Ligas de zircônio são soluções sólidas de zircônio ou outros metais, um subgrupo comum com a marca registrada Zircaloy. O zircônio tem seção transversal de absorção de nêutrons térmicos muito baixa, alta dureza, ductilidade e resistência à corrosão.
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Vantagens das ligas de zircônio
Alto ponto de fusão:A liga de zircônio tem um alto ponto de fusão, o que pode ser usado para processamento e aplicação em ambientes de alta temperatura.
Resistência à corrosão:As ligas de zircônio têm excelente resistência à corrosão e podem ser usadas por muito tempo em ambientes agressivos, como ácidos fortes, álcalis fortes, altas temperaturas e altas pressões, por isso são amplamente utilizadas nas áreas da indústria química, marítima e nuclear.
Boa biocompatibilidade:A liga de zircônio não causa rejeição quando entra em contato com tecidos biológicos e pode ser usada na fabricação de dispositivos médicos, articulações artificiais e outros materiais médicos, com boa biocompatibilidade.
Boas propriedades mecânicas:A liga de zircônio tem excelentes propriedades mecânicas, incluindo alta resistência, alta dureza, alta tenacidade e alta resistência ao desgaste, etc., que podem ser usadas para fabricar peças mecânicas e ferramentas de alta qualidade.
Seção transversal de baixa absorção de nêutrons térmicos:A liga de zircônio tem uma seção transversal de absorção de nêutrons térmicos muito baixa, que pode ser usada como materiais estruturais centrais para reatores nucleares, como revestimento de combustível, tubos de pressão, stents e tubos de orifício.
Para que é usada a liga de zircônio? Nuclear e mais
O número atômico do zircônio é 40, com o símbolo do elemento Zr. O elemento zircônio tem uma aparência de metal prateado, e a densidade é 6,52 g/cm3. O Zr tem uma seção transversal de adsorção de nêutrons muito pequena e um ponto de fusão relativamente alto (1855 graus ou 3371 graus F), tornando o zircônio um ótimo material para barras de energia nuclear. Na década de 1990, cerca de 90% do zircônio produzido a cada ano era consumido pela indústria nuclear. No entanto, à medida que mais e mais pessoas se familiarizam com o Zr e seu composto, mais aplicações foram encontradas.
O dióxido de zircônio, ou zircônia, é um composto de zircônio muito importante. O ZrO2 pode ser matéria-prima para cerâmicas técnicas, que tem grande dureza e resistência ao desgaste. A zircônia também pode estar na forma de cristal transparente e é extremamente dura, como diamantes. Assim, elementos de zircônio também podem ser encontrados em judiarias, como anéis de zircônio e coroas de zircônio, etc.
O metal de zircônio e as ligas de zircônio têm vantagens em ambientes químicos especializados - principalmente ácidos acético e clorídrico. A resistência à corrosão do zircônio vem de um óxido firmemente aderido que se forma quase instantaneamente. Como resultado, o zircônio tem sido usado para fazer componentes de eletrodos, parafusos de flange, tubos e hastes para aplicações especiais. Os produtos de zircônio também têm amplas aplicações em equipamentos médicos, como implantes de zircônio.
Materiais à base de zircônio também foram encontrados com algumas propriedades especiais. O zircônio tem sido usado para fazer materiais supercondutores de alta temperatura e barras de cristal de Zr são frequentemente usadas como matéria-prima. Ligas de zircônio também são consideradas materiais promissores para metal amorfo comercial, também chamado de vidro metálico. Comparado com materiais metálicos comuns, o metal amorfo não tem limites de grãos, levando a melhor resistência ao desgaste e dureza. Além disso, metais amorfos não têm corrosão de limites de grãos e podem ser formados por calor. Para fazer o estado amorfo, as ligas derretidas precisam ser resfriadas rapidamente. Normalmente, a velocidade precisa ser de milhões de K/s, as ligas à base de Zr recentemente desenvolvidas podem fazer com que seja cerca de 1K/s.
A demanda por zircônio deve aumentar nos próximos anos devido à demanda por usinas nucleares em todo o mundo. No entanto, apenas algumas grandes empresas possuem a tecnologia necessária para fabricar materiais de zircônio de nível nuclear, e o enorme investimento dificulta a entrada de novos participantes. Embora a indústria nuclear ainda consuma uma grande parte do zircônio produzido a cada ano, aplicações em outros campos, como cerâmica, foram desenvolvidas rapidamente nas últimas décadas.
O zircônio puro é um metal de transição forte, branco-acinzentado e brilhante que se assemelha ao háfnio e ao titânio em menor extensão. O zircônio é usado principalmente como refratário e opacificante, embora pequenas quantidades sejam usadas como um agente de liga por sua forte resistência à corrosão. O zircônio e suas ligas são amplamente usados como revestimento para combustíveis de reatores nucleares. O zircônio ligado ao nióbio ou estanho tem excelentes propriedades de corrosão.
