Атомные материалы

СОДЕРЖАНИЕ

 

	Введение	3
1	Общие сведения	5
1.1	Физико-химические свойства	5
1.1.1	Физические свойства циркония	5
1.1.2	Химические свойства циркония	6
2	Источник сырья	9
3	Области применения циркония	11
4	Цирконий – основной конструкционный материал атомной энергетики	14
	Заключение  Список использованной литературы	16 17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Цирконий - тугоплавкий  металл. Среднее содержание циркония в земной коре составляет 0,02 % (по массе). По распространенности он превосходит такие металлы, как медь, цинк, олово, никель и свинец.

Известно около 30 минералов циркония. Среди них  два минерала - циркон ZrSiО4 и бадделеит ZrО2 - служат основными промышленными источниками циркония.

Руды, содержащие циркон, обогащают гравитационными методами в сочетании с магнитной и электростатической сепарациями. От кварца циркон отделяют на концентрационных столах. Ильменит и гранат выделяют магнитной сепарацией с применением слабых полей. Монацит отделяют магнитной сепарацией в сильных полях. Рутил и циркон разделяют электростатическими методами или флотацией. Выпускаемые концентраты должны содержать не менее 65 % ZrО2.

Цирконовые  концентраты служат исходным сырьем для получения металлического циркония, а также для выплавки ферросплавов и производства химических соединений (сульфатоцирконаты, основной хлорид, основной карбонат). Кроме того, при переработке цирконовых концентратов получают гафний и его соединения.

Минерал циркон, составляющий основу цирконовых концентратов, практически не разлагается соляной, азотной и серной кислотами. Концентрированная серная кислота не реагирует с цирконом даже при 250 -300°С. Растворы едкого натра при 285 - 300°С (в автоклавах) реагируют с цирконом с образованием растворимых в кислотах цирконосиликатов. Способ, однако, не используют вследствие трудностей практической реализации. Все применяемые в промышленности способы разложения относятся к пирометаллургическим. Самые распространенные из них - это спекание с известью, спекание или сплавление с содой или щелочью, спекание и сплавление с фторсиликатом калия K2SiF6, хлорирование.

Следует отметить, что все пиропроцессы сочетаются с последующим гидрометаллургическим  разложением полученных продуктов.

 

 

1 Общие сведения

 

Элемент цирконий открыт - в 1789г. Клапротом, который получил диоксид циркония из минерала циркона. Чистый ковкий цирконий был получен лишь в 1925г. (спустя 136 лет после открытия элемента) термической диссоциацией иодида циркония по методу Ван-Аркеля и де Бура.

Применение  циркония в виде их химических соединений и присадок в сплавах началось в первые десятилетия XX в. Промышленное производство ковких титана и циркония возникло в начале 50-х годов в связи с потребностями в новых конструкционных материалах для реактивной авиации, ракетной техники и атомной энергетики.

 

1.1 Физико-химические  свойства

 

1. Физические свойства циркония

 

Цирконий - элемент IV побочной группы периодической системы. По внешнему виду он напоминает сталь. Чистый металл ковкий и хорошо поддается механической обработке давлением.

Некоторые физико-механические свойства циркония приведены ниже:

 

Атомный номер……………….40

Атомная масса………………...91,22

Кристаллическая структура:

-модификация………………ГПУ (до 862 °С),

а = 0,3223 нм,

с = 0,5123 нм,

-модификация……………….ОЦК,

а = 0,361 нм,

Плотность, г/см3 ( -

модификация)…………………6,52

Температура, °С:

Плавления……………………..1852±10

Кипения………………………..около 3600

Температурный коэффициент  линейного расширения

 ∙ 106,°С-1……………..8,9

 

Физические  и особенно механические свойства циркония сильно зависят от чистоты металлов. Характерное свойство металла - способность  растворять кислород, водород, азот и  углерод. Примеси этих элементов  делают цирконий хрупким.

 

1.1.2  Химические свойства циркония

 

На воздухе  металл устойчив. При нагревании до 400-600°С он покрывается оксидной пленкой, затрудняющей дальнейшее окисление. При  более высокой температуре одновременно с увеличением скорости окисления  наблюдается растворение кислорода, что сильно понижает пластичность металла.

