鈮鐵

鈮鐵主成分為鈮和鐵的鐵合金。它還含有鋁、矽、碳、硫、磷等雜質。根據合金含鈮量分為FeNb50，FeNb60，FeNb70。用鈮鉭礦生產的鐵合金含有鉭，稱鈮鉭鐵。真空冶煉鐵基合金與鎳基合金等用鈮鐵和鈮鎳合金做鈮添加劑。要求氣體含量低，有害雜質低，如Pb、Sb、Bi、Sn、As等均<2×10，故冠以“VQ”(真空質量)，如VQFeNb，VQNiNb等。中國生產的鈮錳鐵合金(Nb10%～15%)用作低合金鋼的合金劑與碳素鋼的鈮處理劑。

基本介紹

• 中文名：鈮鐵
• 外文名：Ferroniobium
• 主要成分：鈮和鐵
• 生產工藝：鋁熱法工藝
• 學科：金屬材料
• 特點：有固溶強化和碳化物沉澱強化作用
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簡史

1801年英國化學家哈奇特（C.Hatchett）分析美國一種礦石時，發現一種新元素，為紀念礦石產地命名為鈳（columbium）。1844年德國化學家羅瑟（H.Rose）發現一種與鉭相似的新元素，命名為鈮（niobium）。1866年確認鈳與鈮是同一元素。1951年國際純粹化學與套用化學聯合會（JUPAC）統一名為“niobium”（鈮）。但至今美洲冶金工業仍沿用鈳，所以鈮鐵又稱鈳鐵。早期生產鈮鐵是以貝克特（F.M.Beck-et）1935年的專利為基礎，在電爐內用電矽熱法生產。柏切爾（T.Burchell）在1950年詳細報導鋁熱法生產鈮鐵工藝。中國吉林鐵合金廠於1959年用鋁熱法生產鈮鐵。唐山鋼鐵廠與北京鋼鐵研究總院合作，於1966年研究用側吹轉爐從包頭含鈮生鐵中提取鈮渣，在電爐內生產鈮錳鐵合金（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含鈮生鐵，經轉爐提取鈮渣，在電爐內煉成鈮錳鐵合金（Nb10%～15%）。

性質和用途

鈮是高熔點金屬，鋼灰色，原子量為92.9064，外層電子結構4d5s，熔點2467℃，沸點4740℃，密度（20℃）為8.6g/cm³。圖1為鐵鈮二元系平衡相圖。有兩個共晶點和一個MgZn₂型的拉氏相εNbFe₂。二個共晶點分別位於Nb11.6%、1360℃和Nb約55%、1560℃處。工業生產的鈮鐵（FeNb60）的熔化溫度範圍為1520～1600℃，密度約8.0g/cm³。

鈮鐵主要用於冶煉高溫（耐熱）合金，不鏽鋼和高強度低合金鋼。鈮在不鏽鋼和耐熱鋼中，與鋼中的碳生成穩定的碳化鈮。均勻地分布在鋼的晶粒邊界，防止高溫下鋼的晶粒長大，對鋼的組織起細化作用，可提高鋼的強度、韌性和蠕變性能。鈮與碳的化學親和力遠遠大於鉻與碳，因此，當不鏽鋼中有鈮存在時，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定的氧化鈮，使鋼的表面形成氧化鈮薄膜，可阻止氧向內部擴散而起抗氧化作用。碳素鋼添加Nb0.015%～0.05%，可起細化組織作用，使鋼具有良好的成型性和焊接性能。鈮對鋼的奧氏體再結晶有強烈的阻止作用，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化和碳化物沉澱強化作用，提高高溫合金的屈服強度和表面穩定性。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，有助於球化和珠光體組織的形成。起孕育和細化鑄件組織的作用。鈮可提高鑄件在高溫下的強度、韌性、硬度和使用壽命。電焊條用鈮鐵作為焊料組分，來提高焊接質量。

生產工藝

巴西聖保羅礦冶公司的阿拉克斯（Araxa）廠是世界上最大的鈮鐵生產廠。自1965年起用傳統鋁熱法工藝生產鈮鐵。在90年代初建成半連續自熱還原法生產鈮鐵的工藝流程（見圖2）。鋁熱法冶煉用反應器為固定式（圖3），並裝有爐蓋。反應產生的爐渣與鈮鐵從爐內排放。用料罐將準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後，卸入小料倉內，用螺旋運輸機加到傳送帶上，運至鋁熱反應器頂的混合料倉中。所有料倉出口，均與一根經過布袋除塵器的排氣管相通，保持負壓以減少粉塵。打開混合料倉閥門，往反應器內加10t混合料。用鎂條點燃後，反應即開始。爐料反應完後，其餘混合料以1～3t/min加入。反應完後打開出渣口將爐渣放出。爐渣用高壓水粒化。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。

相關合金

鎳鈮合金

用於不含鐵的合金材料，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%，Fe0.53%，Ni39.18%。因為要求雜質低，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呈細粉狀，要用成球機製成直徑約2mm的小球，烘乾後使用，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，則在電爐內冶煉，先往爐底加入電解鎳，然後在它的上面加造渣劑（石灰）。通電熔化金屬鎳，升溫後停電，加入Nb₂O₅和鋁粒、石灰的混合料。反應結束後，攪拌、出爐。

鈮錳鐵合金

中國包頭鋼鐵公司含鈮生鐵在平爐煉鋼時產生含Nb₂O₅～0.5%的平爐渣。將這種平爐渣與鐵礦石在高爐內冶煉，得到含0.7%～0.8%Nb的鐵水。將鐵水裝入側吹轉爐，吹煉得到含Nb₂O₅4.5%～6.5%的爐渣。轉爐渣加入電弧爐內熔化，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。