Области применения и конъюнктура рынка циркония и гафния. Цирконий оксид: описание, свойства, особенности применения и отзывы
Цирконий, его сплавы и соединения используют в различных областях техники: атомной энергетике, электронике, пиротехнике, машиностроении, производстве сталей и сплавов с цветными металлами, огнеупоров, керамики и эмалей, литейном производстве.
Пиротехника и производство боеприпасов. Порошки циркония, имеющие низкую температуру воспламенения и высокую скорость сгорания, применяют в качестве воспламенителя в смесях капсулей-детонаторов, а также в смесях для фотовспышки. В смеси с окислителями Горного бюро США, опубликованным в 1975 г., потребность это страны в гафнии на рубеже XX - - XXI вв.
Спектра л ь н ы и а н а л и з циркония на примеси в значительной степени затруднен из-за того, что на фоне многолинейчатого спектра циркония трудно выделить слабые линии спектров малых концентраций примесей. Этот метод позволяет также определять малые концентрации фтора в металлическом цирконии, что весьма существенно в контроле производства электролитического циркония.
Поскольку гафний извлекают попутно при получении реакторного циркония, его производство растет пропорционально выпуску последнего, причем на 50 кг циркония получают приблизительно 1 кг гафния. За текущее десятилетие (1970 - 1980 гг.) мировая мощность атомных электростанций возрастет в 5 - 8 раз, соответственно возрастет производство циркония и гафния. Ведь каждый мегаватт мощности АЭС требует от 45 до 79 кг циркония для изготовления труб и других деталей. Кроме того, 25 - 35 % циркониевых труб в действующих реакторах необходимо ежегодно заменять. В результате для этих целей уже в середине 70 - х годов будет расходоваться примерно столько же циркония, как и для новых реакторов.
Фторидно-сублимационная технология очистки тетрафто-рида циркония от фторидов Al, Ca, Cu, Fe, Mg была хорошо освоена в СССР в 80 - х годах на Приднепровском химическом заводе при разработке и освоении экстракционно-фторидной технологии производства ядерно-чистого циркония.
Са, Си, Fe, Mg, Th) находится в виде фторидной композиции, получаемой при сублимационной очистке циркония. При крупнотоннажном плазменном производстве циркония и кремния накопленная масса этих отходов может стать со временем значительной; для их переработки можно использовать плазменные и частотные технологии извлечения указанных компонентов в виде дисперсных оксидов или металлов (см. гл.
При переработке 1 т циркона и извлечении из него циркония и кремния в виде фторидов в отходах остаются 4 6 кг А1; 0 1 кг Са; 0 4 кг Си; 1 3 кг Fe; 1 1 кг Mg; 0 3 - 0 4 кг Th; 0 3 - 0 4 кг U; 0 3 кг Ti; т.е. 8 6 кг металлов, из которых основная часть (А1, Са, Си, Fe, Mg, Th) находится в виде фторидной композиции, получаемой при сублимационной очистке циркония. При крупнотоннажном плазменном производстве циркония и кремния накопленная масса этих отходов может стать со временем значительной; для их переработки можно использовать плазменные и частотные технологии извлечения указанных компонентов в виде дисперсных оксидов или металлов (см. гл.
В 1945 г. в США было произведено всего 0 07 кг циркония, однако начиная с 1948 г. в связи с работами по созданию атомных реакторов производство циркония резко возросло и через несколько лет достигло нескольких десятков тонн. В результате технология производства циркония, который несколько лет назад был редкостью, ныне более прогрессивна, чем технология получения многих других металлов, известных и применяющихся уже в течение десятилетий.
По принципу нагрева вакуумные дуговые печи относятся к дуговым печам прямого действия. Вакуумные дуговые печи являются одним из новых видов электротермического оборудования. Появление их вызвано увеличением производства циркония, титана, молибдена и некоторых других тугоплавких и химически активных материалов.
Но и в этом случае он не может быть применен без предварительной химической очистки (см. раздел 15.5) от всегда сопутствующего ему в природе элемента гафния, обладающего сходными с цирконием химическими свойствами. Гафний, извлекаемый в производстве циркония реакторного сорта, является отличным материалом для изготовления регулирующих стержней реактора.
Гафний находится в IV группе периодической системы элементов Д. И. Менделеева и входит в подгруппу титана. Он относится к рассеянным элементам, не имеющим собственных минералов; в природе сопутствует цирконию. В настоящее время его получают в виде побочного продукта при производстве циркония. По химическим и физическим свойствам гафний близок к цирконию, но значительно отличается от последнего по ядерным свойствам.
