지르코늄

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배경

주기율표에서 기호 Zr인 지르코늄은 규산염 광물인 규산지르코늄과 산화물 광물인 배들레이라이트에서 가장 많이 발견되고 추출되는 금속입니다. 다양한 복합 형태에서 회백색 지르코늄은 지각에서 19번째로 풍부한 원소로 구리와 납보다 훨씬 더 풍부합니다. 그것은 티타늄과 하프늄을 포함하는 그룹인 티타늄 금속 계열에 속하며 구성원의 우수한 전기 전도성과 금속 염을 형성하는 경향으로 인해 산업계에서 선호됩니다. 많은 전자 배열과 물리적 상태에서 안정하기 때문에 지르코늄은 많은 제품으로 만들 수 있습니다. 그러나 1940년대 이후 가장 중요한 응용 분야는 원자로의 다양한 구조적 구성 요소였습니다.

지르코늄은 1789년 광물 지르콘의 산화물을 처음으로 분리한 독일 화학자 Martin Heinrich Klaproth에 의해 발견되었습니다. 최초의 금속 분말은 1824년 스웨덴 화학자 Jons J. Berzelius에 의해 생산되었습니다. 그러나 19세기에 분리될 수 있었던 금속의 형태는 불순하여 매우 부서지기 쉽습니다. 사용 가능한 양의 금속을 정제하는 최초의 방법은 1925년 네덜란드 화학자 Anton E. van Arkel과 J. H. de Boer에 의해 개발되었으며, 이들은 지르코늄 테트라요오다이드를 열적으로 분해하는 열적 요오다이드 공정을 발명했습니다. van Arkel과 de Boer의 방법의 단점은 비용이었지만 20년 후 룩셈부르크의 William Justin Kroll은 마그네슘을 사용하여 사염화지르코늄을 분해하는 더 저렴한 공정을 발명했습니다. 비교적 저렴한 이 공정은 산업용으로 충분히 크고 순수한 양의 지르코늄을 생산했습니다.

Kroll의 혁신 이후 지르코늄은 철강, 철, 원자력과 같은 여러 산업에서 중요한 요소가 되었습니다. 철강 산업에서 철에서 질소와 황을 제거하여 철강의 야금 품질을 향상시키는 데 사용됩니다. 합금을 만들기 위해 철에 첨가하면 지르코늄은 철의 기계 가공성, 인성 및 연성을 향상시킵니다. 지르코늄의 다른 일반적인 산업 응용 분야에는 광전구 및 수술 장비 제조, 가죽 무두질 등이 있습니다.

다양한 산업 응용 분야에 사용할 수 있는 능력에도 불구하고 오늘날 생산되는 대부분의 지르코늄은 수냉식 원자로에 사용됩니다. 지르코늄은 내식성이 강할 뿐만 아니라 핵분열 파편과 중성자를 가두어 열 중성자나 느린 중성자가 흡수되거나 낭비되지 않도록 하여 원자로의 효율을 향상시킵니다. 사실, 1989년에 생산된 지르코늄의 약 90%가 원자로, 즉 연료 용기나 핵 제품 케이스에 사용되었습니다.

원자재

지르코늄이 발생하는 두 가지 광물 형태 중에서 지르콘이 훨씬 더 중요한 공급원입니다. 주로 화성암에서 발견되는 지르콘은 화성암이 침식되면서 생성된 자갈과 모래에도 나타납니다. 이 형태에서는 종종 실리카, 일메나이트 및 루틸과 혼합됩니다. 오늘날 산업에서 사용되는 대부분의 지르콘은 가장 순수한 지르콘이 추출되고 정제되어 지르코늄 금속으로 사용되는 이러한 모래 및 자갈 퇴적물에서 유래합니다. 덜 순수한 침전물은 내화물 및 세라믹 제품에 안정화 지르코니아 형태로 사용됩니다. 세계 최대 지르콘 광산은 호주, 남아프리카, 지르콘이 포함된 모래와 자갈은 일반적으로 대형 증기 삽이 장착된 부유식 준설선을 통해 연안 해역에서 수집됩니다. 떠 있는 바지선에. 삽으로 자갈과 모래를 퍼낸 후 나선형 농축기로 정화한 다음 자기 및 정전기 분리기로 불필요한 물질을 제거합니다.
지르콘의 최종 제품 제조업체는 염소를 사용하여 금속을 정제한 다음 산업용으로 충분히 사용할 수 있을 때까지 소결(가열)하여 거의 순수한 지르콘을 지르코늄으로 정제합니다. 순도가 낮은 지르콘은 실리카가 철과 합금되는 규소로 환원될 때까지 지르콘을 코크스, 철 천공 및 석회와 융합하여 지르코늄 산화물인 지르코니아로 만듭니다. 브라질, 중국, 인도, 러시아, 이탈리아, 노르웨이, 태국, 마다가스카르 및 캐나다에도 풍부한 침대가 있습니다. 지르콘과 마찬가지로 배드레이라이트는 모래와 자갈 퇴적물에서 추출됩니다. 지르콘과 달리 상업적으로 실행 가능한 배드레이라이트 퇴적물은 상대적으로 높은 농도의 산화지르코늄을 함유하므로 바델레이라이트를 정제하지 않고 사용할 수 있습니다. 그러나 광물은 지르콘보다 훨씬 더 희소하며 상당한 양은 브라질과 플로리다에서만 발생합니다.

