认识金属材料锆及锆制设备

锆（Zr），具备超强的抗腐蚀、耐高温、耐核辐射能力，可用于核反应堆和航空航天，堪称材料界高富帅，金属界的王者！

而锆材动辄上百万元一吨的价格，也让人望而却步。为了全面了解这个王者，今天小编整理了详细的资料，做个详尽的介绍，送给有缘人！

锆与钛、铪同族，元素周期表中位置见下图红框。

化学元素周期表

*（一）应用范围

航空航天--ZrO2熔点高达2700℃，耐高温性能强劲，如飞船脱落瓦；

核反应堆--反应堆燃料棒包壳用锆，良好的耐核子辐射和机械性能；

核反应堆燃料棒包壳

化工行业--如甲醇羰基化醋酸工艺装置中的脱轻塔，脱水塔为锆复合板设备；

新型陶瓷--氧化锆陶瓷可用于口腔修复，生物相容性好，化学性能稳定；

氧化锆陶瓷

耐火材料--氧化锆纤维是优质的耐火纤维材料，可作为高温窑炉的炉衬，耐高温，抗氧化，可在1600-2000℃以上高温下使用。

*（二）锆矿石

最常用的锆矿石主要包括锆英石（ZrSiO4）和斜英石（ZrO2），是提取锆的最重要矿物原料。全球锆矿主要产地在澳大利亚、南非和印度等国，我国锆矿储量贫乏。

锆英砂

作为同族元素，锆矿石中基本都含有铪（Hf）元素，在矿石中普遍共生，分离复杂。核能级锆，必须严格控制锆中铪（hf）元素的含量，因为铪元素含量高，会导致材料抗中子辐射脆化性能差。

锆和铪物理性能比较

*（三）物理性能和金相组织

锆为银色稀有金属，熔点1850℃，密度6.5g/cm3。

活性高，接触明火时可能燃烧。

862℃为锆材的同素异晶转变温度，低于862℃为密集六方晶格，高温时为体心立方晶格。

≤862℃时的锆材晶格

因此，锆材作为压力容器用钢，工作时为密集六方晶格，塑性差。所以，锆材一般采用热加工，可提高材料塑性和成型性能，成型温度控制在500-600℃较好。

因为部分元素在密排六方晶格中溶解度低，容易有脆性组织生成，锆材不应与钢、铝、铜、镍直接熔焊。

*（四）锆材料

锆材分工业级锆和核能级锆。非核用压力容器一般使用工业级锆材即可，主要使用锆材优异的抗腐蚀性能。常见的牌号如下表格，表格右侧为ASME牌号。

*（五）锆材性能

工业级压力加工锆材室温力学性能锆（Zr-3）在各温度时的物理性能，红字为普通碳素钢数据

（1）弹性模量和膨胀系数

锆材的弹性模量E和热膨胀系数，都约为普通碳素钢的一半。

锆材与普通碳素钢相比屈服强度差别不大，根据σ=Eε,所以冷成型的回弹量比普通碳素钢大得多。

锆换热管与钢制管板的胀接，应考虑温度升高后因热膨胀系数的差别而引起的胀接拉脱力的降低。

衬锆容器升温时，也因为膨胀系数的差异，锆复层所受拉伸热应力较大。

（2）许用应力

NB/T47011中压力容器用退火状态非螺栓用锆材许用应力对比GB150.2中Q245R,Q345R许用应力

对比发现，相对碳素钢，锆材许用应力值随温度升高，衰减值较大。

*（六）锆材设备技术要求

选材理念：比对锆材的许用应力知，高温时锆材承压能力有限。锆材的价格昂贵，进口702锆价格上百万/吨，国产也要几十万元/吨。为了满足耐腐蚀和承压能力的同时，保证合理的经济性，大型锆材设备选择锆复合板的居多。复层一般用Zr-1或Zr-3。

结合率：锆复合钢板，结合面剪切强度不得低于140MPa ，面积结合率A级，≥99%。若要求更高的结合质量，可采用工业纯钛板作为复合板的中间夹层。

热处理状态：锆材压力容器使用的锆材（板、管、锻件等）均应为再结晶退火状态。

制造：防止铁离子污染，造成电偶腐蚀。

焊后退火热处理：温度510-620℃，厚度≤25mm，保温≥1h；厚度增加，保温延长。

超声检测：厚度超过6mm的承压用锆板应逐张进行超声监测。板厚6-25mm，A1级合格（单个不连续孔直径≤1.2mm）；板厚25-50mm，A级合格（单个不连续孔直径≤2mm）。

压力试验：锆材管材应逐根进行液压（气压）试验，最小试验压力P=2ST/D，S为允许的纤维应力，Zr-3和Zr-5的S值分别为前述表中屈服强度Rp0.2的一半，试验压力P不能超过17.2MPa。

酸洗钝化：压力试验后，锆材表面进行酸洗钝化处理

泄漏试验：复合板制容器或衬里为锆材的压力容器应进行泄漏试验（考虑到多为强腐蚀性介质）。

检漏机构：衬锆压力容器的衬层与基层之间，以及锆复合板压力容器的覆层焊接接头与基层间，一般应设置检漏结构。

*（八）锆设备焊接

焊接原则：主要采用氩弧焊焊接，因为锆材遇到氧气容易燃烧，且容易吸氢、吸氮，焊接时必须用高纯度惰性氩气保护。

接头型式：锆材复合板容器中，铁和锆不能互熔焊接。基层为对接焊接接头时，复层多采用垫板与盖板组合的衬里结构，详见下图。

锆复合板压力容器对接接头形式作为对比，奥氏体不锈钢复合钢板的对接焊接接头锆复合板设备内部锆复层焊接接头锆复合板设备内部接管焊接接头

焊缝质量直观判断：根据焊缝颜色判断。

锆材焊缝及热影响区表面颜色

*（九）锆的耐腐蚀性能

锆的电位-ph腐蚀图

（1）在大多数酸、碱、盐中具有优良耐蚀性能，但在氢氟酸、浓硫酸、王水中耐腐蚀不好。

（2）锆与钛类似，具备极强的钝化性。在强还原性酸如盐酸（温度不宜超过149℃，超过宜发生氢脆）、含卤素离子的酸中耐腐蚀性能良好。介质中含有FeCl3、CuCl2等氯化物会加速对锆材的腐蚀。

锆在各种酸中的腐蚀速度锆在盐酸中的等腐蚀曲线mm/a

（3）对氧、氮、氢的吸收

氧：锆在空气中常温下表面就会形成钝化层，425℃以上钝化层疏松脱落，540℃生成白色氧化锆，700℃氧化变脆；

氮：400℃以上与氮反应，800℃反应剧烈；

氢：常温下，锆材即可吸收氢，250℃以上吸收氢能力变强，易导致氢脆。

上述也解释了，为何锆材焊接必须用惰性气体保护，隔绝空气中的氧、氮、氢。

（4）抗点腐蚀、抗应力腐蚀开裂性能优良，耐海水腐蚀性能比钛更优异。