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氧化锆制品的稳定性及制品应用

    二氧化锆(ZrO2)是由锆精矿(或工业氧化锆)经过化学处理制得。
氧化锆具有两种变体,在1000℃以下是单斜晶系氧化锆(比重是5.68),在1000℃时生产较致密的四方晶系的氧化锆(比重是6.10)。
    单斜氧化锆与四方氧化锆之间的转变是可逆的快速转变,在冷却过程中该转化伴生7%的体积膨胀,易使制品产生开裂。为防止这种转变作用,必须加入稳定氧化锆结构接近的(晶系相同、离子半径相近)氧化物,如CaO、MgO、Y2O3、Nb2O3、CeO2等可以起稳定氧化锆的作用,能和氧化锆形成立方晶系溶体而使氧化锆稳定下来。通常认为,加入CaO和MgO作为稳定剂较好,而以CaO最有效,MgO次之。CaO的加入量通常为3%-8%或更多一些,将混合物煅烧至1700℃,可使氧化锆稳定下来。
    ZrO2-CaO系立方固体溶体,虽较为稳定,但在长期加热时亦会发生部分分解,而使氧化锆失去稳定作用。ZrO2-Y2O3固溶体与其他氧化锆固溶体相比,最主要优点是在1100-1400℃长期加热不发生分解,但这类氧化物稀缺,价格昂贵,只能局限于某些特殊要求的地方使用。为此,人们研究了多种符合稳定剂,如ZrO2-MgO和ZrO2-CaO固溶体加入1%-2%Y2O3即可显著提高其抗热震性。加入3%-5%Y2O3可以使固溶体完全不分解,而且具有很高的机械强度和较低的线膨胀系数。
    原料中的杂质含量对氧化锆的稳定和对熔化金属均有很大的影响,因此要制出优良性能的氧化锆制品,采用高纯度的原料是很重要的。
    原料的粉碎是将氧化锆原料和稳定剂按一定的配比,在橡胶衬里和金属锆球(或稳定烧结氧化锆制成的球)的球磨机中共同湿粉碎到小于2μm。然后经分离、干燥、打粉制成团块,并1700℃下预烧,使之稳定下来。再将稳定的团块破碎,根据制品要求的性质湿粉碎到要求的细度。用注浆法成型时,须将球磨料用盐酸处理后,加蒸馏水清洗。清洗时加入0.3%(浓度为10%)的阿拉伯树胶,作为颗粒清洗的沉降剂,清洗至PH值=6-7,经烘干(水分小于0.15%时),即可配浆浇注。也可用酸性泥浆浇注成型,其PH值=2,含水量为28%-30%,小于5μm的颗粒在90%为适宜。如用压制法成型时,须在制备好的一定颗粒和粉料的配料中加入粘结剂(磷酸、硼酸、糊精、或Zr(OH)2等)制成坯料。成型后的砖坯经干燥后在1700-2000℃下烧成。
    在氧化物制品系统中,氧化锆具有许多优良特性,如熔点高(2700℃),高温结构强度大,化学稳定性良好,高温蒸气压和分解压均较低,热导率小,因而可以满足高温、高真空冶炼的许多纯金属和合金所需的技术要求。
    氧化锆坩埚的最高使用温度可达2500℃,能成功地熔炼铂、钯、钌、铯等铂族贵金属及其合金,亦可用来熔炼钾、钠、石英玻璃以及氧化物和盐类等。氧化锆制品可用作高温炉衬。在铸钢工业中,由于它不被钢水所浸润,在连续铸钢过程中已成功地用作铸口砖。氧化锆热电保护管可用来测定钢水温度和熔融金属铬的温度,由于加入稳定剂后因金属离子间的价键不同,使固溶体形成空位,提高了高温离子的导电性,因此可作为高温炉(>2000℃)的发热元件。此外,氧化锆材料还可用作原子反应堆的反射材料。因此,它在冶金、热工及其它工业的高温技术发展领域中有不容忽视的重要作用。
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    畅销产品氧化锆砖是以本公司电熔氧化锆砂为原料,经特殊工艺高温烧结而成的。氧化锆砖具有耐高温(最高使用温度≥2500℃)、耐酸碱侵蚀、抗热震性等特点,广泛应用于军工、科研、高熔点金属熔炼、激光晶体、石英玻璃、电子等工业的超高温窑炉及钢铁连铸等场合。例玻璃熔炉的关键部位采用铬锆刚玉材料,大中型水泥窑冷却带、过渡带采用锆质耐材等。
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