Порошок циркониевый ПЦЭ (электролитический высокой чистоты)

Общие сведения о циркониевом электролитическом порошке

Циркониевый порошок электролитический — это высокочистый металлический полуфабрикат, получаемый методом электролиза расплавов фтористых соединений циркония. Электролитический способ позволяет достичь чистоты по основному веществу от 99,5 % и выше, что существенно превышает показатели кальциетермических порошков. Такой уровень чистоты определяет использование электролитического порошка в ответственных областях: атомной энергетике, электронике, специальной металлургии, пиротехнике.

Цирконий (Zr) — тугоплавкий металл с температурой плавления 1855 °C, плотностью 6,51 г/см³ и высокой коррозионной стойкостью. В компактном состоянии он устойчив к большинству кислот (кроме концентрированной серной и плавиковой), щелочам и морской воде. Однако в порошкообразном виде цирконий обладает высокой пирофорностью — способностью самовоспламеняться на воздухе при температурах от 180 до 250 °C. Это свойство требует особых мер при хранении, транспортировке и переработке порошка.

Марки электролитического циркониевого порошка

Электролитические порошки циркония классифицируются по степени чистоты и гранулометрическому составу. Основные марки, выпускаемые по действующим техническим условиям:

Порошки марок ПЦЭ-ЗР и ПЦЭ-ЗРБМ различаются главным образом размером частиц: марка ЗРБМ имеет более мелкую фракцию. Марки с индексом «о.ч.» отличаются повышенной чистотой — содержание Zr составляет не менее 99,9 %.

Химический состав порошка ПЦЭ-ЗР

Химический состав порошка циркониевого электролитического марки ПЦЭ-ЗР нормируется по содержанию примесных элементов. Содержание основного вещества (Zr) — не менее 99,5 %.

Предельное содержание примесей в порошке ПЦЭ-ЗР

Содержание гафния (Hf ≤ 0,05 %) является одним из ключевых параметров: гафний — химический аналог циркония и трудноотделим от него, однако обладает значительно бо́льшим сечением захвата тепловых нейтронов. Для применения в атомной энергетике требуется цирконий с минимальным содержанием гафния.

Особого внимания заслуживает ограничение по бору (B ≤ 0,00005 %) — этот элемент также активно поглощает нейтроны, поэтому его содержание контролируется на уровне десятитысячных долей процента.

Гранулометрический состав порошка ПЦЭ-ЗР

Распределение частиц по крупности определяется методом рассева и приводится в качестве справочных данных.

Основная масса порошка ПЦЭ-ЗР (около 75–100 % в сумме) приходится на фракции 125–710 мкм, что характерно для электролитического способа получения. Мелкая фракция (< 63 мкм) практически отсутствует, что положительно сказывается на безопасности при обращении — именно тонкодисперсные частицы склонны к самовоспламенению.

Основные физические свойства циркония

Свойства порошка как материала определяются физико-химическими характеристиками металлического циркония.

Цирконий существует в двух кристаллических модификациях: гексагональная α-фаза устойчива до 863 °C, выше которой металл переходит в кубическую объёмноцентрированную β-фазу. Это обстоятельство учитывается при термической обработке изделий из циркония и его сплавов.

Формы поставки циркониевого порошка

Порошок циркониевый электролитический поставляется в нескольких формах, выбор которых зависит от требований безопасности при транспортировке и условий дальнейшего применения.

Порошок россыпью (влажный)

Порошок во влажном состоянии — основная форма выпуска. Увлажнение необходимо для снижения пожаровзрывоопасности: сухой порошок циркония относится к пирофорным веществам и представляет серьёзную опасность. Увлажнённый порошок упаковывается в полиэтиленовый пакет, который помещается в герметичную стальную бочку типа 1А2 вместимостью 230 дм³. Такая упаковка обеспечивает защиту от механических повреждений и изоляцию от окислительной среды.

Таблетки (прессованный порошок)

Для безопасной транспортировки и удобства дозирования порошок поставляется в форме прессованных таблеток. Эта форма не классифицируется как опасный груз, что существенно упрощает логистику.

