O zircônio puro é um metal de transição brilhante, branco-acinzentado e forte que se assemelha ao háfnio e, em menor grau, ao titânio. O zircônio é usado principalmente como refratário e opacificante, embora pequenas quantidades sejam usadas como agente de liga por sua forte resistência à corrosão. O zircônio e suas ligas são amplamente utilizados como revestimento para combustíveis de reatores nucleares. Zircônio ligado com 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 auto-reparador, continua a crescer lentamente em temperaturas de até aproximadamente 550°C (1020°F) e permanece fortemente aderente. A propriedade desejada dessas ligas também é uma seção de choque de baixa captura de nêutrons. As desvantagens do zircônio são propriedades de baixa resistência e baixa resistência ao calor, que podem ser eliminadas, por exemplo, ligando-se ao nióbio.
- Zircônio – Ligas de Nióbio. Ligas de zircônio com nióbio são usadas como revestimento de elementos combustíveis de reatores VVER e RBMK. Essas ligas são o material base 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, a liga Zr + 2,5% Nb do tipo E-125 é aplicada para tubos de canais de montagem.
- Zircônio – Ligas de Estanho. As ligas de zircônio, nas quais o estanho é o elemento de liga básico, que proporcionam melhoria de suas propriedades mecânicas, têm ampla distribuição nos EUA. Um subgrupo comum tem a marca comercial Zircaloy. No caso das ligas zircônio-estanho, ocorre a diminuição da resistência à corrosão em água e vapor, resultando na necessidade de ligas adicionais.
O material de revestimento para os novos projetos de combustível 17×17 é baseado também nas ligas de zircônio-nióbio (por exemplo, material ZIRLO otimizado), que demonstrou ter resistência à corrosão aprimorada em comparação com materiais de revestimento de combustível anteriores. O nível de estanho otimizado fornece uma taxa de corrosão reduzida enquanto mantém os benefícios de força mecânica e resistência à corrosão acelerada de condições químicas anormais.
Custos de zircônio
Em termos de custo, essas ligas também são frequentemente os materiais de escolha para trocadores de calor e sistemas de tubulação para processamento químico e indústrias nucleares. O zircônio é um subproduto da mineração e processamento dos minerais de titânio, bem como da mineração de estanho. De 2003 a 2007, enquanto os preços do mineral zircônio aumentaram de US$ 360 para US$ 840 por tonelada, o preço do zircônio bruto diminuiu de US$ 39900 para US$ 22700 por tonelada. O zircônio metálico é muito mais caro que o zircônio porque os processos de redução são caros. Todos os custos variam significativamente com certa pureza.
Produção de zircônio
A produção de zircônio metálico 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 magnésio metálico no processo Kroll. A principal característica do processo Kroll é a redução do cloreto de zircônio para zircônio metálico por 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, portanto, ser quase totalmente removido (reduzido para < 0,02% da liga) para aplicações em reatores.
Liga de Zircônio – Zircaloy–4
Zircaloy-4 (UNS R60804) é uma variação do Zircaloy-2, mas não contém níquel e tem um teor de ferro mais alto e mais controlado. As propriedades mecânicas são semelhantes ao zircônio puro, mais forte e menos dúctil, com excelente resistência à corrosão. Esta liga também é usada em serviço nuclear; absorve menos hidrogênio do que Zircaloy-2 quando exposto à corrosão em água e vapor.
O Zircaloy-4 foi desenvolvido a partir do Zircaloy-2 com o objetivo principal de reduzir a tendência de captação de hidrogênio. Assim, aplicam-se as mesmas especificações de composição, exceto para o níquel, que está limitado ao máximo de 0,007%, e para o ferro, cuja faixa é reduzida para 0,18%.
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