Производство диоксида циркония

 

                                         

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Вольногорский горно-металлургический комбинат – один из самых крупных в мире комплексов по добыче и переработке руд, которые содержат минералы редкоземельных  металлов[1].

Жизнь комбинату и городу Вольногорску дало Малышевское месторождение руд редкоземельных металлов, которое возникло на месте древних прибережно-морских россыпей.

Титано-циркониевые пески Малышевского месторождения показаны сложным минералогическим комплексом, в состав которого входят: циркон, рутил, ильменит, лейкоксен, дистен, силлиманит, ставролит, турмалин, кварц имеющие высокое промышленное значение.

В своем составе ВГМК имеет  такие основные производства: горное, транспортное, обогатительное, металлургическое.

Почти 80% своей продукции  комбинат экспортирует в 25 ведущих  стран мира, а ту часть, которая  осталась - цирконовый концентрат комбинат использует в собственном металлургическом производстве.

Готовой продукцией металлургического  производства является двуокись циркония разных марок, а также циркониевые  продукты гидрометаллургической переработки: гидроокись, карбонат, сульфат и оксихлорид циркония. Сопутствующим, но важным продуктом переработки является тетрахлорид кремния. Перечисленные продукты находят применение во многих отраслях промышленности Украины.

Чистый цирконий имеет  облик типичного металла —  блестящий серебристо-серый цвет, напоминающий сталь, но отличающийся от нее большей прочностью и пластичностью. Причем последнее качество, как заметили металлурги, напрямую зависит от количества содержащегося в цирконии кислорода. Так, если в расплавленный жидкий цирконий попадает более 0,7 % кислорода, то металл будет хрупким из-за образования твердых растворов кислорода в цирконии, свойства которых сильно отличаются от свойств чистого металла. Такое же действие оказывают примеси азота, углерода и водорода.

Цирконий — металл высоких  температур: температура плавления (tпл) высокочистого циркония 1845° C, температура кипения (tкип) 3580-3700° C.

Двуокись же циркония ZrO₂ — одно из самых тугоплавких веществ природы. Она плавится при температуре 2680° С. Такие свойства металла и его диоксида обусловили их применение в металлургии: легирование жаропрочных и жаростойких сталей цирконием, использование ZrO₂ в изготовлении огнеупоров. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

                                              РЕФЕРАТ

 

Пояснювальна записка до дипломноï роботи:    с., 4 рис., 13 табл.,40 джерел.

Об'єкт розробки – технологія отримання діоксиду цирконію  .

Мета роботи – отримати діоксид цирконію .

Метод дослідження – спікання циркону з крейдою.

Визначено ряд методів, які зменьшують витрати матеріалів та покращення їх ефективності. Досліджена технологічна схема переробки цирконового концентрату та його спікання з крейдою  .

Результати роботи вказують на отримання продукту з меньшою кількістю домішок, економічність процесів та впровадження методів по охороні навколишнього середовища від шкідливих газів.

ЦИРКОНIЙ, КРЕЙДА, СПIКАННЯ, ВИЛУГОВУВАННЯ, ДIОКСИД ЦИРКОНIЮ, ФТОРСИЛIКАТ КАЛIЮ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….7

1   Аналитическая часть………………………………………………………….  9

1. Свойства циркония и его химические соединения…………………………9
2. Применение циркония………………………………………………………19
2. Основная часть……………………………………………………………….22
1. Разложение циркона спеканием с содой…………………………………...22
2. Разложение циркона спеканием с карбонатом кальция…………………..28
3. Выделение циркония из солянокислых и сернокислых растворов………32
4. Переработка циркона спеканием с фторосиликатом калия………………35
5. Углетермическое вскрытие циркона с получением карбида или карбонитрида ………………………………………………………………..39
6. Производство  четыреххлористого   циркония…………………………….41
3. Экономическая часть………………………………………………………..43
4. Охрана труда…………………………………………………………………56
1. Анализ условий труда……………………………………………………….56
2. Производственная санитария и гигиена труда…………………………….59
3. Техника безопасности……………………………………………………….60
4. Пожарная безопасность……………………………………………………. 62

Выводы…………………………………………………………………………...64

Литература……………………………………………………………………….65

 

 

 

 

 

 

 

