锆在主要用于抗腐蚀性能要求高的设备,如用于制造反釜、耐酸耐热泵、热交换器、浸液器、排气叶轮、阀门、搅拌器、喷嘴、热电偶套管、导管和容器衬里和环保设备等。许多生产肥料、树脂、塑料、酸类的化工设备和重要零部件都采用锆。
据报道,美国霍伯肯制造了一个12m高的钢制反应塔,直径700mm、壁厚20mm,用1mm厚的锆板包覆。反应塔有两个以螺旋旋管是由直径25mm、壁厚2mm的锆管装备起来的。
在聚合物的生产中,锆的应用是代替石墨作热交换器。锆热交换器的成本虽比石墨约高4倍,比钛约高2倍,但它经久耐用足以弥补成本费。同时,在聚合物生产中,用锆筛盘塔代替砖塔,能显著地提高生产效率。
针对氨基甲酸酯、二氧化碳和氨的混合物在高温高压下的特别好的耐蚀性,在190℃其腐蚀速率小于0.025mm/a。
在尿素合成设备是,用锆合金作高压进料泵壳材料。锆管也用于氨基甲酸酯的再循环热交换器中,并用锆作反应器的内衬,能使反应器在较高温度和压力下操作,从而使反应进行得更快,增加尿素的合成速率。锆还用于生产酒精设备的筛盘,并在酒精生产中扩大应用到附加酒精塔、冷却蛇形管、离心泵、调节阀主其他辅助装置。
据报道,美国使用了锆制排气器。化工反应过程所产生的HCL通过Zr排气器从炉内排出,经试验,这种排气器使用了两年多还没有损坏的迹象,而铜制排气器由于喷嘴被腐蚀,寿命很短。我国锆厂在提纯ZrCl4的水环式真空泵中采用锆制叶轮、轴承及泵壳,使泵体寿命提高几倍。
我国曾在多种农药设备上进行过工业锆的应用研究,如在农药反应罐中进行了锆的实际应用与挂片试验。农药水解反应的条件为:20%硫酸+甲萘胺;温度220-250℃;15个大气压(1520kPa),一个流程时间为7h,在此条件下设备腐蚀严重,1mm厚普通钢板,反应后即腐蚀穿孔。原采用罐内搪12-14mm厚的铅层为防腐层,则易污染环境,铅的抗腐蚀也较差,一个搪铅反应罐,仅能使用50-60批料即穿孔漏液。
锆挂片试验条件为:生产介质20%硫酸+甲萘胺;生产200-250℃;压力14-15个大气(1419-1520kPa)。腐蚀前后气体分析结果见表5-47,腐蚀试验结果见表5-48。结果表明,随时间增加,锆母材与焊缝区氧含量稍有增加,但增加速度较缓,对锆的力学性能未引起恶化。而氢含量却在这种介质腐蚀中逐渐下降,可减少脆性,对锆有利,年腐蚀率仅为0.024-0.04mm/a。
表5-47 锆挂片试验气体分析结果
| 试样状态 | 腐蚀时间/h | 氧含量/% | 氢含量/% |
| 锆母材 | 末 | 1000 ×10-4 | 94 ×10-4 |
| 加填料锆丝焊缝区 | 末 | 1450 ×10-4 | 44 ×10-4 |
| 锆母材 | 1000 | 990 ×10-4 | 51 ×10-4 |
| 加填料锆丝焊缝区 | 1000 | 990 ×10-4 | 49 ×10-4 |
| 锆母材 | 2000 | 1700 ×10-4 | (17-25)×10-4 |
| 加填料锆丝焊缝区 | 2000 | 2000 ×10-4 | 29 ×10-4 |
表5-48 锆腐蚀前后力学性能测试结果
| 试样状态 | 试验温度/℃ | 抗拉强度σb/MPa | 塑性/% |
| 未腐蚀的锆母材 | 室温 | 675 | 18.2 |
| 300 | |||
| 未腐蚀加填料的焊缝区 | 室温 | 520 | 105 |
| 300 | |||
| 100h腐蚀后锆母材 | 室温 | 655 | 20.5 |
| 300 | 385 | 24 | |
| 1000h腐蚀后加填料焊区 | 室温 | 515 | 8.7 |
| 300 | 235 | 22 | |
| 2000h腐蚀后锆母材 | 室温 | 558 | 23.5 |
| 300 | 255 | 46.1 | |
| 2000h腐蚀后填料焊区 | 室温 | 508 | 8.7 |
| 300 | 225 | 22.3 |
试验中西维因反应罐锆内衬筒体部分用厚2.7-3mm锆板卷制,锆封头用厚4mm锆板加热旋制而成。锆罐焊接后的整体尺寸是:直径1200mm,高(包括封头部分)1750mm。设备投产后,产品产量提高30%,年节约铅40t,延长了设备寿命,改善了生产及环境条件。