锆

背景

锆，在周期表中的符号 Zr，是一种最常见于硅酸盐矿物硅酸锆和氧化矿物斜斜锆石中并从中提取的金属。在各种化合物形式中，灰白色的锆是地壳中第十九丰富的元素，其含量远远超过铜和铅。它属于金属钛族，该族还包括钛和铪，因其成员良好的导电性以及形成金属盐的倾向而在工业中受到青睐。由于锆在许多电子构型和物理状态下都很稳定，因此可以制成许多产品。然而，自 1940 年代以来，其最重要的应用是在核反应堆的各种结构部件中。

锆是由德国化学家 Martin Heinrich Klaproth 发现的，他于 1789 年首次分离出矿物锆石的氧化物。第一种金属粉末于 1824 年由瑞典化学家 Jons J. Berzelius 生产。然而，在 19 世纪可以分离的金属形式不纯，因此非常脆弱。最早的纯化可用金属量的方法是由荷兰化学家 Anton E. van Arkel 和 J. H. de Boer 于 1925 年开发的，他们发明了一种热碘化工艺，通过该工艺热分解四碘化锆。 van Arkel 和 de Boer 方法的缺点是成本高，但 20 年后，卢森堡的威廉贾斯汀克罗尔发明了一种更便宜的工艺，使用镁来分解四氯化锆。相对便宜，该过程生产的锆数量大且纯度足以用于工业用途。

自从 Kroll 取得突破后，锆已成为多个行业的重要元素：钢铁、钢铁和核电。它在钢铁工业中用于去除铁中的氮和硫，从而提高钢的冶金质量。当添加到铁中以形成合金时，锆可提高铁的机械加工性、韧性和延展性。锆的其他常见工业应用包括闪光灯灯泡和手术设备的制造，以及皮革的鞣制。

尽管它能够用于许多不同的工业应用，但今天生产的大部分锆都用于水冷核反应堆。锆具有很强的耐腐蚀性能，并能限制裂变碎片和中子，使热中子或慢中子不被吸收和浪费，从而提高核反应堆的效率。事实上，1989 年生产的锆中约有 90% 用于核反应堆，无论是燃料容器还是核产品外壳。

原材料

在锆的两种矿物形式中，锆石是迄今为止更重要的来源。锆石主要存在于火成岩中，也出现在火成岩侵蚀产生的砾石和沙子中。在这种形式下，它通常与二氧化硅、钛铁矿和金红石混合。当今工业中使用的绝大多数锆石都来自这些砂砾矿床，从中提取和提炼出最纯净的锆石以用作锆金属。纯度较低的沉积物以稳定氧化锆的形式用于耐火材料和陶瓷产品。世界上最大的锆石矿在澳大利亚、南非、 含有锆石的沙子和砾石通常是通过漂浮的挖泥机和大型蒸汽铲从沿海水域收集的在一艘漂浮的驳船上。铲子铲起砾石和沙子后，通过螺旋选矿机进行净化，然后通过磁性和静电分离器去除不需要的材料。
锆石的最终产品制造商通过使用氯来提纯金属，然后将其烧结（加热），直到它变得足够可用于工业用途，从而将几乎纯净的锆石进一步精炼成锆。通过将锆石与焦炭、铁镗屑和石灰熔合，直到二氧化硅被还原为与铁形成合金的硅，从而将纯度较低的锆石制成氧化锆（一种锆的氧化物）。和美国，但巴西、中国、印度、俄罗斯、意大利、挪威、泰国、马达加斯加和加拿大也存在丰富的床位。像锆石一样，斜锆石是从沙子和砾石沉积物中提取的。与锆石不同，商业上可行的斜锆石矿床含有相对高浓度的氧化锆，因此斜锆石无需精炼即可使用。然而，这种矿物比锆石稀少得多，大量仅出现在巴西和佛罗里达州。

提取精炼

提取锆石

• 1 含有锆石和硅酸盐、钛铁矿和金红石的沙子和砾石通常通过浮动挖泥船（安装在浮动驳船上的大型蒸汽铲）从沿海水域收集。铲子铲起砾石和沙子后，它们通过螺旋浓缩器进行净化，根据密度进行分离。然后通过磁性和静电分离器去除钛铁矿和金红石。最纯净的锆石精矿被运往最终产品制造商，用于金属生产，而纯度较低的锆石则用于耐火材料。

精炼锆石

• 2 锆石的最终产品制造商通过使用还原剂（通常是氯）来净化金属，然后将其烧结（加热），直到它变得具有足够的延展性（可加工）以供工业使用，从而将几乎纯净的锆石进一步精炼成锆。对于小规模实验室使用，可以通过化学反应生产金属锆，其中使用氯化物来还原锆石。
• 3 通过将锆石与焦炭、铁镗屑和石灰融合，直到二氧化硅被还原为与铁形成合金的硅，从而将纯度较低的锆石制成氧化锆（一种锆的氧化物）。然后通过将氧化锆加热到大约 3,095 华氏度（1,700 摄氏度）来稳定氧化锆，并添加了大约 5% 的石灰和氧化镁。

精炼斜锆石

• 4 如上所述，斜锆石含有相对高浓度的纯氧化锆，无需过滤或清洁即可使用。对斜锆石使用的唯一精炼工艺是将砾石或沙子研磨成粉末，然后用不同尺寸的筛子对粉末进行筛分。所有来自斜锆石的氧化锆都用于耐火材料，并且越来越多地用于高级陶瓷。

质量控制

在金属锆生产中实施的质量控制方法是大多数金属生产中使用的典型统计过程控制 (SPC) 方法。这些涉及跟踪和控制由最终产品要求确定的特定变量。严格的政府质量控制适用于为核应用生产的所有锆金属。这些控制措施确保生产用于核电站的锆得到正确处理，并考虑到问责制：对处理进行跟踪，以便可以追溯到每个单独的步骤和位置。

用于耐火材料应用的锆的质量控制方法也侧重于 SPC。但是，在耐火材料行业，还需要查明锆矿物是从哪个海滩（甚至海滩的哪个部分）中提取出来的。制造商需要确切地知道锆的来源，因为每个来源都包含略有不同的微量元素，不同的微量元素会影响最终产品。

副产品/废物

硅酸盐、钛铁矿和金红石——所有锆石精炼过程的副产品——通常会被倾倒在提取现场的水中。这些元素构成了典型的沙滩，对环境没有任何危害。氯化镁是锆制造过程中唯一的另一个值得注意的副产品，它是在精炼过程中用氯将锆石还原的结果，通常出售给镁精炼厂。斜锆石精炼不会产生副产品或废物。

未来

许多人认为，锆的未来在于其作为高级陶瓷的用途。高级陶瓷——也称为“精细”、“新型”、“高科技”或“高性能”陶瓷——通常用作加工设备、装置或机器的部件，因为它们比竞争金属具有更好的功能或聚合物。锆相当坚硬，不能很好地导热，并且相对惰性（即，它不容易与其他元素发生反应），所有这些都是高级陶瓷的优良品质。作为陶瓷制造的氧化锆可用于制造熔炼金属的坩埚、燃气轮机、喷气发动机和火箭发动机管的内衬、电阻炉、超高频炉和耐火材料，例如高温炉的饰面墙。