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山东铌铁回收之铌分布

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铌铁主成分为铌和铁的铁合金。它还含有铝、硅、碳、硫、磷等杂质。根据合金含铌量分为FeNb50,FeNb60,FeNb70。用铌钽矿生产的铁合金含有钽,称铌钽铁。真空冶炼铁基合金与镍基合金等用铌铁和铌镍合金做铌添加剂。要求气体含量低,有害杂质低,如Pb、Sb、Bi、Sn、As等均<2×10,故冠以“VQ”(真空质量),如VQFeNb,VQNiNb等。中国生产的铌锰铁合金(Nb10%~15%)用作低合金钢的合金剂与碳素钢的铌处理剂。
巴西圣保罗矿冶公司的阿拉克斯(Araxa)厂是世界上的铌铁生产厂。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。



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根据估算,铌在地球地壳中的丰度为百万分之20,在所有元素中排列第33位。部份科学家认为,铌在整个地球中的含量更高,但因密度高而主要聚集在地核中。铌在自然界中不以纯态出现,而是和其他元素结合形成矿物。这些矿物一般也含有钽元素,例如钶铁矿(即铌铁矿,(Fe,Mn)(Nb,Ta)2O6)和钶钽铁矿((Fe,Mn)(Ta,Nb)2O6)。含铌、钽的矿物通常是伟晶岩和碱性侵入岩中的副矿物。其他矿物还有钙、铀和钍以及稀土元素的铌酸盐,例如烧绿石((Na,Ca)2Nb2O6(OH,F))和黑稀金矿((Y,Ca,Ce,U,Th)(Nb,Ta,Ti)2O6)等。这些大型铌矿藏出现在碳酸盐岩(一种碳酸盐、硅酸盐火成岩)附近,亦是烧绿石的组成成份。
巴西和加拿大拥有的烧绿石矿藏。两国在1950年代发现这些矿藏,至今仍是铌精矿的产国。世界矿藏位于巴西米纳斯吉拉斯州阿拉沙的一处碳酸盐侵入岩地带,属于CBMM(巴西矿物冶金公司);另一矿藏位于戈亚斯,属于英美资源,同样是碳酸盐侵入岩。以上两个矿场的产量占世界总产量的75%。第三大矿场位于加拿大魁北克省萨格奈附近,产量占世界7%。



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超导应用
人们很早以前就发现,当温度降低到接近零度的时俟,有些物质的化学性质会发生突然的改变,变成一种几乎没有电阻的“超导体”。物质开始具有这种奇异的“超导”性能的温度叫临界温度。不用说,各种物质的临界温度是不一样的 [4]  。
要知道,超低温度是很不容易得到的,人们为此而付出了巨大的代价;越向零度接近,需要付出的代价越大。所以我们对超导物质的要求,当然是临界温度越高越好。
具有超导性能的元素不少,铌是其中临界温度的一种。而用铌制造的合金,临界温度高达温度十八点五到二十一度,是目前最重要的超导材料。
人们曾经做过这样一个实验:把一个冷到超导状态的金属铌环,通上电流然后再断开电流,然后,把整套仪器封闭起来,保持低温。过了两年半后,人们把仪器打开,发现铌环里的电流仍在流动,而且电流强弱跟刚通电时几乎完全相同!
从这个实验可以看出,超导材料几乎不会损失电流。如果使用超导电缆输电,因为它没有电阻,电流通过时不会有能量损耗,所以输电效率将大大提高。
有人设计了一种高速磁悬浮列车,它的车轮部位安装有超导磁体,使整个列车可以浮起在轨道上约十厘米。这样一来,列车和轨道之间就不会再有摩擦,减少了前进的阻力。一列乘载百人的磁悬浮列车,只需一百马力的推动力,就能使速度达到每小时五百公里以上。
用一条长达二十公里的铌锡带,缠绕在直径为一点五米的轮缘上,绕组能够产生强烈而稳定的磁场,足以举起一百二十二公斤的重物,并使它悬浮在磁场空间里。如果把这种磁场用到热核聚变反应中,把强大的热核聚变反应控制起来,那就有可能给我们提供大量的几乎是无穷无尽的廉价电力。
不久前,人们曾用铌钛超导材料制成了一台直流发电机。它的优点很多,比如说体积小,重量轻,成本低,与同样大小的普通发电机相比,它发的电量要大一百倍。 [4]
高温合金
世界上很大一部份铌以纯金属态或以高纯度铌铁和铌镍合金的形态,用于生产镍、和铁基高温合金。这些合金可用于喷射引擎、燃气涡轮发动机、火箭组件、涡轮增压器和耐热燃烧器材。铌在高温合金的晶粒结构中会形成γ''相态。这类合金一般含有6.5%的铌。Inconel 718合金是其中一种含铌镍基合金,各元素含量分别为:镍50%、18.6%、铁18.5%、铌5%、钼3.1%、钛0.9%以及铝0.4%。应用包括作为高端机体材料,如曾用于双子座计划。
C-103是一种铌合金,它含有89%的铌、10%的铪和1%的钛,可用于液态火箭推进器喷管,例如阿波罗登月舱的主引擎。阿波罗服务舱则使用另一种铌合金。由于铌在400°C以上会开始氧化,所以为了防止它变得易碎,须在其表面涂上保护涂层。



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