Презентация 18 - Томский политехнический университет

ТЕХНОЛОГИЯ ЦИРКОНИЯ И ГАФНИЯ
Лекция 1. Свойства, применение и нахождение в природе,
методы обогащение руд
Доцент кафедры химической технологии редких, рассеянных и
радиоактивных элементов, к.х.н. Оствальд Р.В.
Технология циркония и гафния
СВОЙСТВА ЦИРКОНИЯ И ГАФНИЯ
По своей плотности Zr относится к группе металлов
средней плотности.
Среди главных конструкционных материалов Zr занимает
(по плотности) 4-ое место после Mg (1,74 г/см3),
Ti (4,51 г/см3)
Все распространенные цветные и редкие металлы (Zn, Pb,
Sn, Ni, Co, Cu, Mo, W, Nb, Ta, РЗЭ) имеют плотность более
высокую, чем Zr.
Hf (ρ = 13,3 г/см3) относится к группе тяжелых металлов
плотностью более 10 г/см3. В этой группе 19 металлов – от
Мо (ρ = 10,22 г/см3) до Os (ρ = 22,5 г/см3).
По температуре плавления Zr среди известных металлов
занимает 14-ое место.
Обладая высокой тугоплавкостью и Zr и Hf имеют
прекрасные механические свойства.
Чистые, свободные от примесей металлы весьма
пластичны, ковки, достаточно вязки и тверды.
По своей удельной прочности
металлический Zr близок
к основным маркам стали,
к титану и значительно
Слиток гафния после иодирования
превышает Al.
Слиток циркония
Слиток циркония после иодирования
Гафниевая стружка
Цирконий и гафний устойчивы на воздухе.
При нагревании компактных металлов
до 400-600 °С они покрываются оксидной
пленкой. При температуре более 800 °С
металлы количественно окисляются.
Порошкообразные цирконий и гафний при температурах
180-285 °С (в зависимости от дисперсности)
Порошок ZrO2
окисляются на воздухе
с воспламенением.
Порошок HfO2
Оба металла поглощают водород при 300-400 °С
При температуре более 900 °С поглощают азот и активно
взаимодействуют с CO.
По антикоррозионной устойчивости цирконий и гафний
превосходят титан и приближаются к ниобию и танталу.
Некоторые гидриды циркония
Циркониевый канал
для ТВЭЛов РБМК
Покрытие из ZrN
Технология циркония и гафния
ПРИМЕНЕНИЕ Zr
Области применения циркония и гафния
Атомная энергетика
Производство сталей
и сплавов
Пиротехника и
производство боеприпасов
Электроника
Машиностроение
Производство
огнеупоров
Применение Zr в атомной энергетике возможно в качестве
конструкционного материала. Из Zr и его сплавов
изготавливают защитные оболочки ТВЭЛов, каналы
циркуляции теплоносителей и другие детали;
для легирования урана с целью повышения его механической
прочности и стойкости против коррозии.
Применение в атомной энергетике обусловлено малым
σ = 0,18 барн, жаропрочностью (tПЛ = 1852 °С) и химической
стойкостью против коррозии
В электронной технике в электровакуумных приборах
для поглощения газов, позволяет поддерживать
высокий вакуум в приборах;
изготовление различных сеток электровакуумных
приборов, анодов, держателей сеток и экранов;
в виде фольги Zr идет на изготовление конденсаторов.
Пиротехника и производство боеприпасов.
Порошкообразный Zr имеет сравнительно низкую
температуру воспламенения (180÷285 °С) и высокую
скорость сгорания. В смесях с окислителями образует
бездымный порох; в качестве добавок в различные виды
ракетного топлива.
Машиностроение – изготовление химической аппаратуры,
в изготовлении наиболее ответственных деталей
двигателей ракет, турбин и др.
Производство сталей и сплавов с цветными металлами.
Присадки Zr в сталях используют для раскисления,
очистки от N2, связывания S. Входит в состав броневых
сталей, сталей для орудийных поковок, нержавеющей
сталей.
Для упрочнения сплавов цветных металлов вводят Zr в
различных количествах (от 0,1% до 12%).
