Во второй половине xviii века. Купцы и экономика во второй половине XVIII в. "тюменский государственный университет"

В настоящее время определились следующие области промышленного использования циркония:
1) керамика и огнеупоры,
2) производство эмалей и стекла,
3) производство сталей и сплавов с цветными металлами.
4) пиротехника и электровакуумная техника.
Керамика и огнеупоры. Значительная доля мирового производства циркониевых концентратов используется для изготовления огнеупорных изделий и в производстве специального фарфора. В качестве огнеупорного материала применяют чистую двуокись циркония и бадделеитовые и цирконовые рудные концентраты.
Двуокись циркония плавится при температуре 2700-2900°, минерал циркон - при 2430°. Однако примеси, особенно Fe2O3, снижают температуру плавления этих соединений. Недостатком чистой двуокиси циркония как огнеупорного материала является термическая неустойчивость, проявляющаяся в растрескивании нагретых до высокой температуры изделий из двуокиси циркония при их охлаждении. Это явление обусловлено наличием у двуокиси циркония полиморфных превращений. Переход одной модификации в другую связан с объемными изменениями, которые являются причиной растрескивания. Явление растрескивания устраняется добавками к двуокиси циркония стабилизаторов - окислов магния или кальция. Последние, растворяясь в двуокиси циркония, образуют твердый раствор с кубической кристаллической решеткой, которая сохраняется как при высокой, так и низкой температуре. Этим устраняется растрескивание. Для образования твердого раствора с кубической решеткой достаточно к двуокиси циркония добавить 4% MgO.
Из двуокиси циркония или минералов бадделеита и циркона изготовляют огнеупорный кирпич для металлургических печей, тигли для плавки металлов и сплавов, огнеупорные трубы и другие изделия.
Циркониевые минералы или двуокись циркония добавляют в некоторые сорта фарфора, применяемого для изготовления изоляторов на линиях электропередач высокого напряжения, в высокочастотных установках, запальных свечах двигателей внутреннего сгорания. Циркониевый фарфор обладает высокой диэлектрической постоянной и малым коэффициентом расширения.
Эмали и стекло. Двуокись циркония и циркон (очищенный от примеси железа) нашли широкое применение в качестве составной части эмалей. Они сообщают эмали белый цвет и кислотоустойчивость и вполне заменяют применяемую для этих целей дефицитную окись олова. Циркон и двуокись циркония вводят также в состав некоторых сортов стекла. Добавки ZrO2 повышают устойчивость стекла против действия растворов щелочей.
Стали и сплавы с цветными металлами. Высокое сродство циркония к кислороду и азоту обусловливает применение его как активного раскислителя и деазотизатора стали. Очистка стали от кислорода и азота приводит к получению мелкозернистой структуры, обладающей повышенными механическими свойствами Кроме того, цирконий связывает серу, устраняя красноломкость стали. Цирконий является также ценным легирующим элементом V, входит в состав некоторых сортов броневых никельциркониевых сталей (вместе с 2% Ki вводят 0,3 Zr), сталей для орудийных поковок, нержавеющих, жароупорных и некоторых других. В нeкоторых сортах хромистых сталей содержание циркония достигает 2%.
Цирконий вводят в расплавленную сталь в виде ферроциркония и ферросиликоциркония. Ферроцирконий содержит до 40% Zr, около 10% Si и 8-10% Al. Ферросиликоцирконий содержит от 20 до 50% Zr и от 20 до 50% Si.
Имеют также практическое значение добавки циркония к меди: сплавы меди с цирконием, содержащие от 0,1 до 5% Zr, способны к упрочнению, которое достигается термической обработкой (закалка и упрочняющий отпуск). Предел прочности при растяжении достигает 50 кг/мм2, что на 5% выше прочности неотожженной меди. При нагревании изделий из чистой меди (проволоки, листов, труб) до 200° их прочность сильно падает вследствие снятия наклепа. Добавки циркония повышают температуру отжига меди до 500°. Небольшие добавки циркония к меди, повышая ее прочность, снижают лишь в незначительной степени электропроводность.
Цирконий вводится в медь в виде лигатурного сплава, содержащего 12-14% Zr, остальное медь.
Сплавы меди с цирконием применяют для изготовления электродов точечной сварки, для электропроводов в тех случаях, где требуется высокая их прочность.
В последние годы получили распространение сплавы магния, легированные цирконием. Небольшие добавки циркония способствуют получению мелкозернистых магниевых отливок, что приводит к повышению прочности металла.
Высокой прочностью обладают магниевые сплавы, легированные цирконием и цинком. Прочность сплава магния с 4-5% Zn и 0,6-0,7% Zr вдвое выше, чем обычного сплава Сплавы этого типа не проявляют ползучести до 200° и рекомендованы как конструкционные материалы для реактивных двигателей.
Цирконий добавляется (в виде кремнециркониевого сплава) в свинцовистые бронзы Он обеспечивает дисперсное распределение свинца и полностью предотвращает сегрегацию свинца в сплаве. Высокой прочностью и электропроводностью обладают меднокадмиевые сплавы, содержащие до 0,35% Zr.
Добавки 0,02-0,1% Zr в медноникелевые сплавы устраняют вредное влияние свинца на свойства этих сплавов.
Рекомендуется добавление циркония в марганцовистую латунь, алюминиевые бронзы и бронзы, содержащие никель.
Сплав циркония со свинцом и титаном (33% Zr, 53% Pb, 11% Ti) обладает хорошими пирофорными свойствами.
Цирконий входит в состав некоторых антикоррозионных сплавов. Так, сплав, состоящий из 54% Nb, 40% Ta и 6-7% Zr, предложен как заменитель платины.
Применение металлического циркония. Металлический цирконий до последнего времени применяли преимущественно в виде порошка и, в более ограниченном масштабе, в виде компактного металла.
Высокое сродство циркония к кислороду, низкая температура воспламенения (180-285°) и большая скорость сгорания позволили применить тонкий порошок циркония в качестве воспламенителя в смесях для капсулей-детонаторов, а также для фотовспышек. В смеси с окислителями он образует бездымный порох.
В электровакуумной технике используют прежде всего геттерирующие свойства циркония (способность поглощать газы - О2, N2, Н2, CO, H2O). Для этих целей применяют ковкий цирконий или используют порошкообразный цирконий, который наносят на детали горячей арматуры (аноды, сетки и др.).
Цирконий применяют также как подавитель эмиссии сетки в радиолампе. С этой целью суспензия из тонкого порошка гидрида циркония в смеси с ксиленом, амилацетатом или другим органическим веществом намазывают на сетку. Органическое вещество затем испаряется. При нагревании сетки до 1100°в вакууме гидрид разлагается и цирконий остается на поверхности сетки.
Циркониевые листы применяют в рентгеновских трубках с молибденовыми антикатодами. Они служат здесь в качестве фильтра для повышения монохроматичности рентгеновского излучения.
Возможности использования металлического циркония далеко не исчерпаны и ограничивались до последнего времени лишь малым количеством и высокой стоимостью ковкого металла.
В связи с промышленным освоением производства ковкого циркония намечаются следующие области его использования: в химическом машиностроении (детали центрифуг, насосов, конденсаторов и др.); в общем машиностроении (поршни, шатуны, тяги и другие детали); в турбостроении (лопасти турбин и другие детали) и в производстве медицинского инструмента,
В последние годы привлечено внимание к использованию чистого циркония (свободного также и от примеси гафния) в качестве конструкционного материала в установках по производству атомной энергии Наряду с высокой температурой плавления к высокими антикоррозионными свойствами чистый цирконий имеет малое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов (0,22-0,4 барна), что выгодно отличает его от других тугоплавких и коррозионноустойчивых металлов, в том числе и гафния
В связи с этим ведутся исследования по разработке производственных способов получения чистого циркония, свободного от примеси гафния.

В промышленности цирконий и гафний выпускают, как в форме металла (ковкий и порошки), сплавов, так и в форме различных их соединений, в зависимости от того, где в дальнейшем будут использовать циркониевую продукцию.

Области применения циркония, его сплавов и химических соединений достаточно разнообразны. Основные области в настоящее время:

1) атомная энергетика;
2) электроника;
3) пиротехника и производство боеприпасов;
4) машиностроение;
5) производство сталей и сплавов с цветными металлами;
6) производство огнеупоров, керамики, эмалей и стекла;
7) литейное производство.

В первых четырех областях используют металлический цирконий или сплавы на его основе.

Примерное распределение циркония по областям потребления: литейное производство – 42%, огнеупоры – 30%, керамика – 12%, металл и сплавы с цветными металлами – 12%.

Литейное производство. В этой области используют цирконовые концентраты (ZrSiO 4) для изготовления литейных форм и присыпок, с целью получения хорошей поверхности отливок.

