Användningsområden för zirkoniumprodukter inom industrin

Zirkonium förekommer i mänskligt bruk långt innan det förekommer i tekniska ritningar. Dess rika och varierande färger gjorde den till en dekorativ ädelsten, och först när förståelsen för metallen fördjupades blev dess industriella tillämpningar den större delen av historien. Idag når zirkonium från keramiska plattor och köksknivar till kemiska reaktorer och kärnbränsleelement, en spridning som återspeglar en ovanlig kombination av korrosionsbeständighet, hög-temperaturstabilitet och ett tvärsnitt med mycket låg neutronabsorption.

Zirkonium: Från ädelsten till industriell metall

Zirkonium utvinns ur zirkonsand, främst zirkoniumsilikat, och omvandlas genom zirkoniumsvamp till smidesmetall och legeringar. Metallen är inte en produkt utan en familj: kommersiellt rent zirkonium, zirkonium-tennlegeringar för kärnkraft, zirkonium-nioblegeringar för förhöjd-temperatur och kemisk belastning, plus den oxid- och silikatkeram som förbrukar det största tonnaget. Eftersom egenskaperna som passar kärnbränslebeklädnad skiljer sig från de som passar en kemisk värmeväxlare eller en keramisk glasyr avgör ansökan vilken medlem av familjen som anges.

Två egenskaper förklarar den mesta industriella användningen. Zirkonium motstår angrepp av ett brett spektrum av syror och alkalier som förstör rostfria stål, och det har ett mycket lågt termiskt neutroninfångningstvärsnitt-, vilket gör att det kan sitta inuti en reaktorhärd utan att förgifta neutronekonomin. Dessa två egenskaper samexisterar sällan i ett material, och de är anledningen till att zirkonium upptar nischer som ingen ersättning fyller bekvämt.

Produktformulär och tillämpliga specifikationer

Zirkonium levereras i ett brett utbud av kvarnformer, och varje form omfattas av sin egen specifikation. Att matcha formuläret med rätt dokument är det första steget i att skriva en fungerande inköpsorder.

För kemisk användning är kommersiella kvaliteter som Zr702 och Zr705 de vanliga smidesvalen, den andra erbjuder högre hållfasthet genom tillsats av niob. För kärnkraftstjänster specificeras zirkonium-tenn och zirkonium-nioblegeringar eftersom kombinationen av låg neutronabsorption och tillräcklig korrosionsprestanda i vatten med hög-temperatur är avgörande för bränslepatronens design.

Keramik, eldfast material och gjuteriapplikationer

Det största tonnaget går inte till metall alls. Zirkoniumsilikat och zirkoniumoxid konsumeras som eldfasta material, gjuteriformmaterial och keramiska ingredienser. Zirkonsand används för gjutformar och gjutkärnor på grund av dess höga eldfasthet och låga termiska expansion, och i det eldfasta fodret i glas- och stålugnar där kemiska angrepp med hög- temperatur förkortar livslängden för andra material. Zirconia fungerar vidare som ett slipmedel, som ett syrgassensorelement baserat på dess jonledningsförmåga, och som opacifierare och färgämne i keramiska glasyrer och sanitetsartiklar. I byggnader och interiörer återkommer samma kemi i kakel, sanitetsarmaturer och dekorativa ytor, varför zirkonium har blivit oumbärligt för vardagliga byggmaterial.

Kemisk processutrustning och kärnkraft

Inom den kemiska industrin väljs zirkoniumutrustning för service där rostfritt stål och nickellegeringar misslyckas för snabbt: ättiksyra- och ättiksyraanhydridanläggningar, urea- och salpetersyraservice, väteperoxidproduktion och svavelsyrahantering. Typiska komponenter inkluderar värmeväxlare, kondensorer, reaktorer, kolonner, rörledningar och pump- och ventiltrim. Materialet väljs inte för att det är det billigaste alternativet, utan för att det tar bort en återkommande ersättningskostnad från underhållsbudgeten.

Inom kärnkraft är zirkonium den strukturella basen för bränslepatronen. Låg neutronfångning tillåter bränslekapsling och strukturella komponenter att stanna kvar i kärnan utan att förbruka neutronflödet som upprätthåller kedjereaktionen. Prestandakravet är krävande: legeringen måste bibehålla mekanisk hållfasthet, motstå korrosion i hög-temperatur under tryckvatten och förbli formstabil över en lång livslängd, vilket är anledningen till att kärnkraftskvaliteter produceras under dedikerade kvalitetsprogram med noggrant kontrollerad kemi.

Medicinska, militära och konsumentanvändningar

Zirkonium når även slutanvändare i former som sällan märks som zirkonium alls. Zirconia keramik används ofta i medicinska och dentala restaureringar, i knivblad och slitdelar och i smycken där en hållbar, färgstabil yta krävs. På det militära området används metallen i pyrotekniska och brandtekniska kompositioner, och zirkonium-baserade material förekommer också i skyddande och strukturella tillämpningar. Konsumentbruk inkluderar dekoration och imitation av ädelstenar, där zirkoniumoxids optiska egenskaper står för dyrare stenar. Det som förbinder dessa annars orelaterade marknader är att var och en förlitar sig på en specifik egenskap hos samma element: hårdhet och tröghet i det medicinska och konsumentfallet, och högt energiutsläpp eller termisk stabilitet i det militära fallet.

Vanliga frågor

F: Vilka är de huvudsakliga användningsområdena för zirkoniumprodukter?
Huvudområdena är keramik och eldfasta material, gjuterimaterial, kemisk processutrustning, kärnkraft och medicinska, militära och konsumentvaror. Keramik och eldfast material står för det största tonnaget.

F: Varför används zirkonium i kärnreaktorer?
Den har ett mycket lågt termiskt neutroninfångningstvärsnitt-, så det kan användas för bränslekapsling och kärnstrukturkomponenter utan att absorbera de neutroner som behövs för att upprätthålla reaktionen, samtidigt som den motstår korrosion i vatten med hög-temperatur.

F: Varför används zirkonium för kemisk utrustning istället för rostfritt stål?
Zirkonium tål många syror och alkalier som angriper rostfria stål, särskilt i ättiksyra, urea, salpetersyra och väteperoxid. Den högre första kostnaden kompenseras av en mycket lägre ersättningsgrad.

F: Vad är skillnaden mellan Zr702 och Zr705?
Zr702 är kommersiellt rent zirkonium som används för allmänt-korrosionsbeständigt arbete, medan Zr705 förstärks av en niobtillsats och väljs där högre mekanisk hållfasthet krävs vid samma korrosionsprestanda.

F: Vad används zirkoniumoxid till?
Zirkoniumoxid används i eldfasta material, slipmedel, syresensorer, keramiska glasyrer och dentala och medicinska keramik, och utnyttjar dess hårdhet, termiska stabilitet och jonledningsförmåga.

F: Varför förekommer zirkonium i ädelstenar och keramik?
Zirkoniumföreningar ger stabila färger och högt brytningsindex i dekorativa stenar och glasyrer, vilket är anledningen till att zirkonium-baserade material förekommer i smycken, kakel och sanitetsartiklar samt i industriprodukter.