[科普中國]-鈮鐵

簡史

1801年英國化學(xué)家哈奇特（C.Hatchett）分析美國一種礦石時，發(fā)現(xiàn)一種新元素，為紀(jì)念礦石產(chǎn)地命名為鈳（columbium）。1844年德國化學(xué)家羅瑟（H.Rose）發(fā)現(xiàn)一種與鉭相似的新元素，命名為鈮（niobium）。1866年確認(rèn)鈳與鈮是同一元素。1951年國際純粹化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（JUPAC）統(tǒng)一名為“niobium”（鈮）。但至今美洲冶金工業(yè)仍沿用鈳，所以鈮鐵又稱鈳鐵。早期生產(chǎn)鈮鐵是以貝克特（F.M.Beck-et）1935年的專利為基礎(chǔ)，在電爐內(nèi)用電硅熱法生產(chǎn)。柏切爾（T.Burchell）在1950年詳細(xì)報導(dǎo)鋁熱法生產(chǎn)鈮鐵工藝。中國吉林鐵合金廠于1959年用鋁熱法生產(chǎn)鈮鐵。唐山鋼鐵廠與北京鋼鐵研究總院合作，于1966年研究用側(cè)吹轉(zhuǎn)爐從包頭含鈮生鐵中提取鈮渣，在電爐內(nèi)生產(chǎn)鈮錳鐵合金（含Nb約5%～6%）。同期，包頭鋼鐵公司與北京鋼鐵研究總院合作，在高爐中以平爐含鈮渣生產(chǎn)含鈮生鐵，經(jīng)轉(zhuǎn)爐提取鈮渣，在電爐內(nèi)煉成鈮錳鐵合金（Nb10%～15%）。

性質(zhì)和用途鈮是高熔點(diǎn)金屬，鋼灰色，原子量為92.9064，外層電子結(jié)構(gòu)4d5s，熔點(diǎn)2467℃，沸點(diǎn)4740℃，密度（20℃）為8.6g/cm3。圖1為鐵鈮二元系平衡相圖。有兩個共晶點(diǎn)和一個MgZn2型的拉氏相εNbFe2。二個共晶點(diǎn)分別位于Nb11.6%、1360℃和Nb約55%、1560℃處。工業(yè)生產(chǎn)的鈮鐵（FeNb60）的熔化溫度范圍為1520～1600℃，密度約8.0g/cm3。

鈮鐵主要用于冶煉高溫（耐熱）合金，不銹鋼和高強(qiáng)度低合金鋼。鈮在不銹鋼和耐熱鋼中，與鋼中的碳生成穩(wěn)定的碳化鈮。均勻地分布在鋼的晶粒邊界，防止高溫下鋼的晶粒長大，對鋼的組織起細(xì)化作用，可提高鋼的強(qiáng)度、韌性和蠕變性能。鈮與碳的化學(xué)親和力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉻與碳，因此，當(dāng)不銹鋼中有鈮存在時，可防止在鋼的晶界析出碳化鉻，因而提高鋼的抗腐蝕能力。鋼中的鈮與氮生成穩(wěn)定的氮化鈮，提高了鋼的表層抗腐蝕能力。鋼中的鈮與氧生成穩(wěn)定的氧化鈮，使鋼的表面形成氧化鈮薄膜，可阻止氧向內(nèi)部擴(kuò)散而起抗氧化作用。碳素鋼添加Nb0.015%～0.05%，可起細(xì)化組織作用，使鋼具有良好的成型性和焊接性能。鈮對鋼的奧氏體再結(jié)晶有強(qiáng)烈的阻止作用，使鋼在較高的溫度下，有效地控制軋制，而且控制軋制的強(qiáng)韌化效果十分顯著。所以鈮作為微合金元素在碳素鋼中的用量大大增加。美國在微合金中的用鈮量，在1959年僅占鈮總消耗量的1.9%，而1988年上升為68%。

