[科普中国]-氧化铌

简介

氧化铌存在多种氧化物：

一氧化铌: 亦称“二氧化二铌”，化学式NbO或Nb2O2,分子量 108.91。有金属光泽的黑色立方晶体，有良好的金属型导电性。相对密度7.30。溶于硫酸、盐酸和碱，不溶于水、硝酸和乙醇，用金属镁还原氯氧化铌而得。

二氧化铌:化学式NbO2，分子量124.90。黑色粉末。相对密度5.9。溶于热碱溶液，不溶于水和硝酸等无机酸及乙醇。在加热条件下用氢还原五氧化二铌而得。

三氧化二铌:化学式 Nb2O3，分子量233.81，蓝黑色固体，熔点1780℃，由金属镁还原五氧化二铌可得。

五氧化二铌:化学式Nb2O5，分子量265.81，白色晶体，熔点1460℃，相对密度4.47，相对介电常数35-50，带隙3.4eV。受热至400℃颜色变黄，溶于氢氟酸、热硫酸及碱，不溶于水是最稳定的氧化物。其水合物的化学式为Nb2O5· xH2O，受热分解，可溶于浓硫酸、浓盐酸、氢氟酸及强碱, 不溶于水及氨水，在空气中灼烧金属铌或由铌酸脱水可得。

我国氧化铌的生产始于上世纪50 年代, 主要厂家是株洲硬质合金厂, 上海跃龙化工厂, 上海勤工化工厂等。由于没有专一的钽铌矿, 都是从钨钼冶炼渣、稀土冶炼渣以及其他回收料中回收, 产量极小。进入60 年代, 我国开始有铌钽矿产出, 氧化铌的产量有所增加。1966 年, 栗木锡矿稀有金属冶炼厂,宁夏有色金属冶炼厂相继试产投产, 1972 年从化钽铌冶炼厂试产, 1982 年九江有色金属冶炼厂投产,但直至80 年代末, 我国Nb2O5 年产能仍不到100 t ,年产量不到80 t 。

进入20 世纪90 年代, 随着改革开放和科学技术的发展, 氧化铌在冶金、电子、玻璃等领域的应用越来越广, 促进了我国Nb2O5 生产能力的迅速增长。

特别是近几年来, 高科技领域的发展, 使我国钽铌冶金工业得到飞速发展, 产品结构得到调整, 产品品种不断增加, 产品质量档次得到提高, 生产工艺技术进步很快, 装备水平得到更新换代。我国的钽铌工业,以宁夏有色金属冶炼厂为代表, 已进入世界钽铌大国、强国的行列。据了解, 我国钽铌厂家在20 世纪80～ 90 年代期间, 相继进行了不同程度的技术改造, 使氧化铌的年产能力超过千吨。

由于氧化铌在不同的应用领域中使用, 对氧化铌的物化性能要求不同, 所以生产不同应用领域的氧化铌, 其生产工艺或工艺过程也将不同, 物耗单耗也会有所差别。各厂家在技改和扩产的同时, 根据市场和客户的要求, 对工艺和设备都进行了研究、开发及改进, 从而使各种工艺流程及工艺设备都有较大的进步与创新1。

氧化铌的应用领域及其质量标准氧化铌的用途广泛, 但是不同的用途和客户, 有不同的要求和标准。值得注意的是, 随着应用领域越来越追求其产品的特性而专一化, 各行业的客户对Nb2O5质量的要求也越来越高, 对其物性的要求呈上升趋势。

冶金行业冶金行业始终是Nb2O5 最大的消费行业, 约占铌总消费量的85 %～ 90 %。这主要包括钢铁添加剂、高温合金、超导合金以及特种铌金属材料等。我国在20 世纪80 年代前, 氧化铌的主要销售方向是冶金行业, 因此, 国标GB 3627 -83 主要的物理化学指标都是依据这个行业制定的。作为钢铁改性用的添加剂, 质量标准达到GB 3627 -83 的三级即可;而用于高温合金及材料工业的Nb2O5 , 化学杂质要求都比较高, 有些材料合金对高温金属元素如W,Mo ,Ta , Ti 等有特别要求;还有些客户对松装密度有要求, 希望松装密度更大。

电子行业Nb2O5 在电子行业的应用近几年来发展很快,尽管使用总量不多, 其增长速度却大于其他行业。独石电容器所用Nb2O5 占该行业消费量很大的份额, 这是由于Nb2O5 的添加, 使得独石电容器热稳定性大大提高, 并获得较稳定的高介电常数。除此之外,Nb2O5 还在压电陶瓷、热敏陶瓷、电热陶瓷、电磁体、光波导、电子晶体等电子材料方面广泛应用。这一领域目前尽管消费总量不是很大, 但发展迅速, 前景可观。由于陶瓷材料的特殊性, 它对Nb2O5 的粒度、粒度分布、比表面积等物理性能有较高的要求。光波导、电子晶体材料也是Nb2O5 一个重要的应用领域, 它所要求的都是高纯度的Nb2O5 , 前景十分广阔。

玻璃行业玻璃行业是Nb2O5 传统的应用行业, 这是因为Nb2O5 添加到玻璃中, 使其具有较高的折射率(Ta2O5添加到玻璃中能提高折射率, 但由于价格太高, 只能在要求特别高的地方使用), 因而广泛用于光学玻璃, 光导纤维, 以及镀膜材料等方面。作为玻璃添加剂, 对着色元素要求很高, 如Cr ,Ni ,Fe ,RE 等2。

生产工艺、设备及技术经济指标近十年来,Nb2O5 的生产量迅速扩大, 市场竞争十分激烈, 一场比质量、比价格、比性能、比交货期的竞争一直在延续。竞争也带来了技术进步, 技术的进步提高了产品质量, 降低了生产成本, 改善了生产环境, 促进了生产发展。