1. Аналитическая  часть

 

1.1 Физико-химичиске свойства и области применения циркония  

 

В свободном металлическом  виде цирконий был выделен, как мы знаем, давно — в 1824 году шведским химиком Иенсом Берцелиусом. Получить же элемент высокой степени чистоты не удавалось в течение долгих десятилетий, именно поэтому изучить физические свойства этого металла не представлялось возможным [1]. Только в середине двадцатого века ученым удалось получить цирконий свободный от примесей. Выяснилось, что в цирконии, порой в очень больших количествах, присутствует гафний – постоянный спутник этого металла, который ранее не был замечен из-за сходных с цирконием химических свойств.

Чистый цирконий имеет облик типичного металла  — блестящий серебристо-серый цвет, напоминающий сталь, но отличающийся от нее большей прочностью и пластичностью. Причем последнее качество, как заметили металлурги, напрямую зависит от количества содержащегося в цирконии кислорода. Так, если в расплавленный жидкий цирконий попадает более 0,7 % кислорода, то металл будет хрупким из-за образования твердых растворов кислорода в цирконии, свойства которых сильно отличаются от свойств чистого металла. Такое же действие оказывают примеси азота, углерода и водорода.

Цирконий — металл высоких температур: температура  плавления (tпл) высокочистого циркония 1845° C, температура кипения (tкип) 3580-3700° C. Двуокись же циркония ZrO₂ — одно из самых тугоплавких веществ природы. Она плавится при температуре 2680° С. Такие свойства металла и его диоксида обусловили их применение в металлургии: легирование жаропрочных и жаростойких сталей цирконием, использование ZrO₂ в изготовлении огнеупоров. 

К выше приведенным  тепловым характеристикам циркония стоит добавить следующие: удельная теплоёмкость в температурном коридоре 25-100° С = 0,291 кДж/(кг∙К) или 0,0693 кал/(г∙°С); коэффициент теплопроводности при 50° С = 20,96 вт/(м∙К) или 0,050 кал/(см∙сек∙°С); температурный коэффициент линейного расширения при температурах 20-400° С = 6,9∙10-6. Температура перехода в состояние сверхпроводимости 0,7К. [1]

Для металлического циркония характерны две аллотропные модификации: α-модификация, имеющая гексагональное строение и устойчивая при температурах ниже 863° C и β-модификация, имеющая решетку пространственно центрированного куба и устойчивая при температуре выше 863° C. Таким образом переход α-модификации в β-модификацию происходит при этой пограничной температуре 863° C. Причем добавки алюминия, свинца, олова и кадмия повышают температуру перехода из одного состояния в другое, а добавки железа, хрома, никеля, молибдена, меди, титана и некоторых других металлов — понижают.

Удельное электрическое  сопротивление циркония высокой  степени чистоты при температуре 20° С = 44,1 мком∙см. Цирконий парамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость увеличивается при нагревании металла. Так при температуре -73° C удельная магнитная восприимчивость циркония равна 1,28° C, а при 327° C — 1,41° C.

Наиболее ценное свойство чистого циркония — малое  поперечное сечение захвата тепловых нейтронов (0,18 барна). Оно намного меньше, чем у других металлов — железо (2,53 барна), никель (4,60 барна) или медь (3,69 барна). Хотя многие более дешевые металлы имеют сечение захвата такого же порядка: у олова 0,65 барна, у алюминия – 0,22 барна, а у магния и того меньше – всего 0,06 барна. Однако все перечисленные металлы легкоплавки и нежаропрочны в отличие от циркония. Поэтому именно этот металл используется как конструкционный при строительстве реакторов.

