氧化鋯及其制品具有優(yōu)越的物理、化學(xué)性能，在結(jié)構(gòu)陶瓷、導(dǎo)電陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷、現(xiàn)代冶金用高性能耐火材料、高性能高溫隔熱材料的主要原料之一。

氧化鋯按制作工藝的不同，分為化學(xué)法氧化鋯和電熔法氧化鋯。化學(xué)法氧化鋯是采用氯堿化工及高溫煅燒的工藝生產(chǎn)出來(lái)的；電熔法則是采用電弧爐熔煉的物理方法來(lái)制造的。

電熔氧化鋯粉（圖片來(lái)源 中隆化工）

一、化學(xué)法與電弧爐熔煉氧化鋯的區(qū)別

化學(xué)法生產(chǎn)的高純氧化鋯具有特別優(yōu)良的性能，且在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的性能易于控制，是目前氧化鋯在先進(jìn)科學(xué)技術(shù)材料上的應(yīng)用，一定程度上推進(jìn)了氧化鋯的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。但化學(xué)法工藝流程較長(zhǎng)，分解試劑消耗大，產(chǎn)品成本較高，因而在普通陶瓷、耐火材料和陶瓷色釉料等領(lǐng)域無(wú)法得到廣泛的應(yīng)用。

采用電弧爐熔煉法生產(chǎn)的電熔氧化鋯通過(guò)一步電弧爐熔煉而獲得氧化鋯，現(xiàn)已發(fā)展為通過(guò)二步法提純或添加穩(wěn)定劑直接生產(chǎn)穩(wěn)定氧化鋯(稱(chēng)為二次電熔法)，由單相電弧爐改進(jìn)為三相電弧爐熔煉，爐產(chǎn)量得到了極大的提高。我國(guó)具體生產(chǎn)結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖--我國(guó)電熔鋯生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。

我國(guó)電熔鋯生產(chǎn)結(jié)構(gòu)

電熔法總工藝簡(jiǎn)單、流程短，性能雖次于化學(xué)法生產(chǎn)的氧化鋯，但生產(chǎn)成本低，主要應(yīng)用于陶瓷色料、磨料和耐火材料三大市場(chǎng)。隨著電熔氧化鋯生產(chǎn)技術(shù)及后期提純技術(shù)的不斷改進(jìn)，將會(huì)促使電熔氧化鋯在更多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)需求也將持續(xù)增長(zhǎng)。

二、電熔氧化鋯工藝及產(chǎn)品

1、電熔鋯（單斜）的電熔法生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)介

以鋯英砂精礦為原料，以碳為還原劑，混合后投入電弧爐內(nèi)進(jìn)行熔煉，發(fā)生如下反應(yīng)：

ZrSiO₄+C=ZrO₂+CO↑+SiO↑

SiO+1/2O₂=SiO₂

根據(jù)氧化鋯和二氧化硅熔點(diǎn)的不同，在電弧爐的高溫下熔解形成液相，使鋯英石分解還原，最后生成氧化鋯和硅微粉，氧化鋯經(jīng)壓縮空氣噴吹成球狀，再經(jīng)過(guò)后期粉碎工藝加工處理，分級(jí)包裝后入庫(kù)。

熔煉過(guò)程中的煙塵經(jīng)過(guò)袋式收塵裝置過(guò)濾，濾后的干凈氣體排入大氣，回收的SiO₂是商品級(jí)的硅微粉，這是不定形耐火材料最主要的添加劑，也可用碳化硅、剛玉-莫來(lái)石等耐火材料的添加劑。

電熔（單斜）氧化鋯經(jīng)過(guò)優(yōu)化工藝，加入提純劑等，可以除去某些雜質(zhì)，使其ZrO2、HfO2含量達(dá)到99%或99.5%以上。

3、電熔氧化鋯產(chǎn)品類(lèi)型

電熔氧化鋯包括單斜電熔氧化鋯和半穩(wěn)定型氧化鋯，以某種鈣穩(wěn)定鋯及單斜鋯為例子，其組成和物理性能舉例見(jiàn)表1。

表1鈣穩(wěn)定鋯組成和物理性能

單斜電熔氧化鋯的晶型為單斜型，半穩(wěn)定型氧化鋯晶型為單斜、四方和立方3種晶型混合存在。半穩(wěn)定型氧化鋯分為釔穩(wěn)定鋯、鈣穩(wěn)定鋯、鎂穩(wěn)定鋯、鋁穩(wěn)定鋯、復(fù)合穩(wěn)定鋯等，廣泛應(yīng)用于鋼鐵、玻璃、陶瓷、有色金屬、電子、航空航天等行業(yè)。用于制作定徑水口、連鑄三大件、噴嘴、陶瓷過(guò)濾網(wǎng)、坩堝、高溫窯具、爐襯耐火材料、電子承燒板等。

