铌是高熔点稀有金属之一。从本世纪初金属铌的提炼成功到20年代末铌的工业化生产, 仅经历了20余年的时间。过去铌在军工、尖端技术方面应用较多,现其应用已扩展到许多其他科技领域。为使铌发挥更大的实用价值,促进铌工业的更快发展,以取得更好的社会效益, 对铌的资源情况、应用领域、市场特点等做进一步地了解、研究是很有意义的。
1、铌具有丰富的自然资源
就目前公布资料,世界铌总贮藏量约为3800万t。巴西是世界铌储藏量、生产量最多的国家, 其贮藏量约为2300万t , 占世界总量的60%。中国也是铌资源丰富的国家,贮藏量占世界总量的17%左右。按现在开采生产的年耗用量计算,铌可供人类几百年至近千年开采使用。丰富的自然资源是铌工业发展的重要保障和优越条件。世界对铌的需求近几年处于稳定发展趋势。1988~1993年世界Nb2O5消耗量平均每年为1.9万t, 见表1。铌耗用量比例按区域分:欧洲34%,北美洲30%, 日本32%, 其他国家4%; 按用途分: 钢铁添加剂75%, 不锈钢12%, 超高温合金10%, 其他用途3%。
年份 | 1988 | 1989 | 1990 | 1991 | 1992 | 1993 | 平均用量 |
用量 | 19660 | 19110 | 18700 | 18400 | 20420 | 18900 | 19198 |
2、铌广泛应用的有利条件
世界市场经济运行机制中,无论是开发新产品,还是发展工业生产。产品价格均起重要作用。从50年代到现在,铌以Nb2O5计价,每公斤6~10美元, 基本保持平稳上升。钨、钼、钽、铌均是航空航天工业中应用较多的耐高温材料,其中以铌价最低。其价格相对比Nb:Mo:W:Ta约为1:1.2:2.3:10, 这是铌得以发展的又一优势。而与铌素有“ 姐妹“ 元素之称的钽, 在制作电解电容器时其电性能优于铌, 但因大量开采、使用,使钽资源品位含量日趋贫化,价格日趋昂贵, 故有专家认为以铌代钽趋势将不可避免。在作为高温耐热、保温和隔热材料方面,以铌代钼、代钨已开始得到实际应用。铌的多功能特性也已越来越引起人们的重视。
3、铌在工业中的应用
铌在工业中的应用市场分普通粗铌和优质铌制品两大类。
粗铌用于生产铌铁合金, 以作炼制特种钢的添加剂。在合金钢中,铌形成NbC和NbN, 能提高合金钢强度,这方面的用量在不断增加。作为不锈钢和低合金高强度钢中的添加剂,用铌量约为铌总耗量的75%, 是铌的最大消费市场。含铌合金钢材,用于石油天然气、汽车、建筑、化工和海洋工程领域。
高纯铌用于生产纯铌制品,有铌粉,铌锭、铌条、铌棒和铌的其他加工材。俄罗斯现在还研究生产铌电容器和电容器级铌粉,其比电容为1500~9000CV/g , 凝聚铌粉的比电容可达20000CV/g。高纯铌合金及特殊优质铌合金钢材用于航空、航天、能源、电子、机加工业和环保工程领域, 这一部分的铌耗量约占铌总用量的20%,市场规模及经济价值均很可观。
4、铌在功能材料中的应用
由于金属铌具有高熔点、高强度、高的高温强度/质量比值、耐热、耐酸碱、热传导性好及低中子吸收截面等优良特性,故是精细陶瓷、复合材料等现代高科技产业中必不可少的材料。铌作为功能材料, 其主要应用在超导、核动力结构材料和超耐热合金方面。
高纯铌高频电阻小,能减少高频电流损失,虽其超导性不及Nb-Ti合金和Nb3Sn化合物, 即其超导临界温度Tc相对较低, 但仍有制作超导结构材料的实际应用。已用纯铌管、棒、板材试制高能粒子加速器材料。冷加工铌合金线材,除用于高能粒子加速盐、粒子检测用大磁体研究领减外,还用于磁体发电机、贮能、电力输送和磁悬浮列车及核磁共振仪器装置方面。有资料报道,在1994~1995年间,世界高纯金属铌在功能材料方面的年用量均已达30t以上。Nb3Sn化合物超导特性优异, 其超导临界温度Tc及临界磁场Hc,比铌合金系高出一倍以上,常作强磁体、电磁聚变线圈。Nb-Zr系合金也常作耐高温耐热性, 与融碱金属钠蒸气接触时化学性能稳定, 故用作高压钠灯电极导电套管和控时器。Nb-Ti系合金也常作耐高温、耐蚀材料使用。Nb-Ta、Nb-W和Nb-Hf-Ti系合金,因其高温强度性能优异,是航空航天工业的重要材料。铌及其合金的主要特性、用途参见表2。
表2 金属铌和铌合金的主要类型、特性及用途
类型 | 功能 | 用途 | |
纯金属 | 纯铌 | 耐蚀 | 电解用电极 |
高纯铌 | 超导结构材料 | 超导加速器控体 | |
合金 | 铌铁 | 耐蚀,高强度,高韧性 | 工具钢、不锈钢、添加剂 |
Nb-Ti系合金 | 超导,高强度,加工性好 | 加速器,磁悬浮列车 | |
Nb-Zr系合金 | 耐热,化学性能稳定 | 钠灯导电管,控时器 | |
Nb-Ta系合金 | 耐蚀 | 化学装置 | |
Nb-W系合金 | 高温强度优良 | 航空发动机 | |
Nb-Hf-W系合金 | 高强度,加工性好 | 航空、飞船发动机 | |
化合物 | Nb3Sn化合物 | 超导线材 | 超导电机 |
70年代, 已开发生产出LiNb2O3单晶材作声表面波滤波器件, 现已广泛用于彩电、磁带录像机、无线电话、卫星通讯元件等。BaSr-Nb2O3单晶, 用于热红外传感器。PbNb2O3晶体多用于压电陶瓷。碳化铌则多用于硬质合金等等。
毫无疑间, 随着铌应用研究的深入扩展, 其实用范围将更加拓宽, 其使用数量也将不断增加, 同时也将使铌工业更加兴旺发达。铌将是21世纪高技术产业领域中引人注目的稀有金属材料。
5、我国铌的应用与发展
自50年代开始, 我国就着手进行铌和钽的研究,并生产出Nb2O5。60年代中期采用碳还原生产出铌粉、铌条, 采用铝热还原生产出中、高级铌铁合金。70年代初用电子束精炼生产出高纯铌锭和电容器用优质铌粉;同期开发生产出Nb3Sn超导线材、磁体材料;光玻级和晶体级高纯Nb2O5。随后开发生产出LiNb2O3单晶棒〔D (4~100)mm✕100mm〕、毛面和抛光面切片以及Nb.Se2固体润滑剂等铌化合物新材料。80年代后期开发生产出碳化铌粉和Nb-Ta复合碳化物( 粉)和多种铌制品新材料。近年, 我国铌、钽冶金和加工行业在铌制品开发、应用方面, 都取得了许多重要成果。目前我国铌工业生产, 主要包括铌精矿采选、冶金生产氧化铌、铌粉、铌条、铌铁铁合金、铌锭, 加工生产铌材。其中以铌铁合金用铌量为最大, 约占铌总耗量的80%。
随着技术进步、技改措施的实现, 我国铌工业的生产综合技术水平将逐步提高, 铌的资源优势也将得到进一步发挥。有理由相信, 铌工业在我国有着广阔的发展前景。
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