铌铁

主成分为铌和铁的铁合金

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。

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.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%）。

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。

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。

相关合金

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。

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