Производство огнеупоров, фарфора, эмалей, глазурей и стекла . В этой области, используют минералы (циркон и бадделеит) и химические соединения циркония (диоксид циркония, цирконаты, диборид циркония).
Недостаток чистого диоксида циркония как огнеупорного материала - термическая неустойчивость, проявляющаяся в растрескивании нагретых до высокой температуры изделий из него при охлаждении. Это явление обусловлено полиморфными превращениями диоксида циркония. Растрескивание устраняют, добавляя стабилизаторы - оксиды магния или кальция, которые, растворяясь в диоксиде циркония, образуют твердый раствор с кубической кристаллической решеткой, сохраняющейся и при высоких и при низких температурах.
Из диоксида циркония или минералов бадделеита и циркона изготовляют огнеупорный кирпич для металлургических печей, тигли для плавки металлов и сплавов, огнеупорные трубы и другие изделия.
Циркониевые минералы или диоксид циркония добавляют в некоторые сорта фарфора, идущего на изготовление изоляторов в линиях электропередач высокого напряжения, высокочастотных установках, запальных свечах двигателей внутреннего сгорания. Циркониевый фарфор обладает высокой диэлектрической постоянной и малым коэффициентом расширения.
Диоксид циркония и циркон (очищенный от примеси железа) нашли широкое применение в качестве составной части эмалей. Они сообщают эмали белый цвет и кислотостойкость и вполне заменяют используемый для этих целей дефицитный оксид олова. Циркон и диоксид циркония вводят также в состав некоторых сортов стекла. Добавки Zr0 2 повышают устойчивость стекла против действия растворов щелочей.

Конструкционная керамика. Это наиболее перспективная область использования диоксида циркония. В Японии организована программа по конструкционной керамике: высокопрочная – для высокотемпературных двигателей; коррозионностойкая – для использования в активных высокотемпературных средах; износостойкая – при высоких температурах и больших скоростях. Керамические материалы на основе диоксида циркония используют в деталях автомобилей и автомобильных двигателей. Создан дизельный двигатель с керамическими поршнями и лопатками турбин. Он не требует водяного охлаждения, потребляет вдвое меньше топлива, а выходная мощность у него выше на 30%.

Производство сталей и сплавов с цветными металлами. Присадки циркония широко используют в производстве сталей с целью раскисления, очистки стали от азота, а также связывания серы. Цирконий, кроме того, - ценный, легирующий элемент; его вводят в некоторые сорта броневых сталей, сталей для орудийных поковок, нержавеющих 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 (меди, магния, свинца, никеля). Сплавы меди с цирконием, содержащие от 0,1 до 5% Zr, способны к упрочнению, которое достигается термической обработкой. Предел прочности при растяжении возрастает до 50 кг/мм 2 , что на 50% выше прочности неотожженной меди. Добавки циркония повышают температуру отжига изделий из меди (проволока, листы) до 500° С. Небольшие добавки циркония к меди, повышая ее прочность, лишь в незначительной степени снижают электропроводность. Цирконий вводят в медь в виде лигатурного сплава, содержащего 12-14% Zr, остальное медь. Из сплавов меди с цирконием изготовляют электроды точечной сварки и электропроводы в тех случаях, где требуется высокая их прочность.
Получили распространение сплавы магния, легированные цирконием. Небольшие добавки циркония способствуют получению мелкозернистых магниевых отливок, что приводит к повышению прочности металла. Высокой прочностью обладают магниевые сплавы, легированные цирконием и цинком (4-5% Zn и 0,6-0,7% Zr). Они рекомендованы как конструкционные материалы для реактивных двигателей.
Цирконий добавляют (в виде кремнециркониевого сплава) в свинцовистые бронзы. Он обеспечивает дисперсное распределение свинца и полностью предотвращает сегрегацию свинца в сплаве. Высокой прочностью и электропроводностью отличаются меднокадмиевые сплавы, содержащие до 0,35% Zr.
Цирконий входит в состав некоторых антикоррозионных сплавов. Так, сплав, состоящий из 54% Nb, 40% Та и 6-7% Zr, предложен как заменитель платины.

В последние годы разработаны сверхпроводящие сплавы, содержащие цирконий. Их используют для электромагнитов с высоким напряжением магнитного поля. Один из таких сплавов, содержащий 75% Nb и 25% Zr, при 4,2° К выдерживает нагрузку до 100 000 а/см 2 .

Атомная энергетика. В 1950 г. в связи с развитием атомной энергетики цирконий привлек к себе внимание как конструкционный материал для энергетических ядерных реакторов. Это вызвало организацию промышленного производства пластичного циркония и сплавов на его основе. Ценность циркония как конструкционного материала для атомной техники определяется тем, что цирконий имеет малое сечение захвата тепловых нейтронов (~0,18 барн), высокую антикоррозионную стойкость, хорошие механические свойства.
Для использования циркония в атомной технике потребовалось решить сложную задачу очистки циркония от его химического аналога - гафния, который обладает высоким сечением захвата нейтронов - 115 барн. Из циркония и сплавов на его основе изготовляют защитные оболочки для урановых тепловыделяющих элементов, каналы, в которых циркулирует теплопередающая жидкость, и другие детали конструкций ядерных реакторов. Жаропрочность циркония и стойкость его против действия воды и пара можно повысить добавками олова (1,4-1,6%), а также малыми присадками железа (0,1- 0,15%), хрома (0,08-0,12%), никеля (0,04-0,06%). Сплав, содержащий перечисленные выше легирующие добавки, носит название циркаллой-2.

Подобно молибдену, цирконий применяют для легирования урана с целью повышения его механической прочности и стойкости против коррозии.

Электроника. В производстве электровакуумных приборов используют свойство циркония поглощать газы, что позволяет поддерживать высокий вакуум в электронных приборах. Для этой цели порошок циркония наносят на поверхность анодов, сеток и других нагреваемых деталей электровакуумного прибора или плакируют детали циркониевой фольгой. Нанесение циркония на поверхность сетки в радиолампах способствует подавлению эмиссии сетки.

Циркониевую фольгу применяют в рентгеновских трубках с молибденовыми антикатодами. Фольга служит здесь фильтром для повышения монохроматичности излучения.

Пиротехника и производство боеприпасов. В этой области используют порошкообразный цирконий, отличающийся низкой температурой воспламенения и высокой скоростью сгорания. Порошки циркония служат воспламенителем в смесях для капсюлей-детонаторов, а также в смесях для фотовспышек. В смеси с окислителями (нитратом бария или бертолетовой солью) порошки циркония образуют бездымный порох.

Машиностроение. До последнего времени пластичный цирконий и сплавы на его основе применялись преимущественно в атомной технике. Однако с дальнейшим расширением его производства и снижением стоимости цирконий может быть эффективно использован в химическом машиностроении как кислотостойкий материал, для изготовления деталей центрифуг, насосов, конденсаторов, испарителей; в общем машиностроении (поршни, шатуны, тяги и др.); в турбостроении (лопасти турбин и другие детали).

Прочие области применения . Среди других областей следует упомянуть использование сульфатов циркония (двойного сульфата циркония с сульфатом аммония и др.) в качестве дубителя в кожевенной промышленности; применение хлорида и оксихлорида циркония для приготовления катализаторов, используемых в синтезе органических соединений.

Областей применения гафния по сравнению с цирконием значительно меньше, но и объемы его производства существенно ниже, чем циркония. Это в основном атомная энергетика, производство тугоплавких и жаропрочных материалов и сварка газовых труб большого диаметра.

Атомная энергетика. Начало промышленного производства гафния и его соединений относится к 1950-1951 гг. Интерес к его применению возник в первую очередь в атомной технике, поскольку в отличие от циркония гафний, хотя и является его химическим аналогам, имеет его высокое сечение захвата тепловых нейтронов – 115 барн. Это дает возможность использования гафния и его соединений (HfO 2 , HfB 2) в качестве материалов регулирующих стержней ядерных реакторов.

Производство тугоплавких и жаропрочных материалов. В этой области используют карбид гафния (t° пл 3890°С), твердый раствор карбидов гафния и тантала (75% карбида тантала) плавящейся при температуре 4200°С. Высокой жаропрочностью характеризуются некоторые сплавы гафния с другими тугоплавкими металлами. Так, сплав ниобия и тантала, содержащий 2-10% Hf и 8-10% W, сохраняет высокую прочность до 2000°С, хорошо обрабатывается и коррозионностоек. Эти свойства материалов позволяют использовать их для изготовления деталей реактивных двигателей, а также тиглей для плавки тугоплавких металлов.

Таким образом, основные соединения циркония, которые нашли широкое применение это цирконовый концентрат и диоксид циркония.

Цирконовый концентрат.

