6.4. Переплавка металла

Переплав циркония и гафния производят в электродуговых и электронно-лучевых печах. Губку или порошок металла брикетируют, затем расплавляют в вакууме, способствующем значительному перегреву расплава. В таких условиях скорости испарения примесей резко возрастают, что обеспечивает очистку расплава от более летучих компонентов.

Нередко в процессе переплава губки в брикет (расходуемый электрод) добавляют легирующие элементы (олово, хром, никель и др.) и получают слитки легированного металла. Методом дуговой плавки можно производить заготовки компактного пластичного циркония массой до 2 т.

В электронно-лучевых печах достигается лучшая очистка металла за счёт болев высоких температур перегрева. Процесс проводят в две стадии: быстрого переплава брикета в черновой слиток и последующего медленного плавления слитка для более полного удаления примесей, в том числе кислорода.

Сравнительная оценка различных способов рафинирования металла приведена в табл. 14.

Т а б л и ц а 14

Примерное содержание примесей в цирконии и гафнии различных сортов

Сорт металла	O	N	Si	Fe	Al	Ti	Mg
Магниетермическая губка циркония	0,15	0,01	0,01	0,05	0,008	0,0025	0,09
Иодидный цирконий	0,02	0,001	0,003	0,02	0,003	0,001	0,001
Магниетермическая губка гафния	0,175	0,0014	0,01	0,04	0,005	0,005	0,065
Иодидный гафний	0,037	0,04	0,006	0,02	0,004	0,002	0,001
Гафний электролитического рафинирования	0,039	–	0,61	0,001	–	–	0,009
Гафний электронно-лучевой плавки	0,025	0,003	0,007	0,005	0,002	0,001	0,002

Глава 7. Основные области применения циркония, гафния и их соединений

Преобладающие количества циркония и гафния используются в виде концентратов (разд. 2). В настоящее время капиталистическими и развивающимися странами производится ежегодно около 7 тыс. т металлического циркония и около 50 т металлического гафния, для чего расходуется до 8 – 10 тыс. т цирконового концентрата (1 – 2 % от общего выпуска). Основными поставщиками металлического циркония являются США, Франция и Япония.

Цены на циркониевую продукцию на рынке капиталистических стран составили к 1978 г.: за губчатый металл 25 долл./кг, за стандартный металл в слитке  50 долл./кг; цена на металлический гафний колебалась от 125 до 300 долл./кг (в конце 70–х годов).

Основным потребителем чистого металлического циркония и гафния является ядерная энергетика. Из всех известных конструкционных металлов с высокой жаропрочностью и коррозиеустойчивоетью цирконий имеет наименьшую величину поперечного сечения захвата тепловых нейтронов, а гафний – наибольшую (табл. 15). Очищенный от гафния металлический цирконий используется в качестве оболочек ТВЭЛов, защищающих ядерное топливо (уран, плутоний) от контакта с теплоносителем, поскольку он почти полностью пропускает нейтроны. Цирконий используется также в отдельных конструкционных элементах ядерных реакторов.

По данным на 1986 г., мировая потребность в чистом цирконии только для оболочек ТВЭЛов будет возрастать ежегодно на 8 – 10 % (в 1995 г. 16 тыс. т.). Связано это с тем, что на атомных станциях ТВЭЛы с Zr-оболочками необходимо заменять один раз в три года. На каждую тысячу мегаватт мощности АЭС требуется в год около 30 т циркония.

Напротив, металлический гафний применяется в качестве компонента регулирующих и поглощающих стержней ядерного реактора. Низкий уровень надкритичности массы урана (или коэффициент размножения нейтронов) поддерживается регулированием поглощения избыточных нейтронов, выделяющихся при делении ядер урана. С этой целью ряд каналов реактора снабжают не ТВЭЛами, а стержнями из материалов, сильно поглощающих нейтроны (табл. 15). Такими материалами могут быть, кроме гафния, лантаниды (самарий, европий, гадолиний), но их поглощающая способность падает под действием нейтронного облучения. Гафний, а также его оксид и борид используются и в защитных устройствах ядерных реакторов от нейтронного облучения.

Благодаря высоким механическим свойствам цирконий и гафний являются компонентами сталей, сплавов, в том числе сверхпроводящих. Из широкого ассортимента сплавов на основе цветных металлов используются в атомной технике «циркаллои» (алюминий с добавками Zr и других металлов), разработанные в CССР сплавы Zr и Nb (1 – 2,5 %). К настоящему времени известно также более 20 жаропрочных сплавов с гафнием. Все они предназначаются для авиа- и ракетно-космической техники, перспективны для ядерной энергетики.

Цирконий и гафний широко применяются в химическом аппаратуростроении для эксплуатации в агрессивных средах, в электронике и электротехнике (геттеры остаточных газов, аноды и сетки для ламп с низкой вторичной электронной эмиссией, держатели катодов и др.). Перспективно использование циркония, наряду с танталом, в малогабаритных электролитических конденсаторах и выпрямителях.

Т а б л и ц а 15