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威海鵬威精密儀器有限公司
主營產品： 實驗室高壓釜,加氫反應釜,鈦材反應釜,哈氏合金反應釜,鋯材反應釜 |
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2016-10-12 閱讀(230)
威海鵬威精密儀器有限公司鋯材簡介
鋯的應用領域非常廣泛，主要以硅酸鋯、氧化鋯的形式應用于陶瓷、耐火材料等領域，僅有3%-4%左右的鋯被加工成金屬鋯（或稱海綿鋯）的形式，再進一步加工成各種鋯合金，應用于核燃料組件或者普通工業領域：如化工設備。本文著重介紹金屬鋯（或稱海綿鋯）及下游鋯合金材的制造及應用情況。
一、鋯的簡介
鋯（Zirconium）的元素符號Zr，位于化學元素周期表中IV-B族，它的原子序數是40，是一種銀白色的過渡金屬。鋯的表面易形成一層氧化膜，具有光澤，故外觀與鋼相似。有耐腐蝕性，但是溶于氫氟酸和王水；高溫時，可與非金屬元素和許多金屬元素反應，生成固體溶液化合物。鋯的可塑性好，易于加工成板、絲等。鋯在加熱時能大量地吸收氧、氫、氮等氣體，可用作貯氫材料；鋯的耐蝕性比鈦好，接近鈮、鉭。
鋯主要以礦物形式存在于自然界，鋯在地殼中鋯的含量居第20位，比常見的金屬銅、鉛、鎳、鋅多，卻被稱為“稀有金屬”，是因為制取工藝較為復雜，不易被經濟地提取。另外，在已發現的40多種鋯鉿礦床中，具有工業開采價值的只有10種左右，用于工業生產的僅有鋯英石和斜鋯石兩種。
二、鋯資源儲量豐富、供應集中
據美國地質調查局（USGS）統計，鋯儲量51百萬噸、基礎儲量77萬噸(以ZrO2計)，其中澳大利亞和南非擁有世界上zui大的鋯英砂儲量，儲量占比分別占44.6%和25.0%，基礎儲量占比45.45%、18.18%。我國資源儲量相對比較缺乏，儲量和基礎儲量進展世界的0.98%和4.81%。
鋯英砂主要產地集中于澳大利亞、南非Richards Bay Deposit 地區、美國佛羅里達以及非洲的莫桑比克和亞洲的印度尼西亞、越南、印度等。目前世界年產鋯英砂在125-130萬噸之間。澳大利亞是世界*大鋯英砂生產國，目前占世界*總量1/3 以上。南非是*二大鋯英砂生產國，產量僅次于澳大利亞，目前占世界*總量約1/3。
國內鋯英砂產地主要分布在海南的文昌和萬寧、廣東的湛江，年產量約為2萬噸。加工粗砂的能力為4-5萬噸。國內只有海南文昌的鋯英砂精礦的品質，萬寧和湛江主要生產普通鋯英砂。從地區消費結構來看，國內和歐洲是主要的鋯消費地區，各占約30%。
三、鋯應用領域廣泛、金屬鋯僅占3%-4%左右
鋯英砂是生產鋯制品的zui初原料，可用于生產硅酸鋯和氯氧化鋯，而氯氧化鋯是生產碳酸鋯、硫酸鋯、二氧化鋯、復合氧化鋯、金屬鋯等鋯制品的主要原料，復合氧化鋯則是生產氧化鋯結構陶瓷的主要原材料。
鋯的應用領域非常廣泛，主要以硅酸鋯、氧化鋯的形式應用于陶瓷、耐火材料等領域，這部分的應用占鋯消費的90%以上。另外，由于金屬鋯具有優異的核性能，它的熱中子吸收截面小，僅為0.18×l0-28。鋯及其合金的一個重要用途就是作為核動力反應堆的燃料包覆材料和其他結構材料。因此，鋯及鋯金的研究與發展是與核工業的發展密切相關聯的，zui初是用于核動力艦船，后來則大力發展原子能發電站。鋯是一種活性金屬，對氧有很高的親合力，這就導致在室溫的空氣中會形成保護氧化膜，這層保護氧化膜使得鋯及其合金具有優良的抗腐蝕性能。具有優異耐蝕性的鋯對很多腐蝕介質有很強的抗力，同時又具有良好的力學和傳熱性能，以及顯著的成本優勢，使它成為當今石油化工領域優異的耐蝕結構材料。工業鋯產品廣泛用于各類耐蝕工藝設備中，主要應用包括壓力容器、熱交換器、管道、槽、軸、攪拌器及其它機械設備以及閥、泵、噴霧器、托盤、除霧器和塔襯料等。
