Minerales de circonio
El suministro global y demanda de mineral de circonio están actualmente equilibrados. Se espera que esta tendencia continúe durante los próximos años. La escasez a largo plazo podría ocurrir a menos que se encuentran nuevas fuentes de producción de circonio. La producción mundial de mineral de circonio fue estimado en 950.000 toneladas métricas. Australia y África del Sur contribuyeron ~82% de toda la producción, proporcionando un estimado de 780.000 toneladas métricas de circón. Se espera que la demanda global para los materiales de circonio aumente anualmente un 3% durante los próximos años.
Se esperan expansiones en el suministro en África Sur y los Estados Unidos, mientras la exploración extensa y esfuerzos de desarrollo aumentan en Australia, India, Rusia, Brasil y Kenia. La relación de suministro / demanda actual de materia prima de circonio es casi equilibrada. Sin embargo, el circón normalmente se produce como un subproducto de la minería y proceso de los minerales pesados rutilo e ilmenita. El agotamiento de depósitos de mineral pesado existiendo acoplado con una falta de nuevos depósitos ricos en circón puede crear una escasez de circonio durante la próxima década. Circonio (Zr) se descubrió primero por Klaproth en 1789 y aislado como metal por Berzelius en 1824. Circonio es extensamente distribuido en la corteza de la tierra. Sin embargo de los casi 20 minerales con contenido de circonio, sólo dos tienen importancia comercial.
El circón, un silicato de circonio, es la fuente primaria de suministro, y el baddeleyita, un óxido de circonio, es una fuente menor de suministro. Las calidades del circón disponibles comercialmente son típicamente con un mínimo 64.5-66% de dióxido de circonio (Zro2), mientras las calidades de baddeleyita tienen típicamente un mínimo 96-99% Zro2. Se estiman las reservas mundiales de circón en 32 millones de toneladas métricas, mientras que se identificaron reservas mundiales de circón de más de 60 millones de toneladas de Zro2. Las reservas de circón en los Estados Unidos son ~1.7 millones de toneladas métricas Zro2. Además el fosfato, la arena y depósitos de la grava gruesa tienen el potencial para contener cantidades sustanciales de circón como un subproducto futuro.
Aproximadamente 95% de todo el circonio consumidos están en la forma de circón, óxido de circonio u otros químicos de circonio. El resto se consume como metal de circonio y las aleaciones conteniendo circonio. Las cerámicas del circón, opacificantes, refractarios y aplicaciones de la fundición son los usos principales del circonio. Otros usos incluyen los abrasivos, los químicos, alienaciones metálicas, electrodos para soldar y limpieza con chorro de arena a presión. El circón mineral se usa para los recubrimientos en moldes de fundición aumentando la resistencia a la penetración de metal y permitiendo un acabado uniforme del producto final. La harina del circón, es decir, el circón molido, se usa en las pinturas refractarias para recubrir las superficies de moldes.
En la forma de ladrillos y bloques refractarios, el circón se usa en los hornos y contenedores para metales fundidos. El circón también se usa en la fabricación de refractarios fundidos de alúmina-zirconio-sílice (AZS) para los hornos de vidrio. El mineral baddeleyita se usa principalmente en la fabricación de abrasivos a base de alúmina-zirconio, pero también para colores cerámicos y refractarios. Debido a su baja absorción termal del neutrón, el circonio libre de hafnio se usa como el revestimiento para las varas de combustible nucleares. Circonio de calidad comercial, diferentes a la calidad nuclear, contiene hafnio y se usa en las industrias de proceso químico debido a su excelente resistencia a la corrosión.
El Dióxido de Circonio
También conocido como el óxido de circonio. El dióxido de circonio (ZrO2) es comercialmente disponible en dos formas básicas: Naturalmente, como el baddeleyita mineral, y sintéticamente como derivado de arena del circón (ZrSi04). La fuente principal del baddeleyita mineral se localiza en África del Sur, como co-derivado de la minería comercial del cobre, uranio y fosfato. Pueden encontrarse depósitos menores de baddeleyita en la Rusia y Brasil. Estas fuentes no son consideradas tan viables como la fuente Surafricana debido a los niveles más altos de impurezas y rastros radiactivos. La disponibilidad de baddeleyita mundial está en el declive.
Se espera este declive acelerado de la producción en los próximos años y podría eliminar baddeleyita como una fuente significante de ZrO2 en el mercado mundial. El zirconio sintético constituye el equilibrio del suministro mundial. El consumo total de todo el zirconio se estima para ser anualmente 39.000 toneladas métricas. Hay una capacidad instalada sustancial para la fabricación de zirconios sintéticos, también hay abundantes suministros del circón como materia prima.
Procesos de extracción del circonio
Durante los años, se han desarrollado varios procesos diferentes para extraer el zirconio de arena del circón. Estos procesos pueden agruparse en cuatro tipos básicos, capaz de producir gránulos y polvos de zirconio que van de 75 a >99% en pureza.