Активное поглощение водорода цирконием наблюдается  при 300-400°С с образованием твердых  растворов и гидридов ZrH1,54 -163. В отличие от кислорода и азота водород можно удалить из циркония нагреванием в вакууме при 800-1000 °С. Выше 800-900°С металл быстро поглощает азот и активно взаимодействуют с углеродсодержащими газами (СО, СН4). С азотом и углеродом он образуют твердые и тугоплавкие соединения - нитриды и карбиды. Ниже приведены температура плавления Тпл и микротвердость Н0 ряда нитрида и карбида:

 

ZrC ZrN*1

Tпл,°С………………3420 2982

H МПа...................28500 15000

Цирконий при  повышенных температурах реагирует  с серой и сероводородом с  образованием дисульфидов. С галогенами металл взаимодействует при 100-200°С с образованием низкокипящих или легковозгоняющихся хлоридов, фторидов и иодидов.

По антикоррозионной стойкости цирконий превосходит  титан и приближаются к танталу  и ниобию. При температурах до 100°С он не корродирует в соляной и азотной кислотах любой концентрации и серной кислоте концентрации до 50 %. Металл устойчив на холоду в царской водке, растворяются при нагревании в плавиковой и концентрированно серной кислотах .Металл не корродирует в растворах щелочей при температуре кипения.

В важнейших  и наиболее устойчивых соединениях  цирконий находится в высшей степени  окисления 4. Известны соединения, соответствующие  степеням окисления 2 и 3. До низших степеней окисления цирконий трудно восстанавливается. Соединения циркония со степенью окисления меньше четырех неизвестны. Ионы Zr4+ в водных растворах неустойчивы. В результате взаимодействия с водой они образуют гидроксо-ионы Zr(OH)2+ , которым упрощенно приписывают состав ZrO2+ (ион цирконила). Соответственно этому в растворах присутствуют основные соли, например, Zr(OH)2Cl2 или в "цирконильной" ZrOCl2.

Высший оксид  циркония ZrО2 имеет амфотерный характер. При его сплавлении с щелочами или нагревании в смеси с оксидамим других метал- лов (CaO, MgO) образуются цирконаты. Наиболее характерны мета- и ортосоли типа Ме2ЭО3 и Ме4ЭО4. Цирконаты малорасторимы в воде, но растворяются в минеральных кислотах.

Диоксид циркония ZrO2, - прочный и тугоплавкий оксид. Температура плавления ~2900°С, теплота образования 1082 кДж/моль. Чистый диоксид - белого цвета, имеет три кристаллические модификации: до 1000-1100 устойчива моноклинная форма, в интервале 1100-1900°С - тетрагональная форма, выше 1900°С - кубическая форма. Существование низших оксидов циркония достоверно не установлено. Имеются указания об образовании монооксида ZrO при восстановлении ZrО2.

Со всеми  галогенами цирконий образует галогениды, являющийся производными четырех-, трех- и двухвалентных элементов. Все  высшие галогениды - легколетучие соединения. Среди них важнейшие: ZrCl4 - твердое бесцветное вещество с температурой возгонки 330°С. Теплота образования высшего хлорида равна 985 кДж/моль.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Источник сырья

 

Содержание  циркония в земной коре относительно высокое - 0,025% (по массе). По распространенности он превосходит медь, цинк, олово, никель и свинец. Известно около 30 минералов циркония. Они концентрируются главным образом в гранитных и щелочных (нефелин-сиенитовых) пегматитах. Основными промышленными источниками в настоящее время служат минералы бедделеит и циркон. Сырьем могут служить также минералы эвдиалит и эвколит, но они значительно бедней по содержанию циркония.

Основные методы обогащения руд - гравитационные. Для  отделения минералов железа и  ильменита используют электромагнитное обогащение.

Циркон. Ортосиликат циркония ZrSiО4 (67,2 % ZrO2, 32,8 % SiО2). Это наиболее распространенный минерал циркония. Концентрируется главным образом в пегматитах гранитной и особенно щелочной магмы. Часто встречается в россыпях, образующихся при разрушении коренных пород. Циркон большей частью имеет коричневый цвет, плотность минерала 4,4-4.7 г/см3, твердость 7,5 по минералогической шкале. Минерал обычно содержит гафний (0,5-4 %). Основные запасы циркона сосредоточены в прибрежно-морских россыпях. Здесь циркон накапливается вместе с ильменитом, рутилом, монацитом и рядом других минералов.

Руды, содержащие циркон, обогащают гравитационными  методами в сочетании с магнитной  и электростатической сепарациями.

