钽、铌冶金

钽、铌的化学性质－优异的耐酸性
Ta、Nb的化学稳定性特别高，能抵抗除氢 氟酸以外的一切无机酸。在煮沸的王水 中，金和铂都溶解了，Ta、Nb却不受腐 蚀。 任意浓度的盐液、硫酸、硝酸、磷酸和 一些有机酸在常温或100—150℃都不能 浸蚀Nb。在热盐酸和热硫酸中抗腐蚀能 力减弱，Nb在氢氟酸中缓慢溶解，Ta几 乎不反应；在氢氟酸＋盐酸混合溶液中 Nb溶解非常剧烈。
精矿分解流程
精矿分解过程
精矿分解过程是在钼镍合金、衬铅或衬硬橡胶的带 夹套蒸汽加热的分解槽内进行。首先把需要量的工 业氢氟酸和工业硫酸加入分解槽内，在不断搅拌下 慢慢加入磨细的精矿(90％小于0.043 mm)，物料 加完后，将温度控制在80℃，保温4~6h。氢氟酸 用量为理论量的105～110%，同时每公斤(Ta＋ Nb)2O5加入0.73kg硫酸。 分解产物过滤后，用2％稀氢氟酸溶液洗涤滤渣， 要求分解渣中(Ta＋Nb)2O5 总量小于0.5%。分解 渣可做放射性废渣处理，或从中回收铀、钍及稀土 金属。 在滤液中加入适量的氢氟酸和硫酸调整其酸度和钽 铌浓度供萃取分离用。也可直接调整滤矿浆的酸度 进行矿浆萃取。
此外Ta、Nb与C、B、Si、N等能生成相应的难熔化 合物，并与硒能生成二硒化物NbSe2、TaSe2。 Ta、Nb还有一个重要的性质就是能够吸收气体(氢、 氮及其它气体)，并形成相应的固溶体或化合物。 只有在低温下(低于300℃)，Nb才不生成氢化物。
吸、放氢性能
在较低的温度，Ta、Nb都能溶解大量的 氢，但低温下吸氢速度比较缓慢。当温 度达到500℃(Ta)和360℃(Nb)时，吸氢 的速度最大，这时，生成钽和铌的氢化 物(TaH，NbH)。Ta、Nb锭吸氢后，性能 变脆，易于破碎。但是，当在600℃以上、 真空中加热氢化物中的氢可以全部脱出 并恢复金属原有的性质，工业上就是这 样从Ta、Nb条生产相应的粉体。
铌的应用－钢铁冶金
铌在铸钢中的应用是铌应用的新发展。在海洋 石油开采中，深水下要求使用结构复杂的交叉 结构，采用含铌0.04％的铸钢可减少局部应力 集中，改善疲劳性能而且成分均匀，其成本比 板制的少20％。 不锈钢加入铌，可改善抗晶间腐蚀性能。在铸 铁中加入铌能促进石墨化，减少裂纹和提高耐 磨性，延长使用寿命。 我国在含铌铸铁的研制和使用上取得了可喜的 进展：铸铁中的铌含虽为0.3％左右，但含铌 铸铁的汽缸套耐磨性比硼缸套提高一倍。
精矿分解方法概述
碱熔法是工业上最早应用的分解钽铌精矿的方 法。共实质是利用碱(NaOH或KOH、Na2O3 、 K2CO3等)与精矿作用，使Ta、Nb转化为其钠 盐或钾盐。然后将钽铌的碱金属盐与酸作用得 到钽和铌的混合氧化物。 氢氟酸分解法既可以处理钛钽铌酸盐类矿物， 也可以处理稳定性较强的钽铌酸盐类矿物，是 目前工业上分解钽铌精矿的主要方法。 氯化法则更适于处理成分复杂的钛钽铌酸类矿 物或低品位难选钽铌中矿及含钽铌的冶炼渣。
Ta、Nb的相似性（续）
Nb 的 离 子 半 径 是 0.069nm 、 Ta 的 是 0.068nm 所以铌、钽在自然界中经常共生在一起。 它们的矿物组成一般都极复杂，而且矿 石很不容易分解，给提取工业造成很大 困难，要想把两者分离开来，的确是难 上加难所以钽、铌的发现较晚。
主要矿物
铌/钽的主要物理、机械性质
主要化合物——氧化物
Ta、Nb均为第五副族元素，有五价、四价、三 价、二价 Nb2O5 、 Ta2O5 是 白 色 的 粉 末 ， 熔 点 分 别 为 1465℃ 和 1870℃ ， 两 者 密 度 差 异 大 ， 分 别 为 4.558g/cm3和8.718g/cm3;不溶于水，它们具 有两性性质，但酸性占优势。 Nb2O5 能 溶 于 氢 氟 酸 中 ， 生 成 NbOF52 － 或 NbOF63－等离子，生成哪一种离子取决于氟和氢 离子浓度。 Ta2O5也可以溶解在氢氟酸中，氟离 子浓度不同时可以结晶出不同配位数的氟钽酸根 离子，如KTaF6、K2TaF7、K3TaF8但是不会生成 氟氧络合离子。