Мировое потребление цирконового концентрата постепенно растет, так в середине 90-х гг. оно оценивалось в 920 тыс. т. , а в 2001 г. составило уже 1,07 млн т. Основные потребители цирконового концентрата - страны Западной Европы (Италия, Испания, Германия и др.) - 366 тыс. т в 2001 г., а также Китай - 150–170 тыс. т, США - 120–130 тыс. т, Япония - 110–120 тыс. т и страны Юго-Восточной Азии.

Большая часть цирконового концентрата используется в керамике (500 тыс. т/год), литейном производстве (170 тыс. т/год) и огнеупорах (155 тыс. т/год), а также в производстве диоксида циркония и других химических соединений (94 тыс. т). Структура потребления цирконового концентрата в различных странах неодинакова. В США наибольшее его количество используют в производстве литейных смесей, в Японии - огнеупоров, в Италии, Испании и Китае - строительной и сантехнической керамики.

В последнее время потребление огнеупоров из циркона сократилось, что связано с ростом спроса на высококачественные легированные стали, производство которых не требует использования цирконовых огнеупоров. Постепенно уменьшается и потребление циркона в литейном производстве из-за появления более экономичных заменителей.

Однако в мире в целом это сокращение с лихвой было компенсировано ростом спроса на циркон в производстве керамики и общим ростом потребления в Китае (с 10 до 160 тыс. т в период 1989–2001 гг.). На производство керамических изделий теперь приходится около половины мирового потребления циркона (в 1980 г. всего 25 %).

Прирост потребления циркона в производстве керамики в 2001 г. составил 9 %, тогда как в целом его использование увеличилось на 5 %. Интенсивно росло потребление в производстве экранов мониторов и телевизоров (8 %), а также химических соединений циркония (7 %).

Диоксид циркония.

Потребление диоксида циркония постоянно растет. В конце 90-х гг. оно составляло 36 тыс. т, из которых половина использовалась в производстве огнеупоров, по 6 тыс. т - керамических пигментов, металла и химических соединений, остальное - в абразивах, электронике, катализаторах, конструкционной керамике и других областях. В 2000–2001 гг. наблюдался значительный рост потребления стабилизированного диоксида циркония, а также порошка оксида циркония для электронной промышленности. Стабилизированный диоксид циркония – уникальный материал, имеющий очень широкий спектр промышленных применений: инженерная (промышленная) керамика, термобарьерные покрытия, электрокерамика, высокотемпературные магнитогидродинамические электроды, топливные элементы, сенсоры на кислород и многое другое. Это разнообразие областей применения базируется на использовании комбинации механических, электрических, термических и других свойств материалов на основе на основе диоксида циркония.

Значительно меньше используют металлический цирконий.

Металлический цирконий.

Потребление металлического циркония в мире стабильно и составляет 4–5 тыс. т.

Цены на цирконий постоянно растут, т.к. растет спрос на эти металлы. Так цены в США на циркониевую губку в 1990 году составляли 19,8 – 26,4$/кг, а на гафниевую губку - 165 – 300$/кг. На циркониевый концентрат: в 1986 году – 209$ /т, в 1989 году – 468$ /т. Поскольку диоксид циркония в различных областях необходим различного качества, то и цены на него должны различаться. Ниже приведены цены на диоксид циркония различного качества. Таблица 4.

Динамка цен на диоксид циркония (долл/т)

(ЕС, США, Япония)

Основные производители циркония и его соединений.

В настоящее время крупными производителями ядерно-чистого циркония в мире являются такие компании: AREVA NP (CEZUS + Zircotube, которые находятся в ее составе), (Франция); АО ТВЭЛ (Россия); Westinghouse (США); GNF (США + Япония); NFC (Индия). Кроме этих компаний циркониевую продукцию выпускают также: Sandvik Steel (Швеция + отделение в США (Sandvik Special Metals) и отделение в Великобритании (Sandvik Steel UK) Nu Tech (Канада, есть отделение в США); Zircatec (Канада); Franco Corradi (Италия); General Electric Canada (Канада); FAESA (Fabrica de Aleaciones Ecpeciales), находящаяся в собственности компании Combustibles Nucleares Argentonos SA,Аргентина)

Полный металлургический цикл от цирконового концентрата до готовых изделий имеют четыре крупных компании: AREVA NP, объем производства примерно 2200 т циркониевой губки в год; АО ТВЭЛ, объем производства примерно 900 т циркония в год; Westinghouse, объем производства примерно 800 т циркония в год, Teledyne Wah Chang, США, объем производства примерно 1000 т циркония в год.
Государственная компания NFC (Индия) также имеет полный металлургический цикл с объемом производства около 250 т циркония в год.

Китайская компания Chaoyang Baisheng Titanium&Zirconim Co, Ltd (Chaoyang, провинция Liaoning) имеет мощности по производству рафинированного тетрахлорида циркония, что позволяет ей выпускать циркониевой губки (150 т для ядерной энергетики).

В настоящее время в Китае идет строительство еще одного завода по выпуску циркония, которое осуществляет совместное предприятие американской компании Westinghouse и китайской компании SNZ.

Основными продуктами гафниевого производства являются кристаллический гафний и оксид гафния. Областей применения гафния по сравнению с цирконием значительно меньше, но и объемы его производства существенно ниже, чем циркония. Это в основном атомная энергетика, производство тугоплавких и жаропрочных материалов и сварка газовых труб большого диаметра.

Цены на гафний (99 %) в 2011 году составляли в среднем $900 за килограмм. За последние полгода из-за финансового кризиса произошло некоторое снижение стоимости.

Самыми крупными производителями гафния являются США, Франция и Германия (предприятия компании CEZUS). В США выпуск гафния осуществляют два предприятия - Wah Chang Albany (компания Allegheny Technologies Inc.) и Western Zirconium (компания Westinghouse Electric, которая в настоящее время контролируется японской корпорацией Toshiba).

Кроме этого гафний производится в Украине Государственным научно-производственным предприятием «Цирконий» г.Днепродзержинск. Предприятие производит следующую гафниевую продукцию: гафний металлический ядерночистый и гафний кальциетермический (КТГ-НР) лигатуру гафний-никель (ГФН-10), гидроксид гафния; оксид гафния.

Так как потенциально гафний является сопутствующим продуктом при выпуске циркония, то он может производиться в различных формах в Индии и Китае. Это такие компании как: NFC (производственная единица Департамента атомной энергии Индии в Хайдерабаде); китайская компания Chaoyang Baisheng Titanium&Zirconim Co, Ltd (Chaoyang, провинция Liaoning) и строящееся совместное предприятие американской компании Westinghouse и китайской компании SNZ.

Сырьевые источники циркония и гафния.

Известно около 20 циркониевых и цирконийсодержащих минералов, однако промышленное значение имеют только два: циркон и бадделеит . На долю первого приходится не менее 97% общего производства циркониевого сырья.

Циркон – наиболее распространенный минерал циркония, представляющий собой ортосиликат циркония – ZrSiO 4 . Содержание гафния в цирконе колеблется от 0,5 до 4%. Кроме этого циркон содержит железо, титан, алюминий, кальций, магний, РЗЭ(0,8%), скандий (0,02-0,08%).

Бадделит – представляет собой практически чистый диоксид циркония (ZrO 2). Всегда содержат гафний (от 0,5% до 2-5%), очень часто торий (0,2%), иногда уран (до 1%), скандий (до 0,06%).

Исследуются возможности промышленного использования таких циркониевых минералов, как эвдиалит – сложный силикат циркония и редких земель иттриевой подгруппы, содержащего 10-16% ZrO 2 и в эвколите ((Na, Ca, Fe) 6 Zr(Si 3 O 9) 2).

Для гафния единственным минеральным источником его получения являются циркониевые концентраты, который содержат от 0,5 до 2,0% HfO 2 .

Циркон и бадделеит накапливаются в корах выветривания и продуктах их переотложения – россыпях ближнего сноса, тесно ассоциирующих с первичными коренными источниками, и в россыпях дальнего переноса, не имеющих прямой связи с коренными источниками. К числу коренных источников относятся современные и древние россыпи прибрежно-морского типа (пляжные, шельфовые, дюнные и др.), с которыми связаны крупные месторождения циркона (совместно с рутилом, ильменитом, монацитом и другими минералами).

Цирконий практически не образует собственных крупных и богатых месторождений, а заключён в коренных рудах и россыпях вместе с титаном, железом, медью, танталом, ниобием, редкими землями, где является одним из основных или попутным полезным компонентом. Добыча циркония из недр всегда тесно связана с титаном и оценивается по отношению к нему как 1:5.

Освоенность минерально-сырьевой базы циркония России крайне низкая: в настоящее время разрабатывается только одно Ковдорское месторождение бадделеита. В Российской Федерации производство цирконовых концентратов практически не осуществляется, хотя имеются значительные запасы месторождений. Чепецкий механический завод (ЧМЗ), г. Глазов. А в странах СНГ подавляющий объём производства цирконовых концентратов приходится на Украину.