A alta resistência à corrosão das ligas de zircônio resulta da formação natural de um óxido denso e estável na superfície do metal. Este filme é autocurativo. Ele cresce lentamente em temperaturas de até aproximadamente 550 graus (1020 graus F) e permanece firmemente aderente. A propriedade desejada dessas ligas também é uma baixa seção transversal de captura de nêutrons. As desvantagens do zircônio são propriedades de baixa resistência e baixa resistência ao calor, que podem ser eliminadas, por exemplo, pela liga com nióbio.
Ligas de Zircônio – Nióbio. Ligas de zircônio com nióbio são usadas como revestimentos de elementos combustíveis de reatores VVER e RBMK. Essas ligas são o material básico do canal de montagem do reator RBMK. A liga Zr + 1% Nb do tipo N-1 E-110 é usada para revestimentos de elementos combustíveis, e a liga Zr + 2.5% Nb do tipo E-125 é aplicada para tubos de canais de montagem.
Ligas de Zircônio – Estanho. Ligas de zircônio, nas quais o estanho é o elemento básico de liga, proporcionam melhoria de suas propriedades mecânicas e têm ampla distribuição nos EUA. Um subgrupo comum tem a marca registrada Zircaloy. No caso de ligas de zircônio-estanho, a resistência à corrosão em água e vapor é diminuída, resultando na necessidade de liga adicional.
O material de revestimento para os novos projetos de combustível 17×17 também é baseado nas ligas de zircônio-nióbio (por exemplo, material ZIRLO otimizado), que demonstraram ter resistência à corrosão melhorada em comparação com materiais de revestimento de combustível anteriores. O nível de estanho otimizado fornece uma taxa de corrosão reduzida, mantendo os benefícios da resistência mecânica e resistência à corrosão acelerada de condições químicas anormais.
Custos do Zircônio
Em termos de custo, essas ligas são frequentemente os materiais de escolha para trocadores de calor e sistemas de tubulação para as indústrias de processamento químico e nuclear. O zircônio é um subproduto da mineração e processamento de minerais de titânio e mineração de estanho. De 2003 a 2007, enquanto os preços do mineral zircônio aumentaram constantemente de US$ 360 para US$ 840 por tonelada, o preço do metal zircônio bruto diminuiu de US$ 39.900 para US$ 22.700 por tonelada. O metal zircônio é muito mais caro do que o zircônio porque os processos de redução são dispendiosos. Todos os custos variam significativamente com certa pureza.
Produção de Zircônio
A produção de metal zircônio requer técnicas especiais devido às propriedades químicas particulares do zircônio. A maior parte do metal Zr é produzida a partir do zircão (ZrSiO4) pela redução do cloreto de zircônio com metal magnésio no processo Kroll. A principal característica do processo Kroll é a redução do cloreto de zircônio para zircônio metálico pelo magnésio. O zircônio comercial de grau não nuclear normalmente contém 1–5% de háfnio, cuja seção transversal de absorção de nêutrons é 600x a do zircônio. O háfnio deve ser quase totalmente removido (reduzido para < 0,02% da liga) para aplicações em reatores.
Ligas de zircônio na indústria nuclear
O revestimento de combustível normalmente tem um raio interno de rZr,2=0.408 cm e um raio externo de rZr,1=0.465 cm.
O revestimento de combustível é a camada externa das barras de combustível, posicionada entre o refrigerante do reator e o combustível nuclear (ou seja, pellets de combustível). É feito de material resistente à corrosão com uma seção transversal de baixa absorção para nêutrons térmicos (~ 0.18 × 10–24 cm2), geralmente liga de zircônio. O revestimento de combustível normalmente tem um raio interno de rZr,2=0.408 cm e raio externo rZr,1=0.465 cm. Comparado ao pellet de combustível, quase não há geração de calor no revestimento de combustível (o revestimento é ligeiramente aquecido pela radiação). Todo o calor gerado no combustível deve ser transferido por condução através do revestimento; portanto, a superfície interna é mais quente do que a superfície externa.
Uma composição típica de ligas de zircônio de grau nuclear é mais de 95 por cento de zircônio e menos de 2% de estanho, nióbio, ferro, cromo, níquel e outros metais, que são adicionados para melhorar as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão. Até o momento, a liga mais comumente usada em PWRs tem sido o Zircaloy 4. No entanto, atualmente, ele está sendo substituído por novas ligas à base de zircônio-nióbio, exibindo melhor resistência à corrosão. A temperatura máxima na qual as ligas de zircônio podem ser usadas em reatores resfriados a água depende de sua resistência à corrosão. As ligas de zircônio mais comuns, Zircaloy-2 e Zircaloy-4, contêm os estabilizadores fortes estanho e oxigênio, além dos estabilizadores ferro, cromo e níquel.