В химической промышленности молибден используют в виде прокладок и болтов для горячего ремонта (заправки) футерованных стеклянной плиткой сосудов, применяющихся при работе с серной кислотой и кислыми средами, в которых происходит выделение водорода. В изделиях, работающих в серной кислоте, применяют также молибденовые термопары и вентили, а молибденовые сплавы служат в качестве футеровки реакторов в установках, предназначенных для производства и-бутилхлорида путем реакций с участием соляной и серной кислот при температурах, превышающих 170 С. К числу разнообразных применений, в которых используется молибден, относят также процессы жидкофазного гидрохлорирования, производства циркония и сверхчистого тория.
Применение циркония и гафния
Иодиды циркония и гафния
ZrI 4 и HfI 4 - желто-оранжевые кристаллические вещества; плавятся под давлением и довольно летучи. Наиболее существенно отличаются от тетрахлоридов и тетрабромидов термической неустойчивостью. Константа (75)
Zr(Hf)I 4 ↔ Zr(Hf) + I 2
быстро увеличивается с повышением температуры. Термическая диссоциация в вакууме начинается при 1100 °C; при 1500 °C ZrI 4 полностью разлагается. HfI 4 более прочное соединение, что следует из сопоставления свободной энергии образования. При 1500 °C степень термической диссоциации Hfl4 ~ 90%.
Обычный метод получения ZrI 4 и HfI 4 - прямой синтез из элементов в интервале 200-400°C. В качестве исходных материалов также можно использовать гидриды (иодируются при 500 °C), карбиды и карбо-нитриды (800-1100 °C).
Цирконий – единственный редкий металл, потребление которого исчисляется сотнями тысяч тонн. Более 85 % (рис. 39) производимого циркониевого сырья используется в минеральной форме в виде циркона или бадделеита (ZrO 2). Цирконовый кониентрат (98-99 % циркона) широко применяется в производстве строительной и сантехнической керамики, огнеупоров, абразивов, литейном производстве.
Рис. 38. Мировая структура запасов, производства и потребления циркония
Электроплавленые бадделеито-корундовыа (бакоровые) и спеченные огнеупоры, керамику, глезури, змали, стекла, ебразивы получают на основе таких полезных свойств диоксида циркония, как высокая температура плавления, химическая стойкость, твердость, высокий показатель преломления. В производстве керамических пигментов используют окрешенные соединения с кристаллическое структурой циркона, гранате, шпинели.
В производстве керамики, эмелей, глазурей наряду с двуокисью применяют в кечестве полуфебрикатов: титанат циркония, цирконаты бария, кельция, магния, стронция, свинца, висмута, церия, цирконосиликаты бария, кальция, магния, цинка и натрия.
Около 10 % циркона подвергается переработке для получения диоксида циркония и различных его соединений, 5 % приходится на металл и сплавы. Диоксид циркония широко используется при получении высокоогнеупорных изделий, жаростойких эмалей, тугоплавких стекол, различных видов керамики, керамических пигментов, твердых электролитов, термозашитных покрытий, катализаторов, искусственных драгоценных камней, режуших инструментов и абразивных материалов. В последние годы диоксид циркония начал широко применяться в волоконной оптике и производстве керамики, используемой в электронике и медицине.
Стабилизированный диоксид циркония, структура которого стабилизирована добавле оксидов иттрия, используют в кечестве твердого электролита. Эти твердые растворы хорошо проводят электрический ток при высокой температуре и могут быть применены для изготовления устойчивых в окислительной среде нагревателей. Их электропроводность зависит от парциального девления кислорода в газовой фазе, что позволяет использоветь их в качестве датчиков содержения кислорода в различных средах. Высокотемпературная конструкционная керамика обладает ионной проводимостью при температуре 300°С и одновременно характеризуется высокой радиационной стойкостью, повышенной прочностью, износостойкостью.
Соли циркония применяются для дубления кожи, изготовления цветных типографских красок, специальных лаков, пластмасс.
Сульфатоцирконаты натрия основного херактера, способные к взаимодействию активными аминными или пептидными, а также карбоксильными группами белке применяют для дубления кожи. Соединениями циркония обрабатывают ткани, чтобы придать им водоотталкивающие, противогнилостные или огнезащитные свойства. Для водоотталкивающей обработки используют ацетат циркония (приготавливаемый часто из основного карбоната) или кербонетоцирконет аммония. Из растворов этих соединений на ткань осаждают гидрофобные циркониевые мыла, непример стеараты, атом циркония в которых прочно связен через кислород с целлюлозой или аминными группами в волокна. Огнезещитные свойстве придают фторидные комплексы циркония пропитанные фтороцирконатом ткени становятся негорючими.
