Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://allbest.ru
Производство циркония ядерной чистоты
ВВЕДЕНИЕ
цирконий примесь металлический
Все большее количество стран -- и развитых, и развивающихся, -- сегодня приходят к необходимости начала освоения мирного атома. Сегодня в мире обозначилась тенденция, получившая название «ядерный ренессанс». Самые сдержанные прогнозы говорят о том, что в перспективе 2030 года на планете будет эксплуатироваться до 500 энергоблоков (для сравнения, сейчас их насчитывается 435).
Ежегодно атомные станции в Европе позволяют избежать эмиссии 700 миллионов тонн СО2, а в Японии -- 270 миллионов тонн СO2. Действующие АЭС России ежегодно предотвращают выброс в атмосферу 210 млн тонн углекислого газа. По этому показателю наша страна находится лишь на четвертом месте в мире.
Больше всего АЭС (63 АЭС, 104 энергоблока) эксплуатируется в США. На втором месте идет Франция (58 энергоблоков), на третьем -- Япония (50 блоков).
Россия обладает технологией атомной энергетики полного цикла: от добычи урановых руд до выработки электроэнергии; обладает значительными разведанными запасами руд, а также запасами в оружейном виде.
В настоящее время в России на 10 действующих АЭС эксплуатируется 33 энергоблока общей чистой мощностью 23 643 МВт (25 242 МВт номинальной), из них 17 реакторов с водой под давлением -- 11 ВВЭР-1000, 6 ВВЭР-440; 15 канальных кипящих реакторов -- 11 РБМК-1000 и 4 ЭГП-6; 1 реактор на быстрых нейтронах -- БН-600. В процессе ввода в промышленную эксплуатацию находится 1 энергоблок - БН-800
1. СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА ЦИРКОНИЯ ЯДЕРНОЙ ЧИСТОТЫ
Сплав Э110 является базовым материалом действующих украинских реакторов. Параллельно ведутся работы по промышленному внедрению более радиационно- и коррозионно-стойкого сплава Э635с целью повышения выгорания и ресурса активныхзон. Характерной особенностью этих сплавов является наличие ниобия, основного легирующего элемента как для бинарного, так и для многокомпонентного сплавов. Базовые циркониевые сплавы западного производства (циркалой-2 и 4) легированы оловом, железом, хромом и никелем. В последнее время на Западе появились новые перспективные циркониевые сплавы, легированные в основном или в том числе ниобием (Zirlo, M4, M5, NDA, MDA). Составы циркониевых сплавов, используемых в активных зонах атомных реакторов, приведены в табл. 1 . Как видно из таблицы, российский сплав циркония с 1% ниобия (Э110) по составу аналогичен французскому сплаву М5, но методы их производства существенно различаются. Рассмотрим более подробно особенности этих методов.
Производство ядерно-чистого циркония включает более 25 этапов, которые можно объединить в четыре основные стадии .
1. Разложение (вскрытие) цирконовой руды.
2. Получение сырьевых составляющих для очистки от гафния: (ZrCl4+HfCl4) или (K2ZrF6+K2HfF6). Перед очисткой сырье обычно содержит ~1,5…2,5 мас.% гафния.
3. Разделение соединений циркония и гафния, получение ZrCl4 или K2ZrF6 с низким содержанием гафния.
4. Восстановление соединений циркония и получение металлического циркония с низким содержанием гафния (<0,05 мас.%).
Каждый этап на этих стадиях может изменяться со временем с целью уменьшения себестоимости или упрощения операций. Следовательно, вид и количество примесей, участвующих в процессе получения сплава, также изменяются и могут влиять на изменение свойств сплава. Основным процессом вскрытия (разложения) цирконовой руды, который используется при производстве металла для сплава Э110, является фторидная химия, т.е. конверсия руды во фторцирконат калия по реакции :
ZrO2·SiO2 + 2KF·SiF4 = K2ZrF6 +2SiO2. (1)
Эта операция, обычно осуществляемая при 700…800 °С, приводит к загрязнению циркония фтором -наиболее вероятно в виде ZrF4.
В западных странах основным процессом вскрытия цирконовой руды, используемой для производства циркониевых сплавов М5, Zirlo, циркалой-2 и 4, является хлоридная химия . В этом процессе смесь ZrO2·SiO2 и графита хлорируется SiCl4, TiCl4 или AlCl4. Циркон превращается в ZrCl4 и SiCl4 при температуре >1150 °С. Тетрахлорид циркония содержит некоторое количество тетрахлорида гафния, поэтому их разделяют метилизобутилкетоном (МИБК). Разделение циркония и гафния необходимо потому, что поперечное сечение поглощения тепловых нейтронов гафния (105 барн) почти в 600 раз больше, чем у циркония. Ограничение по содержанию гафния объясняется необходимостью обеспечения минимального содержания в активной зоне реактора материалов с повышенным коэффициентом захвата нейтронов. Существует несколько методов разделения циркония и гафния, но наиболее часто применимы три: метилизобутилкетоновый процесс , экстракционная дистилляция и дробная кристаллизация солей циркония и гафния . Метод дробной кристаллизации применяется при производстве ядерно-чистого циркония, необходимого для производства реакторных сплавов Э110 и Э635 в Российской Федерации. Полученный после вскрытия циркона фторцирконат калия (K2ZrF6) содержит 1,5…2,5 мас.% фторгафната калия (K2HfF6) как примесь. Суть метода дробной кристаллизации основана на том, что растворимость K2HfF6 в дистиллированной воде немного выше, чем растворимость K2ZrF6. Когда смесь растворена в воде при температуре <90 °С, происходит небольшое накопление гафния в растворе и его концентрация в нерастворенной смеси K2ZrF6 и K2HfF6 немного уменьшается. Затем раствор медленно охлаждается, и происходит дробная кристаллизация компонентов с различными скоростями. В результате проведения дробной кристаллизации (~15 циклов) концентрация K2HfF6 в окончательной смеси уменьшается и составляет 0,04…0,05 мас.%. Полученный таким образом K2ZrF6 восстанавливают в металл электролитическим методом.