Ligas do tipo Zircalloy, nas quais o estanho é o elemento básico de liga que melhora suas propriedades mecânicas, têm ampla distribuição mundial. No entanto, neste caso, ocorre a diminuição da resistência à corrosão em água e vapor, resultando na necessidade de liga adicional. A melhoria provocada pelo aditivo nióbio provavelmente envolve um mecanismo diferente. A alta resistência à corrosão de metais ligados ao nióbio em água e vapor em temperaturas de 400–550 graus é causada por sua capacidade de passivação com a formação de películas protetoras.
Oxidação de ligas de zircônio
A oxidação de ligas de zircônio é um dos processos mais estudados na indústria nuclear. A reação oxidativa do zircônio com água libera gás hidrogênio, que se difunde parcialmente na liga e forma hidretos de zircônio. Os hidretos são menos densos e mecanicamente mais fracos do que a liga; sua formação resulta em bolhas e rachaduras no revestimento – um fenômeno conhecido como fragilização por hidrogênio. Embora muitos desses relatórios sejam escritos para abordar a reação de combustível e vapor com ligas de zircônio no caso de um acidente nuclear, ainda há um número substancial de relatórios que tratam da oxidação de ligas de zircônio em temperaturas moderadas de cerca de 800 K e abaixo.
Potencial futuro e desenvolvimento da liga de zircônio
À medida que as indústrias de Zircônio e Produtos de Liga de Zircônio expandem os limites, a liga de zircônio surge como um ator-chave na formação do futuro das aplicações industriais. Com sua excepcional resistência à corrosão e estabilidade em alta temperatura, as ligas de zircônio estão abrindo caminho para inovações revolucionárias em vários setores.
Os esforços contínuos de pesquisa e desenvolvimento na tecnologia de liga de zircônio estão alimentando avanços nas indústrias aeroespacial, de energia nuclear e de processamento químico. Engenheiros estão explorando novas maneiras de aumentar a resistência e a durabilidade das ligas de zircônio, abrindo portas para aplicações ainda mais diversas.
Além de suas propriedades mecânicas, a biocompatibilidade da liga de zircônio a torna uma opção atraente para implantes e dispositivos médicos. O potencial para crescimento adicional nessa área é promissor, à medida que os pesquisadores se aprofundam na otimização de ligas de zircônio para fins biomédicos.
Com melhorias e descobertas contínuas no horizonte, o futuro da liga de zircônio parece brilhante, pois ela continua a revolucionar os processos industriais e impulsionar a inovação.
O uso de produtos de liga de zircônio em aplicações industriais oferece uma infinidade de benefícios que o tornam um material altamente desejável para várias indústrias. Com sua excepcional resistência à corrosão, resistência a altas temperaturas e biocompatibilidade, as ligas de zircônio estão prontas para desempenhar um papel cada vez mais significativo na formação do futuro da fabricação e tecnologia industrial.
À medida que os avanços continuam a ser feitos no desenvolvimento e na aplicação de produtos de liga de zircônio, podemos esperar ver inovação e progresso ainda maiores em indústrias que vão desde aeroespacial e saúde até geração de energia nuclear. A versatilidade e a confiabilidade das ligas de zircônio as tornam um ativo valioso para expandir os limites do que é possível dentro dos processos industriais.
Ao aproveitar as propriedades únicas das ligas de zircônio, os fabricantes podem melhorar o desempenho, melhorar a eficiência, reduzir os custos de manutenção e, finalmente, impulsionar o sucesso em seus respectivos campos. Ao olharmos para o futuro, fica claro que os produtos de liga de zircônio continuarão na vanguarda das aplicações industriais de ponta em todo o mundo.
Ligas de zircônio para atender às demandas de materiais em fusão
Materiais e Projeto de Reator de Fusão
A fusão nuclear tem sido amplamente investigada nos últimos anos devido à sua capacidade de criar energia limpa sem a proliferação de subprodutos radioativos. Na fusão, dois elementos são fundidos para liberar energia. Atualmente, o melhor candidato para fusão é uma reação de deutério-trítio. Deutério e trítio são dois isótopos de hidrogênio, que quando fundidos criam hélio, nêutrons livres e energia. Atualmente, os projetos sendo avaliados para reatores de fusão são DEMO, STEP e ITER.
