锆的特性及在压力容器上的应用

规模生产出工业用锆，六十年代早期，锆和钛开始用于防腐。1970S 美国 Monsanto
公司第一次在德州的醋酸生产上大规模使用锆。锆具有良好的抗热中子辐射脆化
性能，因此过去通常用于核设备。锆又属于活性金属，很容易产生氧化反应。如
在室温下就能和空气里的氧起反应，形成一层氧化物保护膜，这种表面生成的钝
化膜十分致密，给了锆和锆合金最好的防腐能力，一定条件下对大多数有机酸、
锆材或锆/钢复合板。
至今为止，我国尚无锆容器制造规范，且缺少压力容器用锆材标准。参照
ASME 规范，允许用于制造压力容器的锆材牌号 ZrR60702（纯锆）和 ZrR60705
（锆合金）目前均依靠进口，主要供应商为美国 Wah Chang 公司。由于锆作为
稀有活性金属，价格十分昂贵，常规板材约 70 万元/吨。若单纯采用锆材制造压
无机酸、强碱、熔融盐等具有比高级不锈钢、钛合金、镍基合金更优异的耐蚀性
能。
2、锆化学成分
锆合金的锆、铪总含量达 95.5%到 99.2%。其中铪的含量最高可以达到 4.5%。
非核用锆合金分为两个级别：Zr702 和 Zr705，这两种级别的材料都具有优良的
防腐蚀性能，只在物理性能和机械性能方面稍有不同。Zr702 是商用材料，Zr705
0.005
氮
最高
0.025
0.025
碳
最高
0.05
0.05
铌
-
2.0~3.0氧Biblioteka 最高0.160.18
3、锆物理、力学性能
表 2 列出了锆及锆合金的物理性能。从表中可以看出：锆及锆合金的弹性模
量随着温度升高而迅速减小。锆及锆合金的比重要比以镍铁为主的不锈钢合金低
20%多。
表 3 显示了典型的锆及锆合金在退火后的机械性能数据。这些数据显示了不
Key word: Zirconium, Feature, Application
1、锆金属简介
锆（Zirconium）来自于阿拉伯语 zargun，即“金色”，用来形容锆宝石
（ZrSiO4）。1789 年，Klaproth 发现锆，1824 年，Berzelius 分离出非纯锆，1924
年，van Arkel and de Boer 制出具有延展性的锆金属，1947 年，Kroll 以试验
则是锆和铌的合金，以增强其强度和改善其模锻的性能。表 1 列出了锆合金的化
学成分。其中铪含量的变化对材料物理性能、机械性能和防腐性能没有大的影响。 表 1 化学成分
级别
Zr702
Zr705
元素
重量%
重量%
锆+铪 最低
99.2
95.5
铪
最高
4.5
4.5
铁+铬 最高
0.20
0.20
锡
最高
-
-
氢
最高
0.005
同温度下纵向和横向性能的平均数值。和大部分有色金属一样，锆及锆合金逐渐
地从弹性过度到塑性。其某些物理和力学性能受到有向性的影响。这些性能包括
热膨胀、屈服强度、极限抗拉强度、延伸率、缺口韧性和弯曲塑性都随方向不同
而有不同程度的变化。
两个级别的锆及锆合金的延伸率都随温度的增高而有明显的增加。这个延展
性的增加和摄氏 204 度时的低屈服强度，为某些成形制造减少了工艺上的困难。
力容器，不仅资源浪费，而且成本较高。因此近年来应用爆炸焊接技术，国内大
量采用锆/钢复合板用作容器主体材料，为节约锆资源、降低设备造价、满足特
殊耐蚀要求，提供了一条实用、可靠的途径。压力容器用锆/钢复合板目前也暂
无国家或行业标准。其质量检验或验收可参照 ASTM B898《活性及难熔金属复
合板规范》进行。该规范综合欧美主要锆/钢复合板供应商、设备制造厂和使用
