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冶金百科 | 锆铪冶金 - 需求和应用

2024-01-11 09:50:18 来源:中冶有色技术网
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简介:金属锆制品分为两大类,一种为核级锆,主要用作核动力航空母舰、核潜艇和民用发电反应堆的结构材料,铀燃料元件的包壳等,是重要的战略金属;另一种为工业级锆【136】(或化工锆、火器锆),主要用于制作化工耐酸碱的设备、军工、电子行业。
金属锆的应用

金属锆制品分为两大类,一种为核级锆,主要用作核动力航空母舰、核潜艇和民用发电反应堆的结构材料,铀燃料元件的包壳等,是重要的战略金属;另一种为工业级锆【136】(或化工锆、火器锆),主要用于制作化工耐酸碱的设备、军工、电子行业。

A 工业级金属锆的应用

锆有比不锈钢、镍基合金及钛更优异的耐腐蚀性能、力学性能和加工性能,很适宜制造容器和换热器等化工设备,特别在还原性氯化物溶液中具有的优良耐蚀性,使其得到广泛应用。
金属锆主要用于耐腐蚀性能要求高的设备及构件,如反应釜、耐酸泵、耐热泵、热交换管、浸液器、耐酸叶轮、阀门、搅拌器、喷嘴和容器衬里等。

化肥、农药、药品、食品加工等相关设备和重要的零部件都采用结。在聚合物生产中,锆用于代替石墨作热交换器;在尿素合成设备中,锆被用做高压进料套体;在电镀工业中,已大量使用了锆丝编成的篮筐作为电解构件的盛料器,可靠长篮筐寿命,降低成本。近年来,冰醋酸制造业已成为工业级锆的大用户一套年产20万吨的大型冰醋酸生产设备用锆材约100t。工业级锆目前已成为石化工业不可替代的重要设备材料,需求量不断增加。

B 核级金属锆的应用

金属锆具有优异的核性能,是一种理想的中温核材料。在原子能工业中,锆主要用于原子能发电厂、核潜艇、核动力航空母舰、核动力巡洋舰的核反应堆中。锆在反应堆中主要用于核燃料的包套材料、结构材料和慢化剂等。轻水堆和重水堆燃料原件的包壳管,多采用在高温纯水中耐腐蚀性能优良的锆锡合金(Zr-2或Zr-4合金),也采用Zr-2.5铌合金。反应堆的高压容器、高压水箱、高压外壳、管路系统、阀门、泵、热交换器、冷却剂冷凝装置等属于反应堆的结构部件,铍、钛、钒、钽、铌和锆均可以用作结构材料,但锆属于最佳结构材料。纯锆的性能不如合金。Zr-2合金适于作沸水堆的结构材料,Zr-4合金适于作压水堆结构材料。在热中子反应堆中,为了使裂变产生的快中子减速为热中子减速为热中子,从而提高裂变反应的几率,在反应堆中要采用慢化剂,而氢化锆正是优良的慢化剂。目前氢化锆不仅已经在许多核辅助动力中获得应用,而且已在许多反应堆尤其是研究性堆中获得应用。

金属锆的需求

金属锆的生产过程:锆矿石经过精选提取锆矿砂(精矿),然后冶炼成海绵锆,在冶炼海绵锆的同时进行锆给分离,冶炼出海绵铃,再将海绵锆熔铸成锆铸锭(和钛铸锭相同),锆铸锭再经过加工制成锆坯(锆管坯、锆板坯、锆棒坯等),最后经过挤压等压力加工制成锆材。

核级锆材的需求是决定核级海绵锆市场主要因素。从锆材的形态来看,可以分为锆管材和锆板材(管材主要用于包壳材料和压力管,棒材主要用于端塞元件,板带材主要用于格架等),其中核电用锆材对锆管、棒材占75%~80%,核锆板带材的需求占到20%~25%。

国际生产厂商情况:目前,世界上较大的几家锆管厂CLA7为美国西屋公司(每年400t)、法国锆管厂(每年450t)、加拿大锆管厂(每年150t)、德国锆管厂(每年250t)都在满负荷生产。亚洲是锆材需求增长最快的地区,目前日本每年可生产50t管材。总体来看,由于锆材的生产需要根据核电站的需要而生产所以目前国际主要的锆合金材的生产商均为核电站供应商的子公司。

目前关于全球核级海绵锆的需求方面145151,没有比较一致的数据。可以查到的公开资料数据之间也有一定的差距。

(1)据美国Ux-Consulting公司数据,全球核级海绵锆年需求在5000t左右;(2)据美国西屋的数据,其海绵锆年产量在2000~2200t,约占全球的40%,可以推算出全球年需求在5000~5500t;

(3)据Matamec勘探公司的数据,目前全球每年约消耗7000t海绵结,其中85%左右用于核能方面,即大约6000t。

根据IAEA(151)的乐观和保守预测,2020年全球核电装机容量将由2010年的373GW增加到455~543GW,增长幅度为22%~45.6%。按照保守估计,粗略估算海绵锆的年需求大约在6100~7320t;按照乐观估计,粗略估算海绵锆的需求大约在7300~8700t。

金属铃的应用

核级金属铃具有高的热中子吸收截面,主要在核反应堆中用作控制棒。工业级金属给的主要应用是给丝在工业中的应用,主要有(152-154):(1)合金添加料,提高合金的性能;(2)焊料,用于给丝与给丝等相关的合金之间的焊接;(3)等离子切割中的等离子发射体。其中,用作等离子切割电极是铅丝在工业中最主要的用途【155-157】8.1.2.4 金属铃的需求

核级金属给主要用作核反应堆的控制棒,没有公开的相关需求资料。工业用金属给主要被用作等离子体切割,随着切割量的大幅度增长,给丝需求量会有很大的上升空间,所需给丝在1.2~1.6t之间;高温合金添加剂约2t;高纯金属铃约300kg。
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