Zirkonium is zeer hitte-en corrosiebestendig
Wist je dat Zirkonium een cruciale rol speelt in zowel het mogelijk maken als het stoppen van een kernreactie in een kernenergie centrale? Voordat we dit uitleggen zetten we eerst de belangrijkste eigenschappen van Zirkonium uiteen, vergelijken we het met Titanium en zetten we een aantal verschillende toepassingen onder elkaar.
Wat is Zirkonium?
Zirkonium is een overgangsmetaal afkomstig uit het mineraal Zirkoon, het atoomnummer is 40 en we kenmerken dit element met het symbool Zr. Zirkonium werd al in 1789 ontdekt maar pas in 1914 voor het eerst in zuivere vorm geïsoleerd.
Het scheikundig element Zirkonium is één van de meest voorkomende elementen in de aardkorst, toch wordt Zirkonium niet puur uit de grond gewonnen. Het mineraal Zirkoon waar we Zirkonium uit isoleren wordt vaak als bijvangst gewonnen bij het mijnen van Titanium en Tin. In het proces om het mineraal Zirkoon om te zetten tot metallisch Zirkonium ontstaat ook een kleine hoeveelheid Hafnium. Zirkoon vinden we vooral in Australië, Amerika, Zuid-Afrika, Brazilië, India en Rusland.
Eigenschappen van Zirkonium
Het zilvergrijze overgangsmetaal Zirkonium is zeer veelzijdig. Een aantal kenmerkende eigenschappen zijn:
- Corrosie bestendig
- Hoge mate van bio compatibiliteit
- Ductiel en vormbaar
- Zeer sterk, ook bij hoge temperaturen
- Transparant voor neutronen
Zirkonium in vergelijking met Titanium
Zirkonium en Titanium vertonen een aantal gelijke eigenschappen, misschien niet gek als je bedenkt dat we Zirkonium vaak winnen als bijproduct van Titanium. Maar wat zijn dan die overeenkomsten en wat zijn de verschillen?
Overeenkomsten
Beide metalen hebben een hoog smeltpunt en zijn zeer corrosiebestendig door hun sterke, stabiele oxidehuid. Als we zuiver Zirkonium vergelijken met zuiver Titanium, is Zirkonium de sterkste van de twee, zeker bij hoge temperaturen en sterke chemische substanties is de corrosiebestendigheid van Zirkonium beter. Echter zijn er Titaniumlegeringen (zoals bijvoorbeeld grade 5) die vele malen sterker zijn dan alle Zirkonium varianten. Zowel Titanium als Zirkonium zijn zeer sterk, relatief licht en zijn beiden goed te lassen. Daarnaast zijn beide metalen niet giftig en biocompatibel met het menselijk lichaam waardoor ze geschikt zijn voor medische toepassingen bijvoorbeeld in tandtechniek en chirurgische instrumenten.
Verschillen
De metalen verschillen vooral in structuur, toepassing en investering. Het verschil in structuur, Zirkonium heeft een hexagonale structuur en Titanium een kristal structuur, vraagt om een andere verwerkingstechnieken. Titanium en Zirkonium worden voor verschillende toepassingen gebruikt in verschillende markten, Zirkonium wordt veel gebruikt in nucleaire energie en zeer chemische processen terwijl Titanium vaker toegepast wordt in lucht- en ruimtevaart, medische protheses en maritieme toepassingen. Wanneer Titanium voldoet aan de technische eisen is dit een zeer kostenefficiënt metaal waardoor Titanium eerder gekozen wordt dan Zirkonium.
Toepassing van Zirkonium
Zirkonium is door haar unieke eigenschappen zeer geschikt voor toepassing in verschillende markten. Naar schattig is ongeveer 90 procent van de Zirkoniumproductie bestemd voor kernreactortechnologie. Daarnaast wordt Zirkonium toegepast in onder andere:
- Chemische industrie
- Medische hulpmiddelen
- Luchtvaart
- Waterstofopslag
- Militaire industrie
Zirkonium in kernreactoren: Zircaloy
Zirkonium is essentieel in het opwekken van kernenergie. Twee opvallende eigenschappen maken het metaal bijzonder geschikt voor toepassing in kernreactoren: Zirkonium is zeer hittebestendig, absorbeert nauwelijks neutronen en is tot een temperatuur van 750°C zeer corrosiebestendig.
Kernenergie opwekken is een proces waarin hitte en neutronen cruciaal zijn. Zirkonium kan met beide goed omgaan, het smeltpunt is 1855 °C én het absorbeert weinig neutronen. De vrije beweging van neutronen is essentieel in het splitsen van Uranium atomen, omdat het metaal zo weinig neutronen absorbeert kunnen neutronen goed bewegen en kan efficiënt kernenergie opgewekt worden.
Daarnaast is Zirkonium essentieel in het veilig stoppen van de kernreactie. Om de kernreactie te stoppen worden splijtstofstaven die de neutronen absorberen geactiveerd. Deze staven worden gekoeld met koelwater. Het warme metaaloppervlak van de staven mag niet reageren met het koelwater, omdat dan het zeer explosiegevaarlijke waterstof ontstaat. Daarom zijn de staven voorzien van Zircaloy mantel. Zircaloy is een legering, beschikbaar in verschillende samenstellingen, die voor minstens 90 procent (95% voor toepassingen in kernenergie) uit Zirkonium bestaat. Daarnaast bestaat de legering uit een kleine hoeveelheid tin, ijzer, nikkel, chroom of niobium.
Zirkonium in chemische processen
Zirkonium wordt veel toegepast in chemische processen, zowel in de productie van bijvoorbeeld katalysatoren en pigmenten als bescherming van apparatuur, opslagtanks, pijpleidingen etc. Zirkonium en de verschillende legeringen realiseren de corrosie- en hitte bestendigheid die noodzakelijk zijn voor veilige en efficiënte chemische processen waarin zuren, basen en andere bijtende stoffen en/of hoge temperaturen gebruikt worden.
Benieuwd naar de voordelen van een samenwerking met Metel? Ons team vertelt je graag alles over ons programma of onze aanpak en deelt met veel plezier voorbeelden van succesvolle samenwerkingen met afnemers in jouw specifieke markt. Maak een afspraak via 0416 – 724 800 of mail n.kesteloo@metel.nl.