因为精矿中有大量的二价铁离子存在，因此，六价U 会被还原为四价，且为不溶解的固态形式
精矿分解产物
因此，精矿氢氟酸分解后的溶液中除有 钽、铌外，铁、钨、钛、硅、锡等杂质 也以可转入溶液，在下一步萃取分离钽 铌时可将其除去。而精矿中的碱土、稀 土、钍及铀等杂质则主要生成难溶的硫 酸盐或氟化物留在固相浸出渣中。
钽铌酸盐
1、钽铁矿、铌铁矿：Fe、Mn的钽/铌酸 盐的类质同象，通式(Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6 为顺磁性物质（可以磁选）磁性大小与 含量有关，是目前最主要的提取Ta、Nb 的原料； 2、褐钇铌矿/褐钇钽矿 3、锑钽矿、锑铌矿、铋钽矿等
钛钽铌酸盐类
钛钽铌酸盐类是组成极其复杂的钛、钽、 铌复合矿物，其组成为钛酸、铌酸和钽 酸的复盐，通常还含有RE、U、Th、Zr、 Sn等 主要矿物：黄绿石、细晶石、铈铌钙钛 矿、黑稀金矿等
NbSe2——导电润滑材料
二硒化铌是一种良好的导电润滑材料， 在线绕电位器触点、精密马达电刷和特 种轴承方面有着广阔的应用前景。
钽的应用
电子工业、硬质合金 1：电子工业
Ta的应用
化工、原子能应用
高温、硬质合金
Ta、Nb的矿物原料
Ta在地壳中的丰度为2*10-6，Nb在地 壳中的丰度为1*10-3％。它们在自然界 通常是共生的。 Ta、Nb矿物种类繁多，成分复杂。目 前已查明的矿物约80多种，这些矿物大 多都是成份极其复杂的钽酸和铌酸的复 盐，其中尚含有稀土金属、钛、锆、钨、 锡、铀、铁、锑、铋等元秦。最重要的 矿物有钽铌酸盐和钛钽铌酸盐两大类钽 铌。
“铌”与“钶”的名称
Ta的发现
钽于1802年为瑞典化学家兼矿物学家爱克堡所 发现。爱克堡对瑞典各处的奇异矿石产生浓厚 的兴趣。1802年他分析了在芬兰基米托地方产 的一种黑色矿石(即钽铁矿)和伊特比地方产的 一种褐色矿石(即钇钼矿)，分离出了一种前人 都没有提及过的金属氧化物。因为他是经过很 冗长的手续分离出来的，所以就给其中的新金 属取了个古怪的名字叫“Tantalum”，意思是 “使人烦恼”。 实际上爱克堡所分离出来的钽酸是一种含有铌 但以钽酸为主的混合物。
与碱的作用
Ta、Nb在碱溶液中稳定性较差：热苛性 碱溶液能明显地腐蚀它们。 在熔融碱或熔融苏达中（有氧化剂存在） 迅速氧化，生成铌酸盐和钽酸盐。
耐氧化性
Ta、Nb在常温下的空气中是稳定的，加热到200～ 300℃以上时开始氧化，高于500℃时，迅速氧化生 成Ta2O5和Nb2O5。Ta、Nb的稳定性比较好，但是 在空气中加热的时候会发生如下反应：
钛钽铌酸盐类——黄绿石、细晶石 黄绿石是生产铌的主要矿物，国外最大的矿 山在巴西、加拿大 细晶石是工业生产钽的主要矿物原料（除钽 铁矿外）
我国钽铌矿物特点
钽铌的精矿分解
精矿分解矿的目的是使矿物中的Ta、Nb和伴 生的杂质达到初步分离。Ta、Nb矿稳定性高， 分解比较困难。尤其是钽铌酸盐类矿物更难分 解，除氢氟酸外，不能被其它矿物酸分解。钛 钽铌酸盐类矿物的化学稳定性稍差些，可用硫 酸分解，但其矿物成分却复杂得多。处理这类 矿物时，除了从中提取Ta、Nb外，还需考虑 杂质的分离及有价元素的综合回收。因此，工 业上处理钽铌矿的方法主要有氢氟酸分解法、 氯化法、碱熔法和硫酸分解法。
氧化铌可以被C、H2、Al等还原：
NbO2为黑色（熔点1915 ℃）、NbO为 灰色（熔点1945 ℃）
铌的应用－钢铁冶金中
85％的Nb是以铌铁形式加入到钢中，在钢中加 入铌形成稳定的碳化物和碳氮化物，从而细化了 晶粒提高了晶粒的粗化温度，降低钢的过热敏感 性；钢中加铌既可提高钢的强度，又可保持钢的 韧性。钢中加入0.03~0.05％的Nb，可使钢的强 度提高25~30％。因此含Nb低合金钢广泛地应用 在石油和天然气管道、建筑及桥梁结构材料上。 近年来在石油天然气管道方面，为了取得更大的 经济效果。要求更高“X－数系”的铌钢，例如 国外正在研制X－80的铌钢。美国的XC60铌钢， 在－30℃焊接时也不需要预热比用X一52钢管壁 厚减少2.35mm，在75km管道中，便可节省钢材 1645吨。