Выпускаемые в  СССР цирконовые концентраты первого  сорта должны содержать не менее 65% ZrО2. В них лимитируется содержание следующих примесей, % (не более): FeO 0,1; ТiO2 0,4; Al2O3 2,0; СаО и MgO 0,1; P2O5 0,15. Концентраты второго сорта должны содержать не менее 60% ZrO2, примеси не лимитируются.

Наиболее крупные месторождения циркона за рубежом расположены в Австралии, Индии, Бразилии, ЮАР, США. В СССР циркон найден на Урале, Украине и в других районах страны.

Бадделеит. По составу  представляет собой почти чистый диоксид циркония. В наиболее чистых образцах до 98 % ZrО2. Обычно содержит примесь гафния (до нескольких процентов), изредка уран (до 1 %) и торий (до 0,2 %). Месторождения редки. Плотность минерала 5,5-6. Наиболее крупное месторождение найдено в Бразилии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Области применения циркония

 

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 [B(NО3)2, KClO3 порошки циркония образуют бездымный порох.

Атомная энергетика. Цирконий, очищенный от примеси гафния, обладает низким сечением захвата тепловых нейтронов, тугоплавкостью, антикоррозионной стойкостью и хорошими механическими  свойствами. Это привлекло к нему внимание в начале 50-х годов как к ценному конструкционному материалу для изготовления защитных оболочек урановых тепловыделяющих элементов, труб, в которых циркулирует теплопередающая жидкость, и других конструктивных элементов ядерных реакторов.

Для улучшения свойств циркония его легируют добавками олова (1,4-1,6%); железа (0,1-0,15%), хрома (0,08 -0,12%), никеля (0,04-0,06%).

Электроника. В  этой области используют способность  циркония поглощать газы (служить  геттером) для поддержания высокого вакуума в электронном приборе. С этой целью порошок циркония наносят на поверхность анодов, сеток и других деталей. Циркониевую фольгу применяют в качестве фильтра в рентгеновских трубках с молибденовыми антикатодами.

Машиностроение. В связи с расширением производства ковкого циркония и сплавов на его основе привлечено внимание к его использованию в химическом машиностроении как кислотостойкого материала (детали центрифуг, насосы, конденсаторы, испарители и др.), в общем машиностроении (поршни, шатуны, тяги и др.) и турбостроении (лопасти турбин и другие детали).

Стали и сплавы с цветными металлами. Цирконий - эффективный  раскислитель и деазотиатор сталей. Кроме того, он ценный легирующий элемент, вводимый в некоторые сорта броневых и орудийных сталей, коррозионностойких и жаропрочных сталей. Для введения в стали используют ферросиликоцирконий (40-45 % Zr, 20-24 % Si, остальное железо). Цирконий входит в состав ряда сплавов на основе цветных металлов.

Цирконием легируют медь (0,1-5% Zr) для улучшения прочностных характеристик. Получили распространение сплавы магния, легированные цирконием для придания им мелкозернистой структуры. Цирконий добавляют в свинцовистые бронзы, что предотвращает сегрегацию свинца в сплаве. Высокой прочностью и электропроводностью обладают меднокад-миевые сплавы, содержащие 0,35 % Zr.

В последние  годы разработаны сверхпроводящие  сплавы, содержащие цирконий. В частности, сплав 75 %Nb-25 %Zr используют для изготовления электромагнитов с высоким напряжением магнитного поля.

Литейное производство. В этой области используют значительную долю цирконовых концентратов для присыпки литейных форм с целью получения хорошей поверхности отливок.

Производство  огнеупоров, фарфора, эмалей и стекла. В этих областях используют более  половины общего потребления циркония. В качестве огнеупора применяют минерал циркон ZrSiО4 и диоксид циркония. Последний обычно стабилизируют добавками оксидов кальция, магния или иттрия, исключающих растрескивание изделий при нагревании вследствие стабилизации высокотемпературной кубической модификации. Из диоксида циркония и циркона изготовляют кирпич для металлургических печей, тигли и другие изделия.

Диоксид циркония и его минералы вводят в состав электротехнического фарфора для  линий электропередач, высокочастотных  установок и запальных свечей двигателей внутреннего сгорания. Их вводят также в состав эмалей (для придания им белого цвета и кислотостойкости) и в состав некоторых сортов стекла (повышается устойчивость стекла против действия растворов щелочей).