Производство

Главным сырьевым источником промышленного производства металлического циркония является минерал циркон ZrSiO4.

Основные методы получения металлического циркония можно разделить на три группы: 1) методы восстановления; 2) методы термической диссоциации и 3) электролитические методы.

Прежде всего, циркониевые руды проходят этап обогащения, для чего применяется гравитационный способ с очисткой концентрата электростатической и магнитной сепарацией. Металлический цирконий производят из его соединений, которые получают разложением концентрата. При этом возможны следующие варианты:

а) спекание с известью или карбонатом кальция с добавлением CaCl2 при температурах свыше 1100° С:

ZrSiO4 + ЗСаО = CaZrO3 + Ca2SiO4

б) спекание с содой при температуре более 1000° С или сплавление с едким натром (температура должна быть выше 500° С):

ZrSiO4 + 2Na2CO3 = Na2ZrO3 + Na2SiO3 + 2CO2

Из сплава или спека, произведенных щелочным вскрытием, прежде всего, убирают соединения кремния выщелачиванием водой или разбавленной соляной кислотой, после чего остаток разлагают соляной или серной кислотами. В результате получаются оксихлорид и сульфаты соответственно.

в) спекание с фторосиликатом калия при температурах близких к 1000° С:

ZrSiO4 + K2SiF6 = K2ZrF6 + 2SiO2

Получившийся фторцирконатный спек прогревают и омывают подкисленной водой, фторцирконат калия переходит в воду, при охлаждении раствора большая часть (75-90 %) его выделяется.

г) хлорирование с углем при температуре около 1000° С, при этом возможна предварительная карбидизация при температуре от 1700 до 1800° С, предназначенная для удаления большей части кремния в виде легколетучего оксида (SiO). В результате получается хлорид циркония ZrCl4, который возгоняется и усиливается.

Из полученных кислых растворов выделяются соединения циркония по следующим методам:

а) гидролитическое осаждение основных сульфатов циркония хZrO2•ySO3•zH2O из сернокислых или солянокислых растворов;

б) кристаллизация оксихлорида циркония ZrOCl2•8H2O при выпаривании солянокислых растворов;

в) кристаллизация сульфата циркония Zr(SO4)2 при добавлении концентрированной серной кислоты или при выпаривании сернокислых растворов. В результате прокаливания сульфатов и хлоридов получают ZrO2.

Все соединения циркония, полученные из концентратов, всегда содержат гафний. Очищение циркония от него довольно трудоемкий и дорогостоящий процесс. Цирконий отделяется от своего постоянного спутника фракционной кристаллизацией K2ZrF6, экстракцией из кислых растворов органических растворителями (например, трибутилфосфатом), ионообменными методами, избирательным восстановлением тетрахлоридов (ZrCl4 и HfCl4).

Существует метод «наращивания», разработанный голландскими учеными ван Аркелем и де Буром. Он заключается в том, что летучее соединение (тетрайодид циркония ZrI4) подвергается термическому распаду в вакууме и на раскаленной нити вольфрама откладывается чистый металл. В двадцатых годах прошлого века этот метод был широко распространен, но высокая стоимость циркония, полученного этим методом, сильно ограничивала области его применения. Поэтому появилась необходимость в разработке нового, более дешевого способа получения циркония. Таким способом стал усовершенствованный метод Кроля. Схема этого производства предусматривает две основные стадии: двуокись циркония хлорируется, а полученный четыреххлористый цирконий восстанавливается металлическим магнием под слоем расплавленного металла. Конечный продукт — циркониевая губка переплавляется в прутки и в таком виде направляется потребителю.

Физические свойства

В свободном металлическом виде цирконий был выделен, как мы знаем, давно — в 1824 году шведским химиком Иенсом Берцелиусом. Получить же элемент высокой степени чистоты не удавалось в течение долгих десятилетий, именно поэтому изучить физические свойства этого металла не представлялось возможным. Только в середине двадцатого века ученым удалось получить цирконий свободный от примесей. Выяснилось, что в цирконии, порой в очень больших количествах, присутствует гафний – постоянный спутник этого металла, который ранее не был замечен из-за сходных с цирконием химических свойств.

Чистый цирконий имеет облик типичного металла — блестящий серебристо-серый цвет, напоминающий сталь, но отличающийся от нее большей прочностью и пластичностью. Причем последнее качество, как заметили металлурги, напрямую зависит от количества содержащегося в цирконии кислорода. Так, если в расплавленный жидкий цирконий попадает более 0,7 % кислорода, то металл будет хрупким из-за образования твердых растворов кислорода в цирконии, свойства которых сильно отличаются от свойств чистого металла. Такое же действие оказывают примеси азота, углерода и водорода. Плотность чистого циркония при 20 ° C составляет 6,45 г/см3, твердость по Бринеллю 640-670 Мн/м2 или 64-67 кгс/мм2. На твердость большое влияние имеет присутствие примесей (особенно кислорода), которые повышают твердость циркония, снижая его хрупкость. Так при содержании кислорода более 0,2 % цирконий не поддается холодной обработке давлением. Предел прочности циркония при растяжении 253 Мн/м2 или 25,3 кгс/мм2, модуль упругости при 20° С = 97 Гн/м2 или 9700 кгс/мм2.

Цирконий — металл высоких температур: температура плавления (tпл) высокочистого циркония 1845° C, температура кипения (tкип) 3580-3700° C. Двуокись же циркония ZrO2 — одно из самых тугоплавких веществ природы. Она плавится при температуре 2680° С! Такие свойства металла и его диоксида обусловили их применение в металлургии: легирование жаропрочных и жаростойких сталей цирконием, использование ZrO2 в изготовлении огнеупоров.

