Производство циркония

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

стр

Введение 1.  Общие сведения………………………………………………………… 1.1. Производство циркониевого  сырья………………………………. 1.2. Производство циркония на Украине……………………………... 1.3. Области применения циркония и его соединений………………. 2. Технология получения  чистого тетрафторида циркония……. 3. Обзор методов восстановления  и рафинирования на Украине  и за рубежом ……………………………………………………………………. 3.1. Технологии восстановления  циркония до металла……………... 3.1.1. Метод Кролля (магниетермический)…………………………. 3.1.2. Восстановление фторидов циркония кальцием……………… 3.1.3. Электролиз расплавленных  солей Zr…………………………. 3.1.4. Другие способы восстановления  циркония………………….. 3.2. Технологии рафинирования циркония…………………………... 3.2.1. Физико-химические основы  процессов рафинирования…….. 3.2.2. Йодидный метод рафинирования циркония…………………. 3.2.3 Дуговая плавка………………………………………………….. 3.2.4. Электронно-лучевая плавка  циркония………………………... 3.2.5. Рафинирование циркония от  кислорода……………………… 4. Металлургический передел  в цехе № 12 ГНПП «Цирконий»……….. 4.1. Основные узлы технологической  схемы металлургического  передела……………………………………………………………. 4.2. Описание  печей ЭДП-07/500 и ЭМО-250………………                  4.3. Обзор состояния электронно-лучевых установок ЭДП-0,7/500, ЕМО-250                        5. Расчеты по металлургическому  переделу циркония                                  5.1. Материальный баланс по основным процессам металлического передела Zr(мет)                                                                          5.2. Расчет количества единиц ЕМО-250, ЭДП-0,7/500                                                                6. Методы контроля газообразных элементов в цирконии и гафнии                                                                                          6.1. Определение кислорода, азота, водорода в цирконии методом вакуумной экстракции                                                                                      6.2. Спектральные методы определение кислорода, азота, водорода в цирконии и гафнии                                                                                          6.3. Спектрально изотопный метод определения водорода                     6.4. Активационный анализ в цирконии                                                 7. Экономика                                                                                                  8. Охрана труда и защита окружающей среды                                                8.1. Организация охраны труда на предприятии                                      8.2. Средства контроля вредных и опасных производственных факторов. Мероприятия по снижению их воздействия.                                       8.3. Технологический режим и правила техники безопасности.           8.3.1. Герметизация технологического оборудования                               8.3.2. Пользование защитными  средствами                                                8.3.3. Вентиляция производственных  помещений                                     8.3.4. Соблюдение личной гигиены                                                                 8.5. Защита окружающей среды                                                                   8.6. Отходы производства                                                                         9. Гражданская оборона на предприятии                                                        9.1. Оценка устойчивости объекта                                                               9.2. Основные мероприятия по повышению устойчивости работы объекта                                                                                                                9.3. Анализ опасных ситуаций (аварий) при производстве циркония      9.4. Место расположения объекта                                                                9.5 План ликвидации аварийных ситуаций                                             Заключение                                                                                                     Список литературы………………………………………………………… Приложения…………………………………………………………………

5 8 8 9 10 14   19 19 19 25 28 31 32 32 35 40 44 48 51   52 56   61 63 66 67

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Цирконий в современной экономической жизни Украины приобретает одно из первостепенных значений. Во-первых, Украина по запасам  циркониевых песков занимает одно из ведущих мест в мире и первое среди стран СНГ. Во-вторых, металлический цирконий является основой конструкционных материалов активной зоны ядерных реакторов. Нет сомнения в том, что на ближайшее столетие XXI века атомная энергетика станет преобладающей отраслью энергетического комплекса Украины. По имеющимся прогнозам потребность в изделиях отечественного производства из циркониевых сплавов для АЭС Украины уже после 2000 года составила - 150 т/год. В перспективных атомных и термоядерных реакторах будущего циркониевые сплавы нового поколения будут играть определяющую роль. В Украине освоена переработка циркониевых руд до получения концентрата, содержащего 65% циркония, и создано производство металлического циркония. В третьих, химическое машиностроение может стать второй после ядерной энергетики областью применения циркония, что связано с его исключительной коррозионной стойкостью в агрессивных средах. Замена дефицитных драгоценных и тугоплавких металлов и нержавеющих сплавов циркониевыми материалами в химическом аппаратостроении, пищевой и фармацевтической промышленности не только экономически выгодна, а в большинстве случаев технически целесообразна. Традиционным является использование циркония в металлургии черных и цветных металлов для повышения эксплуатационных характеристик конструкционных сталей и их модифицирования, повышения качества медных, алюминиевых, магниевых и других сплавов и а ряде случаев для замены дефицитных и токсичных лигатур. Перспективно использование циркония и его соединений (ZrO2, ZrF4  в электротехнике, электронике, волоконной оптике и медицине. И, наконец, с применением циркония и его соединений связывается развитие новых экологически чистых источников энергии альтернативных ядерной. Это прежде всего водородная энергетика, где сплавы на основе циркония применяются для очистки и накопления водорода и его изотопов, и прямое преобразование тепловой энергии в электрическую, где используется явление ионной проводимости оксидов циркония высокой чистоты.

