Сплавы с цирконием
Цирконий и его свойства
Цирконий — химический элемент, который находится в периодической системе под номером 40. В природе в чистом виде не встречается. Металл имеет серебристо-серый цвет. Его молярная масса равна 91,22 а.е.м. Различают две кристаллические модификации металла: α-Zr и β-Zr. Цирконий α модификации обладает высокой температурой плавления — 1855 °C. Его расплав закипает при 4409 °C, плотность металла составляет 6,52 г/см3. Химические способности обусловлены внешней электронной конфигурацией атома циркония. Наиболее характерная степень окисления — +4. Но он может проявлять и другие значения (+2, +3), образуя соединения с галогенами. С кислородом реакция начинается при температуре от 200 °C. С ее повышением увеличивается скорость протекания процесса.
Начиная от 800 °C, взаимодействие происходит достаточно бурно. Но если металл находится в порошкообразном состоянии, процесс окисления проходит при обычной температуре. В результате образуется соединение ZrO2. Этот оксид представляет порошок белого цвета и обладает амфотерными свойствами. Известны оксиды со степенью окисления +2 и +3. Цирконий взаимодействует с азотом и серой, образуя нитрид ZrN и сульфид ZrS2. При достижении 900 °C он реагирует с углеродом, в результате получается карбид ZrC. Примерно в таких же условиях цирконий взаимодействует с кремнием, образуя силициды разного состава. Особой прочностью обладает Fe2Zr. Его температура плавления примерно 1800 °C.
Применение циркония в металлургии
В этой отрасли цирконий используется в качестве легирующей добавки. Небольшое количество увеличивает механические свойства сталей, улучшает процесс обработки. Химическая способность циркония связывать в прочные соединения, присутствующих в виде газов азот и серу, уменьшает их отрицательное действие. В результате сталь сохраняет пластичность. Вводят его в расплав стали в виде трехкомпонентных соединений (железо, кремний, цирконий и алюминий, кремний, цирконий).
Получение сплавов с цирконием
Соединения циркония считаются распространенными в земной коре. Массовая доля составляет 0,02 %. В морской воде его содержание — 5∙10 -2 мкг/дм3. Цирконий относится к рассеянным элементам, тем не менее, известно примерно 40 минералов с его присутствием. В основном это соли и оксиды. Чаще всего встречается циркон ZrSiO4, бадделеит ZrO2 и другие вещества с более сложным химическим составом. Например: эвдиалит. Перед применением в промышленном производстве требуется выполнить процесс обогащения исходной руды.
Полупродукт с содержанием до 30 % циркония выплавляют в печи. Для восстановления применяют углеродсодержащие вещества. Например: древесный уголь. Шихта состоит из концентрата, кварца и восстановителя. Минусом этого способа является загрязнение углеродом. Чтобы получить продукт без этой примеси плавку ведут металлотермическим способом. В качестве восстановителя используют алюминиевый порошок и кремний. Химизм процесса можно описать уравнением:
(ZrO2) + 4/3 [Al] = 2/3 (Al2O3) + [Zr].
Добавки оксидов кремния и железа переводят оксид циркония в расплав, что способствует его восстановлению.
Алюминотермическая плавка потребует для проведения концентрат (примерное содержание ZrO2 — 63 %), алюминиевый порошок, ферросилиций. Последний подвергают измельчению. Концентрация основного вещества 45 % и 75 %.
Дополнительно используют высушенную железную руду и известь. Их количество рассчитывают по отношению к массе концентрата, и оно составляет соответственно 50 % и 40 %. Процесс проводят в печи, оборудованной угольной футеровкой. На первой стадии происходит разогрев печи с запалом, состоящим из концентрата, алюминия, железной руды и извести. (Соответствующие цифры 100, 70, 15 и 30 кг). Его вводят порциями.
Таким образом, проплавляют рудную составляющую шихты. На следующем этапе на поверхность расплава добавляют восстановительную часть, состоящую из 430 кг концентрата, 135 кг железной руды, 90 кг ферросилиция (концентрация 75 %), 570 кг алюминия и 60 кг извести.