Более простым и традиционным методом очистки от гафния, применяемым при производстве циркалоев М5 и Zirlo в западных странах, является МИБК процесс. Он начинается с получения смеси ZrCl4 + HfCl4 при вскрытии цирконовой руды и имеет несколько этапов:
1. Превращение смеси ZrCl4 + HfCl4 в ZrОCl2 + HfОCl2 в воде.
2. Превращение оксихлоридных компонентов в ZrО(SCN)2 + HfО(SCN)2 при использовании сернокислого раствора NH4SCN.
3. Удаление HfО(SCN)2 методом жидкостной экстракции, используя МИБК.
4. Обработка ZrО(SCN)2 соляной кислотой (HCl), превращение его в ZrОCl2.
5. Превращение ZrОCl2 в Zr(ОН)4, используя гидрооксид аммония (NH4ОН) и серную кислоту (H2SО4).
6. Получение ZrО2, используя гидрооксид циркония и кальций, по реакции:
Zr(OH)4+Ca=ZrO2+Ca(OH)2.
7. Хлорирование ZrО2 и превращение его в ZrCl4.
8. Восстановление ZrCl4 в металл методом Кролля.
Еще один метод очистки циркония от гафния - экстракционная дистилляция, который был разработан относительно недавно . Смесь фторцирконата калия (K2ZrF6) и 2…2,5 мас.% фторгафната калия (K2HfF6) разделяется экстракционной дистилляцией с растворителем в виде расплавленных KCl и AlCl3.
Конечный продукт этого процесса (ZrCl4), который обычно содержит <0,01 мас.% гафния, поступает на восстановление методом Кролля. На предприятиях CEZUS (Франция) разделение циркония и гафния проводят этим методом.
В США разделение осуществляется жидкостной экстракцией. В Канаде и Индии экстракция проводится из нитратных растворов трибутилфосфата. В России разделение циркония и гафния проводят методом дробной (фракционной) кристаллизации.
Металлический цирконий, используемый для производства сплавов Э110 и Э635, обычно получают сплавлением электролитического и йодидного циркония. Йодидный цирконий получают разложением тетрайодида циркония (ZrI4) на накаленной вольфрамовой или циркониевой нити, нагретой до температуры 1300 °С (метод Ван-Аркеля). Чистота полученного циркония очень высока. Электролитический цирконий получают электролизом K2ZrF6 в расплавaх KCl, NaCl, смеси KCl-NaCl или других галогенидов . Металлический цирконий, полученный этим методом, содержит примесь фтора, который попадает в цирконий на стадиях вскрытия руды, удаления гафния и электролиза.
Практически весь металлический цирконий, который используется для производства сплавов М5, Zirlo, циркалой, MDA и NDA в западных странах, получают методом Кролля . При этом чистый от гафния ZrCl4 восстанавливается расплавом магния с получением циркониевой губки: ZrCl4+2Mg=2MgCl2+Zr. (2)
Циркониевая губка содержит остаток MgCl2 и дополнительный Mg. Концентрации MgCl2 и Mg уменьшаются дегазацией в вакууме или вакуумной дистилляцией. Однако полностью удалить остатки этих веществ невозможно. Таким образом, в полученной циркониевой губке содержится Mg. Технологические схемы производства циркония в западных странах (Франция и США) и России показаны на рис. 1 и 2.
2.ПРИМЕСИ В ЦИРКОНИЕВЫХ СПЛАВАХ
Из приведенных выше данных становится ясно, что процессы получения (вскрытие цирконовой руды, очистка от гафния, металлотермическое восстановление) сплавов российского производства (Э110 и Э635) и западного производства (М5, циркалои, Zirlo) сильно отличаются. В этой связи важным является противопоставление типов примесей и механизмов их попадания в сплавы в процессе производства двух групп циркониевых сплавов. Примеси в циркониевых сплавах, связанные с процессами их получения, систематизированы в табл. 2. В ней также приведены примеси, которые могут попасть в циркониевые сплавы в процессе окончательной обработки труб из этих сплавов, т.е. обезжиривание, окончательная очистка и полировка поверхности твердыми оксидами. Примеси, связанные с обработкой труб, попадают в сплавы при температуре, близкой к комнатной, поэтому их присутствие ограничивается тонким слоем у поверхности труб.
Главные отличия между сплавами российского и западного производства по процессам получения и наличию примесей можно обобщить таким образом:
Процессам производства сплавов типа циркалой, Zirlo, M5 свойственно присутствие в конечном продукте примесей: кальция и магния (отделение гафния методом МИБК с последующим восстановлением методом Кролля) или алюминия и магния (отделение гафния экстракционной дистилляцией и последующим методом Кролля); попадание фтора в эти сплавы невозможно в процессе изготовления этих сплавов из-за отсутствия в процессе производства реагентов, содержащих фтор;
Процессу производства сплавов Э110 и Э635 не свойственно присутствие кальция, магния и алюминия в течение всего производственного цикла и, следовательно, попадание этих примесей в сплавы; в процессе производства этих сплавов используется фтор, и как следствие, - его присутствие в этих сплавах.