精矿分解的影响因素－分解温度
(1)分解温度：提高分解温度有利于提高 分解速度和分解率。但如果温度过高， 氟化氢的挥发损失增加。因此，一般控 制反应温度在HF溶液的沸点以下，生产 实践中为80℃左右。 氢氟酸分解钽铌精矿过程为放热反应， 在精矿加入过快的情况下反应很激烈， 温度急剧升高，造成HF挥发损失。因此， 要在不断搅拌下缓慢加入精矿，在低于 50℃下加完物料，再升温至80℃保温。
致密金属钽、铌为钢灰色，粉末状态钽呈深灰 色，铌粉呈浅灰色，纯铌和纯钽具有良好的塑 性，可冷轧成厚度达0.01mm的薄片而无须中 间退火。 金属铌和钽的共同物理特征是具有高熔点 [3287K(Ta)、2740K（Nb）]、高沸点[5731K （Ta）、5017K（Nb）]、低的蒸气压以及比 其它难熔金属(如钨和钼）为低的电子速出功。 同时，Nb和Ta的机械性能明显地随其加工状态 及间隙杂质含量而改变。
铌的应用——化工
铌在化工部门也得到了广泛的应用。铌 及其与钽的合金可制成蒸馏管、活门、 设备的挡板及生产盐酸、硝酸、溴、过 氧化氢等化工设备的其它部件。
铌的合金也用在宇航和航空工业。如Nb－1Zr、 C—103铌合金已用于飞船上的姿态控制发动机； C—l03合金还用于“大力神”导弹喷嘴的延伸 段，这种合金的最大优点在于高温下强度好且 有优良的可塑性和焊接性。 铌及其合金在原子反应堆上作为结构材料、包 套材料和腐蚀屏蔽材料的应用受到重视。在国 外金属铌已在快中子增殖反应堆以及核燃料火 箭上作过试验并且已被采用。
氢氟酸分解法－以钽铌铁矿为例
主要反应：
Fe[(Ta、Nb)O3]+16HF=2H2[(Ta、Nb)F7+FeF2+6H2O Mn [(Ta、Nb)O3]+16HF=2H2[(Ta、Nb)F7+MnF2+6H2O
矿中通常还伴生有铁、锡、钛、钨、硅、钍、铀、稀 土及碱土金属等Fra Baidu bibliotek质，在分解过程中可和氢氟酸反应， 生成相应的氟化物：
铌的应用－超导
出于Nb的超导转变温度高。超导是Nb应用的最大潜 在市扬。加速器的建造、核磁共振医用诊断技术的 应用以及磁悬浮等技术的发展将促进铌应用的扩大。 由于铌一锡材料的应用，使研究工作进入了研制超 导电线领域。超导铌电缆的电容量比一般电缆大25 倍。 有一种铌合金在－252℃这样不太低的低温下即表现 出超导性。这个低温条件比较容易实现（液态氢就 够了）。利用超导原理制成的“冷子管”，是新型 电子计算机的元件既省电又灵敏。铌合金为它们开 辟了美好的前景。 铌铝锗的合金超导体其转变温度为20.8K，当其在4K 能产生41万高斯的磁场，这种磁场比地球磁场要大 100万倍。
钽、铌冶金
马瑞新 2007.11
1801年德国化学家哈契特(Hatchett，C)正迷着研究、 分析各种矿物，甚至骨壳、泥土。哈契特看到伦敦 博物馆中存放着一块奇特的矿石，恳切要求馆长分 给他一小块。Hatchett用高超的分析才能，从矿石 的十多种成分里，发现一种新金属元素，取名为 ‘Columbium”，即钶。 1844年德国分析化学家享.罗塞（Rose.H)仔细考察 了某钶矿和钽矿。他宣称从中分离了两种由性质相 似的新元素所形成的酸。认为新元素之一就是钶， 对另一种新元素他命名为Niobium（铌）；Rose所 命名的“铌”其实就是“钶”元素。于是这两个名 字一直并用了一百年。1949年《国际纯碎和应用化 学联合会》正式决定采用铌(Nb)的名称和符号
Ta、Nb的相似性
铌酸和钽酸虽然都已被分离出来，但它 们的性质非常相似，而且得到的铌酸中 总有钽，钽酸中又总有铌，所以在以后 的几乎四十年当中，许多化学家都认为 这两者是同一种元素。 1866年瑞士化学家马利纳克终于把钽和 铌都成功地分离开了。他是利用K2TaF7 比K2NbF7的溶解度要小得多的性质分离 两元素的。