電熔單斜氧化鋯粉（圖片來(lái)源 三祥新材）

4、電熔氧化鋯性能及特點(diǎn)

電熔氧化鋯依需要加工有空心球（可制備隔熱空心球磚）、顆粒和粉體，成白色或者淡黃色（含雜質(zhì)時(shí)），常溫常壓下，不溶于水、堿、酸（微溶于濃硫酸。沒(méi)有進(jìn)過(guò)提純的電熔鋯雜質(zhì)較多，主要是鋯英砂中本身含有的Fe₂O₃、Al₂O₃、TiO₂及少量放射性物質(zhì)、如果選用純度高的鋯英砂，雜質(zhì)相對(duì)可以減少很多。

電熔鈣穩(wěn)定氧化鋯（圖片來(lái)源：鄭州振中電熔新材料）

電熔氧化鋯晶粒粗，惰性大、燒成收縮小，不易燒結(jié)。與燒結(jié)法生產(chǎn)的氧化鋯比，電熔氧化鋯生產(chǎn)的穩(wěn)定鋯致密度大，熱穩(wěn)定性好，不易脫溶。

由于電熔鋯是干法生產(chǎn)，其粒度是機(jī)械加工的，所以和濕法生產(chǎn)的化學(xué)鋯，不能人工控制晶粒尺寸，也很難生產(chǎn)納米級(jí)粉體。

三、電熔氧化鋯的應(yīng)用

由于電熔氧化鋯所具有的特性，使之主要適用于陶瓷色料、磨料和耐火材料三大領(lǐng)域。

1、電熔氧化鋯在陶瓷色料及釉料的應(yīng)用

在陶瓷工業(yè)，衛(wèi)生陶瓷、餐具、墻地磚生產(chǎn)都需要用色釉料來(lái)裝飾，這些釉料可耐高溫煅燒加工，而氧化鋯主要用于制備鋯鐠黃、鋯釩藍(lán)、鋯釩黃以及鋯鐵紅等顏料。這些鋯基色料幾乎席卷了除黑色以外的所有顏色領(lǐng)域。眾所周知，鋯基的色調(diào)，迄今為止，尚未有能替代它的顏料。

在陶瓷色料鋯鐵紅和釩錯(cuò)黃的生產(chǎn)中，化學(xué)鋯生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品比電熔鋯發(fā)色明顯鮮艷很多，而且高溫穩(wěn)定性能更好，出于成本上的考慮，部分廠家通常都是兩種氧化鋯搭配著使用。

比如目前鋯鐠黃與釩鋯蘭已全部采用電熔氧化鋯為原料，而鋯鐵紅色料基本上仍采用化學(xué)氧化鋯，只有少數(shù)廠家為了降低成本搭配了少量的電熔氧化鋯產(chǎn)品。

隨著電熔鋯的工藝進(jìn)步，電熔鋯將有取代或部分取代化學(xué)鋯應(yīng)用的趨勢(shì)。但化學(xué)鋯在顏料上仍然有著不可代替性，比如，其在仿古磚釉料的發(fā)色性能明好于電熔鋯產(chǎn)品，高溫穩(wěn)定性非常好，黃度值至少比電熔鋯產(chǎn)品高10％以上。

在陶瓷色料中，鋯基色料具有以下特點(diǎn)：

(1)鋯基色料在高溫條件下不易與釉料反應(yīng)，不放出氣體，抗腐蝕，高溫條件下在釉中溶解小，色彩穩(wěn)定；

(2)混容性好，不同顏色之間可以按照任意比例在釉料中混合使用，可以調(diào)試出很多豐富色彩的調(diào)和色，應(yīng)用范圍廣泛；

(3)色澤純正，鋯系色料受燒成氣氛、基礎(chǔ)釉料成分影響較小，對(duì)釉料適應(yīng)性強(qiáng)，色料飽和度好，發(fā)色鮮艷。

在建筑陶瓷的釉料配方中，主要通過(guò)鋯英砂或者硅酸鋯來(lái)代替加入氧化鋯。氧化鋯在釉料中主要以乳濁劑的形式出現(xiàn)，雖然氧化鋯具有良好的乳濁作用，但出于成本考慮。目前一般都是加入鋯英砂或者硅酸鋯。如在鋯白熔塊的生產(chǎn)中， 氧化鋯的含量通常在10％ 左右浮動(dòng)。