El proceso fundido: Circón y carbono son calentados en un horno eléctrico de arco a ~2000°C. Aquí el SiO2, se reduce a SiO y después de vaporizarse deja atrás el circonio. Con adicionales tratamientos, como una opción, un zirconio que contiene >0.2% SiO2 puede formarse.
El proceso alcalino: El circón se calienta (600-1000°C) con hidróxido de sodio o óxido del calcio (cal) para formar un silicato. Una subsecuente purificación para quitar el silicato, luego un secado o calcinado, producirán el zirconio con purezas de ~0.10% SiO2.
El proceso del plasma: El circón se alimenta continuamente a través de un reactor dl plasma-arco a una temperatura alta (15,000°C), en qué se separa el zirconio (ZrO2) y sílice (SiO2).
El proceso químico se usa para quitar la sílice entonces, mientras rindiendo un circonio en las calidades abajo a <0.10% Si02. El proceso de precipitación química: El circón es termoquímicamente disuelto y convertido en una solución. Varios compuestos de circonio pueden precipitarse entonces de esta solución, como oxicloruro de circonio o hidróxido de circonio. Éstos, a su vez, pueden calcinarse para formar zirconios con niveles de purezas hasta 99.9%.
Es importante de tomar en cuenta que cada proceso es único y genera un circonio resultante único. Como consecuencia, cada zirconio reaccionara diferente en una aplicación dada. Es necesario evaluar los zirconios diferentes para determinar cuál es el más apropiado para la aplicación intencional.
Polimorfos de circonio
ZrO2 puede existir como tres polimorfos diferentes bien definidos: Los monoclínicos, tetragonales y fases cúbicas. La fase monoclínica es la forma a temperatura de ambiente y es estable hasta aproximadamente 1170°C (2140°F. A esta temperatura se transforma en la fase tetragonal en la cual estará estable hasta ~2370°C (4300°F. A esta temperatura se transforma en la fase cúbica y hasta el punto de fundición de zirconio 2880°C (4855°F).
Aplicaciones del dióxido de circonio
Debido a esta propiedad, el zirconio es un material avanzado que ha encontrado su manera en una variedad ancha de usos y aplicaciones extremas. Éstos incluyen los refractarios de alta temperatura, electrónica, los componentes cerámicos técnicos, los pigmentos colorantes, las capas de las barreras termales, y muchos más. Circonios puede encontrarse en industrias que van de la producción de vidrio hasta las producciones de turbinas de aviones. El circonio monoclínico juega un papel importante en la fabricación de colores cerámicos y componentes electrónicos. También se usa como un aditivo para reforzar las propiedades de otros refractarios óxidos por el sinterizado. Es particularmente ventajoso cuando agregó a los cuerpos de magnesio y contribuye a las características abrasivas cuando se agregó a la alúmina.
Estos materiales generalmente se usan para las aplicaciones refractarias como ladrillos, espumas o lanas cerámicos. Ellos también pueden usarse como cruciformes o filtros ya que son resistentes al ataque por la mayoría de los metales fundidos. Circonio también es usado para formar muchos componentes estructurales diferentes. Agregando cantidades pequeñas de cal, ytrio o magnesio, se forma un circonio parcialmente estabilizado (PSZ). De este modo fases precipitadas tetragonales o fases monoclínicas se dispersan en una matriz de circonio cúbico. Los circonios de PSZ tienen propiedades mecánicas que permiten la producción de componentes estructurales con resistencia al estrés elevado. Debido a la resistencia al desgaste y corrosión, es un material apto para el manejo de metales fundidos.
Algunos ejemplos serían los cruciformes para las aleaciones de avión y boquillas y rampas de deslizamiento de aceros fundidos. La dureza y resistencia de la cerámica de circonio lo hace una opción excelente en aplicaciones como los troqueles de la extrusión, media de molienda, los recubrimientos cerámicos, asientos de válvulas, guías, parte mecánicas y los injertos médicos. La conductibilidad iónica excelente de circonio que está presente en la forma cúbica permite las aplicaciones como los sensores de oxígeno y celdas de combustible. El óxido de circonio estabilizado con itrio es ampliamente utilizado en odontológica para la confección de prótesis fijas, prótesis removibles y pilares de implantes. Además es utilizado para el reemplazo de articulaciones ya que es un material bioinerte al igual que el titanio.
También se emplea en intercambiadores de calor, tubos de vacío y filamentos de bombillos. Se usan para la fabricación de antitranspirantes. Aleado con niobio presenta superconductividad a bajas temperaturas, por lo que se puede emplear para hacer imanes superconductores. Por otra parte, la aleación con cinc es magnética por debajo de los 35 K. El óxido de circonio se usa en joyería; es una gema artificial denominada circonita que imita al diamante.
Podemos agregar una industria en sus comienzos: la fabricación de hojas de corte, que pueden ser extremadamente resistentes y duraderas, superando a las mejores aleaciones de acero. Hoy podemos encontrar cuchillos y otros accesorios de cocina de tipo comercial y profesional.