威海鵬威精密儀器有限公司鋯材簡(jiǎn)介
鋯的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要以硅酸鋯、氧化鋯的形式應(yīng)用于陶瓷、耐火材料等領(lǐng)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(jìn)一步加工成各種鋯合金，應(yīng)用于核燃料組件或者普通工業(yè)領(lǐng)域：如化工設(shè)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(yīng)用情況。
一、鋯的簡(jiǎn)介
鋯（zirconium）的元素符號(hào)zr，位于化學(xué)元素周期表中iv-b族，它的原子序數(shù)是40，是一種銀白色的過(guò)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(shí)，可與非金屬元素和許多金屬元素反應(yīng)，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(shí)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(jiàn)的金屬銅、鉛、鎳、鋅多，卻被稱為“稀有金屬”，是因?yàn)橹迫」に囕^為復(fù)雜，不易被經(jīng)濟(jì)地提取。另外，在已發(fā)現(xiàn)的40多種鋯鉿礦床中，具有工業(yè)開(kāi)采價(jià)值的只有10種左右，用于工業(yè)生產(chǎn)的僅有鋯英石和斜鋯石兩種。
二、鋯資源儲(chǔ)量豐富、供應(yīng)集中
據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（usgs）統(tǒng)計(jì)，鋯儲(chǔ)量51百萬(wàn)噸、基礎(chǔ)儲(chǔ)量77萬(wàn)噸(以zro2計(jì))，其中澳大利亞和南非擁有世界上zui大的鋯英砂儲(chǔ)量，儲(chǔ)量占比分別占44.6%和25.0%，基礎(chǔ)儲(chǔ)量占比45.45%、18.18%。我國(guó)資源儲(chǔ)量相對(duì)比較缺乏，儲(chǔ)量和基礎(chǔ)儲(chǔ)量進(jìn)展世界的0.98%和4.81%。
鋯英砂主要產(chǎn)地集中于澳大利亞、南非richards bay deposit 地區(qū)、美國(guó)佛羅里達(dá)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(chǎn)鋯英砂在125-130萬(wàn)噸之間。澳大利亞是世界*大鋯英砂生產(chǎn)國(guó)，目前占世界*總量1/3 以上。南非是*二大鋯英砂生產(chǎn)國(guó)，產(chǎn)量?jī)H次于澳大利亞，目前占世界*總量約1/3。
國(guó)內(nèi)鋯英砂產(chǎn)地主要分布在海南的文昌和萬(wàn)寧、廣東的湛江，年產(chǎn)量約為2萬(wàn)噸。加工粗砂的能力為4-5萬(wàn)噸。國(guó)內(nèi)只有海南文昌的鋯英砂精礦的品質(zhì)，萬(wàn)寧和湛江主要生產(chǎn)普通鋯英砂。從地區(qū)消費(fèi)結(jié)構(gòu)來(lái)看，國(guó)內(nèi)和歐洲是主要的鋯消費(fèi)地區(qū)，各占約30%。
三、鋯應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、金屬鋯僅占3%-4%左右
鋯英砂是生產(chǎn)鋯制品的zui初原料，可用于生產(chǎn)硅酸鋯和氯氧化鋯，而氯氧化鋯是生產(chǎn)碳酸鋯、硫酸鋯、二氧化鋯、復(fù)合氧化鋯、金屬鋯等鋯制品的主要原料，復(fù)合氧化鋯則是生產(chǎn)氧化鋯結(jié)構(gòu)陶瓷的主要原材料。
鋯的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，主要以硅酸鋯、氧化鋯的形式應(yīng)用于陶瓷、耐火材料等領(lǐng)域，這部分的應(yīng)用占鋯消費(fèi)的90%以上。另外，由于金屬鋯具有優(yōu)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(gè)重要用途就是作為核動(dòng)力反應(yīng)堆的燃料包覆材料和其他結(jié)構(gòu)材料。因此，鋯及鋯金的研究與發(fā)展是與核工業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)聯(lián)的，zui初是用于核動(dòng)力艦船，后來(lái)則大力發(fā)展原子能發(fā)電站。鋯是一種活性金屬，對(duì)氧有很高的親合力，這就導(dǎo)致在室溫的空氣中會(huì)形成保護(hù)氧化膜，這層保護(hù)氧化膜使得鋯及其合金具有優(yōu)良的抗腐蝕性能。具有優(yōu)異耐蝕性的鋯對(duì)很多腐蝕介質(zhì)有很強(qiáng)的抗力，同時(shí)又具有良好的力學(xué)和傳熱性能，以及顯著的成本優(yōu)勢(shì)，使它成為當(dāng)今石油化工領(lǐng)域優(yōu)異的耐蝕結(jié)構(gòu)材料。工業(yè)鋯產(chǎn)品廣泛用于各類耐蝕工藝設(shè)備中，主要應(yīng)用包括壓力容器、熱交換器、管道、槽、軸、攪拌器及其它機(jī)械設(shè)備以及閥、泵、噴霧器、托盤、除霧器和塔襯料等。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(jìn)一步加工成各種鋯合金，應(yīng)用于核燃料組件或者普通工業(yè)領(lǐng)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(chǎn)業(yè)鏈zui。鋯制品的應(yīng)用領(lǐng)域如下表所示。