Чтобы обеспечить полное осаждение корольков время выдержки увеличивают на 10 минут. После этого происходит разлив в изложницы. Шлак, полученный в ходе процесса, имеет в своем составе оксиды: циркония (IV) 10 %, титана (IV) 1,3 %, алюминия (III) 60,7 %, кальция 22,4 %, магния 3,4 %, железа (II) 0,53 %. Остывший сплав подвергают дроблению. Масса кусков 10 кг. После этого их очищают и упаковывают в специальную тару. Отходы отправляют обратно в производство. Чтобы выплавить 1000 кг сплава с содержанием циркония 40 % понадобится 1100 кг концентрата, содержащего 60 % оксида циркония (III). Процент извлечения составляет 83 %.
При одностадийном процессе алюминотермическим способом рекомендованы коэффициенты расчета для определения перехода элементов в готовый сплав. Их значения следующие: цирконий 50%, титан 80 %, кремний 90 %, железо 99 % и фосфор 100 %. Оставшиеся после расхода на восстановление, 80 % алюминия переходит в сплав. В этом случае запал готовят из концентрата, железной руды, крупки из алюминия, извести и селитры. (Соответствующие массы — 75, 12, 55, 25, 22 кг).
Восстановительная часть включает в себя 480 кг оксида циркония (IV). Содержание основного компонента не менее 93 %, примеси в виде диоксида кремния не более 3,0 %. Кроме этого, в нее входит 720 кг железной руды и 150 кг крупки из алюминия. После проплавления используют осадитель. Он состоит из железной руды (175 кг), алюминиевой крупки (77 кг) и извести (100 кг). Время выдержки находится в пределах от 10 до 45 минут. Чтобы получить 1000 кг сплава используют 420 кг оксида циркония (IV), 620 кг крупки из алюминия, 1800 кг железной руды, 30 кг селитры и 410 кг извести. В этом случае извлечение циркония 45 %.
Цирконий — химический элемент, который находится в периодической системе под номером 40. В природе в чистом виде не встречается. Металл имеет серебристо-серый цвет. Его молярная масса равна 91,22 а.е.м. Различают две кристаллические модификации металла: α-Zr и β-Zr. Цирконий α модификации обладает высокой температурой плавления — 1855 °C. Его расплав закипает при 4409 °C, плотность металла составляет 6,52 г/см3. Химические способности обусловлены внешней электронной конфигурацией атома циркония. Наиболее характерная степень окисления — +4. Но он может проявлять и другие значения (+2, +3), образуя соединения с галогенами. С кислородом реакция начинается при температуре от 200 °C. С ее повышением увеличивается скорость протекания процесса.
Начиная от 800 °C, взаимодействие происходит достаточно бурно. Но если металл находится в порошкообразном состоянии, процесс окисления проходит при обычной температуре. В результате образуется соединение ZrO2. Этот оксид представляет порошок белого цвета и обладает амфотерными свойствами. Известны оксиды со степенью окисления +2 и +3. Цирконий взаимодействует с азотом и серой, образуя нитрид ZrN и сульфид ZrS2. При достижении 900 °C он реагирует с углеродом, в результате получается карбид ZrC. Примерно в таких же условиях цирконий взаимодействует с кремнием, образуя силициды разного состава. Особой прочностью обладает Fe2Zr. Его температура плавления примерно 1800 °C.
Применение циркония в металлургии
В этой отрасли цирконий используется в качестве легирующей добавки. Небольшое количество увеличивает механические свойства сталей, улучшает процесс обработки. Химическая способность циркония связывать в прочные соединения, присутствующих в виде газов азот и серу, уменьшает их отрицательное действие. В результате сталь сохраняет пластичность. Вводят его в расплав стали в виде трехкомпонентных соединений (железо, кремний, цирконий и алюминий, кремний, цирконий).