Одно из самых  замечательных свойств циркония — это его высокая коррозионная стойкость по отношению ко многим агрессивным средам. По способности сопротивляться коррозии цирконий превосходит такие стойкие металлы, как ниобий и титан. При обычных условиях цирконий инертен по отношению к атмосферным газам и воде, не реагирует с соляной и серной (концентрацией до 50 %) кислотами. При проведении опытов было установлено, что нержавеющая сталь теряет в пятипроцентной соляной кислоте при 60° С примерно 2,6 миллиметра в год, титан — около 1 миллиметра, а  цирконий  — в 1000 раз меньше. Самое большое сопротивление цирконий оказывает щелочам, это единственный металл стойкий в щелочах, содержащих аммиак. По сопротивлению агрессивным средам цирконию уступает даже тантал — один из самых мощнейших борцов с коррозией.[2]

Такая сопротивляемость легко объясняется химическими  свойствами циркония, а точнее образованием защитной оксидной пленки на его поверхности, которая предохраняет металл от дальнейшего разрушения. Чтобы полностью окислить цирконий придется нагреть его до 700° C, только тогда пленка частично разрушится, частично растворится в металле. Получается, что именно температура в 700° C — граница, за которой заканчивается химическая стойкость элемента под номером 40. Но и до этой границы цирконий при нагреве уже до 300° C и выше начинает активнее реагировать с кислородом и прочими составляющими атмосферы. В итоге, образуя с водяными парами двуокись и гидрид, с углекислым газом — карбид и двуокись, с азотом — нитрид циркония. До этой же температуры цирконий надежно защищен окисной пленкой, которая гарантирует высокую химическую стойкость циркония.

И все же цирконий взаимодействует с кислотами, это  происходит, если возможно образование  анионных комплексов [3]. Так при температуре  выше 100° C он взаимодействует со смесью азотной и плавиковой кислот и  царской водкой:

 

3Zr + 4HNO₃ + 18HF = 3H₂[ZrF₆] + 4NO + 8H₂O     (1.1)

 

3Zr + 4HNO₃ + 18HCl = 3H₂[ZrC_l6] + 4NO + 8H₂O   (1.2)

 

Растворяется в  плавиковой и горячей концентрированной (выше 50 %) серной кислотах:

 

Zr + 6HF = H₂[ZrF₆] + 2H₂       (1.3)

 

Совершенно иначе  на воздухе ведет себя цирконий в  виде стружки или порошка. В отличие  от компактного металлического циркония эти пироморфные вещества легко самовоспламеняются на воздухе уже при комнатных температурах. Такой процесс является экзотермическим и происходит с большим выделением теплоты. Пылевидный цирконий в смеси с воздухом способен взрываться.

Необычно взаимодействие циркония и с водой. Большинство  металлов при контакте с водой  подвергаются гальванической коррозии, которая заключается в переходе их катионов в воду. Цирконий же, как и при реакции на кислород, взаимодействуя с водой, покрывается защитной пленкой, которая не растворима. Таким образом, благодаря свойствам своей защитной пленки цирконий защищен от водной коррозии [4].

При нагревании цирконий начинает взаимодействовать с газами. Так при температурах выше 800° C компактный цирконий начинает активно поглощать кислород:

 

Zr + O₂ = ZrO₂         (1.4)

 

С азотом цирконий начинает взаимодействовать при  температурах 700-800° C с образованием нитрида: ZrN.

При температуре  выше 300° C цирконий начинает поглощать  водород, образуя твердый раствор  и гидриды ZrH и ZrH₂. При 1200-1300° С в вакууме гидриды диссоциируют и весь водород может быть удален из металла.

При нагреве цирконий также начинает реагировать с  неметаллами. При температуре выше 900° С происходит взаимодействие с углеродом с образованием  карбида ZrC. С хлором, йодом и бромом цирконий реагирует уже при 200° С, образуя высшие галогениды ZrX4 (где X — галоген). С фтором взаимодействие происходит при обычной температуре [3].

Области применения циркония и содержащих его минералов  крайне разнообразны, они связаны  с отраслями высоких технологий и в то же время с производством  самых обычных потребительских  товаров.

Первым потребителем циркония стала металлургия —  сначала черная, затем цветная. Это  связано с рядом свойств сорокового элемента. Благодаря большому сродству к кислороду, азоту, сере и фосфору  сплав циркония с железом и  кремнием или с алюминием и  кремнием применяют в качестве раскислителя и очистителя стали.

Цирконий широко используется в качестве легирующего  элемента, ведь добавка его к другим металлам придает им особые свойства — жаропрочность, кислотоупорность и многие другие[1]. Кроме вновь приобретенных свойств сплавы с цирконием повышают свою механическую прочность, что способствует увеличению их рабочего ресурса и расширению возможностей использования в различных областях. Стоит привести несколько примеров таких сплавов и области их применения.