Цирконий

<час />

Фон

Цирконий, символ Zr в Периодической таблице, представляет собой металл, наиболее часто обнаруживаемый и извлекаемый из силикатного минерала силиката циркония и оксидного минерала бадделеита. В своих различных сложных формах серовато-белый цирконий является девятнадцатым по содержанию элементом земной коры, где он гораздо более распространен, чем медь и свинец. Он принадлежит к семейству металлов титана, группе, в которую также входят титан и гафний, и которая пользуется популярностью в промышленности из-за хорошей электропроводности его элементов, а также их склонности к образованию солей металлов. Поскольку цирконий стабилен во многих электронных конфигурациях и физических состояниях, его можно производить во многие продукты. Однако с 1940-х годов его наиболее значимые применения находились в различных конструктивных элементах ядерных реакторов.

Цирконий был открыт немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом, который впервые выделил оксид минерального циркона в 1789 году. Первый металлический порошок был произведен в 1824 году шведским химиком Йонсом Берцелиусом. Однако формы металла, которые можно было выделить в течение девятнадцатого века, были нечистыми и, следовательно, очень хрупкими. Самый ранний метод очистки используемых количеств металла был разработан в 1925 году голландскими химиками Антоном Э. ван Аркелем и Дж. Х. де Боером, которые изобрели термический йодистый процесс, с помощью которого они термически разложили тетраиодид циркония. Недостатком метода ван Аркеля и де Бура была его стоимость, но двадцать лет спустя Уильям Джастин Кролл из Люксембурга изобрел более дешевый процесс, в котором для разложения тетрахлорида циркония использовался магний. Этот относительно недорогой процесс дает цирконий в больших количествах, достаточно чистых для промышленного использования.

С момента открытия компании Kroll цирконий стал важным элементом в нескольких отраслях промышленности:сталелитейной, черной и ядерной. Он используется в сталелитейной промышленности для удаления азота и серы из железа, тем самым улучшая металлургическое качество стали. При добавлении в железо для создания сплава цирконий улучшает обрабатываемость железа, его ударную вязкость и пластичность. Другие общепромышленные применения циркония включают производство фотовспышек и хирургического оборудования, а также дубление кожи.

Несмотря на то, что цирконий может использоваться во многих отраслях промышленности, большая часть производимого сегодня циркония используется в ядерных реакторах с водяным охлаждением. Цирконий обладает сильной устойчивостью к коррозии, а также способностью удерживать осколки деления и нейтроны, так что тепловые или медленные нейтроны не поглощаются и не расходуются, что повышает эффективность ядерного реактора. Фактически, около 90 процентов циркония, произведенного в 1989 году, использовалось в ядерных реакторах либо в топливных контейнерах, либо в оболочках ядерных продуктов.

Сырье

Из двух минеральных форм, в которых присутствует цирконий, циркон является гораздо более важным источником. Циркон встречается в основном в вулканических породах, а также в гравии и песке, образовавшихся в результате эрозии вулканических пород. В этой форме его часто смешивают с кремнеземом, ильменитом и рутилом. Подавляющее большинство циркона, используемого в настоящее время в промышленности, происходит из этих песчано-гравийных отложений, из которых извлекается и очищается чистейший циркон для использования в качестве металлического циркония. Менее чистые отложения используются в виде стабилизированного диоксида циркония для изготовления огнеупоров и керамических изделий. Крупнейшие в мире месторождения циркона находятся в Австралии, Южной Африке, Песок и гравий, содержащие циркон, обычно собирают в прибрежных водах с помощью плавучей земснаряды с установленной большой паровой лопатой на плавучей барже. После того, как экскаватор зачерпнул гравий и песок, они очищаются с помощью спиральных концентраторов, а затем нежелательные материалы удаляются с помощью магнитных и электростатических сепараторов.
Производители конечного продукта циркона дополнительно перерабатывают почти чистый циркон в цирконий, используя хлор для очистки металла и затем спекая (нагревая) его до тех пор, пока он не станет достаточно пригодным для промышленного использования. Менее чистый циркон превращается в диоксид циркония, оксид циркония, путем плавления циркония с коксом, железными буровыми отверстиями и известью до тех пор, пока диоксид кремния не восстанавливается до кремния, который сплавляется с железом. и США, но богатые пласты существуют также в Бразилии, Китае, Индии, России, Италии, Норвегии, Таиланде, Мадагаскаре и Канаде. Как и циркон, бадделеит добывается из песчано-гравийных отложений. В отличие от циркона, коммерчески жизнеспособные месторождения бадделеита содержат относительно высокие концентрации оксида циркония, поэтому бадделеит можно использовать без очистки. Однако этого минерала гораздо меньше, чем циркона, и его значительные количества встречаются только в Бразилии и Флориде.