鈮在高溫合金中起固溶強(qiáng)化和碳化物沉淀強(qiáng)化作用，提高高溫合金的屈服強(qiáng)度和表面穩(wěn)定性。鈮的重量是難熔金屬中較輕的一種，也是高溫合金大量使用的因素之一。鈮鎳合金作為鎳基高溫合金的添加劑，主要是生產(chǎn)718合金。永磁合金中加入鈮，可提高合金的矯頑力性能。

鑄鐵中加入鈮，有助于球化和珠光體組織的形成。起孕育和細(xì)化鑄件組織的作用。鈮可提高鑄件在高溫下的強(qiáng)度、韌性、硬度和使用壽命。電焊條用鈮鐵作為焊料組分，來提高焊接質(zhì)量。

生產(chǎn)工藝巴西圣保羅礦冶公司的阿拉克斯（Araxa）廠是世界上最大的鈮鐵生產(chǎn)廠。自1965年起用傳統(tǒng)鋁熱法工藝生產(chǎn)鈮鐵。在90年代初建成半連續(xù)自熱還原法生產(chǎn)鈮鐵的工藝流程（見圖2）。鋁熱法冶煉用反應(yīng)器為固定式（圖3），并裝有爐蓋。反應(yīng)產(chǎn)生的爐渣與鈮鐵從爐內(nèi)排放。用料罐將準(zhǔn)備好的原料分別裝入指定的圓筒形料倉。各種爐料按配料稱量，每次裝入總用量的1/12（混合料約2500kg）。在混料器中混合4min后，卸入小料倉內(nèi)，用螺旋運(yùn)輸機(jī)加到傳送帶上，運(yùn)至鋁熱反應(yīng)器頂?shù)幕旌狭蟼}中。所有料倉出口，均與一根經(jīng)過布袋除塵器的排氣管相通，保持負(fù)壓以減少粉塵。打開混合料倉閥門，往反應(yīng)器內(nèi)加10t混合料。用鎂條點(diǎn)燃后，反應(yīng)即開始。爐料反應(yīng)完后，其余混合料以1～3t/min加入。反應(yīng)完后打開出渣口將爐渣放出。爐渣用高壓水?；?。再打開出鐵口放出鈮鐵，鑄錠（每塊重約4t）。一個冶煉周期約1h。1

相關(guān)合金鎳鈮合金用于不含鐵的合金材料，主要為鎳基高溫合金。常稱為VQNi—Nb。它的典型成分為：Nb58.54%，Ta0.31%，A10.39%，Ti0.02%，Si0.15%，Mn0.03%，C0.03%，P0.028%，S0.004%，F(xiàn)e0.53%，Ni39.18%。因?yàn)橐箅s質(zhì)低，故不能使用鈮精礦，而是用濕法冶金處理得到的純度高的Nb2O5。高純度Nb2O5呈細(xì)粉狀，要用成球機(jī)制成直徑約2mm的小球，烘干后使用，以提高鈮的收得率。冶煉鈮鎳合金如用氧化鎳作原料，則用鋁熱法冶煉，用氯酸鉀或氯酸鈉作增熱劑（操作過程與鈮鐵同）。如用電解鎳作原料，則在電爐內(nèi)冶煉，先往爐底加入電解鎳，然后在它的上面加造渣劑（石灰）。通電熔化金屬鎳，升溫后停電，加入Nb2O5和鋁粒、石灰的混合料。反應(yīng)結(jié)束后，攪拌、出爐。2

鈮錳鐵合金中國包頭鋼鐵公司含鈮生鐵在平爐煉鋼時產(chǎn)生含Nb2O5～0.5%的平爐渣。將這種平爐渣與鐵礦石在高爐內(nèi)冶煉，得到含0.7%～0.8%Nb的鐵水。將鐵水裝入側(cè)吹轉(zhuǎn)爐，吹煉得到含Nb2O54.5%～6.5%的爐渣。轉(zhuǎn)爐渣加入電弧爐內(nèi)熔化，去掉渣中夾有的金屬鐵和部分磷，再用碳粉還原得到鈮錳鐵合金。其成分為：Nb10%～15%，Mn40%～60%，Si0.5%～2%，C6%～7%，P1.5%～2%。這種合金用來作碳素鋼鈮處理。