Высокая коррозионная стойкость циркониевых сплавов в условиях нормальной эксплуатации реакторов - это необходимое требование для всех оболочечных трубок, но нет гарантии, что эти сплавы будут показывать высокую коррозионную стойкость и при повышенных температурах в условиях потери теплоносителя (loss-of-coolant accident (LOCA)). Известно, что в условиях LOCA существенно возрастает температура оболочечных трубок (до 1200 °С ), происходит высокотемпературное паровое окисление оболочечных трубок, сопровождаемое их охрупчиванием, и возможно разрушение охрупченных оболочечных трубок.
В этой связи очень важным является установление взаимосвязи между коррозионной стойкостью циркониевых сплавов и их химическим составом, поскольку поведение сплавов российского и западного производства, содержащих различные примеси, в условиях LOCA отличаются. В работах показано, что существует зависимость коррозионной стойкости циркониевых сплавов от присутствия в них различных примесей. Основные данные приведены ниже:
Стабилизация тетрагональной формы диоксида циркония приводит к улучшению коррозионной стойкости оболочечных труб;
В этой связи все примеси в сплавах можно разделить на полезные и вредные:
Полезные примеси: Fe, Cr, Ca, Mg, Y;
Вредные примеси: C, N, F, Cl, Si, Ti, Ta, V, Mn, Pt, Cu;
По влиянию таких элементов, как Al, Ni, Mo существуют противоположные точки зрения;
Относительно кислорода многие исследователи считают, что он нейтрален по отношению к коррозионной стойкости;
Коррозия сплавов очень чувствительна к содержанию таких легирующих элементов, как Nb и Sn.
Каждый тип сплавов имеет оптимальную концентрацию легирующих элементов, обеспечивающую наилучшую коррозионную стойкость.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что примесный состав - один из ключевых факторов, определяющих поведение сплавов Zr-Nb в высокотемпературных условиях.
3.ПРОИЗВОДСТВО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ЦИРКОНИЯ В РОССИИ
Промышленное получение пластичного циркония реакторной чистоты осуществляется в России электролизом фторидно-хлоридных расплавов (см. рис.2) в герметичных электролизерах мощностью 10 кА, внедренных впервые в мировой практике в производство в 1974 г. . ОАО «Чепецкий механический завод» (ОАО ЧМЗ) является единственным в мире предприятием, получающим порошок циркония через электролиз. В результате электролиза в закрытых электролизерах получают циркониевый порошок с содержанием кислорода 0,04...0,08 мас.%, который служит основой сплавов Э110, Э125 и Э635. Содержание гафния в таком цирконии составляет 0,03...0,04 мас.%. Для получения порошка циркония с содержанием гафния меньше 0,01 мас.% разработана технология, позволяющая использовать в технологической цепочке в качестве питающей соли тетрафторид циркония (ZrF4) украинского производства .
Сегодня на ОАО ЧМЗ внедряется уникальная технология производства циркониевой губки ядерной чистоты путем магниетермического восстановления (производство циркониевой губки - это экономически выгодный, менее энергоемкий и относительно быстрый процесс). В таком процессе производства циркония не используется фтор и, как следствие, - его отсутствие в полученном металле. От французского способа российский способ получения губчатого циркония отличается методом хлорирования и способом очистки полученного тетрахлорида циркония. Французская фирма CEZUS хлорирование производит в псевдоожиженном слое шихты, а российское предприятие ОАО ЧМЗ - путем хлорирования в расплаве. В качестве варианта очистки тетрахлорида циркония от простых примесей (Fe, Al, Ti, Ni, Cr и т.п.) в отличие от французской водородной очистки российские ученые разработали метод солевой очистки в расплаве солей. Далее по технологической схеме российский процесс получения губки от французского принципиально не отличается. Согласно предлагаемой технологической схеме цирконийсодержащую руду подвергают хлорированию, затем полученный тетрахлорид циркония очищают от гафния методом экстракционной ректификации в ректификационной колонне и, наконец, с помощью магниетермического восстановления и вакуумной сепарации получают металлическую губку циркония. Готовый продукт (губчатый цирконий) имеет технические характеристики, соответствующие требованиям мировых стандартов качества и может достойно соперничать по качеству с продукцией для АЭС, выпускаемой другими странами-производителями (содержание примеси гафния в сплавах циркония в три раза ниже нормы, обозначенной требованиями международного стандарта ASTM) .
Рассмотрены вопросы получения циркония ядерной чистоты на различных стадиях его переработки различными методами. Приведены особенности этих методов. Проанализированы механизмы попадания примесей в циркониевые сплавы в процессе их получения и влияние примесей на поведение сплавов в высокотемпературных условиях.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Физико–химические свойства циркония, источники сырья, области применения. Описание процесса переработки цирконового концентрата спеканием с известью. Расчет расхода соляной кислоты для отмывки спека от примесей и для разложения цирконата кальция.
курсовая работа , добавлен 14.07.2012
Основные свойства циркония. Способы разделения гафния и разложения цирконовых концентратов. Нахождение в природе и минералы циркония. Продукты переработки цирконовых концентратов. Расчёт процесса спекания цирконового концентрата с фторсиликатом калия.
