬噸，並且生產相對集中，僅巴西、加拿大兩國鈮產量就占了世界鈮總產量的98%左右。北美、歐洲為鈮的主要消費地區，中國也是鈮消費大國，2010年中國鈮消費量占全球總消費量的四分之一。當前世界的鈮工業，無論是選礦、 冶煉、加工工藝，還是生產規模、產量、應用領域和消費量，都發展到很高水平。各種鈮產品也被廣泛應用到鋼鐵、超導材料、電子、醫療等行業，其中鈮在鋼鐵領域的消費量最大，約占全球鈮總消費量的90%左右。
鈮的生產工藝
【鈮製取方法】
- 金屬鈮的製取方法主要有碳熱還原法生產鈮、鋁熱還原法生產鈮和鈉熱還原法生產鈮粉，其次是熔鹽電解法生產鈮粉和鹵化鈮還原法生產鈮。
- 真空碳還原法
- 真空碳還原法是目前國內外生產金屬鈮的主要方法之一。碳還原一般在真空碳管爐內進行。該法是利用碳對氧的親和力大於鈮對氧的親和力，用碳作還原劑還原Nb2O5生產鈮條。其優點是產品收率高(＞96%)，還原劑便宜，生產成本低，沒有鈉還原等方法的副產物需要濕法處理的問題，可獲得較高純度的鈮條和金屬粉。
- 工業上有直接碳還原和間接碳還原兩種工藝。直接碳還原生產出的鈮呈海綿狀，表面積較大，金屬雜質和氮含量較低，有利於鈮粉的比容量，因此該工藝適於生產電容器級鈮粉。間接還原的特點是設備生產能力大，工藝穩定，製得的金屬鈮條比較緻密，外形尺寸比較規矩，適於做鈮條、鈮錠和鈮加工材。
- 鋁熱還原法
- 鋁熱還原較多採用爐外法。還原熔煉反應在無外加熱的容器內進行，反應完畢，拆除容器，取出產物，將金屬和爐渣在爐外分離。鋁熱還原生產的金屬鈮含較多的鋁，可再用真空熱處理(1800℃)、電解精煉和電子束爐熔煉等方法脫除鋁和其他雜質。經過兩次電子束爐熔煉後的鈮可以達到極高純度。鋁熱還原法不需在真空條件下進行，設備簡單易行，但產品純度低，鈮中鋁含量高，需經過電子束熔煉進一步提純除雜質。
- 鈉熱還原法
- 鈮很少用於製造電容器，故鈉還原法應用較少。
- 電解法
- 鈮的電解法有熔鹽電解和水溶液電解兩種方法，熔鹽電解法生產鈮粉所用設備簡單，生產成本較低。
- 氮化法
- 除上述方法外，近年又開發了氮化法生產鈮，該法以氧化鈮或鈮鐵為原料，使其先和氨或氮、碳反應生成氮化鈮，氮化鈮再在真空和2103～2373K溫度下熱分解成金屬鈮。
【鈮精煉】
- 通過還原鈮化合物可以製得鈮粉、海綿鈮或脆性鈮條，但這些鈮產物還含有一定數量的雜質，其中氫、氧、氮等雜質尤易使鈮發脆，因此需要進一步清除。鈮精煉的主要目的有兩個，即提純和緻密化，並且這兩個過程在工業生產中一般是同時完成的。
- 由於鈮對氧和碳的親和勢極強，因此不能使用含氧和碳質材料製造的容器，而且必須在高溫高真空條件下進行，這不但使精煉工藝複雜化，而且對設備要求也高。鈮精煉的方法主要有真空燒結法，如鈮真空燒結法精煉，電弧熔煉法，如鈮真空電弧熔煉，電子束熔煉，如鈮電子束熔煉等。其中以電子束熔煉的提純效果最好，應用最廣。為獲最佳的提純效果，常採用幾種精煉方法相互配合的精煉工藝，如燒結製得的鈮條，再進行電子束熔煉。