2.3.9.2. Карботермический способ получения ниобия и тантал.

Ниобий может быть восстановлен из Nb₂O₅ углеродом при 1800 – 1900 °С в вакуумной печи:

Nb₂О₅ + 5 С = 2 Nb + 5 CO (2.81)

Шихта Nb₂О₅ + 5 C содержит мало ниобия [57,2 % (по массе)] и даже в брикетированном состоянии имеет низкую плотность (~1,8 г/см³). Вместе с тем на 1 кг шихты выделяется большой объем СО (~ 0,34 м³). Поэтому на практике восстановление ведут в две стадии:

I стадия – получение карбида ниобия:

Nb₂О₅ + 7 С = 2 NbC + 5 CO (2.82)

II стадия – получение ниобия в вакуумных печах:

Nb₂О₅ + 5 NbC = 7 Nb + 5 СО (2.83)

Брикетированная шихта II стадии содержит 84,2 % (по массе) ниобия, плотность брикетов ~3 г/см³, объем образующегося СО 0,14 м³ на 1 кг шихты (~ в 2,5 раза меньше, чем в случае шихты Nb₂O₅ + 5 С). Это обеспечивает более высокую производительность печи.

Для получения карбида ниобия (I стадия процесса) смесь Nb₂O₅ с сажей брикетируют и брикеты нагревают в графитовотрубчатой печи в атмосфере водорода или аргона при 1800 – 1900 °С (вдоль печи брикеты непрерывно продвигаются из расчета пребывания их в горячей зоне 1—1,5 ч). Измельченный карбид ниобия смешивают в шаровой мельнице с оксидом ниобия, взятом с небольшим избытком (3 – 5 %) против стехиометрически необходимого. Шихту прессуют в заготовки под давлением 100 МПа и нагревают в вакуумных печах с графитовыми нагревателями (или в вакуумных индукционных печах с графитовой трубой) при 1800 – 1900 ^оС (II стадия процесса). Выдержка заканчивается при достижении остаточного давления 1,3 – 0,13 Па.

Полученные спекшиеся пористые брикеты ниобия содержат, %: C 0,1 – 0,15; O 0,15 – 0,30; N 0,04 – 0,5. Для получения компактного ковкого металла брикеты плавят в электронно-лучевой печи.

Основные преимущества карботермического способа – высокий прямой выход металла (не ниже 96 %) и применение дешевого восстановителя. Недостаток способа — сложность конструкций высокотемпературных вакуумных печей.

Карботермическим способом можно получать также тантал и сплавы ниобия с танталом.

2.3.9.3. Алюминотермический способ получения ниобия и тантала из их пятиокисей

Способ основан на экзотермической реакции

3 Nb₂О₅ + 10 А1 = 6 Nb + 5 А1₂О₃ + 2650 кДж (2.84)

Высокий удельный тепловой эффект реакции 2480 кДж/кг шихты обеспечивает возможность проведения процесса без внешнего подогрева с выплавкой слитка ниобиевоалюминиевого сплава. При избытке алюминия в шихте, равном ~15 % от стехиометрического, получают сплав ниобия, содержащий 2 – 5 % алюминия при извлечении 98 %. Алюминотермическое восстановление проводят в стальном тигле с набивной футеровкой из прокаленных окислов магния или алюминия. Для удобства выгрузки продуктов плавки тигель делают разъемным. Через стенки вводят контакты для подвода электрического тока (20В, 15А) к запалу в виде нихромовой проволоки, помещенной в середине тигля.

Смесь тщательно высушенной пятиокиси ниобия и алюминиевого порошка крупностью 100 мкм загружают в тигель. Для исключения контакта с воздухом целесообразно поместить тигель в камеру, заполненную аргоном. После включения запала реакция протекает быстро по всей массе шихты.

Полученный слиток сплава дробят на куски и подвергают вакуум-термической обработке при 1800 – 2000 °С в печи с графитовым нагревателем при остаточном давлении 0,13 Па с целью удаления большей части алюминия (до его содержания ~0,2 %), Затем проводят рафинировочную плавку в электроннолучевой печи, получая слитки ниобия высокой чистоты с содержанием примесей, %: А1<0,002; С 0,005; Cu<0,0025; Fe<0,0025; Mg, Mn, Ni, Sn<0,001; Ni<0,005; O<0,010; Si<0,0025; Ti<0,005; V< 0,0025.