Металлургия циркония

Курсовой проект - Разное

Другие курсовые по предмету Разное

Для того чтобы скачать эту работу.
1. Подтвердите что Вы не робот:
2. И нажмите на эту кнопку.
закрыть



 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

Металлургия циркония

 

Введение

 

Цирконий - тугоплавкий металл. Среднее содержание циркония в земной коре составляет 0,02 % (по массе). По распространенности он превосходит такие металлы, как медь, цинк, олово, никель и свинец.

Известно около 30 минералов циркония. Среди них два минерала - циркон ZrSiО4 и бадделеит ZrО2 - служат основными промышленными источниками циркония.

Руды, содержащие циркон, обогащают гравитационными методами в сочетании с магнитной и электростатической сепарациями. От кварца циркон отделяют на концентрационных столах. Ильменит и гранат выделяют магнитной сепарацией с применением слабых полей. Монацит отделяют магнитной сепарацией в сильных полях. Рутил и циркон разделяют электростатическими методами или флотацией. Выпускаемые концентраты должны содержать не менее 65 % ZrО2.

Цирконовые концентраты служат исходным сырьем для получения металлического циркония, а также для выплавки ферросплавов и производства химических соединений (сульфатоцирконаты, основной хлорид, основной карбонат). Кроме того, при переработке цирконовых концентратов получают гафний и его соединения.

Минерал циркон, составляющий основу цирконовых концентратов, практически не разлагается соляной, азотной и серной кислотами. Концентрированная серная кислота не реагирует с цирконом даже при 250 -300С. Растворы едкого натра при 285 - 300С (в автоклавах) реагируют с цирконом с образованием растворимых в кислотах цирконосиликатов. Способ, однако, не используют вследствие трудностей практической реализации. Все применяемые в промышленности способы разложения относятся к пирометаллургическим. Самые распространенные из них - это спекание с известью, спекание или сплавление с содой или щелочью, спекание и сплавление с фторсиликатом калия K2SiF6, хлорирование.

Следует отметить, что все пиропроцессы сочетаются с последующим гидрометаллургическим разложением полученных продуктов.

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Элемент цирконий открыт - в 1789г. Клапротом, который получил диоксид циркония из минерала циркона. Чистый ковкий цирконий был получен лишь в 1925г. (спустя 136 лет после открытия элемента) термической диссоциацией иодида циркония по методу Ван-Аркеля и де Бура.

Применение циркония в виде их химических соединений и присадок в сплавах началось в первые десятилетия XX в. Промышленное производство ковких титана и циркония возникло в начале 50-х годов в связи с потребностями в новых конструкционных материалах для реактивной авиации, ракетной техники и атомной энергетики.

 

.1 ФИЗИКО - ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

 

1.1.1 Физические свойства циркония

Цирконий - элемент IV побочной группы периодической системы. По внешнему виду он напоминает сталь. Чистый металл ковкий и хорошо поддается механической обработке давлением.

Некоторые физико-механические свойства циркония приведены ниже:

 

Атомный номер……………….40

Атомная масса………………...91,22

Кристаллическая структура:

-модификация………………ГПУ (до 862 С),

а = 0,3223 нм,

с = 0,5123 нм,

-модификация……………….ОЦК,

а = 0,361 нм,

Плотность, г/см3 (-

модификация)…………………6,52

Температура, С:

Плавления……………………..185210

Кипения………………………..около 3600

Температурный коэффициент линейного расширения

∙ 106,С-1……………..8,9

 

Физические и особенно механические свойства циркония сильно зависят от чистоты металлов. Характерное свойство металла - способность растворять кислород, водород, азот и углерод. Примеси этих элементов делают цирконий хрупким.

 

1.1.2 Химические свойства

На воздухе металл устойчив. При нагревании до 400-600С он покрывается оксидной пленкой, затрудняющей дальнейшее окисление. При более высокой температуре одновременно с увеличением скорости окисления наблюдается растворение кислорода, что сильно понижает пластичность металла.

Активное поглощение водорода цирконием наблюдается при 300-400С с образованием твердых растворов и гидридов ZrH1,54 -163. В отличие от кислорода и азота водород можно удалить из циркония нагреванием в вакууме при 800-1000 С. Выше 800-900С металл быстро поглощает азот и активно взаимодействуют с углеродсодержащими газами (СО, СН4). С азотом и углеродом он образуют твердые и тугоплавкие соединения - нитриды и карбиды. Ниже приведены температура плавления Тпл и микротвердость Н0 ряда нитрида и карбида:

 

ZrC ZrN*1

Tпл,С………………3420 2982

H МПа...................28500 15000

Цирконий при повышенных температурах реагирует с серой и сероводородом с образованием дисульфидов. С галогенами металл взаимодействует при 100-200С с образованием низкокипящих или легковозгоняющихся хлоридов, фторидов и иодидов.

