铌铁生产工艺

巴西圣保罗矿冶公司的阿拉克斯（Araxa）厂是世界上最大的铌铁生产厂。自1965年起用传统铝热法工艺生产铌铁。在90年代初建成半连续自热还原法生产铌铁的工艺流程（见图2）。铝热法冶炼用反应器为固定式（图3），并装有炉盖。反应产生的炉渣与铌铁从炉内排放。用料罐将准备好的原料分别装入指定的圆筒形料仓。各种炉料按配料称量，每次装入总用量的1/12（混合料约2500kg）。在混料器中混合4min后，卸入小料仓内，用螺旋运输机加到传送带上，运至铝热反应器顶的混合料仓中。所有料仓出口，均与一根经过布袋除尘器的排气管相通，保持负压以减少粉尘。打开混合料仓阀门，往反应器内加10t混合料。用镁条点燃后，反应即开始。炉料反应完后，其余混合料以1～3t/min加入。反应完后打开出渣口将炉渣放出。炉渣用高压水粒化。再打开出铁口放出铌铁，铸锭（每块重约4t）。一个冶炼周期约1h。

铌是高熔点金属，钢灰色，原子量为92.9064，外层电子结构4d5s，熔点2467℃，沸点4740℃，密度（20℃）为8.6g/cm³。图1为铁铌二元系平衡相图。有两个共晶点和一个MgZn₂型的拉氏相εNbFe₂。二个共晶点分别位于Nb11.6%、1360℃和Nb约55%、1560℃处。工业生产的铌铁（FeNb60）的熔化温度范围为1520～1600℃，密度约8.0g/cm³。

铌铁主要用于冶炼高温（耐热）合金，不锈钢和高强度低合金钢。铌在不锈钢和耐热钢中，与钢中的碳生成稳定的碳化铌。均匀地分布在钢的晶粒边界，防止高温下钢的晶粒长大，对钢的组织起细化作用，可提高钢的强度、韧性和蠕变性能。铌与碳的化学亲和力远远大于铬与碳，因此，当不锈钢中有铌存在时，可防止在钢的晶界析出碳化铬，因而提高钢的抗腐蚀能力。钢中的铌与氮生成稳定的氮化铌，提高了钢的表层抗腐蚀能力。钢中的铌与氧生成稳定的氧化铌，使钢的表面形成氧化铌薄膜，可阻止氧向内部扩散而起抗氧化作用。碳素钢添加Nb0.015%～0.05%，可起细化组织作用，使钢具有良好的成型性和焊接性能。铌对钢的奥氏体再结晶有强烈的阻止作用，使钢在较高的温度下，有效地控制轧制，而且控制轧制的强韧化效果十分显著。所以铌作为微合金元素在碳素钢中的用量大大增加。美国在微合金中的用铌量，在1959年仅占铌总消耗量的1.9%，而1988年上升为68%。

铌在高温合金中起固溶强化和碳化物沉淀强化作用，提高高温合金的屈服强度和表面稳定性。铌的重量是难熔金属中较轻的一种，也是高温合金大量使用的因素之一。铌镍合金作为镍基高温合金的添加剂，主要是生产718合金。永磁合金中加入铌，可提高合金的矫顽力性能。

铸铁中加入铌，有助于球化和珠光体组织的形成。起孕育和细化铸件组织的作用。铌可提高铸件在高温下的强度、韧性、硬度和使用寿命。电焊条用铌铁作为焊料组分，来提高焊接质量。

1801年英国化学家哈奇特（C.Hatchett）分析美国一种矿石时，发现一种新元素，为纪念矿石产地命名为钶（columbium）。1844年德国化学家罗瑟（H.Rose）发现一种与钽相似的新元素，命名为铌（niobium）。1866年确认钶与铌是同一元素。1951年国际纯粹化学与应用化学联合会（JUPAC）统一名为“niobium”（铌）。但至今美洲冶金工业仍沿用钶，所以铌铁又称钶铁。早期生产铌铁是以贝克特（F.M.Beck-et）1935年的专利为基础，在电炉内用电硅热法生产。柏切尔（T.Burchell）在1950年详细报导铝热法生产铌铁工艺。中国吉林铁合金厂于1959年用铝热法生产铌铁。唐山钢铁厂与北京钢铁研究总院合作，于1966年研究用侧吹转炉从包头含铌生铁中提取铌渣，在电炉内生产铌锰铁合金（含Nb约5%～6%）。同期，包头钢铁公司与北京钢铁研究总院合作，在高炉中以平炉含铌渣生产含铌生铁，经转炉提取铌渣，在电炉内炼成铌锰铁合金（Nb10%～15%）。