курсовая работа , добавлен 23.10.2013
Сущность и преимущества золь-гель-технологии синтеза порошков диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия. Технологические свойства, структура и фазовый состав полученных порошков и напыленных из них покрытий, перспективы их применения.
статья , добавлен 05.08.2013
Технико-экономическое обоснование проектирования предприятия. Технологическая схема производства консервов. Подбор и расчет технологического оборудования. Технохимический контроль производства. Нормализация чистоты воздуха в производственных помещениях.
дипломная работа , добавлен 11.11.2010
Типы атомных электростанций. Тепловые схемы АЭС. Перспективы развития ядерной и термоядерной энергетики. Будущее ядерной энергетики в Республике Беларусь. Целесообразность развития ядерной энергетики. Требования к экономическим параметрам АЭС.
реферат , добавлен 20.03.2005
Производство циркониевого сырья на Украине, области применения его соединений. Металлургический передел в цехе №12 ГНПП "Цирконий". Расчеты по металлургическому переделу циркония. Методы контроля газообразных элементов. Активационный анализ в цирконии.
дипломная работа , добавлен 22.10.2014
Разработка технологии комплексного воздействия на металлический расплав в агрегатах типа АКОС и промковше МНЛЗ с целью получения в трубной стали сверхнизких содержаний вредных примесей. Методика и инструменты очистки межузлия решётки и границ зёрен.
дипломная работа , добавлен 22.11.2010
Существующие методы производства хлорированных парафинов и их краткая характеристика. Описание технологической схемы производства. Выбор средств контроля и управления технологическим процессом. Технологический, тепловой и экономический расчет реактора.
курсовая работа , добавлен 24.01.2012
Особенности текстильного производства, технологическая схема получения пряжи. Характеристика льночесальной, лентоперегонной и прядильной машин, их назначение. Составление приближенной координационной таблицы. Координация работы оборудования между цехами.
курсовая работа , добавлен 02.12.2010
Характеристика и теоретические основы производимого продукта. Разработка технологической схемы производства сычужного сыра "Российского". Основное оборудование. Требования к качеству разрабатываемого продукта. Упаковка, маркировка, условия хранения.
В свободном состоянии представляет собой блестящий металл. Не содержащий примесей цирконий пластичен и легко поддаeтся горячей и холодной обработке. О дно из наиболее ценных свойств циркония - его высокая стойкость против коррозии в различных средах.
Химический элемент IV гр. периодической системы Менделеева. Назван по минералу циркону. Серебристо-белый металл, твердый, тугоплавкий. Химически очень стоек (на воздухе покрывается защитной пленкой ZrO2). Промышленные источники - минералы циркон и бадделеит. Содержание в земной коре 0,025 % по массе.
Развернутая в 50-х гонка ядерных вооружений вынудила Советский Союз направить свои основные ресурсы на спешное увеличение их арсеналов. Но все же к июню 1954 года в СССР удалось осуществить строительство и пуск первой в мире атомной электростанции в г. Обнинске. Энергетическая мощность Обнинской АЭС при тепловой мощности реактора в 30 тысяч киловатт достигала отметки всего 5000 квт. Однако, ее эксплуатация позволила не только решить многие вопросы повышения надежности работы энергетических реакторов, но и наметить основные направления в дальнейшем развитии атомной энергетики в целом.
Одно из них – повышение экономичности АЭС. С этой целью было решено снизить уровень обогащения уранового топлива до 2-2,5%. В этом случае особую важность приобрела проблема выбора материала для оболочки тепловыделяющего элемента (ТВЭЛа) и других элементов активной зоны реактора, так как применявшаяся ранее для этой цели нержавеющая сталь поглощала слишком много столь необходимых в ядерной реакции нейтронов. Достаточно низким поперечным сечением поглощения нейтронов обладают алюминий, магний, бериллий и цирконий, но условия их возможного использования оказались разными. Так, алюминий и магний в качестве основного конструкционного материала активной зоны реактора были бы приемлемы только при невысокой температуре теплоносителя. Использование для этой цели бериллия было признано нецелесообразным в связи с недостаточными запасами бериллиевых руд в стране и рядом присущих этому металлу качеств, слишком усложняющих и удорожающих его производство.
Благодаря своим уникальным свойствам – нейтронной прозрачности (крайне низкое сечение поглощения нейтронов), прочности и высокой коррозионной стойкости – цирконий незаменимый конструкционный материал для атомных реакторов электростанций и ядерных установок морского флота. Одна из главных проблем применения циркония в ядерной энергетике – очистка циркония от примеси гафния (присутствие даже 1,5% которой в двадцать раз повышает сечение захвата нейтронов циркония). В России производство полного цикла, начиная с переработки рудного концентрата до готовых изделий из циркониевых сплавов, было создано на Чепецком механическом заводе (г. Глазов, Удмуртия). Всего несколько стран в мире владеют завершенным циклом изготовления циркониевых изделий: США, Канада, Франция, Япония и Россия.
Специалистами АО ЧМЗ совместно с учеными научно-исследовательских институтов ведется систематическая работа по модернизации производства. Совершенствуются процессы изготовления циркониевых изделий, разрабатываются и внедряются новые, более эффективные технологии. Это способствует снижению затрат, улучшению качества продукции, повышению эксплуатационных характеристик топлива и безопасности АЭС.