原生产工艺1990 年以前, 我国各厂家的Nb2O5 生产工艺, 基本上是(以下简称原工艺)。该流程的主要工艺设备有沉淀槽、调洗槽、烘干箱、煅烧炉、振筛机、混料机等。原工艺具有操作简单, 工作可靠等特点, 缺点是生产周期长、效率低、能耗高、纯水耗量大, 煅烧电耗由于各厂家使用的煅烧设备不一样, 也有不少差别。在这里值得一提的是由长沙有色冶金设计研究院为九江有色金属冶炼厂设计的回转管电炉, 用于煅烧Nb2O5 的使用效果很好, 连续动态煅烧, 排氟好, 电耗低, 操作简单方便, 劳动强度低, 生产环境好, 深受厂家喜欢。

压洗工艺为了扩能和降低消耗, 国内各厂先后进行了各种工艺的改进与技术改造。目前, 宁夏有色金属冶炼厂对沉淀洗涤这一工艺过程, 进行了技术改造, 采用了国内及国外先进设备, 使Nb2O5 的收率和效率大大提高;南方各厂比较普遍采用的是压滤洗涤工艺流程。与此同时, 该工艺设备也有了较大的改进, 广泛采用耐磨蚀、节能降耗、连续高效的先进设备。该工艺流程的主要特点是:采用厢式压滤机与调浆槽取代原有的调洗槽, 使用大面积压滤机进行收浑;从而使纯水耗量大大降低, 生产效率和金属收率都大大提高, 单台50 m2 的压滤机单批日产量在300 kg 以上, 煅烧设备采用连续高效的回转管电炉, 使得煅烧用电大大降低;混批设备选用高效率大批量设备, 混批量都在1 500 kg以上, 能与国际通用批量接轨。

电陶工艺电子陶瓷(包括独石电容器)级Nb2O5 生产工艺的改进工作早在上世纪80 年代早期就开始了, 主要是因为电子陶瓷领域的客户要求细粒度Nb2O5 , 尽管当时需求量并不大, 但是国内厂家都进行了大量的研发工作。该工艺路线与原工艺路线似乎没有什么变化, 关键在于控制沉淀;设备也没有什么大的改动, 粉碎过筛设备的主要作用是把较大的假颗粒打碎并过筛(筛孔孔径为0.18～ 0.25 mm), 以便磁料混合均匀。

有关工艺过程的技术经济指标Nb2O5 生产的工艺过程和设备各异, 其技术经济指标也有所不同, 现就上述几种工艺路线中的工艺过程作一定性的比较, 以便说明问题。据了解, 由于各厂家在管理上与操作上(某些诀窍)的差别, 技术经济指标也不尽相同1。

氧化铌生产的发展趋势、问题及其思考根据近几年来氧化铌市场的应用和需求情况,随着高技术产业在经济发展中所占的比例越来越大, 氧化铌的需求量也会越来越大;它不仅在传统的冶金、材料行业继续保持增长, 而且在电子工业中的应用量将增长得更快。因此, 为不同行业专门化生产某种标准的氧化铌, 将是钽铌企业的发展趋势。

从近几年各厂的发展情况来看, 采用先进、节能和可靠的生产装备, 是降低成本和发展生产的成功之路。因此, 研制更加先进的、自动化程度更高的设备来改造和装备现有企业的生产线, 这也是钽铌企业的发展趋势。

冶金与材料行业在冶金与材料行业中, 近几年来Nb2O5 的使用量一直保持着增长, 尽管增长的幅度不大。但是, 其使用量仍然是最大的, 价格较低且比较稳定, 质量标准的要求也变化不大。随着竞争的加剧, 氧化铌的生产几乎无利可图。因此, 保证质量降低成本, 则是厂家的必由之路。要降低成本, 有以下几条建议供参考。

(1)根据氧化铌具体标准和用途, 合理选用原辅材料的等级, 如工业级或试剂级;自来水, 软水, 电渗水, 纯水, 高纯水, 超纯水等等, 以降低原材料成本。

(2)提高铌液浓度, 以降低中和沉淀的氨耗。注意沉淀温度, 以减少氨耗。

(3)提高洗水温度, 使洗氟效果显著;增加调浆次数, 以降低水耗;逆流洗涤, 可以充分提高用水效率, 减少水耗。

(4)根据客户不同的要求, 选用不同的煅烧工艺和节能设备, 如回转管电炉, 推舟式电炉, 燃气窑炉等, 以降低能耗。

电子材料在电子材料等行业中, 质量标准的要求越来越高, 特别是对氧化铌物理性能的要求也越来越多, 这是该行业的特点。因此根据客户的标准, 进行个性化生产势在必行。要提高氧化铌品质和达到客户的物性要求, 可参考以下几点。

(1)要控制氧化铌的粒度大小、粒度分布等特性, 关键在于控制沉淀。粒度大小、粒度分布等特性与铌液浓度、中和温度、沉淀的方式、沉淀的速度以及设备形式等有关。应改进或提高设备的自动化、连续化性能, 以提高劳动效率及产品合格率。

(2)选择高放水洗过滤工艺及设备, 以提高收率, 降低水耗, 如采用温洲东瓯微孔过滤有限公司的精密过滤设备等。

(3)干燥细颗粒氢氧化铌最好的方法是喷雾干燥。

(4)高温煅烧氧化铌的颗粒易长大, 而低温煅烧的颗粒度较细。

(5)气流粉碎可获得较理想的细颗粒。

(6)开发新品种, 提高产品的技术含量, 掺杂共沉淀是氧化铌生产行业的发展趋势3。