Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

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

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).

Прочие области применения. Среди других областей следует упомянуть применение ZrО2 в синтезе пьезокерамических материалов (цирконотитанаты свинца и др.) и для полировки оптического стекла; применение ZrO2 или смеси ZrО2-Y2О3 в качестве твердого электролита в высокотемпературных топливных элементах (1000°С и выше); использование двойных сульфатов циркония в качестве дубителя в кожевенной промышленности; тетрахлорида и оксихлорида циркония для приготовления катализаторов, используемых в синтезе органических соединений.

Примерное распределение циркония по областям потребления следующее, %: литейное производство 42, огнеупоры 30, керамика 12, абразивы 4, металл, сплавы и другое применение 12.

В 1985г. в капиталистичческих странах в ядерной энергетике израсходовано ~3900т циркония, в других областях (главным образом коррозионностокие сплавы) - 860т.

цирконий спекание известь концентрат

4 Цирконий – основной конструкционный материал атомной энергетики.

В ядерную технику цирконий пришел не сразу. Для того чтобы стать полезным в этой отрасли, металл должен обладать определенным комплексом свойств. (Особенно, если он претендует на роль конструкционного материала при строительстве реакторов.) Главное из этих свойств – малое сечение захвата тепловых нейтронов. В принципе эту характеристику можно определить как способность материала задерживать, поглощать нейтроны и тем самым препятствовать распространению цепной реакции.

Величина сечения захвата нейтронов измеряется в барнах. Чем больше эта величина, тем больше нейтронов поглощает материал и тем сильнее препятствует развитию цепной реакции. Естественно, что для реакционной зоны реакторов выбираются материалы с минимальным сечением захвата.

У чистого металлического циркония эта величина равна 0,18 барна. Многие более дешевые металлы имеют сечениа захвата такого же порядка: у олова, например, оно равно 0,65 барна, у алюминия – 0,22 барна, а у магния – всего 0,06 барна. Но и олово, и магний, и алюминий легкоплавки и нежаропрочны; цирконий же плавится лишь при 1860°C.

Казалось, единственное ограничение – довольно высокая цена элемента №40 (хотя для этой отрасли денег жалеть не приходится), но возникло другое осложнение.

В земной коре цирконию всегда сопутствует гафний. В циркониевых рудах, например, его содержание обычно составляет от 0,5 до 2,0%. Химический аналог циркония (в менделеевской таблице гафний стоит непосредственно под цирконием) захватывает тепловые нейтроны в 500 раз интенсивнее циркония. Даже незначительные примеси гафния сильно сказываются на ходе реакции. Например, 1,5%-ная примесь гафния в 20 раз повышает сечение захвата циркония.

Перед техникой встала проблема – полностью разделить цирконий и гафний. Если индивидуальные свойства обоих металлов весьма привлекательны, то их совместное присутствие делает материал абсолютно непригодным для атомной техники.

Проблема разделения гафния и циркония оказалась очень сложной – химические свойства их почти одинаковы из-за чрезвычайного сходства в строении атомов. Для их разделения применяют сложную многоступенчатую очистку: ионный обмен, многократное осаждение, экстракцию.

Все эти операции значительно удорожают цирконий, а он и без того дорог: пластичный металл (99,7% Zr) во много раз дороже концентрата. Проблема экономичного разделения циркония и гафния еще ждет своего решения.

И все-таки цирконий стал «атомным» металлом об этом, в частности, свидетельствуют такие факты. На первой американской атомной подводной лодке «Наутилус» был установлен реактор из циркония. Позже выяснилось, что выгоднее делать из циркония оболочки топливных элементов, а не стационарные детали активной зоны реактора.

Тем не менее производство этого металла увеличивается из года в год, и темпы этого роста необыкновенно высоки. Достаточно сказать, что за десятилетие, с 1949 по 1959 г., мировое производство циркония выросло в 100 раз! По американским данным, в 1975 г. мировое производство циркония составило около 3000 т.

Заключение

Циркон практически не разлагается соляной, серной и азотной кислотами. Для его разложения с целью перевода циркония в раствор используют большей частью спекание (или сплавление) с содой или спекание с карбонатом кальция (мелом).

При нейтрализации сернокислого раствора, содержащего значительный избыток кислоты, содой или аммиаком, гидролитическое выделение основного сульфата циркония не происходит.

Это объясняется тем, что в таких растворах цирконий находится в составе прочных анионов [ZrO(SО4)2]2-, образующих с катионами натрия и аммония хорошо растворимые соли.

Суточная производительность равна 200:340=0,59 т/сут.

список использованной литературы

1. Зеликман А.Н., Меерсон Г.А. Металлургия редких металлов. М.,«Металлургия», 1973. 607 с. с ил.

. Зеликман А.Н. М., Металлургия редких металлов «Металлургия», 1980. 328 с.

. Старк С.Б. Газоочистные аппараты в металлургическом производстве «Металлургия» 1977.

. Варенков А.Н., Костюков В.И. Химическая экология и инженерная безопасность «Металлургия» 2000.

Атомные материалы 📙 Реферат → 🆔 31322