Завод выпускает слитки циркония , иодидный цирконий в виде прутков, трубы различного диаметра . Среди продукции данного ряда есть трубы для оболочек тепловыделяющих элементов, проволока, листы, концевые и комплектующие изделия для ТВЭЛ и ТВС.
Кроме того на предприятии освоено производство бижутерии, столовых приборов, сервизов, сувенирной продукции из сплавов циркония, керамики на основе диоксида циркония.
Действующая на предприятии система качества охватывает собой все стадтии производства, начиная с маркетинга, постановки продукции на производство и заканчивая ее реализацией. Для соблюдения качества изделий широко применяются современные методы неразрушающего контроля, металлографии, проводятся механические и корозионные испытания.
Цирконий в элементарном виде представляет собой серебристо-белый металл, отличающийся такими характерными свойствами, как устойчивость к коррозии и пластичность. В природе он довольно-таки распространен, но при этом и очень рассеян. Крупных его залежей до сих пор найдено не было. Впервые о возможности существования этого металла люди узнали в 1789 г. Тогда химик М. Клапрот во время исследования минерала циркона случайно открыл его оксид. В чистом виде этот металл был получен только в 1925 г. В современном мире цирконий, производство которого широко распространено, применяется в самых разных сферах промышленности. Конечно же, занимаются его выпуском и многие отечественные предприятия.
Общее описание
Необычные свойства — это то, чем прежде всего определяется промышленная ценность такого относительно редкого металла, как цирконий. Производство его выгодно для народного хозяйства благодаря:
Высокой степени химической стойкости. Соляная кислота на этот металл не производит совершенно никакого действия, а с серной он реагирует только при ее концентрации не менее чем в 50% и температуре свыше +100 градусов.
Способности гореть на воздухе практически без выделения дыма. Самовоспламеняться цирконий (мелкодисперсионный) может уже при температуре в 250 С.
Биологической инертности. Цирконий не оказывает абсолютно никакого вредного воздействия на организм человека или животных. Пользы, вопреки распространенному мнению, он, к сожалению, также никакой принести не может.
Очень востребованными в промышленности является не только собственно сам этот металл, но и его соединения. Минерал циркон, к примеру, отличается очень высокой твердостью и приятным алмазным блеском. Поэтому его иногда используют в качестве дешевого заменителя бриллиантов. Правда, в последнее время в ювелирном деле циркон применяется все реже. В настоящее время имитацию бриллиантов чаще изготавливают из фианита (искусственный диоксид циркония).
Где используется
Производство циркония на настоящий момент — одна из важнейших сфер металлургической промышленности. Хотя используется он во многих областях народного хозяйства (к примеру, для изготовления медицинских инструментов или пиротехнических устройств), чаще всего его применяют все же в водоохлаждаемых энергетических реакторах на АЭС.
Сырье для производства
Массовая доля циркония в земной коре из-за его рассеянности, к сожалению, до сих пор не установлена. По оценкам ученых она может составлять 170-250 грамм на тонну. Собственно же самих минералов цирконов в природе существует множество. На данный момент ученым известно около 40-ка их разновидностей. Однако чаще всего используется все же лишь следующее сырье для производства циркония:
бадделеит;
эвдиалит;
Крупных залежей цирконов на планете, как уже упоминалось, не существует. В России имеется лишь несколько небольших месторождений подобных минералов. Также они добываются в таких странах, как США, Индия, Бразилия и Австралия. Самым распространенным минералом из всех используемых для получения циркония является, конечно же, циркон (ZrSiO4). В большинстве случаев в природе ему сопутствует гафний.
Производство циркония в России: особенности
В РФ выпуском этого металла на данный момент занимается одно единственное предприятие - Чепецкий механический завод, расположенный в г. Глазове (Удмуртия). Первые его цеха были построены в начале ВОВ. К 1942 году завод вышел на полную проектную мощность. В то время здесь выпускались в основном патроны. В 1946 г. предприятие было переквалифицировано в завод по производству металлического урана. Позднее (в 1957 г.) здесь начали выпускать цирконий, а затем сверхпроводящие металлы, кальций и титан. Сегодня это предприятие является частью корпорации ТВЭЛ, одного из мировых лидеров по выпуску Инвестиции в производство циркония на ЧМЗ со стороны ТВЭЛ ежегодно составляют миллиарды рублей. Сегодня это предприятие поставляет на отечественный и мировой рынки циркониевые:
проволоку;
комплектующие для ТВС и ТВЭЛ.
Также на Чепецком механическом заводе изготавливают сувениры из этого металла.
Обработка сырья и получение кислых растворов
Цирконий, производство которого — сложный технологический процесс, металл довольно-таки дорогой. Изготовление его начинается с очистки, доставленной с месторождений, руды. Обработка сырья обычно включает в себя следующие операции:
обогащение гравитационным методом;
очистку полученного концентрата электростатической и магнитной сепарацией;
разложение концентрата путем хлорирования, сплавления с едким натром или фторосиликатным калием, спеканием с известью;
выщелачивание водой с целью удаления соединений кремния;
разложение остатка серной или соляной кислотой для получения сульфата или оксихлорида.
Фторсиликатный спек обрабатывают подкисленной водой с нагреванием. После охлаждения полученного раствора выделяется фторцирконат калия.
Соединения
Следующим этапом производства циркония является получение его соединений из кислых растворов. Для этого могут применяться следующие технологии:
кристаллизация оксихлорида циркония путем выпаривания солянокислых растворов;
гидролитическое осаждение сульфатов;
кристаллизация сульфата циркония.