國(guó)內(nèi)鋯產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)，為了便于行業(yè)內(nèi)的協(xié)調(diào)和政府的管理，按專業(yè)特點(diǎn)將鋯行業(yè)分為五大產(chǎn)業(yè)，分別為鋯英砂采選、硅酸鋯（鋯英粉）加工、化學(xué)鋯制品生產(chǎn)、電熔二氧化鋯生產(chǎn)、鋯冶煉和加工等五個(gè)單元
國(guó)內(nèi)鋯的消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，陶瓷占63.09%，化學(xué)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(chǎn)業(yè)鏈分析
金屬鋯制品分為兩大類，一種為核級(jí)鋯，主要用作核動(dòng)力航空母艦、核潛艇和民用發(fā)電反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料、鈾燃料元件的包殼等，是重要的戰(zhàn)略金屬；另一種為工業(yè)級(jí)鋯（或化工鋯、火器鋯），主要用于制作化工耐酸堿的設(shè)備、*、電子行業(yè)。
金屬鋯的生產(chǎn)過(guò)程：鋯礦石經(jīng)過(guò)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(shí)進(jìn)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(jīng)過(guò)加工制成鋯坯（鋯管坯、鋯板坯、鋯棒坯等），zui后經(jīng)過(guò)擠壓等壓力加工制成鋯材。
目前金屬鋯的主要生產(chǎn)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(gè)主要環(huán)節(jié)：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(gè)程序完成就可生產(chǎn)出核級(jí)海綿鋯，若制取一般工業(yè)級(jí)海綿鋯，則無(wú)需分離鉿，完成1、3步驟即可得到工業(yè)級(jí)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(shí)可與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，因此海綿鋯必須根據(jù)核反應(yīng)堆的特點(diǎn)添加少量錫、鐵、鈮等元素后再熔成錠。在冶煉海綿鋯的過(guò)程中，鋯鉿萃取分離，制取原子能級(jí)海綿鋯是其生產(chǎn)的核心技術(shù)。如果不能做到鋯鉿分離，那就只能制造工業(yè)級(jí)別的海綿鋯（其中大約含有4～5％的鉿）。
上應(yīng)用較為廣泛的海綿鋯標(biāo)準(zhǔn)主要是美國(guó)的astm標(biāo)準(zhǔn)：astm b 349（原子能工業(yè)用）和astm b 494（普通工業(yè)用）。astm b 349包含一個(gè)級(jí)別r60001，astm b 494包含兩個(gè)級(jí)別r60702和r60703。國(guó)內(nèi)的海綿鋯的標(biāo)準(zhǔn)分為原子能級(jí)和工業(yè)級(jí)，原子能級(jí)包括hzr-01和hzr-02兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，其中hzr-01與美國(guó)r60001基本相同；工業(yè)級(jí)包括hzr-1和hzr-2兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，hzr-2與美國(guó)r60702基本相同。
五、核級(jí)鋯材國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程漸行漸近
海綿鋯的下游是鋯材，海綿鋯必須根據(jù)工業(yè)需要或者核反應(yīng)堆的特點(diǎn)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(jīng)過(guò)加工制成鋯坯（鋯管坯、鋯板坯、鋯棒坯等），zui后經(jīng)過(guò)擠壓等壓力加工制成鋯材。目前，國(guó)外生產(chǎn)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(yè)用鋯材。