據統計，僅有3%-4%左右的鋯被加工成金屬鋯（或稱海綿鋯）的形式，再進一步加工成各種鋯合金，應用于核燃料組件或者普通工業領域。從加工難易程度、工藝水平、科技含量等方面而言，金屬鋯制品處于產業鏈zui。鋯制品的應用領域如下表所示。
國內鋯產業鏈結構，為了便于行業內的協調和政府的管理，按專業特點將鋯行業分為五大產業，分別為鋯英砂采選、硅酸鋯（鋯英粉）加工、化學鋯制品生產、電熔二氧化鋯生產、鋯冶煉和加工等五個單元
國內鋯的消費結構中，陶瓷占63.09%，化學鋯（不包括鋯金屬）占22.08%，電熔鋯占8.04%，金屬鋯占3.63%。
四、金屬鋯及下游產業鏈分析
金屬鋯制品分為兩大類，一種為核級鋯，主要用作核動力航空母艦、核潛艇和民用發電反應堆的結構材料、鈾燃料元件的包殼等，是重要的戰略金屬；另一種為工業級鋯（或化工鋯、火器鋯），主要用于制作化工耐酸堿的設備、*、電子行業。
金屬鋯的生產過程：鋯礦石經過精選提取鋯礦砂（精礦），然后冶煉成海綿鋯，在冶煉海綿鋯的同時進行鋯鉿分離，冶煉出海綿鉿。再將海綿鋯熔鑄成鋯鑄錠（和鈦鑄錠相同），鋯鑄錠再經過加工制成鋯坯（鋯管坯、鋯板坯、鋯棒坯等），zui后經過擠壓等壓力加工制成鋯材。
目前金屬鋯的主要生產方法是鎂熱還原法，即利用金屬鎂還原四氯化鋯(ZrCl4)制取海綿鋯的方法。主要包括3個主要環節：鋯英砂的分解和四氯化鋯的制備；鋯和鉿的分離；四氯化鋯精制和鎂熱還原制取海綿鋯。3個程序完成就可生產出核級海綿鋯，若制取一般工業級海綿鋯，則無需分離鉿，完成1、3步驟即可得到工業級海綿鋯。用鎂還原ZrC14獲得的海綿鋯不具備可塑性，不能直接加工，且鋯加熱時可與空氣中的氧氣發生反應，因此海綿鋯必須根據核反應堆的特點添加少量錫、鐵、鈮等元素后再熔成錠。在冶煉海綿鋯的過程中，鋯鉿萃取分離，制取原子能級海綿鋯是其生產的核心技術。如果不能做到鋯鉿分離，那就只能制造工業級別的海綿鋯（其中大約含有4～5％的鉿）。
上應用較為廣泛的海綿鋯標準主要是美國的ASTM標準：ASTM B 349（原子能工業用）和ASTM B 494（普通工業用）。ASTM B 349包含一個級別R60001，ASTM B 494包含兩個級別R60702和R60703。國內的海綿鋯的標準分為原子能級和工業級，原子能級包括HZr-01和HZr-02兩個標準，其中HZr-01與美國R60001基本相同；工業級包括HZr-1和HZr-2兩個標準，HZr-2與美國R60702基本相同。
五、核級鋯材國產化進程漸行漸近
海綿鋯的下游是鋯材，海綿鋯必須根據工業需要或者核反應堆的特點添加少量錫、鐵、鈮等元素后再熔成錠，將海綿鋯熔鑄成鋯鑄錠，鋯鑄錠再經過加工制成鋯坯（鋯管坯、鋯板坯、鋯棒坯等），zui后經過擠壓等壓力加工制成鋯材。目前，國外生產廠商它們從鑄錠到成品管的成材率約為60％～80％。從終端用途分類，可以分為核電用鋯材和工業用鋯材。