Соединения циркония основного харектере ускоряют полимеризацию применяемых для гидрофобизирующай обреботки ткеней силоксанов.
В производстве кресителей в качестве сиккетивов (вещества, ускоряющие высыхание олифы) используют циркониевые соли органических кислот.
Соединения циркония применяют также в фармацевтической промышленности для соосаждения лекарственных компонентов, в парфюмерной - в качестве дезодорантов.
Некоторые соединения циркония - хлорид, основной кербонат, гидрат оксихлорида, гидрооксид, сульфат производят как исходные продукты для получения других его соединений. При полировке стекла вместе с диоксидом циркония применяют гидроксосульфатоцирконат натрия или фторосульфат циркония, химически взаимодействующие с поверхностью стекла.
Металлический цирконий применяют в качестве раскислителя для легирования чугуна и стали. Для этих целей производят силикоцирконий и ферросиликоцирконий, в которых содержание циркония изменяется от 7 до 40%. Цирконий является также компонентом других сплавов, содержащих алюминий, мерганец, хром, титан или бор и предназнеченных для легирования стелей. Влияние циркония на свойства стали обусловлено тем, что он энергично взеимодействует с кислородом, азотом, серой, образуя прочные химические соединения. Сталь не стареет, когда азот, присутствующий в ней, соединяется с цирконием. Цирконий замедляет рост зерен и является более сильным рескислителем, чем бор, кремний, титан, ванадий или мерганец. Цирконий получил промышленное применение главным образом в качестве добавки в низколегированные конструкционные стали.
Кроме того, цирконий как легирующий элемент входит в состав специальных сталей (броневых, орудийных, нержавеющих, жаропрочных). Сплавы, содержещие цирконий, применяют в качестве модификаторов серого чугуна; они также способствуют получению серого чугуна при присадке их в белый чугун, который для превращения в ковкий обычно подвергают отжигу. Присадка циркониевых сплавов в высокосернистый и маломарганцовистый литейный чугун устраняет образование свободных кербидов и нейтрализует влияние серы.
В цветной метеллургии цирконий применяют для получения сплавов на титановой, магниевой, алюминиевой и медной основах. Сравнительно небольшие добавки циркония существенно уменьшают резмер зерна магния и тем самым улучшеют механические свойстве материала. Введение циркония в многокомпонентные магниевые сплавы значительно улучшеет их структуру и коррозионную стойкость при температурех 330-350 °С. Сплавы меди с цирконием, содержащие от 0.1 до 5.0% Zr, способны к упрочнению, которое достигается термической обработкой. Небольшие добавки циркония к меди, повышают ее прочность, лишь в незначительной степени снижеют ее электропроводность. Из сплева меди с цирконием изготавливают электроды для точечной сварки.
В некоторых никелевых или молибденовых сплавех цирконий содержится в виде оксидной или карбидной фазы, которая обеспечивает упрочнение сплава. Из сплавов циркония изготовляют медицинское оборудование, а также имплантанты и нити для нейрохирургии. Высокочистый цирконий широко используют в машиностроении - в качестве компонента новых конструкционных материалов – суперсплавов – сплавов с уникальным набором механических и коррозионных свойств
Металлический цирконий используется в ядерных реакторах как конструкционный материал тепловыделительных элементов (ТВЭЛов). энергетике. Высокая коррозионная стойкость циркония и малое сечение захвата тепловых нейтронов позволяют применять его для защитных оболочек в энергетических атомных реакторах с повышенной рабочей температурой. Активные зоны этих реакторов, в частности оболочки ТВЗЛов, каналы, кассеты и другие детали, изготавливают из цирконий-ниобиевых сплавов. В реакторе ВВЭР-1000 общее число цирконийсодержащих деталей превышает 540 тыс. шт. Активная зона ВВЭР-1000 набирается из 151 ТВС, в каждой из которых по 317 ТВЭЛов. Оболочка ТВЭЛов ВВЭР-1000 выполнена из сплава Н1 диаметром 9.1 мм толщиной 0.65 мм. Из сплава Н1 изготовлены пробки-заглушки, а из Н2.5 - канальные трубы, кожухи кассет, прутки и трубки крепления ТВС. На 1 реактор необходимо более 14 тонн циркония
Таким образом, области применения циркона и получаемых из него материалов крайне разнообразны и связаны как с отраслями высоких технологий, так и с производством самых обычных потребительских товаров.