12.2. Минералы и руды ниобия

Существует большая группа минералов тантало-ниобатов, представляющих собой природные комплексные соединения, в которых комплексообразователями являются ниобий и тантал. Обобщенная формула этих минералов: A_nB_mX_p, где А – катионы крупного размера (Са²⁺, РЗМ³⁺, U⁴⁺, Th⁴⁺, Na⁺, реже Pb²⁺, Sb²⁺, Bi³⁺) и среднего размера (Fe²⁺, Mn²⁺, Mg²⁺); B – Nb⁵⁺, Ta⁵⁺, замещаемые Ti⁴⁺, Sn⁴⁺, Fe³⁺; X – O^2-, OH^-, F^-. Из более 130 известных минералов ниобия (тантала) промышленными считаются около шести. Наиболее важными являются для получения ниобия минералы, входящие в состав ниобиевых руд: колумбит (Fe,Mn)(Nb,Ta)₂O₆ (50-67% Nb₂O₃) и пирохлор (Ca,Na)₂(Nb,Ta,Ti)₂O₆(OH,F) (40–70% Nb₂O₅). Меньшее значение имеет лопарит (Ca, Na, Ce)(Ti, Nb, Ta)O₃ (7–20% Nb₂O₅).

Лопарит представляет собой богатый ниобием и РЗМ перовскит (CaTiO₃), в котором кальций замещается РЗМ, а титан – ниобием и танталом с образованием следующих минералов: кнопита (CeTiO₃), дизаналита (Ca,Na,Ce)(Ti,Nb,Fe)O₃ и лопарита (Ce,Na,Ca)(Ti,Nb)O₃.

Промышленно пригодные ниобиевые руды, из которых экономически выгодно получать ниобиевые концентраты, содержат 0,15–0,20% Nb₂O₅. В известных наиболее богатых ниобиевых рудах мира содержится до 1–4% Nb₂O₅.

Перспективным месторождением ниобиевой руды в России является Белозиминское. Однако трудность получения кондиционных концентратов из руды этого месторождения обусловлено высоким содержанием фосфора и высокой естественной радиоактивностью. В.И. Жучковым и др. разработана технология металлотермического получения сплавов ниобия из высокофосфористых концентратов Белозиминского месторождения путем перевода фосфора в феррофосфор при специальном электрометаллургическом переделе.

Ведущее место в минерально-сырьевой базе ниобия занимают Бразилия (84,2% запасов), Канада (9,8%) и Заир (4,2%).

12.3. Термодинамика реакций восстановления ниобия

Восстановление ниобия углеродом. Реакции восстановления ниобия из Nb₂O₅ углеродом до ниобия и до карбида в общем виде могут быть представлены так (Т_н.в – температура начала восстановления соответствует ∆G = 0):

Nb₂O₅ + 2C = Nb + 2CO;

∆G= 393065 – 286,04Т (Т_н.в = 1347 K);

Nb₂O₅ + C = NbС + 2CO;

∆G= 329426 – 283,15Т (Т_н.в = 1163 K);

Восстановление ниобия кремнием. Для реакции Nb₂O₅ + Si = Nb + SiO₂; ∆G = –201539 – 35,52Т извлечение ниобия в силикотермическом процессе невелико, а сплав (50–60% Nb) получается с высоким содержанием кремния (5–8%).

Восстановление ниобия алюминием. Термодинамический анализ реакций восстановления ниобия из оксидов алюминием очень важен для разработки и совершенствования алюминотермических процессов получения феррониобия.

Суммарная реакция взаимодействия Nb₂O₅ с алюминием

Nb₂O₅ + Al = Nb + Al₂O₃

характеризуется следующим изменением энергии Гиббса: ∆G = –461753 + 74,86Т. Термодинамически наиболее трудно осуществима реакция восстановления NbO алюминием:

2NbO + Al = 2Nb + Al₂O₃; ∆G= -170233 + 33,48Т.

В интервале 2000–2300 K алюминотермическое восстановление Nb₂O₅ протекает достаточно полно, а извлечение в сплав достигает 99,8%.