Zirkonium är en silvervit -vit, passiverande metall vars ytfilm är tillräckligt tät för att motstå de flesta organiska och oorganiska syror, starka alkalier, smälta salter och vatten med hög- temperatur. Den filmen är anledningen till att zirkoniumlegeringar väljs för kemiska anläggningar, och metallens tvärsnitt med mycket låg neutronabsorption- är anledningen till att de väljs för kärnbränslekapsling. Samma element utgör också grunden för en stor familj av eldfasta och kemiska produkter som härrör från zirkonsand och zirkoniumoxid.
Fysiska och metallurgiska egenskaper
| Egendom | Typiskt värde eller beteende |
|---|---|
| Utseende | silvervit metall |
| Densitet | ca 6,5 g/cm3 |
| Smältpunkt | ca 1855 grader |
| Ytfilm | tät passiv oxid, själv-reparerande i luft och vatten |
| Duktilitet | stark plasticitet; lätt formas till platta, rör och tråd |
| Gasaffinitet | absorberar syre, väte och kväve vid förhöjd temperatur |
| Överflöd | 19:e vanligaste grundämnet i jordskorpan, nära krom |
Vid mycket hög temperatur reagerar zirkonium med många metalliska och icke-metalliska element för att bilda fasta lösningar och föreningar. Detta getterbeteende är användbart inom vakuumteknik och gör zirkonium till ett kandidatmaterial för vätelagring, eftersom det absorberar väte lätt och släpper ut det igen när det värms upp eller när vätetrycket faller. Samma affinitet innebär att smältning och svetsning måste utföras under vakuum eller inert gas för att undvika upptagning av syre och kväve.
Korrosionsbeständighet och dess gränser
Zirkonium är mer korrosionsbeständigt än titan i många miljöer, vilket är anledningen till att det förekommer i aggressiva kemikalier. Det bör dock inte väljas för media som attackerar den passiva filmen:
fluorvätesyra och fluorid-lösningar;
koncentrerad svavelsyra och koncentrerad fosforsyra;
regiavatten och bromvatten;
vått klor och oxiderande klorider såsom koppar(III)klorid och järn(III)kloridlösningar.
Utanför dessa undantag hanterar zirkoniumutrustning de flesta organiska syror, mineralsyror i måttlig koncentration och temperatur, alkalier, smälta salter och hög-temperaturvatten, och det är vanligt i värmeväxlare, reaktorer, kolonner, pumpar och rörledningar där kontaminering av korrosionsprodukter måste undvikas.
Legeringskvaliteter och produktformer
Kommersiellt rent zirkonium används för kemisk processutrustning, medan zirkonium-tennlegeringar som Zr-2 och Zr-4, som omfattas av bruksproduktspecifikationer som ASTM B352 för plåt, plåt och remsa, ASTM B353 för sömlösa och svetsade rör och ASTM B550 för stång och tråd, används för stång och tråd. Legeringar med niob väljs där förbättrad korrosionsprestanda eller styrka krävs. Tillgängliga former inkluderar plåt, plåt, remsa, sömlösa och svetsade rör, stång, tråd och smide, tillverkade av zirkoniumsvamp genom vakuumsmältning och efterföljande varm- och kallbearbetning med kontrollerad mellanglödgning. Syrehalten är den viktigaste specifikationspunkten, eftersom den styr styrka och duktilitet.
Huvudapplikationsfält
Kärnenergi.Zirkoniumlegeringar med ett tvärsnitt med mycket låg termisk neutronabsorption- är standardbeklädnad och strukturmaterial för bränslestavar, där de måste innehålla bränsle, överföra värme effektivt och hålla sig dimensionsstabila under bestrålning.
Kemisk och metallurgisk utrustning.Zirkoniumplåt, rör och tråd tillverkas till värmeväxlare, kärl, foder och inre delar för korrosiv användning, och zirkonium tillsätts till vissa legeringar för att förbättra korrosionsbeteendet och för att fungera som en spannmålsraffinör.
Eldfasta material, gjuteri och keramik.Zirkon och zirkoniumoxid förbrukas i stora volymer som zirkoniumoxid-baserade eldstenar, precisionsgjutsand och formbeläggningar och i keramik, emalj och glas, där de ökar eldfasthet och kemisk hållbarhet.
Zirkoniumkemikalier.Zirkoniumdioxid, zirkoniumoxiklorid, zirkoniumsulfat, natriumzirkonat och kaliumfluorozirkonat framställs av zirkonsand och används i katalysatorer, ytbehandling, pigment, textil- och pappersbearbetning och annan specialkemi.
Vanliga frågor
F: Vad används zirkoniumlegering till?
De huvudsakliga användningsområdena är kärnbränslekapsling och strukturella komponenter, korrosionsbeständig -kemisk processutrustning som värmeväxlare och reaktorer, legeringstillsatser och ett brett utbud av eldfasta material, gjutsand och zirkoniumkemikalier.
F: Vad är smältpunkten och densiteten för zirkonium?
Zirkonium smälter vid cirka 1855 grader och har en densitet på cirka 6,5 g/cm3, med ett silvervitt-utseende.
F: Vilka kemikalier angriper zirkonium?
Fluorvätesyra, koncentrerad svavelsyra och fosforsyra, aqua regia, bromvatten, vått klor och oxiderande klorider såsom koppar(III)- och järnkloridlösningar angriper alla den passiva filmen, så zirkonium väljs inte för dessa uppgifter.
F: Är zirkonium mer korrosionsbeständigt än titan?
I många sura och alkaliska miljöer motstår zirkonium korrosion bättre än titan, vilket är anledningen till att det är valt för svår kemisk service trots sin högre kostnad.
F: Varför används zirkonium i kärnreaktorer?
Den kombinerar ett tvärsnitt med mycket låg termisk neutronabsorption-med god hållfasthet, duktilitet och korrosionsbeständighet i vatten med hög-temperatur, vilket gör det till standardmaterialet för bränslekapsling.
F: Vad är skillnaden mellan Zr-2 och Zr-4?
Båda är zirkonium-tennlegeringar som används inom kärnkraft; de skiljer sig i legeringstillsatser, och Zr-4 utvecklades för att minska väteupptagningen under tryckvattenreaktorförhållanden.