По антикоррозионной стойкости цирконий превосходит титан и приближаются к танталу и ниобию. При температурах до 100С он не корродирует в соляной и азотной кислотах любой концентрации и серной кислоте концентрации до 50 %. Металл устойчив на холоду в царской водке, растворяются при нагревании в плавиковой и концентрированно серной кислотах .Металл не корродирует в растворах щелочей при температуре кипения.

В важнейших и наиболее устойчивых соединениях цирконий находится в высшей степени окисления 4. Известны соединения, соответствующие степеням окисления 2 и 3. До низших степеней окисления цирконий трудно восстанавливается. Соединения циркония со степенью окисления меньше четырех неизвестны. Ионы Zr4+ в водных растворах неустойчивы. В результате взаимодействия с водой они образуют гидроксо-ионы Zr(OH)2+, которым упрощенно приписывают состав ZrO2+ (ион цирконила). Соответственно этому в растворах присутствуют основные соли, например, Zr(OH)2Cl2 или в "цирконильной" ZrOCl2.

Высший оксид циркония ZrО2 имеет амфотерный характер. При его сплавлении с щелочами или нагревании в смеси с оксидамим других метал- лов (CaO, MgO) образуются цирконаты. Наиболее характерны мета- и ортосоли типа Ме2ЭО3 и Ме4ЭО4. Цирконаты малорасторимы в воде, но растворяются в минеральных кислотах.

Диоксид циркония ZrO2, - прочный и тугоплавкий оксид. Температура плавления ~2900С, теплота образования 1082 кДж/моль. Чистый диоксид - белого цвета, имеет три кристаллические модификации: до 1000-1100 устойчива моноклинная форма, в интервале 1100-1900С - тетрагональная форма, выше 1900С - кубическая форма. Существование низших оксидов циркония достоверно не установлено. Имеются указания об образовании монооксида ZrO при восстановлении ZrО2.

Со всеми галогенами цирконий образует галогениды, являющийся производными четырех-, трех- и двухвалентных элементов. Все высшие галогениды - легколетучие соединения. Среди них важнейшие: ZrCl4 - твердое бесцветное вещество с температурой возгонки 330С. Теплота образования высшего хлорида равна 985 кДж/моль.

 

1.2 Источники сырья

 

Содержание циркония в земной коре относительно высокое - 0,025% (по массе). По распространенности он превосходит медь, цинк, олово, никель и свинец. Известно около 30 минералов циркония. Они концентрируются главным образом в гранитных и щелочных (нефелин-сиенитовых) пегматитах. Основными промышленными источниками в настоящее время служат минералы бедделеит и циркон. Сырьем могут служить также минералы эвдиалит и эвколит, но они значительно бедней по содержанию циркония.

Основные методы обогащения руд - гравитационные. Для отделения минералов железа и ильменита используют электромагнитное обогащение.

Циркон. Ортосиликат циркония ZrSiО4 (67,2 % ZrO2, 32,8 % SiО2). Это наиболее распространенный минерал циркония. Концентрируется главным образом в пегматитах гранитной и особенно щелочной магмы. Часто встречается в россыпях, образующихся при разрушении коренных пород. Циркон большей частью имеет коричневый цвет, плотность минерала 4,4-4.7 г/см3, твердость 7,5 по минералогической шкале. Минерал обычно содержит гафний (0,5-4 %). Основные запасы циркона сосредоточены в прибрежно-морских россыпях. Здесь циркон накапливается вместе с ильменитом, рутилом, монацитом и рядом других минералов.

Руды, содержащие циркон, обогащают гравитационными методами в сочетании с магнитной и электростатической сепарациями.

Выпускаемые в СССР цирконовые концентраты первого сорта должны содержать не менее 65% ZrО2. В них лимитируется содержание следующих примесей, % (не более): FeO 0,1; ТiO2 0,4; Al2O3 2,0; СаО и MgO 0,1; P2O5 0,15. Концентраты второго сорта должны содержать не менее 60% ZrO2, примеси не лимитируются.

Наиболее крупные месторождения циркона за рубежом расположены в Австралии, Индии, Бразилии, ЮАР, США. В СССР циркон найден на Урале, Украине и в других районах страны.

Бадделеит. По составу представляет собой почти чистый диоксид циркония. В наиболее чистых образцах до 98 % ZrО2. Обычно содержит примесь гафния (до нескольких процентов), изредка уран (до 1 %) и торий (до 0,2 %). Месторождения редки. Плотность минерала 5,5-6. Наиболее крупное месторождение найдено в Бразилии.

Эвдиалит и эвколит. Состав эвдиалита может быть выражен общей эмпирической формулой

 

(Na, Ca)6Zr[Si6О18] [ОН,С1]2

 

Эвколит - разновидность эвдиалита, содержащего ионы Fe2+. Химический состав эвдиалита, %: Na2О 11,6-17,3; ZrО2 12-14,5; FeO 3,1-7,1; SiО2 47,2-51,2; Cl 0,7-1,6. Цвет минерала - розовый или малиновый. Минерал легко разлагается кислотами.

Эвдиалит и эвколит встречаются в магмат