По оценке Геологической службы США (USGS) общие мировые запасы циркония (в пересчёте на ZrO 2) составляют около 33,5 млн т (без учёта России и стран СНГ) (табл.5). Цирконий в рудах и россыпях представлен в основном цирконом, бадделеитом, калдаситом и эвдиалитом. Месторождения руд и россыпей, содержащих цирконий, разведаны в Австралии, США, Южно-Африканской Республике, Бразилии, Индии, Китае и других странах.

Исходя из данных по запасам, можно отметить, что разведанные запасы циркония в мире распределяются следующим образом (в %): Австралия - 45, ЮАР - 21, Бразилия - 7, США - 8, Китай - 5,6, Индия-5,7. Освоенность минерально-сырьевой базы циркония России крайне низкая: в настоящее время разрабатывается только одно Ковдорское месторождение бадделеита. В Российской Федерации производство цирконовых концентратов практически не осуществляется. А в странах СНГ подавляющий объём производства цирконовых концентратов приходится на Украину. Украина по запасам циркониевых песков занимает одно из ведущих мест в мире и первое среди стран СНГ.
Разведанные запасы циркона в Украине сосредоточены на действующем Малышевском месторождении в Вольногорске Днепропетровской области. Руда перерабатывается на Верхнеднепровском горно-металлургическом комбинате, производственные мощности которого по переработке составляют 30 тыс. т концентрата в год.

Таблица 5.

Мировые запасы циркония по оценке Геологической службы США (без учета России и стран СНГ)

Отличительной чертой структуры мировых запасов является превалирующая доля титано-циркониевых россыпных месторождений. Основные промышленные мировые запасы циркония (свыше 95%) заключены в прибрежно-морских россыпях (ПМР), где циркон находится вместе с титановыми (ильменит, рутил) и редкоземельными минералами. Среднее содержание циркона в песках ПМР варьирует в широких пределах – от сотых долей процента до трёх процентов (редко достигая 8%). Запасы и ресурсы циркона прибрежно-морских россыпей характеризуются крупными масштабами - до нескольких миллионов тонн двуокиси циркония в отдельных месторождениях.

На долю бадделеитсодержащих руд приходится около 5% мировых промышленных запасов циркония. Его запасы исчисляются первыми сотнями тысяч тонн. По данным "Mining Annual Review", в настоящее время единственным в мире источником бадделеита остается комплексное Ковдорское месторождение, расположенное на юго-западе Кольского п-ова в России. Годовое производство бадделеита здесь превышает 6,5 тыс. т.

Таким образом в настоящее время мировое производство цирконий содержащих концентратов превысило 1,4 млн т. и обеспеченность стран-производителей достоверными запасами циркониевого сырья, рассчитанная по уровню действующих мощностей по добыче, в целом превышает 80 лет.

Переработка циркона.

Поскольку основным сырьевым источником циркония и гафния является циркон, то и технологию производства циркония и его соединений целесообразно начинать с переработки циркона.

Первой стадией переработки циркона, как и для большинства редкометального сырья является обогащение. Обычно руды, содержащие циркон, обогащают гравитационными методами, а для отделения минералов железа применяют магнитную сепарацию. После обогащения цирконовые концентраты содержат ~65% ZrO 2 (концентрат 1-го сорта). Концентраты поступают на стадию разложения.

Соединения циркония широко распространены в литосфере. По разным данным кларк циркония от 170 до 250 г/т. Концентрация в морской воде 5·10-5 мг/л. Цирконий - литофильный элемент. В природе известны его соединения исключительно с кислородом в виде окислов и силикатов. Несмотря на то, что цирконий рассеянный элемент, насчитывается около 40 минералов, в которых цирконий присутствует в виде окислов или солей. В природе распространены главным образом циркон (ZrSiO4)(67,1 % ZrO2), бадделеит (ZrO2) и различные сложные минералы (эвдиалит (Na, Ca)5(Zr, Fe, Mn) и др.). Во всех земных месторождениях цирконию сопутствует Hf, который входит в минералы циркона благодаря изоморфному замещению атома Zr.
Циркон является самым распространенным циркониевым минералом. Он встречается во всех типах пород, но главным образом в гранитах и сиенитах. В графстве Гиндерсон (штат Северная Каролина) в пегматитах были найдены кристаллы циркона длиной в несколько сантиметров, а на Мадагаскаре были обнаружены кристаллы, вес которых исчисляется килограммами. Бадделеит был найден Юссаком в 1892 году в Бразилии. Основное месторождение находится в районе Посус-ди-Калдас (Бразилия). Наиболее крупные месторождения циркония расположены на территории США, Австралии, Бразилии, Индии.
В России, на долю которой приходится 10% мировых запасов циркония (3 место в мире после Австралии и ЮАР), основными месторождениями являются: Ковдорское коренное бадделит-апатит-магнетитовое в Мурманской области, Туганское россыпное циркон-рутил-ильменитовое в Томской области, Центральное россыпное циркон-рутил-ильменитовое в Тамбовской области, Лукояновское россыпное циркон-рутил-ильменитовое в Нижегородской области, Катугинское коренное циркон-пирохлор-криолитовое в Читинской области и Улуг-Танзекское коренное циркон-пирохлор-колумбитовое.

Запасы на месторождениях циркония в 2012 году, тыс.тонн *

Австралия	21,000.0
ЮАР	14,000.0
Индия	3,400.0
Мозамбик	1,200.0
Китай	500.0
Прочие страны	7,900.0
Всего запасы	48,000.0

* данные US Geological Survey

В промышленности исходным сырьем для производства циркония являются циркониевые концентраты с массовым содержанием диоксида циркония не менее 60-65%, получаемые обогащением циркониевых руд. Основные методы получения металлического циркония из концентратом - хлоридный, фторидный и щелочной процессы. Крупнейшим производителем циркона в мире является компания Iluka.
Производство циркона сконцентрировано в Австралии (40% продукции в 2010 году) и Южной Африке (30%). Остальной циркон производится в более чем дюжине других стран. Добыча циркона увеличивалась ежегодно в среднем на 2,8% в период между 2002 и 2010 годами. Крупные производители, такие как Iluka Resources, Richards Bay Minerals, Exxaro Resources Ltd и DuPont, извлекают циркон как побочный продукт во время добычи полезных ископаемых титана. Спрос на полезные ископаемые титана не увеличивался с такой скоростью, как в случае с цирконом в прошлое десятилетие, поэтому производители начали развивать и эксплуатировать минеральные залежи песков с более высоким содержанием циркона, такие как в Африке и в Южной Австралии.

