Zircônio

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Antecedentes

O zircônio, símbolo Zr na Tabela Periódica, é um metal mais freqüentemente encontrado e extraído do mineral silicato de zircônio e do mineral óxido badeleíta. Em suas várias formas compostas, o zircônio branco-acinzentado é o décimo nono elemento mais abundante na crosta terrestre, onde é muito mais abundante que o cobre e o chumbo. Pertence à família dos metais do titânio, grupo que também inclui o titânio e o háfnio e que é preferido na indústria pela boa condutividade elétrica de seus membros, bem como pela tendência para formar sais metálicos. Por ser estável em muitas configurações eletrônicas e estados físicos, o zircônio pode ser transformado em muitos produtos. No entanto, desde a década de 1940, suas aplicações mais significativas têm sido em vários componentes estruturais de reatores nucleares.

O zircônio foi descoberto pelo químico alemão Martin Heinrich Klaproth, que isolou pela primeira vez um óxido do mineral zircão em 1789. O primeiro pó metálico foi produzido em 1824 por um químico sueco, Jons J. Berzelius. As formas do metal que puderam ser isoladas durante o século XIX, entretanto, eram impuras e, portanto, muito quebradiças. O método mais antigo de purificar quantidades utilizáveis ​​do metal foi desenvolvido em 1925 pelos químicos holandeses Anton E. van Arkel e J. H. de Boer, que inventaram um processo de iodeto térmico pelo qual decompor termicamente o tetraiodeto de zircônio. A desvantagem do método de van Arkel e de Boer era seu custo, mas vinte anos depois William Justin Kroll, de Luxemburgo, inventou um processo mais barato, usando magnésio para quebrar o tetracloreto de zircônio. Relativamente barato, esse processo produzia zircônio em quantidades grandes e puras o suficiente para uso industrial.

Desde a descoberta da Kroll, o zircônio se tornou um elemento importante em várias indústrias:aço, ferro e energia nuclear. É usado na indústria siderúrgica para remover nitrogênio e enxofre do ferro, melhorando assim a qualidade metalúrgica do aço. Quando adicionado ao ferro para criar uma liga, o zircônio melhora a usinabilidade, a tenacidade e a ductilidade do ferro. Outras aplicações industriais comuns do zircônio incluem a fabricação de lâmpadas fotoflash e equipamentos cirúrgicos e o curtimento de couro.

Apesar de sua capacidade de ser usado para muitas aplicações industriais diferentes, a maior parte do zircônio produzido hoje é usado em reatores nucleares resfriados a água. O zircônio tem fortes propriedades de resistência à corrosão, bem como a capacidade de confinar fragmentos de fissão e nêutrons de forma que nêutrons térmicos ou lentos não sejam absorvidos e desperdiçados, melhorando assim a eficiência do reator nuclear. Na verdade, cerca de 90% do zircônio produzido em 1989 foi usado em reatores nucleares, tanto em recipientes de combustível quanto em invólucros de produtos nucleares.

Matérias-primas

Das duas formas minerais em que ocorre o zircônio, o zircão é de longe a fonte mais importante. Encontrado principalmente na rocha ígnea, o zircão também aparece no cascalho e na areia produzida durante a erosão da rocha ígnea. Nessa forma, costuma ser misturado com sílica, ilmenita e rutilo. A grande maioria do zircão usado na indústria hoje se origina desses depósitos de areia e cascalho, dos quais o zircão mais puro é extraído e refinado para ser usado como metais de zircônio. Depósitos menos puros são usados ​​na forma de zircônia estabilizada para refratários e produtos cerâmicos. As maiores minas de zircão do mundo estão na Austrália, África do Sul, A areia e o cascalho que contêm zircão são normalmente coletados das águas costeiras por uma draga flutuante, uma grande escavadeira a vapor instalada em uma barcaça flutuante. Após a escavadeira recolher o cascalho e a areia, eles são purificados por meio de concentradores espirais e, em seguida, o material indesejado é removido por separadores magnéticos e eletrostáticos. Os fabricantes de produtos finais de zircão refinam ainda mais o zircão quase puro em zircônio, usando cloro para purificar o metal e, em seguida, sinterizando (aquecendo) até que se torne suficientemente viável para uso industrial. O zircão menos puro é transformado em zircônia, um óxido de zircônio, pela fusão do zircão com coque, perfurações de ferro e cal até que a sílica seja reduzida a silício que se liga ao ferro. e nos Estados Unidos, mas também existem leitos ricos no Brasil, China, Índia, Rússia, Itália, Noruega, Tailândia, Madagascar e Canadá. Como o zircão, a badeleita é extraída de depósitos de areia e cascalho. Ao contrário do zircão, os depósitos de badeleita comercialmente viáveis ​​contêm concentrações relativamente altas de óxido de zircônio e, portanto, a badeleita pode ser usada sem refino. O mineral é, no entanto, muito mais escasso que o zircão, ocorrendo quantidades significativas apenas no Brasil e na Flórida.