Прессованная форма удобна при использовании порошка в качестве циркониевой лигатуры в металлургических процессах: таблетки легко дозируются, не пылят и допускают хранение в обычных условиях без специальных средств пожаротушения.

Области применения электролитического порошка циркония

Высокая чистота электролитического циркониевого порошка определяет его востребованность в ряде отраслей промышленности.

Атомная энергетика

Цирконий, очищенный от гафния, обладает одним из наименьших сечений захвата тепловых нейтронов среди конструкционных металлов (0,18 барн). Это делает его основным материалом для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) и конструкций активной зоны ядерных реакторов. Электролитический порошок служит исходным сырьём для получения компактного металла — заготовок, из которых далее производятся трубы, прутки и другие конструкционные элементы для реакторостроения.

Металлургия

В металлургии цирконий применяется как эффективный раскислитель и деазотатор при выплавке специальных сталей, превосходя по этим показателям марганец, кремний и титан. Добавки циркония (до 0,8 %) повышают механические свойства и обрабатываемость сталей. Порошок циркония входит в состав циркониевых порошковых композиций, применяемых при легировании медных сплавов для повышения их жаропрочности при сохранении электропроводности.

Пиротехника и специальные составы

Порошкообразный цирконий обладает уникальным сочетанием свойств: низкой температурой самовоспламенения, высокой скоростью горения и способностью развивать одну из наиболее высоких температур среди металлических горючих (до 4650 °C при горении в кислороде). Горение происходит практически без дыма. Эти свойства обуславливают применение циркониевого порошка в составе воспламенительных смесей, осветительных ракет, сигнальных средств.

Электроника и вакуумная техника

Цирконий активно поглощает газы (кислород, азот, водород, CO, H₂O) при нагревании — это свойство называется геттерированием. Порошок наносят на детали горячей арматуры электровакуумных приборов (аноды, сетки) для поддержания глубокого вакуума. Циркониевую фольгу, получаемую из порошкового полуфабриката, используют в качестве фильтров рентгеновских трубок.

Порошковая металлургия

Электролитический порошок циркония используется для формования металлокерамических изделий методом прессования и спекания. Из порошкового полуфабриката получают заготовки для последующей обработки давлением — производства листов, лент, фольги и проволоки.

Пожаровзрывоопасность циркониевого порошка

Порошок циркония относится к категории пирофорных веществ. Тонкодисперсные фракции (менее 40 мкм) способны самовоспламеняться при контакте с воздухом при комнатной температуре. Увлажнённый порошок может взрываться при ударных нагрузках. По степени опасности цирконий считается наиболее опасным из металлов, применяемых в пиротехнике.

При работе с циркониевым порошком необходимо соблюдать следующие меры:

• хранение — только в герметичной таре, на закрытых складах, вдали от источников нагрева и открытого огня;
• помещения — оборудуются системами вентиляции и средствами пожаротушения (сухой песок, порошковые огнетушители; вода и пена запрещены);
• работа с порошком — только с использованием неискрящего инструмента, в антистатической одежде;
• при тушении возгорания циркония категорически запрещено применение воды — при температуре горения происходит разложение воды с выделением водорода, что многократно усиливает взрыв.

Хранение и упаковка

Порошок циркониевый электролитический хранится в герметичных стальных бочках типа 1А2 с полиэтиленовыми вкладышами. Требования к условиям хранения определяются классом опасности:

• влажный порошок россыпью — хранение в закрытых, сухих, проветриваемых складских помещениях при температуре не выше 35 °C;
• таблетированная форма — допускается хранение в стандартных складских условиях;
• срок годности определяется сопроводительной документацией на конкретную партию.

При получении и вскрытии тары необходимо контролировать целостность упаковки. Повреждение герметичности бочки с влажным порошком может привести к его высыханию и последующему самовозгоранию.

Отличия электролитического порошка от кальциетермического

Помимо электролитического способа, в промышленности применяется кальциетермический метод получения циркониевого порошка (марки ПЦрК). Основные отличия двух типов:

Электролитический порошок, как правило, дороже кальциетермического, но обеспечивает значительно более высокую чистоту, критически важную для ядерной и электровакуумной техники.