铌铁(ferroniobium)

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^-6，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。

简史     

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．Becket)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％)。

性质和用途    

铌是高熔点金属，钢灰色，原子量为92．9064，外层电子结构4d⁴5s¹，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。二个共晶点分别位于Nbll.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。

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。每炉加烧绿石精矿18t，赤铁矿4t，铝粒6t，萤石0.75t，石灰0．5t。产出铌铁(Nb66％)约11t，炉渣19t。冶炼过程产生的烟气约10000m³，温度约400℃。从上盖进入冷空气，将烟气温度降至150℃。烟气经旋风除尘器，进入布袋除尘器，经风机进入烟囱排放。lm3烟气可回收尘粒约50rag。用烧绿石[(Ca、Nb)₂(Nb、Ta、Ti)₂ O₆(OH、F)]精矿作生产铌铁的原料，需先焙烧除去精矿中的水分和使部分低价氧化物转变为高价氧化物。并利用精矿的余热，以提高反应热量。冶炼用精矿成分为Nb₂O₅59％～65％，Fe₂O₃2％～8％，SiO₂0_.1％～0.5％，ThO₂2％～3％，U₃O₈0.05％～0.1％，P0.01％～0.05％，S0.01％～0.05％；Pb0.01％～0.05％，BaO1％～3％，CaO1.5％～2％，MgO0.1％～0.3％；粒度一120目。铝粒含Al>98％，Fe<1.1％，Si<1％；粒度0.1～5mm(其中0.1～2mm占80％)。赤铁矿含全Fe>64％、SiO₂<7％、P<0.02％、S<0.05％、粒度<1mm。石灰含CaO>85％、Si<1％、P<0.01％、S<0.02％。粒度<2mm。萤石含CaF2>75％、SiO₂<5％，粒度<2mm。生产1t铌铁(66％Nb)消耗烧绿石精矿(Nb₂O₅60％)约1640kg，铝粒550kg，赤铁矿(Fe68％)约360kg，萤石约70kg，石灰约45kg。铌回收率约96％。铌铁成分为：Nb66％，Fe30.5％，S1.5％，A10.5％，TiO1％，P01％，S0.04％，C0.08％，Pb0．02％。炉渣成分为A1₂O₃约48％，CaO约25％，TiO₂约4％，BaO约2％，RE₂O₃约4％，ThO₂约2％，U₃O₈约0.05％，Nb₂O₅微量。

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％，Al0.39‰，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。