Очистка от гафния
Цирконий, технология производства в России (как, впрочем, и везде в мире) которого довольно-таки сложна, от этой примеси должен быть отделен обязательно. Для очистки металла от гафния могут применяться:
фракционная кристаллизация K2ZrF6;
экстракция растворителями;
избирательное восстановление тетрахлоридов (HfCl4 и ZrCl4).
Как получают сам металл
Способы производства циркония бывают разными. В промышленности может использоваться металл:
в виде порошка или губки;
компактный ковкий;
высокой степени чистоты.
На первом этапе на предприятиях получают порошковый цирконий. Производство его технологически относительно несложное. Изготавливают его методом металлотермического восстановления. Для хлоридов при этом используют магний или натрий, а для оксидов — гидрид кальция. Электролитический порошковый цирконий получают из хлоридов щелочных металлов. Изготовленный таким образом материал обычно спрессовывается. Далее его используют для получения в электродуговых печах ковкого циркония. Последний на заключительном этапе подвергается электронно-лучевой плавке. В результате получается цирконий высокой степени чистоты. Применяют его в основном в ядерных реакторах.
технология производства и сфера использования
Это одно из самых востребованных в промышленности и народном хозяйстве соединений циркония. В природе оно встречается в виде минерала бадделеита. Представляет собой белый кристаллический порошок с серым или желтоватым оттенком. Изготавливаться он может, к примеру, по методике йодидного рафинирования. При этом в качестве сырья используется обычная металлическая циркониевая стружка. Применяется диоксид циркония при изготовлении керамики (в том числе и в сфере протезирования), осветительных приборов и огнеупоров, в печестроительстве и т. д.
Запасы цирконов в РФ
Производство циркония в России возможно, конечно же, только благодаря наличию на территории страны его месторождений. Запасы руд этой группы в РФ (в сравнении с общемировыми) достаточно велики. На настоящий момент в России имеется 11 таких месторождений. Самым крупным рассыпным является Центральное, находящееся в Тамбовской области. К наиболее перспективным месторождениям на данный момент относятся Бешпагирское (Ставропольский край), Кирсановское (Тамбовская область) и Ордынское (Новосибирск). Считается, что имеющихся в России запасов цирконов вполне достаточно для удовлетворения запросов промышленности страны. Наиболее благоприятным в технологическом отношении участком является на данный момент Восточный Центрального месторождения.
Статистические данные
Таким образом, процедура эта для любого государства, в том числе и для России, очень важная — производство циркония. Технология изготовления его сложна, но выпуск его — дело в любом случае более чем оправданное. На данный момент цирконий является единственным редким металлом, объемы производства и потребления которого исчисляются сотнями тысяч тонн. Россия по его запасам занимает четвертое место в мире. Структурно и качественно сырьевая база циркония в нашей стране сильно отличается от зарубежной. Более 50 % запасов руд этой группы в РФ связано с щелочными гранитами, 35 % - с циркон-рутил-ильменитовыми россыпями и 14 % - с бадделеитовыми камафоритами. За рубежом же почти все запасы подобных минералов сконцентрированы в прибрежно-морских зонах.
Вместо заключения
Таким образом, мы выяснили, как производят цирконий в России. На общемировом рынке сегодня, к сожалению, наблюдается довольно-таки острый дефицит этого металла. Поэтому рассчитывать на его импорт России не приходится. А следовательно, нужно уделять максимум внимания развитию собственных месторождений. При этом с целью укрепления сырьевой базы циркония в РФ стоит также заняться разработкой максимально эффективных технологий использования добываемого сырья.
В настоящее время определились следующие области промышленного использования циркония:
1) керамика и огнеупоры,
2) производство эмалей и стекла,
3) производство сталей и сплавов с цветными металлами.
4) пиротехника и электровакуумная техника.
Керамика и огнеупоры.
Значительная доля мирового производства циркониевых концентратов используется для изготовления огнеупорных изделий и в производстве специального фарфора. В качестве огнеупорного материала применяют чистую двуокись циркония и бадделеитовые и цирконовые рудные концентраты.
Двуокись циркония плавится при температуре 2700-2900°, минерал циркон - при 2430°. Однако примеси, особенно Fe2O3, снижают температуру плавления этих соединений. Недостатком чистой двуокиси циркония как огнеупорного материала является термическая неустойчивость, проявляющаяся в растрескивании нагретых до высокой температуры изделий из двуокиси циркония при их охлаждении. Это явление обусловлено наличием у двуокиси циркония полиморфных превращений. Переход одной модификации в другую связан с объемными изменениями, которые являются причиной растрескивания. Явление растрескивания устраняется добавками к двуокиси циркония стабилизаторов - окислов магния или кальция. Последние, растворяясь в двуокиси циркония, образуют твердый раствор с кубической кристаллической решеткой, которая сохраняется как при высокой, так и низкой температуре. Этим устраняется растрескивание. Для образования твердого раствора с кубической решеткой достаточно к двуокиси циркония добавить 4% MgO.
Из двуокиси циркония или минералов бадделеита и циркона изготовляют огнеупорный кирпич для металлургических печей, тигли для плавки металлов и сплавов, огнеупорные трубы и другие изделия.