* данные US Geological Survey

В промышленности цирконий стал применяться с 30-х годов XX века. Из-за высокой стоимости его применение ограничено. Металлический цирконий и его сплавы применяются в ядерной энергетике. Цирконий имеет очень малое сечение захвата тепловых нейтронов и высокую температуру плавления. Поэтому металлический цирконий, не содержащий гафния, и его сплавы применяются в атомной энергетике для изготовления тепловыделяющих элементов, тепловыделяющих сборок и других конструкций ядерных реакторов.
Другой областью применения циркония служит легирование. В металлургии применяется в качестве лигатуры. Хороший раскислитель и деазотатор, по эффективности превосходит Mn, Si, Ti. Легирование сталей цирконием (до 0,8%) повышает их механические свойства и обрабатываемость. Делает также более прочными и жаростойкими сплавы меди при незначительной потере электропроводности.
Используется цирконий и в пиротехнике. Цирконий обладает замечательной способностью сгорать в кислороде воздуха (температура самовоспламенения - 250°C) практически без выделения дыма и с высокой скоростью. При этом развивается самая высокая температура для металлических горючих (4650°C). За счет высокой температуры образующаяся двуокись циркония излучает значительное количество света, что используется очень широко в пиротехнике (производство салютов и фейерверков), производстве химических источников света, применяемых в различных областях деятельности человека (факелы, осветительные ракеты, осветительные бомбы, ФОТАБ - фотоавиабомбы; широко применялся в фотографии в составе одноразовых ламп-вспышек, пока не был вытеснен электронными вспышками). Для применения в этой сфере представляет интерес не только металлический цирконий, но и его сплавы с церием, дающие значительно больший световой поток. Порошкообразный цирконий применяют в смеси с окислителями (бертолетова соль) как бездымное средство в сигнальных огнях пиротехники и в запалах, заменяя гремучую ртуть и азид свинца. Проводились удачные эксперименты по использованию горения циркония в качестве источника света для накачки лазера.
Еще одно применение циркония - в сверхпроводниках. Сверхпроводящий сплав 75% Nb и 25 % Zr (сверхпроводимость при 4,2 K) выдерживает нагрузку до 100 000 А/см2. В виде конструкционного материала цирконий идет на изготовление кислотостойких химических реакторов, арматуры, насосов. Цирконий применяют как заменитель благородных металлов. В атомной энергетике цирконий является основным материалом оболочек твэлов.
Цирконий обладает высокой стойкостью к воздействию биологических сред, даже более высокой, чем титан, и отличной биосовместимостью, благодаря чему применяется для создания костных, суставных и зубных протезов, а также хирургического инструмента. В стоматологии керамика на основе диоксида циркония является материалом для изготовления зубопротезных изделий. Кроме того, благодаря биоинертности этот материал служит альтернативой титану при изготовлении дентальных имплантатов.
Цирконий применяется для изготовления разнообразной посуды, обладающей отличными гигиеническими свойствами благодаря высокой химической стойкости.
Диоксид циркония (т. пл. 2700°C) используется для производства огнеупоров-бакоров (бакор - бадделеит-корундовая керамика). Применяется в качестве заменителя шамота, так как в 3-4 раза увеличивает кампанию в печах для варки стекла и алюминия. Огнеупоры на основе стабилизированной двуокиси применяются в металлургической промышленности для желобов, стаканов при непрерывной разливке сталей, тиглей для плавки редкоземельных элементов. Также применяется в керметах - керамикометаллических покрытиях, которые обладают высокой твёрдостью и устойчивостью ко многим химическим реагентам, выдерживают кратковременные нагревания до 2750°C. Двуокись - глушитель эмалей, придает им белый и непрозрачный цвет. На основе кубической модификации двуокиси циркония, стабилизированной скандием, иттрием, редкими землями, получают материал - фианит (от ФИАНа где он был впервые получен), фианит применяется в качестве оптического материала с большим коэффициентом преломления (линзы плоские), в медицине (хирургический инструмент), в качестве синтетического ювелирного камня (дисперсия, показатель преломления и игра цвета больше, чем у бриллианта), при получении синтетических волокон и в производстве некоторых видов проволоки (волочение). При нагревании диоксид циркония проводит ток, что иногда используется для получения нагревательных элементов, устойчивых на воздухе при очень высокой температуре. Нагретый цирконий способен проводить ионы кислорода как твердый электролит. Это свойство используется в промышленных анализаторах кислорода.
Гидрид циркония применяется в атомной технике как весьма эффективный замедлитель нейтронов. Также гидрид циркония служит для покрытия цирконием в виде тонких плёнок с помощью термического разложения его на различных поверхностях.
Нитрид циркония материал для керамических покрытий, температура плавления около 2990°C , гидролизуется в царской водке. Нашёл применение в качестве покрытий в стоматологии и ювелирном деле.
Циркон, т.е. ZrSiO4, является основным минералом-источником циркония и гафния. Также из него извлекают различные редкие элементы и уран, которые в нём концентрируются. Цирконовый концентрат используется при производстве огнеупоров. Высокое содержание урана в цирконе делает его удобным минералом для определения возраста методом уран-свинцового датирования. Прозрачные кристаллы циркона используются в ювелирных украшениях (гиацинт, жаргон). При прокаливании циркона получают ярко-голубые камни, носящие название старлит.
Около 55% всего циркония применяется для производства керамики - керамической плитки для стен, пола, а также для производства керамических подложек в электронике. Около 18% циркона используется в химической промышленности, а рост потребления в данной области составляет в последние годы в среднем 11% в год. Для выплавки металла используется примерно 22% циркона, однако это направление в последнее время не столь популярно ввиду наличия более дешевых методов получения циркония. Оставшиеся 5% циркона используются для призводства катодных трубок, однако потребление в данной области падает.
Потребление циркона сильно увеличилось в 2010 году до 1,33 млн тонн, после того, как экономический спад в мире в 2009 году стал причиной уменьшения потребления на 18% к 2008 году. Рост потребления в производстве керамики, которое составило 54% потребления циркона в 2010 году, особенно в Китае, а также в других развивающихся экономических системах, таких как Бразилия, Индия и Иран, был ключевым фактором для увеличенного спроса на циркон в 2000-ых годах. В то время как в США и Еврозоне потребление даже снизилось. Потребление циркона в химикатах циркония, включая двуокись циркония, более чем удвоилось в период между 2000 и 2010 годами, тем временем использование циркона для выплавки металлического циркония показало более низкие темпы роста.
Как сообщает Roskill, 90% потребляемого в мире металлического циркония используется в производстве узлов ядерных реакторов и около 10% - в изготовлении стойкой к коррозии и высоким давлениям облицовки контейнеров, применяемых на заводах по выпуску уксусной кислоты. По мнению экспертов, в перспективе ожидается повышение мирового спроса на металлический цирконий, поскольку в ряде стран (в КНР, Индии, Южной Корее и США) планируется строительство новых атомных электростанций.
Окись циркония, также известная как двуокись циркония, используется в промышленном применении, включая лекарственные препараты, оптоволокно, водонепроницаемую одежду и косметику. Есть большее потребление материалов двуокиси циркония - мука циркона и сплавленная двуокись циркония из-за быстрого увеличения производства керамической плитки в Китае. Южная Корея, Индия и Китай - важные рынки роста для окиси циркония. По данным отчета об исследовании рынка циркония, Азиатско-Тихоокеанский регион представляет самый большой и быстро растущий региональный рынок в мире. Компания Saint-Gobain, размещенная во Франции, является одним из самых крупных изготовителей двуокиси циркония.
Крупнейший рынок конечного использования циркония - керамика, которая включает плитки, санитарное изделие и столовую посуду. Следующие крупнейшие рынки, которые используют материалы циркония, невосприимчивые и сектора литейного завода. Циркон используется как добавка для большого разнообразия керамических продуктов, и он также используется в стеклянном покрытии в компьютерных мониторах и телевизионных панелях, поскольку материал обладает абсорбирующими радиацию свойствами. Кирпичи с добавлением циркония используются в качестве альтернативы базовым решениям с сплавленной двуокисью циркония.

Производство и потребление циркона (ZrSiO4) в мире, тыс.тонн*

год	2008	2009	2010	2011	2012
Всего производство	1300.0	1050.0	1250.0	1400.0	1200.0
Китай	400.0	380.0	600.0	650.0	500.0
Прочие страны	750.0	600.0	770.0	750.0	600.0
Всего потребление	1150.0	980.0	1370.0	1400.0	1100.0
Баланс рынка	150.0	70.0	-120.0	--	100.0
Цена COMEX	788.00	830.00	860.00	2650.00	2650.00

* Сводные данные

Рынок циркона показал резкое сокращение, которое началось в конце 2008 года и продлилось в течение 2009 года. Производители сократили объемы производства, чтобы сократить издержки и остановить накопление запасов. Потребление начало приходить в себя в конце 2009 года, ускорило рост в 2010 году, и продолжило его в 2011 году. Поставки, особенно из Австралии, где добывается более чем 40% циркониевых руд, долго не увеличивались, и другие производители были вынуждены поставить на рынок приблизительно 0,5 млн тонн своих запасов в течение 2008-2010 гг. Дефицит на рынке, вместе со снижением уровня запасов, привел к повышению цен, которое началось в начале 2009 года. К январю 2011 года австралийские премиальные цены на циркон были на рекордных уровнях после роста на 50% по сравнению с началом 2009 года и продолжили повышаться дальше в 2011-2012 гг.
В 2008 году цены на циркониевую губку выросли ввиду подорожания цирконового песка, являющегося сырьевым материалом для производства металла. Цены на промышленные сорта циркония увеличились на 7-8% - до 100 долл./кг, а на металл для ядерных реакторов - на 10% - до 70 - 80 долл. В конце 2008 года и начале 2009 года последовало некоторое снижение цен, однако уже со второй половины 2009 года цены на цирконий снова возобновили рост, приче таким образом, что средние цены на цирконий в 2009 году оказались выше, чем в 2008 году. В 2012 году цены на цирконий выросли до 110 долл./кг.

Несмотря на более низкое потребление в 2009 году, цены за циркон не падали резко, поскольку крупные производители сократили объемы производства и опустили запасы. В 2010 году производство не могло идти в ногу со спросом, прежде всего потому что китайский импорт циркона вырос на более чем на 50% в 2010 году до 0,7 млн. тонн. Спрос на циркон, как предсказывают, будет увеличиваться ежегодно на 5,4% до 2015 года, но производственные мощности могут увеличиваться только на 2,3% в год. Дополнительная поставка поэтому продолжит быть ограниченной, и цены могут продолжить расти, пока не заработают новые проекты.
Согласно отчету о научно-исследовательской работе, изданному Global Industry Analysts (GIA), глобальный рынок циркония, как ожидают, достигнет 2,6 млн метрических тонн к 2017 году. Отчет обеспечивает оценки продаж и прогнозы с 2009 по 2017 год на различных географических рынках, включая Азиатско-Тихоокеанский регион, Европу, Японию, Канаду и США.
Рост в международной промышленности ядерной энергии увеличит спрос на цирконий, так же как увеличит его производственные мощности глобально. Другие факторы роста - увеличивающийся спрос в Азиатско-Тихоокеанском регионе, а также в производстве керамической плитки по всему миру.