Получение сплавов с цирконием
Соединения циркония считаются распространенными в земной коре. Массовая доля составляет 0,02 %. В морской воде его содержание — 5∙10 -2 мкг/дм3. Цирконий относится к рассеянным элементам, тем не менее, известно примерно 40 минералов с его присутствием. В основном это соли и оксиды. Чаще всего встречается циркон ZrSiO4, бадделеит ZrO2 и другие вещества с более сложным химическим составом. Например: эвдиалит. Перед применением в промышленном производстве требуется выполнить процесс обогащения исходной руды.
Полупродукт с содержанием до 30 % циркония выплавляют в печи. Для восстановления применяют углеродсодержащие вещества. Например: древесный уголь. Шихта состоит из концентрата, кварца и восстановителя. Минусом этого способа является загрязнение углеродом. Чтобы получить продукт без этой примеси плавку ведут металлотермическим способом. В качестве восстановителя используют алюминиевый порошок и кремний. Химизм процесса можно описать уравнением:
(ZrO2) + 4/3 [Al] = 2/3 (Al2O3) + [Zr].
Добавки оксидов кремния и железа переводят оксид циркония в расплав, что способствует его восстановлению.Алюминотермическая плавка потребует для проведения концентрат (примерное содержание ZrO2 — 63 %), алюминиевый порошок, ферросилиций. Последний подвергают измельчению. Концентрация основного вещества 45 % и 75 %.
Дополнительно используют высушенную железную руду и известь. Их количество рассчитывают по отношению к массе концентрата, и оно составляет соответственно 50 % и 40 %. Процесс проводят в печи, оборудованной угольной футеровкой. На первой стадии происходит разогрев печи с запалом, состоящим из концентрата, алюминия, железной руды и извести. (Соответствующие цифры 100, 70, 15 и 30 кг). Его вводят порциями.
Таким образом, проплавляют рудную составляющую шихты. На следующем этапе на поверхность расплава добавляют восстановительную часть, состоящую из 430 кг концентрата, 135 кг железной руды, 90 кг ферросилиция (концентрация 75 %), 570 кг алюминия и 60 кг извести.
Чтобы обеспечить полное осаждение корольков время выдержки увеличивают на 10 минут. После этого происходит разлив в изложницы. Шлак, полученный в ходе процесса, имеет в своем составе оксиды: циркония (IV) 10 %, титана (IV) 1,3 %, алюминия (III) 60,7 %, кальция 22,4 %, магния 3,4 %, железа (II) 0,53 %. Остывший сплав подвергают дроблению. Масса кусков 10 кг. После этого их очищают и упаковывают в специальную тару. Отходы отправляют обратно в производство. Чтобы выплавить 1000 кг сплава с содержанием циркония 40 % понадобится 1100 кг концентрата, содержащего 60 % оксида циркония (III). Процент извлечения составляет 83 %.
При одностадийном процессе алюминотермическим способом рекомендованы коэффициенты расчета для определения перехода элементов в готовый сплав. Их значения следующие: цирконий 50%, титан 80 %, кремний 90 %, железо 99 % и фосфор 100 %. Оставшиеся после расхода на восстановление, 80 % алюминия переходит в сплав. В этом случае запал готовят из концентрата, железной руды, крупки из алюминия, извести и селитры. (Соответствующие массы — 75, 12, 55, 25, 22 кг).
Восстановительная часть включает в себя 480 кг оксида циркония (IV). Содержание основного компонента не менее 93 %, примеси в виде диоксида кремния не более 3,0 %. Кроме этого, в нее входит 720 кг железной руды и 150 кг крупки из алюминия. После проплавления используют осадитель. Он состоит из железной руды (175 кг), алюминиевой крупки (77 кг) и извести (100 кг). Время выдержки находится в пределах от 10 до 45 минут. Чтобы получить 1000 кг сплава используют 420 кг оксида циркония (IV), 620 кг крупки из алюминия, 1800 кг железной руды, 30 кг селитры и 410 кг извести. В этом случае извлечение циркония 45 %.