Em um reator de fusão, os desafios de eficiência de nêutrons são diferentes das reações de fissão. O trítio deve ser constantemente reabastecido para sustentar a eficiência de longo prazo da reação de fusão. Isso é realizado pela reprodução do trítio por meio de espalhamento inelástico de nêutrons. Como as reações ocorrem em temperaturas elevadas e estão sujeitas à fluência térmica, são necessários materiais que possam ter um bom desempenho em temperaturas elevadas, mantendo uma baixa seção transversal de nêutrons térmicos.
A seleção de materiais com propriedades estruturais e térmicas superiores é essencial para o design seguro e ideal dos componentes do reator de fusão. Um elemento-chave do design do reator de fusão é a manta reprodutora, que protege os instrumentos do reator da radiação. As mantas reprodutoras são compostas por um conjunto de módulos que cobrem o interior do vaso do reator de fusão e devem suportar temperaturas extremas e fluxos intensos de nêutrons. Além disso, garante a máxima eficiência do reator.
Materiais que foram explorados como candidatos para projeto de manta reprodutora incluem ligas e compósitos à base de vanádio, ferro, silício e cromo. Estudos recentes demonstraram que o zircônio (Zr) é um candidato vantajoso se usado como material estrutural na primeira parede de uma manta reprodutora em um reator do tipo DEMO.
Vantagens do Zircônio
O zircônio já vem sendo usado como material em aplicações de reatores de fissão há aproximadamente seis décadas. Hoje, muitas ligas de zircônio são usadas como revestimentos e conjuntos de combustível em reatores de fissão de água leve. Ligas comuns incluem Zr-2.5, ZIRLOTM e Zircaloy-2 e –4. O sucesso dessas ligas se deve em grande parte à pequena seção transversal de sua absorção de nêutrons térmicos, em relação a outros elementos de materiais estruturais.
A vantagem de uma pequena seção transversal de absorção de nêutrons térmicos é que ela permite maior disponibilidade de nêutrons, o que sustenta a criticidade da reação de fissão. Outros materiais precisam de mais enriquecimento, o que pode ser financeiramente custoso. No entanto, como as reações de fusão ocorrem em temperaturas elevadas e há uma fluência térmica inerente que ocorre durante a operação, as ligas de zircônio atuais são insuficientes.
Investigando as atuais ligas de zircônio e abordando problemas
No estudo publicado no Journal of Nuclear Materials, os autores investigaram várias ligas de zircônio atualmente disponíveis comercialmente, incluindo ligas binárias, como ligas Zr-V e Zr-Si, bem como ligas de ordem superior, como Zr-Nb-Ti e Zr-Mo-Sn. Concluiu-se que, com mais pesquisas, ligas de ordem superior poderiam mostrar propriedades térmicas e estruturais vantajosas (como resistência e ductilidade), mantendo ao mesmo tempo uma baixa seção transversal de nêutrons térmicos.
No entanto, atualmente, há dados incompletos sobre o desempenho dessas ligas sob temperaturas elevadas que ocorrem durante a operação. Em um reator de fusão, as temperaturas podem facilmente atingir até 500-700 oC. Qualquer material estrutural composto de ligas de zircônio deve apresentar propriedades térmicas e mecânicas superiores quando usado em mantas reprodutoras de metal líquido ou resfriadas a hélio.
Investigando as ligas de zircônio disponíveis atualmente, os autores concluíram que usar Zr-4 como um material estrutural de manta reprodutora melhoraria significativamente a taxa de reprodução de trítio. Embora isso seja significativamente melhor do que outros candidatos, como V-4Cr-4Ti, ainda há problemas com resistência, resistência à fluência térmica e propriedades de fadiga sob temperaturas elevadas. Além disso, impurezas podem causar problemas de fragilização, facilitando a necessidade de revestimentos de barreira.
Nossa fábrica
Localizada em Baoji, província de Shaanxi, conhecida como Vale do Titânio da China, a Baoji West Titanium Materials Co., Ltd (West-Ti) foi fundada em 2019 com um capital registrado de 60 milhões de yuans. A empresa foi fundida com a Baoji Hongyuan Titanium Industry Co., Ltd. e a Baoji Overflow Industrial Co., Ltd, ambas as empresas têm mais de 20 anos de experiência na indústria de titânio. Em 2019, o negócio estabelecido em conjunto da Baoji West Titanium Materials Co., Ltd abrange o processamento e as vendas de metais raros, como bobina de titânio, placa, barra, fio e forjamento de titânio.
Perguntas frequentes
Como um dos fabricantes e fornecedores de liga de zircônio mais profissionais da China, somos caracterizados por produtos de qualidade e preço competitivo. Fique à vontade para comprar liga de zircônio para venda aqui e obter cotação de nossa fábrica. Entre em contato conosco para um serviço personalizado.
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