추출 및 정제

지르콘 추출

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1 규산염, 일메나이트 및 금홍석과 혼합된 지르콘을 포함하는 모래와 자갈은 일반적으로 부유식 바지선에 장착된 대형 증기 삽인 부유식 준설선을 통해 연안 해역에서 수집됩니다. 삽으로 자갈과 모래를 퍼낸 후 밀도에 따라 분리되는 나선형 농축기로 정화합니다. 일메나이트와 루틸은 자기 및 정전기 분리기로 제거됩니다. 가장 순수한 농도의 지르콘은 금속 생산에 사용하기 위해 최종 제품 제조업체로 배송되는 반면 내화물에는 덜 순수한 농도가 사용됩니다.

지르콘 정제

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2 지르콘의 최종 제품 제조업체는 금속을 정제하기 위해 환원제(보통 염소)를 사용하고 산업적 사용을 위해 충분히 연성(작업 가능)이 될 때까지 소결(가열)하여 거의 순수한 지르콘을 지르코늄으로 정제합니다. 소규모 실험실 사용의 경우, 염화물을 사용하여 지르콘을 환원시키는 화학 반응을 통해 금속 지르코늄을 생성할 수 있습니다.

3 순도가 낮은 지르콘은 규소가 철과 합금되는 규소로 환원될 때까지 지르콘에 코크스, 철 천공 및 석회를 융합하여 지르코늄 산화물인 지르코니아로 만듭니다. 그런 다음 지르코니아를 약 화씨 3,095도(섭씨 1,700도)로 가열하고 석회와 마그네시아를 약 5% 첨가하여 안정화합니다.

배드들레이라이트 정제

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4 위에서 언급한 바와 같이 배드레이라이트는 여과나 세정 없이 사용할 수 있는 비교적 높은 순수 농도의 산화지르코늄을 함유하고 있습니다. Baddeleyite에 사용되는 유일한 정제 공정은 자갈이나 모래를 가루로 분쇄하고 다른 크기의 체로 가루의 크기를 결정하는 것입니다. Baddeleyite에서 나오는 모든 산화 지르코늄은 내화물과 점점 더 고급 세라믹에 사용됩니다.

품질 관리

지르코늄 금속 생산에 구현되는 품질 관리 방법은 대부분의 금속 생산에 사용되는 전형적인 통계적 공정 관리(SPC) 방법입니다. 여기에는 최종 제품 요구 사항에 의해 결정된 특정 변수를 추적하고 제어하는 ​​작업이 포함됩니다. 엄격한 정부 품질 관리는 원자력 분야에서 생산되는 모든 금속 지르코늄에 적용됩니다. 이러한 통제를 통해 원자력 발전소에서 사용하기 위해 생산된 지르코늄이 올바르게 처리되었는지 확인하고 책임을 지도록 합니다. 각 개별 단계와 위치를 추적할 수 있도록 처리가 추적됩니다.

내화물 응용 분야에 사용되는 지르코늄의 품질 관리 방법도 SPC에 중점을 둡니다. 그러나 내화물 산업에서는 지르코늄 광물이 추출된 해변(해변의 어느 부분까지 포함)을 확인하는 것도 필요합니다. 제조사는 지르코늄이 어디에서 왔는지 정확히 알아야 합니다. 소스마다 약간 다른 미량 원소가 포함되어 있고 서로 다른 미량 원소가 최종 제품에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.

부산물/폐기물

지르콘 정제 공정의 모든 부산물인 규산염, 일메나이트 및 금홍석은 일반적으로 추출 현장에서 물에 다시 버려집니다. 이러한 요소는 일반적인 해변 모래를 구성하며 환경에 해를 끼치 지 않습니다. 지르코늄 제조의 다른 주목할만한 부산물인 염화마그네슘은 정제 과정에서 염소로 지르콘을 환원시키는 결과이며 일반적으로 마그네슘 정제소에 판매됩니다. Baddeleyite 정제로 인한 부산물이나 폐기물이 없습니다.

미래

많은 사람들은 지르코늄의 미래가 고급 세라믹으로서의 사용에 달려 있다고 믿습니다. 고급 세라믹("파인", "새", "하이테크" 또는 "고성능" 세라믹이라고도 함)은 경쟁 금속보다 많은 기능을 더 잘 수행할 수 있기 때문에 일반적으로 처리 장비, 장치 또는 기계의 구성 요소로 사용됩니다. 또는 폴리머. 지르코늄은 상당히 단단하고 열을 잘 전도하지 않으며 상대적으로 불활성이며(즉, 다른 원소와 쉽게 반응하지 않음) 고급 세라믹에 대한 모든 우수한 품질입니다. 세라믹으로 제조된 산화지르코늄은 금속 용해용 도가니, 가스터빈, 제트 및 로켓 모터 튜브용 라이너, 저항로, 초고주파로, 고온로의 외장재 등 내화물 제조에 사용할 수 있습니다. 벽.