Металлургия циркония получила интенсивное развитие после того, как цирконий стал основным компонентом конструкционных сплавов для атомной техники. Достаточно сказать, что мировое производство циркония с 1949 по 1959 гг. выросло  в сто раз.  Цирконий обладает рядом уникальных свойств - малое сечение захвата тепловых нейтронов 0,18 барн, высокая температура плавления, хорошие коррозионные свойства. Все это сделало цирконий незаменимым материалом в атомной промышленности. Это потребовало разработки методов получения циркония "реакторной чистоты". Для этого необходимо разделить цирконий и гафний, который имеет большой коэффициент поглощения тепловых нейтронов и является сопутствующим элементом. Его содержание в циркониевых рудах составляет от 0,5 до 2%. Известно, что примеси внедрений - кислород, азот, углерод - сильно влияют на механические и коррозионные свойства, поэтому получение высокочистого циркония является одним из условий его использования в атомной промышленности.

Госкоматомом Украины разработана Комплексная программа развития производства циркониевых сплавов и изделий из них на основании  "Комплексной программы создания ядерно-топливного цикла в Украине" и   Межправительственного соглашения между Украиной, Россией и Казахстаном о поставках ядерного топлива.

Целью данной квалификационной работы является изучение технологий восстановления и рафинирования металлургического передела циркония.

Задачи  квалификационной работы:

1) изучить содово – экстракционную  технологию  получения чистого тетрафторида циркония на основе «Постоянного технологического регламента производства циркония  цеха №12 ГНПП «Цирконий»», Днепродзержинск, 1999;

2) дать обзор основных технологий  восстановления циркония до металлического и методов рафинирования циркония на Украине и за рубежом;

3) изучить технологии кальциетермического  восстановления циркония и рафинирования методом электронно – лучевого переплава, существующих в цехе № 12   ГНПП «Цирконий» г. Днепродзержинск;

4) представить материальный баланс  по основным операциям металлургического передела; выполнить расчет по кальциетермическому восстановлению циркония;

5) сделать выводы из изученного  и рассмотренного материала.                          

 

1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

1.1 Производство циркониевого  сырья

 

Среди циркониевых минералов наиболее широко распространенным и содержащимся в земной коре является циркон. Он представляет собой ортосиликат циркония ZrSiO4 и содержит теоретически 67,2% ZrO2 и 32,8% SiO2. Бадделеит, представляющий собой почти чистую двуокись циркония, менее распространен в природе, чем циркон. В продажу обычно поступает циркон, полученный в качестве побочного продукта при извлечении рутила, ильменита или их смеси из прибрежных залежей морского песка.

Эвдиалит (Na,Ca,Fe)8ZrSi6O17(ОН, С1) содержит от 11 до 33% ZrО2 и от 0,5 до 1% HfO2. Крупные месторождения найдены в России, Норвегии, Гренландии, Бразилии.

Иногда циркониевые месторождения разрабатываются благодаря наличию в них других элементов. Например, месторождение циркониевых руд в Посуд ди Калдисе, шт. Mines Gerais (Бразилия привлекло внимание Бразильского национального комитета по атомной энергии косвенным образом благодаря содержанию в рудах урана. Руда калдасит - смесь бадделеита и циркона - содержит 0,30% U2O3 и более 60%   ZrО2.

 

Т а б л и ц а 1.1 - Производство и потребление циркониевого концентрата за рубежом на период 1980 - 1983 гг.