Сороковой элемент таблицы Менделеева был открыт в 1783 году химиком немецкого происхождения М.Г. Клапротом. Очищенный от примесей металл цирконий удалось получить только в начале 20 века. И хотя с этого момента прошло уже почти 100 лет, металл до сих пор имеет ряд неясностей, начиная с происхождения его названия и заканчивая влиянием на здоровье человека. Почему цена за 1 грамм на него уже на протяжении нескольких десятилетий продолжают расти вверх.

Нахождение в природе

Цирконий в естественных условиях встречается только в виде оксидов и силикатов. Среди них главным образом выделяют циркон, эвдиалит, бадделеит. Стоит отметить, что металл в месторождениях всегда сопровождается гафнием . Происходит это по причине схожей кристаллической решетки металлов.

Основная доля циркониевых минералов расположена в литосфере. На одну тонну земной коры приходится в среднем 210 грамм циркона. Также соединения циркония встречаются и в составе морской воды. Но концентрация его здесь намного ниже и составляет 0,05 мг на 1000 литров.

Лидерами по количеству месторождений циркония являются Австралия (циркон), ЮАР (бадделеит), чуть меньше США, Бразилия и Индия. На Россию приходится 10% от мировых запасов.

Получение

Первоначально из окислов цирконий выделяли способом «наращивания». Циркониевую полоску устанавливали на раскалённые нити вольфрама. Под воздействием температур свыше 2000 ºС металл цирконий прилипал к поверхности нагревателя, а остальные компоненты соединения сгорали.

Такой способ требовал большого количества электроэнергии и вскоре был разработан более экономичный метод Кролля. Суть его заключается в предварительном хлорировании диоксида циркония с последующим восстановлением магнием. Но развитие способов получения циркония на этом не остановилось. Спустя некоторое время в промышленности стали применять еще более дешевое щелочное и фторидное восстановление циркония из оксидов.

Цирконий э110 состав

Йодидный цирконий

Высокопластичный и с низкими характеристиками прочности. Его получают йодидным методом основанном на способности металла образовывать соединения с йодом. При этом вредные примеси легко отделяются и получается чистый металл. Из йодидного циркония делают прутки.

Цена

Основными поставщиками циркония на мировой рынок является Австралия и ЮАР. В последнее время перевес по экспорту циркона и циркониевых минералов все больше склоняется в сторону Южно-африканской республики. Главными потребителями является Евросоюз (Италия, Франция, Германия), Китай и Япония. Торговля цирконом ведется в основном в виде ферросплавов.

За последние 10 лет спрос на металл цирконий в среднем увеличивался на 5,2% в год. Производственные мощности за это время успевали подняться на чуть больше 2%. В результате, на мировом рынке сформировался постоянный дефицит циркония, что являлось предпосылом для повышения его стоимости.

Существуют 2 основные причины роста спроса на данный металл:

• Глобальное увеличение масштабов ядерной промышленности.
• Активное применение циркония в производстве керамики.

Также, некоторые специалисты считают, что частично на рост котировок циркония повлияло прекращение добычи бадделеита в Австралии.

На Российском рынке вторичного металла стоимость циркония составляет от 450 до 7500 рублей за килограмм. Чем чище металл, тем цена, соответственно, дороже.

Применение

Вышеперечисленные свойства обеспечивают цирконию обширное использование в разного рода отраслей производства. Здесь выделяются следующие сферы:

• В электротехнике циркониевый сплав с ниобием применяется в качестве сверхпроводника. Выдерживает нагрузку до 100 кА\см2. Точка перехода в сверхпроводящий режим составляет 4,2 К. Также в радиотехнической аппаратуре цирконием покрывают электронные платы с целью поглощения выделяющихся газов. Циркониевые фильтры излучения рентгеновских трубок отличаются высоким значением монохромности.
• В ядерной энергетике используется как материал оболочек ТВЭЛов (зоны, где непосредственно осуществляется деление ядер и производство теплоэнергии) и других узлов термоядерного реактора.
• Металлургия применяет цирконий как легирующий элемент. Данный металл является сильным раскислителем, превосходящим по этому показателю как марганец, так и кремний. Добавление в конструкционные металлы (сталь 45 , 30ХГСА) всего 0,5% циркония увеличивает их прочность в 1,5-1,8 раза. При этом дополнительно происходит улучшение протекание процесса обработки резанием. Циркон является основным компонентом корундовой керамики. По сравнению с шамотом, срок ее эксплуатации выше в 3-4 раза. Данный огнеупорный материал применяется в изготовлении тиглей и желобов сталелитейных печей.
• В машиностроении металл служит материалом для таких изделий как насос и трубозапорная арматура, работающих в условиях воздействия агрессивных сред.
• В пиротехнике металлы циркония используются для изготовления салютов и фейерверков. Происходит это по причине отсутствия дыма при горении, а также выделение значительного количества световой энергии.
• В химической промышленности циркон служит сырьем для кермета - металлокерамическое покрытие, обладающее повышенной износостойкостью и невосприимчивостью к кислотам.
• В оптике активно используют фианит - обработанный циркон с добавками скандия и других редкоземельных металлов. Фианиты имеют значительный угол преломления, что позволяет их применять в качестве материала для производства линз. В ювелирном деле фианит известен как синтетический заменитель бриллианта.
• В военной промышленности цирконий служит наполнителем для трассирующих пуль и осветительных ракет.

Физические и химические свойства

Цирконий - на вид металл напоминающий серебро. Плотность его составляет 6506 кг\м3. Температура плавления - 1855,3 ºС. Удельная теплоемкость колеблется в пределах 0,3 Кдж\кг С. Данный металл не отличается высокой теплопроводностью. Ее значение находится на уровне 21 Вт\м С, что ниже аналогичного показателя титана в 1,9 раза. Электросопротивление циркония составляет 41-60 мкОм см и находится в прямой зависимости от количества кислорода и азота в металле.

Цирконий имеет один из самых низких показателей поперечного захвата тепловых нейтронов (0,181 барн). По этому параметру из ныне известных металлов его обходит разве что магний (0, 060 барн).

Цирконий, как и железо, парамагнитен. Его восприимчивость к магнитному полю возрастает с увеличением температуры.

Чистый цирконий не отличается высокими механическими характеристиками. Твердость его порядка 70 единиц по шкале Виккерса. Предел прочности составляет 175 МПа, что почти в 2,5 раза ниже по сравнению с углеродистой сталью обычного качества. Предел текучести 55 МПа. Цирконий относится к числу пластичных металлов с модулем упругости 96 МПа.

Все вышеперечисленные механические свойства являются условными, т.к. их значение сильно изменяется при увеличении примесей в составе циркония.

Так, повышение содержания кислорода (до 0,4%) снижает пластичность циркония до такого состояния, что проведение ковки и штамповки становится полностью невозможным. Увеличение в составе водорода до 0,001% повышает хрупкость циркония почти в 2 раза.

Цирконий устойчив к воде и большинству щелочей и кислот. Но, как и механические характеристики, коррозионностойкость находится в прямой зависимости от засорения металла такими элементами как углерод, титан и алюминий. Металл не вступает в химическую реакцию с 50% - ми растворами серной и соляной кислоты. С азотной кислотой реагирует только при температуре свыше 95 ºС. Является единственным металлом, устойчивым к щелочам, имеющим в своем составе аммиак. При переходе отметки в 780 ºС начинается активное поглощение кислорода цирконием. С азотом данные процессы протекают медленнее, но и температура при этом тоже ниже. Всего 600 ºС.

Самым активным газом в этом отношении является водород. Его проникновение вглубь металла начинается уже при 145 ºС и сопровождается настолько обильным выделением тепла, что происходит увеличение циркония в объеме. Циркониевая пыль особенно пожароопасна из-за возможности самовоспламеняться на воздухе. Стоит отметить, что данный процесс является обратимым. Полное удаление водорода осуществляется на специальном оборудовании при температуре 800 ºС.

Лечебные свойства

Как химический элемент, не оказывает какого-либо воздействия на организм человека. Наоборот, он является одним из самых биологически инертных материалов. По этому показателю цирконий опережает такие металлы как титан и нержавеющая сталь. Всем известные циркониевые браслеты, активно рекламируемые в конце 90-х годов, в реальной практике себя не проявили. Медэкстперты доказали, что самочувствие от их использования является следствием эффекта Плацебо.

Хотя с другой стороны, известно, что ношение циркониевых сережек способствует более быстрому заживлению ранки после прокалывания уха.