2、電熔氧化鋯在磨料上的應(yīng)用

主要產(chǎn)品為鋯剛玉料（SiO₂含量少于1%）研究表明，Al₂O₃與ZrO₂復(fù)合后，可以有效提高磨效。

其制造方法是將氧化鋁、電熔鋯（單斜）及少量穩(wěn)定劑混合，再經(jīng)電弧爐熔煉、澆鑄或化砣冷凝，冷卻加工成鋯剛玉料。（ZrO₂含量約25-40%，Al₂O₃ 73-58%）及磨輪，以之研磨或磨削鋼鐵特別是有色合金，能獲得較高的磨削效率。

電熔鋯剛玉料（圖片來(lái)源：鄭州振中電熔新材料）

3、電熔氧化鋯耐火材料與鑄造的應(yīng)用

用電熔穩(wěn)定鋯主要是鈣穩(wěn)定鋯、其次是鎂穩(wěn)定鋯電熔氧化鋯，其在耐火材料的主要產(chǎn)品有電熔含鋯耐火材料、燒結(jié)含鋯耐火材料和鋯質(zhì)耐火材料。

a、電熔含鋯耐火材料原料：電熔鋯可直接用于玻璃熔窯用熔鑄耐火材料的生產(chǎn)中。比如，熔鑄剛玉磚（即AZS，ZrO₂含量有33%，37%，41%，因?yàn)锳ZS中限制SiO₂含量，鋯英砂用量受限，所以必須另外補(bǔ)充電熔鋯，同時(shí)增強(qiáng)鋯鋁共晶作用。

b、燒結(jié)耐火材料的改性性：電熔鋯（單斜）可直接用于燒結(jié)耐火材料中，起改性作用，例如高鋁質(zhì)耐火材料中加入少量ZrO₂可顯著提高其使用壽命；在高純鎂磚中，加入ZrO₂能生成微裂紋、提高了磚的抗熱震性及抗腐蝕性，是爐外精煉和銅冶煉的最好耐火材料。

c、鋯質(zhì)耐火材料： 眾所周知，單斜鋯不能制作耐火材料，因?yàn)樗訜嵩?170℃像四方晶轉(zhuǎn)化，體積收縮5%，而冷卻，四方向單斜轉(zhuǎn)化，在800-1000℃體積膨脹8%，所以必須加入穩(wěn)定劑（常用者為CaO、MgO、Y₂O₃）制備固溶體，方可安全使用。生產(chǎn)電熔穩(wěn)定氧化鋯可采用的ZrO₂原料有3種，即天然斜鋯石、化學(xué)鋯和電熔單斜鋯。天然斜鋯石資源短缺、化學(xué)穩(wěn)定鋯燒結(jié)溫度高，因此電熔穩(wěn)定鋯石最佳的原料。

4、其他應(yīng)用

a、熔模鑄造。對(duì)電熔氧化鋯而言，熔模鑄造是另一個(gè)主要的專(zhuān)用市場(chǎng)。如航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪發(fā)動(dòng)槳片和高爾夫球棒等特制品的鑄造，一般采用氧化鋯作為模型涂層。鋯英石因其能夠與熱金屬合金形成實(shí)際接觸，從而保護(hù)模具不受熱震動(dòng)影響，而在熔模鑄造中得以應(yīng)用。

b、電熔鋯是制造火器級(jí)海綿鋯的原料。人來(lái)若要實(shí)現(xiàn)“京都協(xié)定書(shū)”中減少CO2排放量，降低溫室效應(yīng)的目標(biāo)，則需近百座百萬(wàn)千瓦級(jí)以上的核電站，首次需要鋯45t，鋯長(zhǎng)期受中子輻射，性能變差，需周期性更換，因此用鋯量大。我國(guó)和世界核電工業(yè)的發(fā)展，間接地為電熔鋯的發(fā)展注入了新的活力。

d、提純電熔鋯的市場(chǎng)前景。采用提純工藝制備的提純電熔鋯，ZrO₂含量可達(dá)99%以上，可望取代高純度的化學(xué)鋯應(yīng)用于氧化鋯陶瓷和一些特殊需要中。

粉體圈 作者：小白

參考文獻(xiàn)：

1、電熔氧化鋯的應(yīng)用及前景，營(yíng)口阿斯創(chuàng)化工，康蓉等著

2、電熔氧化鋯的發(fā)展、技術(shù)、應(yīng)用和展望，上海大學(xué)，林振漢著

3、淺談電熔氧化鋯在陶瓷行業(yè)中的應(yīng)用，南海禾合高新材料，秦威等著

4、中國(guó)電熔氧化鋯的生產(chǎn)和市場(chǎng)展望，振中電熔鋯業(yè)，宋作人等