Области применения циркониевых изделий в промышленности

Цирконий появляется в использовании человеком задолго до того, как он появляется в инженерных чертежах. Его богатые и разнообразные цвета сделали его декоративным драгоценным камнем, и только по мере углубления понимания металла его промышленное применение стало большей частью истории. Сегодня цирконий применяется от керамической плитки и кухонных ножей до химических реакторов и ядерных топливных сборок. Его распространение отражает необычное сочетание коррозионной стойкости, высокой-температурной стабильности и очень низкого сечения поглощения нейтронов-.

Цирконий: от драгоценного камня до промышленного металла

Цирконий извлекается из цирконового песка, преимущественно силиката циркония, и через губку циркония превращается в деформируемый металл и сплавы. Этот металл представляет собой не один продукт, а целое семейство: коммерчески чистый цирконий, цирконий-оловянные сплавы для атомной энергетики, циркониевые-ниобиевые сплавы для повышенных-температур и химических режимов, а также оксидная и силикатная керамика, потребляющая наибольший тоннаж. Поскольку свойства, подходящие для оболочки ядерного топлива, отличаются от тех, которые подходят для химического теплообменника или керамической глазури, приложение решает, какой член семейства указывать.

Две характеристики объясняют большую часть промышленного использования. Цирконий устойчив к воздействию широкого спектра кислот и щелочей, разрушающих нержавеющую сталь, и имеет очень низкое сечение захвата тепловых нейтронов-, что позволяет ему находиться внутри активной зоны реактора, не отравляя экономику нейтронов. Эти два свойства редко сосуществуют в одном материале, и именно они являются причиной того, что цирконий занимает ниши, которые не заполняет с комфортом никакой заменитель.

Формы продукции и применимые характеристики

Цирконий поставляется в широком диапазоне форм, и каждая форма имеет свою собственную спецификацию. Сопоставление формы с правильным документом — это первый шаг в написании работоспособного заказа на поставку.

Для химической работы обычно выбираются коммерческие марки, такие как Zr702 и Zr705, причем второй обеспечивает более высокую прочность за счет добавления ниобия. Для атомной энергетики рекомендуются сплавы циркония-олова и циркония-ниобия, поскольку сочетание низкого поглощения нейтронов и достаточных коррозионных характеристик в воде с высокой-температурой имеет важное значение для конструкции топливной сборки.

Керамика, огнеупоры и литейное производство

Самый большой тоннаж вообще не уходит в металл. Силикат циркония и диоксид циркония используются в качестве огнеупоров, материалов для литейных форм и керамических ингредиентов. Цирконовый песок используется для литейных форм и стержней из-за его высокой огнеупорности и низкого теплового расширения, а также для огнеупорной футеровки стекольных и сталелитейных печей, где высоко-химическое воздействие сокращает срок службы других материалов. Цирконий также служит абразивом, элементом датчика кислорода на основе его ионной проводимости, а также глушителем и красителем в керамической глазури и сантехнике. В зданиях и интерьерах тот же химический состав снова проявляется в плитке, сантехнике и декоративных поверхностях, поэтому цирконий стал незаменимым в качестве повседневного строительного материала.

Химическое технологическое оборудование и атомная энергетика

В химической промышленности циркониевое оборудование выбирают для эксплуатации там, где нержавеющая сталь и никелевые сплавы слишком быстро выходят из строя: заводы по производству уксусной кислоты и уксусного ангидрида, производство карбамида и азотной кислоты, производство перекиси водорода и обработка серной кислоты. Типичные компоненты включают теплообменники, конденсаторы, реакторы, колонны, трубопроводы, насосы и обвязки клапанов. Материал выбран не потому, что это самый дешевый вариант, а потому, что он исключает регулярные затраты на замену из бюджета на техническое обслуживание.

В атомной энергетике цирконий является структурной основой тепловыделяющей сборки. Низкий уровень захвата нейтронов позволяет оболочке топлива и компонентам конструкции оставаться в активной зоне, не потребляя нейтронный поток, поддерживающий цепную реакцию. Требования к производительности высоки: сплав должен сохранять механическую прочность, противостоять коррозии в воде под высоким-температурным давлением и оставаться стабильными по размерам в течение длительного срока службы, поэтому ядерные марки производятся в соответствии со специальными программами качества с жестко контролируемым химическим составом.

Медицинское, военное и потребительское использование

Цирконий также попадает к конечным потребителям в формах, которые вообще редко обозначаются как цирконий. Циркониевая керамика широко используется в медицинских и стоматологических реставрациях, в лезвиях ножей и изнашиваемых деталях, а также в ювелирных изделиях, где требуется прочная, -стабильная по цвету поверхность. В военной области металл используется в пиротехнических и зажигательных составах, а материалы на основе циркония-появляются также в защитных и конструкционных целях. Потребительское использование включает украшения и имитацию драгоценных камней, где оптические свойства оксида циркония заменяют более дорогие камни. Что объединяет эти в остальном несвязанные рынки, так это то, что каждый из них опирается на определенные свойства одного и того же элемента: твердость и инертность в медицинском и потребительском случае, а также высокое энерговыделение или термическую стабильность в военном случае.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Каковы основные области применения циркониевых изделий?
Основными областями деятельности являются керамика и огнеупоры, литейные материалы, химическое технологическое оборудование, атомная энергетика, а также медицинские, военные и потребительские товары. Наибольший тоннаж приходится на керамику и огнеупоры.

Вопрос: Почему цирконий используется в ядерных реакторах?
Он имеет очень низкое сечение захвата тепловых нейтронов-, поэтому его можно использовать для оболочек топлива и компонентов конструкции активной зоны, не поглощая нейтроны, необходимые для поддержания реакции, и при этом он устойчив к коррозии в воде с высокой-температурой.

Вопрос: Почему в химическом оборудовании используется цирконий, а не нержавеющая сталь?
Цирконий выдерживает многие кислоты и щелочи, которые разъедают нержавеющую сталь, особенно при работе с уксусной кислотой, мочевиной, азотной кислотой и перекисью водорода. Более высокая первоначальная стоимость компенсируется гораздо более низким коэффициентом замещения.

Вопрос: В чем разница между Zr702 и Zr705?
Zr702 – это коммерчески чистый цирконий, используемый для обеспечения общей -стойкости к коррозии, а Zr705 усилен добавкой ниобия и выбирается там, где требуется более высокая механическая прочность при тех же коррозионных характеристиках.

Вопрос: Для чего используется цирконий?
Цирконий используется в огнеупорах, абразивах, датчиках кислорода, керамической глазури, стоматологической и медицинской керамике, используя его твердость, термическую стабильность и ионную проводимость.

Вопрос: Почему цирконий появляется в драгоценных камнях и керамике?
Соединения циркония обеспечивают стабильные цвета и высокий показатель преломления в декоративных камнях и глазури, поэтому материалы на основе циркония-появляются в ювелирных изделиях, плитке и сантехнике, а также в промышленных изделиях.