Extração e Refino

Extraindo zircão

• 1 A areia e o cascalho que contêm zircão misturado com silicato, ilmenita e rutilo são normalmente coletados das águas costeiras por uma draga flutuante, uma grande escavadeira a vapor instalada em uma barcaça flutuante. Depois que a pá coletou o cascalho e a areia, eles são purificados por meio de concentradores em espiral, que se separam com base na densidade. A ilmenita e o rutilo são então removidos por separadores magnéticos e eletrostáticos. Os concentrados mais puros de zircão são enviados para fabricantes de produtos finais para serem usados ​​na produção de metal, enquanto concentrações menos puras são usadas para refratários.

Zircão de refino

• 2 Os fabricantes de produtos finais de zircão refinam ainda mais o zircão quase puro em zircônio, usando um agente redutor (geralmente cloro) para purificar o metal e, em seguida, sinterizar (aquecer) até que se torne suficientemente dúctil - viável - para uso industrial. Para uso em laboratório em pequena escala, o zircônio metálico pode ser produzido por meio de uma reação química na qual o cloreto é usado para reduzir o zircão.
• 3 O zircão menos puro é transformado em zircônia, um óxido de zircônio, pela fusão do zircão com coque, perfurações de ferro e cal até que a sílica seja reduzida a silício que se liga ao ferro. A zircônia é então estabilizada pelo aquecimento a cerca de 3.095 graus Fahrenheit (1.700 graus Celsius), com adições de cal e magnésia totalizando cerca de cinco por cento.

Refinando baddeleyite

• 4 Como mencionado acima, a badeleyita contém concentrações relativamente altas e puras de óxido de zircônio que pode ser usado sem filtragem ou limpeza. O único processo de refino usado em badeleyite envolve a moagem do cascalho ou areia até virar um pó e o dimensionamento do pó com peneiras de tamanhos diferentes. Todo o óxido de zircônio que vem da badeleita é usado para refratários e, cada vez mais, cerâmicas avançadas.

Controle de qualidade

Os métodos de controle de qualidade implementados na produção de zircônio metálico são métodos típicos de Controle Estatístico de Processos (SPC) usados ​​na maioria da produção de metal. Isso envolve o rastreamento e o controle de variáveis ​​específicas determinadas pelos requisitos do produto final. O controle de qualidade estrito do governo é aplicado a todo o zircônio metálico produzido para aplicações nucleares. Esses controles garantem que o zircônio produzido para uso em uma usina nuclear foi processado corretamente e também permitem a prestação de contas:o processamento é rastreado de forma que possa ser rastreado até cada etapa e localização individual.

Os métodos de controle de qualidade para zircônio usados ​​em aplicações refratárias também se concentram no SPC. No entanto, nas indústrias de refratários, também é necessário verificar a praia (e até mesmo em que parte da praia) de onde o mineral de zircônio foi extraído. Os fabricantes precisam saber exatamente de onde o zircônio veio, porque cada fonte contém oligoelementos ligeiramente diferentes e diferentes oligoelementos podem afetar o produto final.

Subprodutos / resíduos

Silicato, ilmenita e rutilo - todos subprodutos do processo de refino do zircão - são normalmente despejados de volta na água no local de extração. Esses elementos compõem a areia típica de uma praia e em nada prejudicam o meio ambiente. O cloreto de magnésio, o único outro subproduto notável da fabricação do zircônio, resulta da redução do zircão com cloro no processo de refino e é normalmente vendido para refinarias de magnésio. Nenhum subproduto ou resíduo resulta do refino de baddeleyite.

O Futuro

Muitos acreditam que o futuro do zircônio está em seu uso como uma cerâmica avançada. Cerâmicas avançadas - também chamadas de cerâmicas "finas", "novas", "de alta tecnologia" ou "de alto desempenho" - geralmente são usadas como componentes em equipamentos de processamento, dispositivos ou máquinas porque podem desempenhar muitas funções melhor do que os metais concorrentes ou polímeros. O zircônio é bastante duro, não conduz bem o calor e é relativamente inerte (ou seja, não reage prontamente com outros elementos), todas qualidades excelentes para cerâmicas avançadas. O óxido de zircônio, fabricado como uma cerâmica, pode ser usado para fazer cadinhos para fundir metais, turbinas a gás, revestimentos para tubos de motor a jato e foguete, fornos de resistência, fornos de ultra-alta frequência e refratários, como o revestimento de um forno de alta temperatura parede.