锆知识

锆在地壳中的含量为0.025%，居第20位。含ZrO2在20%以上的矿物虽有十几种，但工业采用的仅有锆石(ZrSiO4)和斜锆石(ZrO2)两种。锆石与钛铁矿、金红石、独居石共生，也可在海滩砂石中找到。所有的锆石中都含有氧化铪(HfO2)和放射性物质，放射强度一般在1×10-7毫居里/克的数量级，含HfO2高的放射性强度也高。

锆英石、斜锆石是锆的主要来源，锆石加入适量的石油焦，在1000℃通入氯气，可得到四氯化锆(ZrCl4)，它的蒸气与熔融的金属镁接触，即被还原为金属锆。高纯度金属锆可用碘化物热分解法制取。

ZrCl4在常温下呈固态，437℃时升华。因此在冷凝器中所得的ZrCl4为气态凝固而成,控制好传热速度等条件，可以得到致密度高的产品。ZrCl4可以还原得到ZrCl3和 ZrCl2，它们是电解制取金属锆时熔盐中的主要组分。如制取一般工业锆，无须分离铪，可用升华提纯法制成精ZrCl4后，就用镁还原制得海绵锆。

锆主要用作原子核反应堆燃料元件的包壳材料，所以锆的冶炼流程中都有锆铪分离这一过程。工业上最通用的分离方法是NH4CNS-MIBK溶剂萃取法，萃取剂为甲基异丁基酮(MIBK)。此法的缺点为：①分离系数低，需要的级数多;②NH4CNS容易分解产生CN-，使废水有毒，需在厂内处理。

近年来有用HNO3系TBP(磷酸三丁酯)萃取法和HCl-HNO3系TBP萃取法的。前者矿石分解用NaOH熔融法，带来一系列的困难，包括萃取中出现三相的困难。后者使用ZrCl4为原料，避免了上述困难，但也有溶液腐蚀性强的缺陷。所得ZrO2再进行氯化得到ZrCl4，工业上叫作二次氯化。ZrCl4经过升华提纯，然后用金属热还原法(镁还原或钠还原)制得粗锆，真空蒸馏除去MgCl2和回收多余的镁(钠还原时用水洗)。这一过程与钛的还原流程相似，唯一不同处为镁需经预处理提纯。镁还原法的化学反应为：ZrCl4+2Mg→Zr+2MgCl2，还原温度为850℃左右。真空蒸馏温度为 950～1000℃。锆本身有吸气作用，所以最后的真空度一般为10-5托。

制取纯度较高的锆，是用ZrI4在热丝上分解制得，工业上叫作结晶棒。在这一过程中有ZrI2和ZrI3参与作用。锆及锆合金采用真空自耗电弧重熔炉熔炼铸锭，最常用的型材为管材，成型方法包括锻造、挤压、拉伸，与钛管的加工方法基本一样。

锆和锆合金主要用在水冷式的原子反应堆中。在原子反应堆里，铀棒不能直接与水接触。因为热水侵蚀铀棒，铀棒使水沾上放射性，就会危害人体健康。用锆作铀棒的护套，可以满足下面四个方面的要求：①抗蚀能力强，不与核燃料和传热介质(如水)发生作用;②有足够的强度、耐热、耐腐蚀;③很少吸收中子，保证裂变“链式反应”的进行;④容易加工成形。

锆还可用作特殊钢的添加剂，含锆不锈钢和耐热钢是制造装甲车、坦克、大炮和防弹板等武器的重要材料。锆除了加强钢的强度和硬度外，还能改进钢的机械加工性能，可淬硬性、可焊接性。它还能碎化钢中的硫化物，从而细化钢的晶粒组成。加入锆的钢抗氧化性增强，抗腐蚀性也有显著增加。二氧化锆的熔点高达2675℃，化学稳定性好，用作高级耐火材料。