Страна	1980	1981	1982	1983
	в  тыс. тонн	в  тыс. тонн	в тыс. тонн	в тыс. тонн
Производство	650	623	668	591
Австралия	459	425	450	371
ЮАР	103	110	130	135
США	80	80	80	75
Потребление	704	677	668	585
Япония	200	170	196	165
США	174	175	180	180
Зап. Европа	288	290	250	200

 

1.2 Производство циркония  на Украине

 

Богатейшее месторождение циркония находится на Украине в г, Вольногорск, Днепропетровской области ВДГМК. В соответствии с  перспективой  развития  атомной  энергетики СССР на 80-90 годы было принято решение о создании на ПО «ПХЗ" в г. Днепродзержинске производства реакторного циркония с выпуском 4000 т/год циркония в слитках. Ввод в действие производства циркония планировался в два этапа: 

1. Создание экспериментального  производства циркония производительностью 200 т/год слитков циркония.

2. Создание промышленного производства  циркония производительностью 4000 т/год слитков циркония.

 Экспериментальное производство, введенное, а эксплуатацию в 1981 г., было предназначено для отработки промышленной технологии, испытания и доводки, головных образцов технологического оборудования, выпуска промышленных количеств циркония, изготовления изделий из него, проведения комплекса испытаний с целью определения возможности  широкого  использования его в качестве конструкционного материала АЭС.

В силу ряда причин, основными из которых были Чернобыльская авария,  нарушение хозяйственных связей вследствие распада СССР, программа промышленного производства циркония производительностью 4000 т/год не была реализована.

 Госкоматомом Украины разработана  Комплексная программа развития  производства циркониевых сплавов  и изделий из них на основании  "Комплексной программы создания ядерно-топливного цикла в Украине" и   Межправительственного соглашения между Украиной, Россией и Казахстаном о поставках ядерного топлива.

В реализации этой программы принимают участие ряд передовых предприятий, ведущих научно – исследовательских и проектных институтов.

 

1.3 Области применения  циркония и его соединений

 

Химические соединения циркония имеют широкий спектр применения - производство абразивов, огнеупоров, керамики, керамических красок, катализаторов, стекла, искусственных драгоценных камней (диоксид цирконий); производство дезодорантов, дубителей кож, бумаги, текстиля (химикаты на основе циркония).

Большое внимание уделяется в последнее время производству керамики на основе диоксида циркония.  Высокопрочную керамику получают из ZrО2, стабилизированного добавками Y2Оз, МgО, Се2О3 и др. Из  такой   конструкционного  керамики   изготавливают  фильеры   и матрицы для экструзии металлов, режущие головки, детали автомобильных двигателей, детали насосов.   Ведутся   интенсивные   поиски других областей применения такой керамики.

По оценке Горного отделa министерства внутренних дел США, приблизительно 90%  потребляемого в мире циркона  используется в производстве огнеупорных и керамических материалов и на литейных предприятиях.  Например, США используют 43% циркониевого песка в литье,  26%  идет на  производство  огнеупоров,  9% - на  керамики, 22% - а производство металлического циркония и его сплавов.

Основным рынком Zr остается его применение в виде слитков для атомной энергетики (приблизительно 75%), остальной металл используется в оборудовании для химической промышленности.

В 1982 году  потребление циркония в слитках в странах капиталистического мира для строительства промышленных АЭС оставалось на уровне 1890 г. И составило 3,6 тыс. т. Кроме того, 0,9 тыс. т. Zr было израсходовано в основном для изготовления атомных двигателей в судах ВМС США и корозионно-стойкого оборудования, применяемого в химической промышленности. Объем потребления Zr в химической промышленности по сравнению с широким использованием Zr для военных целей остается низким, что связано с отсутствием строительства новых заводов. 

Первым потребителем металлического циркония стала черная металлургия. Цирконий обладает большим сродством к кислороду, поэтому он является хорошим раскислителем. Добавка 0,1 % в сталь повышает ее прочность в 1,7 раза. Незначительная добавка циркония повышает теплостойкость алюминиевых сплавов, а многокомпонентные магниевые сплавы с добавкой циркония становятся коррозионно – стойкими. Коррозионная стойкость сплава титана с 14% циркония в 5 % соляной кислоте в 70 раз больше, чем у чистого титана.

Сплавы Zr-Nb обладают высокими сверхпроводящими  характеристиками   и   применялись для  получения   высоких магнитных полей.