Добыча и очистка

Добыча циркона

• 1 Песок и гравий, содержащие циркон, смешанный с силикатом, ильменитом и рутилом, обычно собирают из прибрежных вод с помощью плавучей драги - большой паровой лопаты, установленной на плавучей барже. После того, как экскаватор зачерпнул гравий и песок, они очищаются с помощью спиральных концентраторов, которые разделяются по плотности. Затем ильменит и рутил удаляются магнитным и электростатическим сепараторами. Наиболее чистые концентраты циркона отправляются производителям конечной продукции для использования в производстве металлов, в то время как менее чистые концентрации используются для огнеупоров.

Обработка циркона

• 2 Производители конечного продукта циркона дополнительно улучшают почти чистый циркон до циркония, используя восстановитель (обычно хлор) для очистки металла и затем спекая (нагревая) его до тех пор, пока он не станет достаточно пластичным - пригодным для обработки - для промышленного использования. Для использования в небольших лабораториях металлический цирконий может быть получен посредством химической реакции, в которой хлорид используется для восстановления циркона.
• 3 Менее чистый циркон превращается в диоксид циркония, оксид циркония, путем сплавления циркония с коксом, железной буровой коронкой и известью до тех пор, пока диоксид кремния не восстанавливается до кремния, который сплавляется с железом. Затем диоксид циркония стабилизируют, нагревая его примерно до 3095 градусов по Фаренгейту (1700 градусов по Цельсию), с добавлением извести и магнезии в сумме около пяти процентов.

Переработка бадделеита

• 4 Как упоминалось выше, бадделеит содержит относительно высокие чистые концентрации оксида циркония, которые можно использовать без фильтрации или очистки. Единственный процесс рафинирования, используемый для бадделеита, включает измельчение гравия или песка в порошок и просеивание порошка ситами разного размера. Весь оксид циркония, получаемый из бадделеита, используется для изготовления огнеупоров и, во все большей степени, современной керамики.

Контроль качества

Методы контроля качества, применяемые при производстве металлического циркония, являются типичными методами статистического контроля процессов (SPC), используемыми в большинстве металлургических производств. Сюда входит отслеживание и управление конкретными переменными, определяемыми требованиями к конечному продукту. Строгий государственный контроль качества применяется ко всему металлическому цирконию, производимому для ядерной энергетики. Эти меры контроля гарантируют, что цирконий, производимый для использования на атомной станции, был обработан правильно, а также позволяют осуществлять учет:обработка отслеживается, так что ее можно проследить до каждого отдельного этапа и места.

Методы контроля качества циркония, используемого в огнеупорных материалах, также сосредоточены на SPC. Однако в огнеупорной промышленности также необходимо установить пляж (и даже часть пляжа), на котором был извлечен циркониевый минерал. Производители должны точно знать, откуда появился цирконий, потому что каждый источник содержит немного разные микроэлементы, и разные микроэлементы могут повлиять на конечный продукт.

Побочные продукты / отходы

Силикат, ильменит и рутил - все побочные продукты процесса очистки циркона - обычно сбрасываются обратно в воду на участке добычи. Эти элементы составляют типичный пляжный песок и никоим образом не наносят вреда окружающей среде. Хлорид магния, единственный другой заметный побочный продукт производства циркония, является результатом восстановления циркона хлором в процессе рафинирования и обычно продается магниевым заводам. При рафинировании бадделеита не образуются побочные продукты или отходы.

Будущее

Многие считают, что будущее циркония заключается в его использовании в качестве передовой керамики. Современная керамика, также называемая «тонкой», «новой», «высокотехнологичной» или «высокопроизводительной» керамикой, обычно используется в качестве компонентов технологического оборудования, устройств или машин, поскольку они могут выполнять многие функции лучше, чем конкурирующие металлы. или полимеры. Цирконий довольно твердый, плохо проводит тепло и относительно инертен (то есть не вступает в реакцию с другими элементами), что является отличным качеством для современной керамики. Оксид циркония, производимый в виде керамики, может использоваться для изготовления тиглей для плавки металлов, газовых турбин, футеровок для труб реактивных и ракетных двигателей, печей сопротивления, сверхвысокочастотных печей и огнеупоров, таких как облицовка высокотемпературных печей. стена.