Циркониевые минералы или двуокись циркония добавляют в некоторые сорта фарфора, применяемого для изготовления изоляторов на линиях электропередач высокого напряжения, в высокочастотных установках, запальных свечах двигателей внутреннего сгорания. Циркониевый фарфор обладает высокой диэлектрической постоянной и малым коэффициентом расширения.
Эмали и стекло.
Двуокись циркония и циркон (очищенный от примеси железа) нашли широкое применение в качестве составной части эмалей. Они сообщают эмали белый цвет и кислотоустойчивость и вполне заменяют применяемую для этих целей дефицитную окись олова. Циркон и двуокись циркония вводят также в состав некоторых сортов стекла. Добавки ZrO2 повышают устойчивость стекла против действия растворов щелочей.
Стали и сплавы с цветными металлами.
Высокое сродство циркония к кислороду и азоту обусловливает применение его как активного раскислителя и деазотизатора стали. Очистка стали от кислорода и азота приводит к получению мелкозернистой структуры, обладающей повышенными механическими свойствами Кроме того, цирконий связывает серу, устраняя красноломкость стали. Цирконий является также ценным легирующим элементом V, входит в состав некоторых сортов броневых никельциркониевых сталей (вместе с 2% Ki вводят 0,3 Zr), сталей для орудийных поковок, нержавеющих, жароупорных и некоторых других. В нeкоторых сортах хромистых сталей содержание циркония достигает 2%.
Цирконий вводят в расплавленную сталь в виде ферроциркония и ферросиликоциркония. Ферроцирконий содержит до 40% Zr, около 10% Si и 8-10% Al. Ферросиликоцирконий содержит от 20 до 50% Zr и от 20 до 50% Si.
Имеют также практическое значение добавки циркония к меди: сплавы меди с цирконием, содержащие от 0,1 до 5% Zr, способны к упрочнению, которое достигается термической обработкой (закалка и упрочняющий отпуск). Предел прочности при растяжении достигает 50 кг/мм2, что на 5% выше прочности неотожженной меди. При нагревании изделий из чистой меди (проволоки, листов, труб) до 200° их прочность сильно падает вследствие снятия наклепа. Добавки циркония повышают температуру отжига меди до 500°. Небольшие добавки циркония к меди, повышая ее прочность, снижают лишь в незначительной степени электропроводность.
Цирконий вводится в медь в виде лигатурного сплава, содержащего 12-14% Zr, остальное медь.
Сплавы меди с цирконием применяют для изготовления электродов точечной сварки, для электропроводов в тех случаях, где требуется высокая их прочность.
В последние годы получили распространение сплавы магния, легированные цирконием. Небольшие добавки циркония способствуют получению мелкозернистых магниевых отливок, что приводит к повышению прочности металла.
Высокой прочностью обладают магниевые сплавы, легированные цирконием и цинком. Прочность сплава магния с 4-5% Zn и 0,6-0,7% Zr вдвое выше, чем обычного сплава Сплавы этого типа не проявляют ползучести до 200° и рекомендованы как конструкционные материалы для реактивных двигателей.
Цирконий добавляется (в виде кремнециркониевого сплава) в свинцовистые бронзы Он обеспечивает дисперсное распределение свинца и полностью предотвращает сегрегацию свинца в сплаве. Высокой прочностью и электропроводностью обладают меднокадмиевые сплавы, содержащие до 0,35% Zr.
Добавки 0,02-0,1% Zr в медноникелевые сплавы устраняют вредное влияние свинца на свойства этих сплавов.
Рекомендуется добавление циркония в марганцовистую латунь, алюминиевые бронзы и бронзы, содержащие никель.
Сплав циркония со свинцом и титаном (33% Zr, 53% Pb, 11% Ti) обладает хорошими пирофорными свойствами.
Цирконий входит в состав некоторых антикоррозионных сплавов. Так, сплав, состоящий из 54% Nb, 40% Ta и 6-7% Zr, предложен как заменитель платины.
Применение металлического циркония.
Металлический цирконий до последнего времени применяли преимущественно в виде порошка и, в более ограниченном масштабе, в виде компактного металла.
Высокое сродство циркония к кислороду, низкая температура воспламенения (180-285°) и большая скорость сгорания позволили применить тонкий порошок циркония в качестве воспламенителя в смесях для капсулей-детонаторов, а также для фотовспышек. В смеси с окислителями он образует бездымный порох.
В электровакуумной технике используют прежде всего геттерирующие свойства циркония (способность поглощать газы - О2, N2, Н2, CO, H2O). Для этих целей применяют ковкий цирконий или используют порошкообразный цирконий, который наносят на детали горячей арматуры (аноды, сетки и др.).
Цирконий применяют также как подавитель эмиссии сетки в радиолампе. С этой целью суспензия из тонкого порошка гидрида циркония в смеси с ксиленом, амилацетатом или другим органическим веществом намазывают на сетку. Органическое вещество затем испаряется. При нагревании сетки до 1100°в вакууме гидрид разлагается и цирконий остается на поверхности сетки.
Циркониевые листы применяют в рентгеновских трубках с молибденовыми антикатодами. Они служат здесь в качестве фильтра для повышения монохроматичности рентгеновского излучения.
Возможности использования металлического циркония далеко не исчерпаны и ограничивались до последнего времени лишь малым количеством и высокой стоимостью ковкого металла.