К выше приведенным тепловым характеристикам циркония стоит добавить следующие: удельная теплоёмкость в температурном коридоре 25-100° С = 0,291 кДж/(кг∙К) или 0,0693 кал/(г∙°С); коэффициент теплопроводности при 50° С = 20,96 вт/(м∙К) или 0,050 кал/(см∙сек∙°С); температурный коэффициент линейного расширения при температурах 20-400° С = 6,9∙10-6. Температура перехода в состояние сверхпроводимости 0,7К.

Для металлического циркония характерны две аллотропные модификации: α-модификация, имеющая гексагональное строение и устойчивая при температурах ниже 863° C и β-модификация, имеющая решетку пространственно центрированного куба и устойчивая при температуре выше 863° C. Таким образом переход α-модификации в β-модификацию происходит при этой пограничной температуре 863° C. Причем добавки алюминия, свинца, олова и кадмия повышают температуру перехода из одного состояния в другое, а добавки железа, хрома, никеля, молибдена, меди, титана и некоторых других металлов — понижают.

Удельное электрическое сопротивление циркония высокой степени чистоты при температуре 20° С = 44,1 мком∙см. Цирконий парамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость увеличивается при нагревании металла. Так при температуре -73° C удельная магнитная восприимчивость циркония равна 1,28° C, а при 327° C — 1,41° C.

Наиболее ценное свойство чистого циркония — малое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов (0,18 барна). Оно намного меньше, чем у других металлов — железо (2,53 барна), никель (4,60 барна) или медь (3,69 барна). Хотя многие более дешевые металлы имеют сечение захвата такого же порядка: у олова 0,65 барна, у алюминия – 0,22 барна, а у магния и того меньше – всего 0,06 барна. Однако все перечисленные металлы легкоплавки и нежаропрочны в отличие от циркония. Поэтому именно этот металл используется как конструкционный при строительстве реакторов.

Химические свойства

Одно из самых замечательных свойств циркония — это его высокая коррозионная стойкость по отношению ко многим агрессивным средам. По способности сопротивляться коррозии цирконий превосходит такие стойкие металлы, как ниобий и титан. При обычных условиях цирконий инертен по отношению к атмосферным газам и воде, не реагирует с соляной и серной (концентрацией до 50 %) кислотами. При проведении опытов было установлено, что нержавеющая сталь теряет в пятипроцентной соляной кислоте при 60° С примерно 2,6 миллиметра в год, титан — около 1 миллиметра, а цирконий — в 1000 раз меньше. Самое большое сопротивление цирконий оказывает щелочам, это единственный металл стойкий в щелочах, содержащих аммиак. По сопротивлению агрессивным средам цирконию уступает даже тантал — один из самых мощнейших борцов с коррозией.

Такая сопротивляемость легко объясняется химическими свойствами циркония, а точнее образованием защитной оксидной пленки на его поверхности, которая предохраняет металл от дальнейшего разрушения. Чтобы полностью окислить цирконий придется нагреть его до 700° C, только тогда пленка частично разрушится, частично растворится в металле. Получается, что именно температура в 700° C — граница, за которой заканчивается химическая стойкость элемента под номером 40. Но и до этой границы цирконий при нагреве уже до 300° C и выше начинает активнее реагировать с кислородом и прочими составляющими атмосферы. В итоге, образуя с водяными парами двуокись и гидрид, с углекислым газом — карбид и двуокись, с азотом — нитрид циркония. До этой же температуры цирконий надежно защищен окисной пленкой, которая гарантирует высокую химическую стойкость циркония.

И все же цирконий взаимодействует с кислотами, это происходит, если возможно образование анионных комплексов. Так при температуре выше 100° C он взаимодействует со смесью азотной и плавиковой кислот и царской водкой:

3Zr + 4HNO3 + 18HF = 3H2[ZrF6] + 4NO + 8H2O

3Zr + 4HNO3 + 18HCl = 3H2[ZrCl6] + 4NO + 8H2O

Растворяется в плавиковой и горячей концентрированной (выше 50 %) серной кислотах:

Zr + 6HF = H2[ZrF6] + 2H2

Совершенно иначе на воздухе ведет себя цирконий в виде стружки или порошка. В отличие от компактного металлического циркония эти пироморфные вещества легко самовоспламеняются на воздухе уже при комнатных температурах. Такой процесс является экзотермическим и происходит с большим выделением теплоты. Пылевидный цирконий в смеси с воздухом способен взрываться.

Необычно взаимодействие циркония и с водой. Большинство металлов при контакте с водой подвергаются гальванической коррозии, которая заключается в переходе их катионов в воду.

Цирконий же, как и при реакции на кислород, взаимодействуя с водой, покрывается защитной пленкой, которая не растворима. Таким образом, благодаря свойствам своей защитной пленки цирконий защищен от водной коррозии.

При нагревании цирконий начинает взаимодействовать с газами. Так при температурах выше 800° C компактный цирконий начинает активно поглощать кислород:

Zr + O2 = ZrO2

С азотом цирконий начинает взаимодействовать при температурах 700-800° C с образованием нитрида: ZrN.

При температуре выше 300° C цирконий начинает поглощать водород, образуя твердый раствор и гидриды ZrH и ZrH2. При 1200-1300° С в вакууме гидриды диссоциируют и весь водород может быть удален из металла.

При нагреве цирконий также начинает реагировать с неметаллами. При температуре выше 900° С происходит взаимодействие с углеродом с образованием карбида ZrC. С хлором, йодом и бромом цирконий реагирует уже при 200° С, образуя высшие галогениды ZrX4 (где X — галоген). С фтором взаимодействие происходит при обычной температуре