Производство циркония и его сплавов, содержащих бор, требует тщательного контроля. Так как в литературе химические методы определения бора в металлическом цирконии и его сплавах описаны не были, то целью настоящей работы явилась разработка простого химического метода определения содержания бора в металлическом цирконии и его сплавах, в частности в сплавах с небольшим содержанием ниобия.
В производстве циркония йодидный метод имеет в отличие от производства титана промышленное значение.
Содержится в выбросах производств циркония, катализаторов органического синтеза.
Гафний получают только как побочный продукт производства циркония реакторного сорта. Основное его применение - изготовление регулирующих стержней в ядерных реакторах. Общее потребление не превышает в настоящее время 75 % производства. Однако исследование новых областей применения: изготовление высокотемпературных сплавов, нитей накаливания, геттеров, порошка для ламп-вспышек, детонаторов - может сущесг-венно увеличить спрос на металл. Отделение гафния от циркония - дорогостоящий процесс, причем обычно расходы по отделению распределяются поровну между стоимостью обоих металлов.
Полной аналогии в свойствах продуктов плазменно-фторидной и экстракционно-фторидной технологий производства циркония нет, поскольку в экстракционно-фторидной технологии цирконий и гафний разделяют на гидрохимической стадии с помощью экстракции. В случае использования плазменно-фторидной технологии переработки циркона при сублимационной очистке циркония от примесей, указанных в табл. 3.4, гафний в основном следует за цирконием.
Метод разделения циркония и гафния электролизом расплавов представляет интерес для производства циркония, так как одновременно с получением металлического циркония происходит очистка его от гафния.
Сырьем для получения гафния служат циркониевые концентраты или продукты и полупродукты производства циркония.
Схема получения циркония по методу Кролля на заводе в Олбани. Все эти трудности вызывают необходимость тщательной очистки реагентов, применяемых при производстве циркония и гафния, особенно от кислорода, воды и азота, и ограничивают выбор мето дов, которые можно использовать для получения этих металлов.
Аппарат для получения. Металлический гафний можно получить теми же методами, которые применяются при производстве циркония. Тетрахлорид гафния подвергают очистке перегонкой в атмосфере водорода и затем восстанавливают магнием. Очистку гафниевой губки от хлорида магния производят на установках для очистки циркониевой губки, поскольку при этой операции нет серьезной опасности для загрязнения гафния цирконием или наоборот. Губчатый гафний переплавляют в дуге и разливают в медные изложницы.
Металлический гафний получают такими же способами, которые применяются и в производстве циркония: способ Кроля, видоизмененный способ Кроля с применением натрия в качестве восстановителя и способ де Бура, или иодидный процесс.
Иодидный процесс получения мягкого, ковкого гафния аналогичен таковому, применяемому в производстве циркония, поэтому аппаратура, с помощью которой получают иодидный гафний, примерно такая же, как и в случае получения циркония. По данным , температура осаждения гафния из тетраиодида составляет 1600 С, а циркония - 1400 С.
Обстоятельное изучение процесса Кроля в применении к титану может дать возможность внести некоторые изменения и в технологическую схему производства циркония; в частности, это касается упрощения аппаратуры, сокращения ряда операций и увеличения размеров агрегатов.
Для получения более чистых порошков ниобия и тантала лучше проводить восстановление газообразных хлоридов жидким магнием аналогично тому, как это делается в производстве циркония.

В 1945 г. в США было произведено всего 0 07 кг циркония, однако начиная с 1948 г. в связи с работами по созданию атомных реакторов производство циркония резко возросло и через несколько лет достигло нескольких десятков тонн.
Залежи руд циркония, который гораздо шире распространен в природе, чем, например, бериллий, имеются, по данным зарубежной печати, в США, Индии, Бразилии, Австралии, в ряде государств Африки. Производство циркония в США с 1947 по 1958 г. возросло в 3 тыс. раз.
Благодаря высоким антикоррозионным свойствам цирконий может применяться для изготовления деталей химической аппаратуры, медицинского инструмента и в других областях техники. Однако вряд ли производство циркония так быстро достигло бы современного уровня, если бы он не обладал еще одним специфическим свойством - малым поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов.
Технология и оборудование, применяемые для получения гафния по способу Кроля, по существу такие же, как и в производстве металлического циркония. Видоизменения по сравнениюс технологическим процессом производства циркония определяются заменой или изменением отдельных аппаратов, технологических операций и сорта исходных материалов. Здесь следует иметь в виду большую чувствительность тетрахлорида гафния к атмосферной влаге, большую устойчивость гафнилхлорида и несколько большую пирофорностк свежеполученной металлической губки.
Поскольку гафний извлекают попутн при получении реакторного циркония, его производство расте пропорционально выпуску последнего, причем на 50 кг циркони; получают приблизительно 1 кг гафния. Пользуясь этим расчетом i обрывочными сведениями о производстве циркония в отдельны. По прогноза ] Горного бюро США, опубликованным в 1975 г., потребность это страны в гафнии на рубеже XX - - XXI вв.
Спектра л ь н ы и а н а л и з циркония на примеси в значительной степени затруднен из-за того, что на фоне многолинейчатого спектра циркония трудно выделить слабые линии спектров малых концентраций примесей. Этот метод позволяет также определять малые концентрации фтора в металлическом цирконии, что весьма существенно в контроле производства электролитического циркония.
Поскольку гафний извлекают попутно при получении реакторного циркония, его производство растет пропорционально выпуску последнего, причем на 50 кг циркония получают приблизительно 1 кг гафния. За текущее десятилетие (1970 - 1980 гг.) мировая мощность атомных электростанций возрастет в 5 - 8 раз, соответственно возрастет производство циркония и гафния. Ведь каждый мегаватт мощности АЭС требует от 45 до 79 кг циркония для изготовления труб и других деталей. Кроме того, 25 - 35 % циркониевых труб в действующих реакторах необходимо ежегодно заменять. В результате для этих целей уже в середине 70 - х годов будет расходоваться примерно столько же циркония, как и для новых реакторов.
Фторидно-сублимационная технология очистки тетрафто-рида циркония от фторидов Al, Ca, Cu, Fe, Mg была хорошо освоена в СССР в 80 - х годах на Приднепровском химическом заводе при разработке и освоении экстракционно-фторидной технологии производства ядерно-чистого циркония.
Са, Си, Fe, Mg, Th) находится в виде фторидной композиции, получаемой при сублимационной очистке циркония. При крупнотоннажном плазменном производстве циркония и кремния накопленная масса этих отходов может стать со временем значительной; для их переработки можно использовать плазменные и частотные технологии извлечения указанных компонентов в виде дисперсных оксидов или металлов (см. гл.
При переработке 1 т циркона и извлечении из него циркония и кремния в виде фторидов в отходах остаются 4 6 кг А1; 0 1 кг Са; 0 4 кг Си; 1 3 кг Fe; 1 1 кг Mg; 0 3 - 0 4 кг Th; 0 3 - 0 4 кг U; 0 3 кг Ti; т.е. 8 6 кг металлов, из которых основная часть (А1, Са, Си, Fe, Mg, Th) находится в виде фторидной композиции, получаемой при сублимационной очистке циркония. При крупнотоннажном плазменном производстве циркония и кремния накопленная масса этих отходов может стать со временем значительной; для их переработки можно использовать плазменные и частотные технологии извлечения указанных компонентов в виде дисперсных оксидов или металлов (см. гл.
В 1945 г. в США было произведено всего 0 07 кг циркония, однако начиная с 1948 г. в связи с работами по созданию атомных реакторов производство циркония резко возросло и через несколько лет достигло нескольких десятков тонн. В результате технология производства циркония, который несколько лет назад был редкостью, ныне более прогрессивна, чем технология получения многих других металлов, известных и применяющихся уже в течение десятилетий.
По принципу нагрева вакуумные дуговые печи относятся к дуговым печам прямого действия. Вакуумные дуговые печи являются одним из новых видов электротермического оборудования. Появление их вызвано увеличением производства циркония, титана, молибдена и некоторых других тугоплавких и химически активных материалов.
Но и в этом случае он не может быть применен без предварительной химической очистки (см. раздел 15.5) от всегда сопутствующего ему в природе элемента гафния, обладающего сходными с цирконием химическими свойствами. Гафний, извлекаемый в производстве циркония реакторного сорта, является отличным материалом для изготовления регулирующих стержней реактора.
Гафний находится в IV группе периодической системы элементов Д. И. Менделеева и входит в подгруппу титана. Он относится к рассеянным элементам, не имеющим собственных минералов; в природе сопутствует цирконию. В настоящее время его получают в виде побочного продукта при производстве циркония. По химическим и физическим свойствам гафний близок к цирконию, но значительно отличается от последнего по ядерным свойствам.
В химической промышленности молибден используют в виде прокладок и болтов для горячего ремонта (заправки) футерованных стеклянной плиткой сосудов, применяющихся при работе с серной кислотой и кислыми средами, в которых происходит выделение водорода. В изделиях, работающих в серной кислоте, применяют также молибденовые термопары и вентили, а молибденовые сплавы служат в качестве футеровки реакторов в установках, предназначенных для производства и-бутилхлорида путем реакций с участием соляной и серной кислот при температурах, превышающих 170 С. К числу разнообразных применений, в которых используется молибден, относят также процессы жидкофазного гидрохлорирования, производства циркония и сверхчистого тория.