Производство огнеупоров, фарфора, эмалей, глазурей,
стекла. ТПЛ (ZrО2) = 2700÷2900 °С с добавлением
стабилизаторов MgO, CaO против растрескивания.
Более 50% объема мирового производства цирконовых
концентратов идет на изготовление самых стойких
огнеупоров.
Литейное производство расходует до 20 – 25% мирового
выпуска цирконового концентрата
Самой емкой областью применения цирконового
концентрата является производство плавленых огнеупоров
для стекловаренных печей (на это идет 28 – 30%).
На производство глазурей, эмалей идет 20 – 28%
Минералы Zr добавляют в некоторые сорта фарфора линии
электропередач, изоляторы высокочастотных установок и
др.
Технология циркония и гафния
ПРИМЕНЕНИЕ Hf
Hf начал применятся в начале 50-х годов в атомной
технике, σ = 115 барн. Защитные устройства от 0n1-ого
излучения, регулирующие стержни.
Производство высокотемпературных и жаропрочных
сплавов гафния (10%) с титаном, ниобием и танталом.
ТПЛ (Hf)=2130 0С, ТПЛ (HfО2)=2780 0С, ТПЛ (HfС)=3890 0С.
Электроника. Соединения гафния входят состав затворных
изоляторов, позволяющих уменьшать ток утечки на
затворах и улучшать производительность процессоров.
Перспективные отрасли применения. Применение изотопа
Hf 178m2 возможно в качестве мощного источника гаммалучей, с регулировкой дозы (дефектоскопия), источник
энергии для транспорта, очень ёмкий аккумулятор энергии
(1 килограмм примерно эквивалентен 4,35 тонны бензина).
Технология циркония и гафния
НАХОЖДЕНИЕ Zr И Hf В ПРИРОДЕ
Zr в земной коре содержится 0,02% масс. Он более
распространен, чем Ni, Cu, Pb, Zn и др. В природе
встречается главным образом в виде минералов циркона и
бадделеита.
Всего же известно до 20
циркониевых минералов,
главным образом входят
в состав других
минералов.
Hf в земной коре
содержится 3,2·10-4%.
Собственных минералов
не образует, а входит в
виде изоморфной примеси во все минералы Zr.
Циркон ZrSiO4.
Теоретический состав: HfО2 – 67,1%; SiO2 – 32,9%.
Всегда содержит Hf (0,5 – 4,5% HfО2) и др. примеси:
Fe2O3 – до 0,35%, РЗЭ (преимущественно Y – группа) до
0,8%; Th, U, Ca, Fe, Ta, Na.
Разновидности циркона – малакон, циртомет, альви.
Плотность 4,4 – 4,7; твердость по минеральной шкале 7,5
Бадделеит ZrO2
Почти чистая ZrО2 содержит HfО2 до нескольких %.
Иногда уран до 1%; Th до 0,2%.
Плотность 5,5 – 6, твердость 6,5, tПЛ =2700 - 2900 0С.
Добывается в России на Ковдорском месторождении в
Мурманской области, в Бразилии и в ЮАР,
где расположено крупнейшее
месторождение бадделеита - Пхалоборва.
Разведанные запасы ZrSiО4 и ZrО2
в соотношении ZrSiО4 : ZrО2 = 20 : 1
Технология циркония и гафния
ОБОГАЩЕНИЕ РУД Zr И Hf
Самой первой стадией
обогащения песков,
содержащих циркон,
является промывка песков
водой (концентрационные
столы).
Промытые пески (после
первичного обогащения)
отправляются на
электромагнитное
обогащение и
электростатические
методы, и доводку
другими методами.
В настоящее время около 80% циркониевых концентратов в
мире поставляет Австралия (600 тыс.т.), второе место
ЮАР (360 тыс.т.). Общий объем добычи руды содержащей
Zr и Hf 1,44 млн.т.
Цена 1т. концентрата Zr 2600 долларов за тонну.
ТЕХНОЛОГИЯ ЦИРКОНИЯ И ГАФНИЯ
Лекция 1. Свойства, применение и нахождение в природе,
методы обогащение руд
Доцент кафедры химической технологии редких, рассеянных и
радиоактивных элементов, к.х.н. Оствальд Р.В.