В связи с промышленным освоением производства ковкого циркония намечаются следующие области его использования: в химическом машиностроении (детали центрифуг, насосов, конденсаторов и др.); в общем машиностроении (поршни, шатуны, тяги и другие детали); в турбостроении (лопасти турбин и другие детали) и в производстве медицинского инструмента,
В последние годы привлечено внимание к использованию чистого циркония (свободного также и от примеси гафния) в качестве конструкционного материала в установках по производству атомной энергии Наряду с высокой температурой плавления к высокими антикоррозионными свойствами чистый цирконий имеет малое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов (0,22-0,4 барна), что выгодно отличает его от других тугоплавких и коррозионноустойчивых металлов, в том числе и гафния
В связи с этим ведутся исследования по разработке производственных способов получения чистого циркония, свободного от примеси гафния.
Cтраница 1
Применение циркония, так же как и титана, в последнее время сильно развивается, несмотря на сложность переработки его руд. Сплавы циркония с кобальтом и никелем обладают кислотоупорными свойствами. Цирконий является одним из лучших материалов для ядерных реакторов.
Применение циркония для изготовления эксплуатирующихся при высоких температурах деталей (или их отдельных частей) ртутных газоразрядных приборов обеспечивает связывание следов кислорода в газовом наполнении и устраняет образование черных налетов на внутренней поверхности их оболочек, которое обусловлено окислением ртути.
Применение циркония в металлургии обусловлено тем, что он является одним из энергичнейших раскислителей стали. Кроме того, связывая в прочные соединения азот и серу, цирконий, нейтрализует их вредное влияние на сталь. В сочетании с другими легирующими присадками цирконий повышает вязкость, прочность, износостойкость и свариваемость стали. Различают два основных типа месторождений циркония: коренные и россыпи. Важнейшее значение имеют современные и древние прибрежно-морские россыпи, которые обычно представляют собой комплексные руды циркония и титана, реже содержащие также торий, уран и другие ценные элементы. Наиболее крупные месторождения циркония находятся в США, Индии, Бразилии и Австралии. Запасы циркониевых руд в СССР обеспечивают потребность отечественной промышленности в цирконии и его сплавах. Кроме того, циркониевый концентрат может содержать торий и уран, суммарно в эквиваленте не более 0 1 % тория.
Применению циркония в первое время препятствовали его высокая стоимость и недостаточная / коррозионная стойкость в воде и водяном паре, особенно при температурах выше 400 С.
Известно также применение циркония для производства стали, которая содержит 0 35 % Zr, 3 % Ni и отличается повышенной прочностью и хорошей свариваемостью; благодаря этим свойствам циркониевые стали получили широкое применение в судостроении. Было, кроме того, установлено, то добавки 0 08 - 0 1 % Zr увеличивают сопротивление сжатию, ударную вязкость и пластичность конструкционных сталей, а присадки 11 - 10 % Zr - износоустойчивость быстрорежущей стали.
Известно также применение циркония для производства стали, которая содержит 0 35 % Zr, 3 % Ni и отличается повышенной прочностью и хорошей свариваемостью; благодаря этим свойствам циркониевые стали получили широкое применение в судостроении. Было кроме того установлено, что добавки 0 08 - 0 1 % Zr увеличивают сопротивление сжатию, ударную вязкость и пластичность конструкционных сталей, а присадка 1 - 10 % Zr - износоустойчивость быстрорежущей стали.
В области применения циркония в химическом оборудовании накоплен пока небольшой опыт, не позволяющий в полной мере оценить преимущества и недостатки этого металла. Пока нет оснований ожидать, что при использовании циркония в этой отрасли промышленности придется столкнуться с более серьезными проблемами, чем при использовании широко распространенных материалов (таких как титан или нержавеющая сталь), стойкость которых связана с формированием поверхностных защитных пленок.
Наиболее широкой областью применения циркония в настоящее время являются атомные реакторы, где он выступает в качестве основного конструкционного материала. Это обусловлено малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов циркония, сочетающимся с высокой коррозионной стойкостью, высокой пластичностью и хорошей его обрабатываемостью.
Сделан вывод о возможности и определены условия применения циркония и титана вместо тантала для ковденсаторов узла синтеза йодистого метила.
Как уже было сказано, главной областью применения циркония является ядерная техника.
У фирмы нет пока заводского опыта по применению циркония, но в Амстердамской лаборатории недавно начаты работы по сварке и испытанию этого металла. Ожидается полезное использование его во многих областях химической промышленности. С конструктивной точки зрения желательно детали сваривать аргоно-дуговым способом без добавочного сложного и дорогого сварочного оборудования.
Химическое машиностроение является также одной из главных областей применения циркония, где используется его исключительно высокая коррозионная стойкость как к минеральным и органическим кислотам, так и к концентрированным растворам щелочей.
Необходимость разделения циркония и гафния возникла в связи с применением циркония в качестве конструкционного материала в ядерной технике. Примесь гафния, эффективное сечение захвата нейтронов у которого составляет 160 барн, делает материал непригодным в реакторо-строении.
Таким образом, в наши дни определились совершенно новые направления в применении циркония, а гафний - этот придаток к цирконию, с присутствием которого в прежних областях применения циркония не нужно было считаться, приобрел неожиданно большое значение, с одной стороны, как яд для цир-кония-в ядерных установках, а, с другой, - как самостоятельный конструкционный материал.
Она разрабатывалась преимущественно в научных целях, так как в любой из известных тогда областей применения циркония и его соединений постоянное присутствие примеси гафния совершенно не сказывалось. Самостоятельное же использование гафния и его соединений ничего особенно нового не сулило.