За государственной границей остались предприятия, на которых созданы пилотные и промышленные установки, работающие по новым электротехнологиям. Например, наУльбинском металлургическом заводе (Казахстан) осталась промышленная установка по плазменной конверсии обогащенного по изотопу U-235 гексафторида урана на оксиды урана для изготовления оксидного ядерного топлива и плавиковую кислоту ; на Приднепровском химическом заводе (Украина) - промышленное оборудование для производства циркония и гафния из фторидного сырья по технологии холодный тигель; в НИИ стабильных изотопов (Грузия) - пилотная высокочастотная установка по получению изотопно-обогащенного (по изотопу В-10) карбида бора методом прямого индукционного нагрева; высокочастотная установка такого же типа осталась в НПО Порошковой металлургии в Белоруссии. Не лучшим образом обстоят дела и на предприятиях, оставшихся в РФ.
За государственной границей остались предприятия, на которых созданы пилотные и промышленные установки, работающие по новым электротехнологиям. Например, на Ульбинском металлургическом заводе (Казахстан) осталась промышленная установка по плазменной конверсии обогащенного по изотопу U-235 гексафторида урана на оксиды урана для изготовления оксидного ядерного топлива и плавиковую кислоту ; на Приднепровском химическом заводе (Украина) - промышленное оборудование для производства циркония и гафния из фторидного сырья по технологии холодный тигель; в НИИ стабильных изотопов (Грузия) - пилотная высокочастотная установка по получению изотопно-обогащенного (по изотопу В-10) карбида бора методом прямого индукционного нагрева; высокочастотная установка такого же типа осталась в НПО Порошковой металлургии в Белоруссии. Не лучшим образом обстоят дела и на предприятиях, оставшихся в РФ.
Рассеянные редкие металлы объединены по признаку рассеяния их в земной коре. Обычно рассеянные элементы находятся в виде изоморфной примеси в решетках других минералов и извлекаются попутно из отходов металлургич. Ga - из отходов алюминиевого производства, In - из отходов производства цинка и свинца, Т1 - из пылей обжига различных сульфидных концентратов, Ge - из от-ходов цинкового и медного производств, а также отходов переработки углей, Re - из полупродуктов молибденового производства, Ш извлекают попутно в производстве циркония. Рассеянные элементы Se и Те, встречающиеся как примеси в различных природных сульфидах, извлекаются либо из отходов сернокислотного производства, либо при металлургич.
Сырьевая база циркония включает два богатых им минерала - циркон и бадделеит, содержащие 45 6 % и 69 1 % циркония соответственно. В этих минералах цирконию сопутствует гафний - металл, имеющий высокое сечение поглощения тепловых нейтронов. Поэтому любая технология выделения и аффинажа циркония предусматривает очистку его от гафния. В начале 80 - х годов в СССР была создана новая технология производства циркония, включающая спекание циркона с карбонатом натрия, последующее выщелачивание силиката натрия, растворение циркония в азотной кислоте, экстракционное отделение от гафния и аффинаж:; затем цирконий реэкстрагируют и доводят технологический цикл до производства тетрафторида циркония, из которого при кальцийтермической плавке восстанавливают цирконий. Полученный цирконий направляют на производство сплавов для изготовления труб ТВЭЛов.
Сырьевая база циркония включает два богатых им минерала - циркон и бадделеит, содержащие 45 6 % и 69 1 % циркония соответственно. В этих минералах цирконию сопутствует гафний - металл, имеющий высокое сечение поглощения тепловых нейтронов. Поэтому любая технология выделения и аффинажа циркония предусматривает очистку его от гафния. В начале 80 - х годов в СССР была создана новая технология производства циркония, включающая спекание циркона с карбонатом натрия, последующее выщелачивание силиката натрия, растворение циркония в азотной кислоте, экстракционное отделение от гафния и аффинаж; затем цирконий реэкстрагируют и доводят технологический цикл до производства тетрафторида циркония, из которого при кальцийтермической плавке восстанавливают цирконий. Последующая технология включает электронно-лучевой аффинаж. Полученный цирконий направляют на производство сплавов для изготовления труб ТВЭЛов.
Цирконий соответственно строению электронной оболочки и, следовательно, своему месту в периодической системе элементов Д. И. Менделеева является аналогом титана в физико-химическом отношении. Для металла циркония это выражается в подобии его титану в отношении физических, механических, технологических, коррозионных свойств и характера образуемых сплавов. Поэтому в последние 15 - 20 лет происходит широкое освоение циркония: разработка методов получения и осуществление производства циркония высокой чистоты, детальное исследование его свойств и сплавов.
Для карботермического восстановления урана из оксидного сырья можно использовать технику и технологию холодного тигля, основанную на прямом частотном индукционном нагреве шихты UsOg xCj при котором используется ее собственная или индуцированная проводимость. Высокочастотная технология холодного тигля разработана в настоящее время применительно к синтезу бескислородной керамики (карбиды, нитриды и различные керамические композиции; см. гл. В главах 7, 8 и 14 показаны схемы индукционных установок и металлургических печей для синтеза бескислородных керамических материалов, для плавки и рафинирования металлов в дискретном и непрерывно-последовательном режимах по технологии холодный тигель. Эта технология и разработанная техника могут быть, в принципе, использованы в крупномасштабной технологии карботермического восстановления урана из оксидного сырья, однако необходимо проведение НИОКР для решения технологических и аппаратурных проблем. В результате комплекса НИОКР, проведенных в 70 - 80 - х годах, в настоящее время арсенал плазменного и частотного оборудования стал значительно богаче. Так, в 80 - х годах появилось металлургическое оборудование типа холодный тигель, работающее на частоте несколько килогерц, применяемое для производства циркония, гафния, редких и редкоземельных металлов, включая скандий; появились металлодиэлектрические реакторы, прозрачные к электромагнитному излучению в области радиочастот, используемые для высокотемпературных синтезов бескислородной керамики, для плавления оксидной керамики и даже для остекловывания радиоактивных отходов. Кроме того, проведены НИОКР по созданию комбинированного плазменно-частотного оборудования для решения химико-технологических и металлургических проблем, для некоторых металлургических приложений оборудование мегаваттной мощности уже создано и нашло практическое применение. Результаты этих НИОКР будут изложены в последующих главах; очень вероятно, что такое оборудование будет использовано и для внедрения в промышленное производство технологии карботермического восстановления урана из оксидного сырья.
Для карботермического восстановления урана из оксидного сырья можно использовать технику и технологию холодного тигля, основанную на прямом частотном индукционном нагреве шихты UsOg хС, при котором используется ее собственная или индуцированная проводимость. Высокочастотная технология холодного тигля разработана в настоящее время применительно к синтезу бескислородной керамики (карбиды, нитриды и различные керамические композиции; см. гл. В главах 7, 8 и 14 показаны схемы индукционных установок и металлургических печей для синтеза бескислородных керамических материалов, для плавки и рафинирования металлов в дискретном и непрерывно-последовательном режимах по технологии холодный тигель. Эта технология и разработанная техника могут быть, в принципе, использованы в крупномасштабной технологии карботермического восстановления урана из оксидного сырья, однако необходимо проведение НИОКР для решения технологических и аппаратурных проблем. В результате комплекса НИОКР, проведенных в 70 - 80 - х годах, в настоящее время арсенал плазменного и частотного оборудования стал значительно богаче. Так, в 80 - х годах появилось металлургическое оборудование типа холодный тигель, работающее на частоте несколько килогерц, применяемое для производства циркония, гафния, редких и редкоземельных металлов, включая скандий; появились металлодиэлектрические реакторы, прозрачные к электромагнитному излучению в области радиочастот, используемые для высокотемпературных синтезов бескислородной керамики, для плавления оксидной керамики и даже для остекловывания радиоактивных отходов. Кроме того, проведены НИОКР по созданию комбинированного плазменно-частотного оборудования для решения химико-технологических и металлургических проблем, для некоторых металлургических приложений оборудование мегаваттной мощности уже создано и нашло практическое применение. Результаты этих НИОКР будут изложены в последующих главах; очень вероятно, что такое оборудование будет использовано и для внедрения в промышленное производство технологии карботермического восстановления урана из оксидного сырья.