铌铁镍铌合金

用于不含铁的合金材料，主要为镍基高温合金。常称为VQNi—Nb。它的典型成分为：Nb58.54%，Ta0.31%，A10.39%，Ti0.02%，Si0.15%，Mn0.03%，C0.03%，P0.028%，S0.004%，Fe0.53%，Ni39.18%。因为要求杂质低，故不能使用铌精矿，而是用湿法冶金处理得到的纯度高的Nb₂O₅。高纯度Nb₂O₅呈细粉状，要用成球机制成直径约2mm的小球，烘干后使用，以提高铌的收得率。冶炼铌镍合金如用氧化镍作原料，则用铝热法冶炼，用氯酸钾或氯酸钠作增热剂（操作过程与铌铁同）。如用电解镍作原料，则在电炉内冶炼，先往炉底加入电解镍，然后在它的上面加造渣剂（石灰）。通电熔化金属镍，升温后停电，加入Nb₂O₅和铝粒、石灰的混合料。反应结束后，搅拌、出炉。

铌铁铌锰铁合金

中国包头钢铁公司含铌生铁在平炉炼钢时产生含Nb₂O₅～0.5%的平炉渣。将这种平炉渣与铁矿石在高炉内冶炼，得到含0.7%～0.8%Nb的铁水。将铁水装入侧吹转炉，吹炼得到含Nb₂O₅4.5%～6.5%的炉渣。转炉渣加入电弧炉内熔化，去掉渣中夹有的金属铁和部分磷，再用碳粉还原得到铌锰铁合金。其成分为：Nb10%～15%，Mn40%～60%，Si0.5%～2%，C6%～7%，P1.5%～2%。这种合金用来作碳素钢铌处理。2100433B

用于合金钢冶炼、合金元素添加剂和不锈钢电焊条涂料等。

铌铁有一定的放射性，对身体有害，在冶炼过程中要加强个人防护，遵守防尘操作规程。对生产环境定期监测空气中粉尘浓度，并加强宣传教育。做好就业前体格检查，包括X线胸片。

我国包头有大量的铌资源,但由于铌矿床中铌矿和铁矿共生,紧密镶嵌,且含磷高,铌的品位很低,提取难度很大。目前,包头含铌铁矿采用高炉还原含铌铁矿,使铌进入铁水,然后通过转炉吹炼含铌铁水使铌氧化进入渣中,含铌渣再在电弧炉中脱铁脱磷,达到提取铌的目的。最近的研究表明,在高炉还原过程中,铌矿物将被还原为碳化铌( NbC) ,在渣铁界面形成NbC滞留带,限制了铌在铁水中的溶解, 使高炉中铌的回收率仅为40% ～ 70%。且Nb C在铁水中的溶解度较低,铌的溶解度随温度的降低而降低。

由于铁水不能吸收更多的铌,高炉过程无法处理含铌品位较高的铁矿。除此之外,由于上述高炉过程未能实现铁、铌、磷的选择性还原,在后面的工序中必须进行铁、铌分离,铌、磷分离。因此,包头现有提铌工艺流程长、成本高、铌收得率低且得到的含铌氧化物只能冶炼含13%～ 15% Nb的低级铌铁。近来提出的一些提铌过程如铁水分段处理连续吹炼铌渣工艺和包头铌渣氯化脱锰工艺,都沿用了高炉提铌过程,因此都存在流程长、成本高、铌收得率低的缺点,在工业中未得到实施 。

( 1) 用CO /CO₂ 混合气体选择性热还原含铌铁矿时,当还原气体成分为90% CO 10% CO₂、气体流量为200 mL /min、还原温度为950～ 1 150℃时,铁矿物的金属化率即可达到90% 以上。当反应趋于平衡时,还原温度高,铁矿物金属化率程度也高。最佳温度范围约为950～ 1000℃。

( 2) 化学分析及扫描电子显微镜能谱分析的结果表明,在铁矿物被还原为金属铁时,铌矿物不被还原,从而可达到铁、铌的分离。

( 3) 试样破碎后在介质为无水乙醇中磁选除铁,得到铌被富集的氧化物,此含铌氧化物中Nb₂O₅达到6. 91% ,铌品位较除铁前的原矿富集了近4倍。

( 4) 盐酸浸洗上述含铌氧化物,得到含Nb₂O₅29. 6% , Nb /Fe= 6, Nb /P≥ 12的浸渣,此浸渣可用于冶炼符合工业标准( Nb≥ 60% )的铌铁 。2100433B