对于专业制造厂而言，通常制作一台纯锆容器造价组成中约 70%为材料费， 其余 30%为加工费。如果主体材料由纯锆改用锆/钢复合板，相比以下，加工费 相当，而材料费则大幅降低。（如容器带有外夹套或半管结构，费用下降会更多） 综上所述，采用锆/钢复合板制造压力容器，可有效减少资金投入，良好的经济 效益，促使锆/钢复合板的应用将不断增加。
97.2
40.1
-
-
-
371℃
156.5
82.0
44.1
-
-
-
4、锆在压力容器中的应用
锆的力学性能和热传导性也很优良，适宜用作反应器的壳体、换热器管板、
塔器或管道构件等，因此锆也是石化、化工等行业重要的有色金属结构材料。随
着材料科学和过程装备制造技术的不断发展，诸如醋酸、硝酸、硫酸、尿素、过
氧化氢、聚甲醛以及氯化聚乙烯等生产装置中的强腐蚀设备，正越来越多地使用
379
16
值
室温
468.1
321.1
28.9
615.0
506.1
18.8
93℃
364.0
267.5
31.5
-
-
-
149℃
303.7
195.8
42.5
388.9
272.3
31.7
204℃
229.6
139.3
49.0
-
-
-
260℃
200.6
128.9
49.0
326.1
195.8
28.9
316℃
197.9
厂家的成熟技术和应用成果，采纳了部分专用标准要求，（例如 Nobel Clad 的
NC501 和 Rhom & Haas 的 99062 内容）具有一定的先进性和权威性。
锆/钢复合板综合利用锆和钢的优点，平均价格约为纯锆材的 1/5~1/6，因此 成为一种经济可靠的新型耐蚀材料。图 1 为采用锆/钢复合板代替纯锆制造压力 容器的费用参考比较，对于容器壳体和换热器管板，当设计厚度分别超过 12mm 和 25mm 时，复合板节约费用非常明显。
表 2 物理性质
项目
Zr702
Zr705
室温
99.2
94.7
38℃
98.6
93.8
93℃
93.1
90.5
149℃
86.9
87.3
弹性模量，Gpa
204℃
80.7
84.2
260℃
75.2
81.0
316℃
69.9
77.8
371℃
64.1
74.7
切变弹性模量，Gpa
36.2
34.5
泊松比 （室温）
0.35
图1 采用纯锆与锆/钢复合板的成本比较 自上世纪九十年代以来，在石化、化工等行业重点建设项目带动下，一些有实力 的专业制造企业通过项目研发和贯标认证，在提高锆/钢复合板的加工能力、质 量水平以及扩大国产化应用领域等方面不断创新。由笔者进行压力容器产品监检 的制造厂 1998－2003 年先后参与了“有色金属爆炸焊接复合材料”国家级“星火 计划’、“火炬计划”项目和“大型锆复合板合成釜”国家级重大装备国产化项目研发 工作，在完成锆/钢复合板设备试制任务过程中，陆续开展了爆炸工艺参数研究 和复合板冷热加工成形试验，逐步摸索掌握了包括锆/钢在内的两种或两种以上 材料一次爆炸复合工艺以及合适的热处理规范等关键技术。同时制造了当时国内 领先的 27m3 钽/锆/钛/钢反应器、80m2锆/钛/钢复合管板换热器以及锆/钢复合 板储罐等多台复合板压力容器，投用后运行情况良好，制造质量均达到了设计要 求。
5、结语
随着国内核能工业和化学工业的发展，锆的需求量将越来越多，锆在石油、 冶金、电子、电器、医药、染化等行业作为一种新型材料逐渐得到广泛应用。锆 /钢复合板以其良好的综合性能及更优的经济性，更是发展迅速。为了做好锆及 其复合板在承压设备上的应用，应加强对锆及复合板的加工性能及焊接工艺的研 究。
.
0.33
比重 g/cm3 (20℃)
6.51
6.64
表 3 机械性质(冷加工，经退火)
Zr702
Zr705
项目
极限抗拉强 度（Mpa）
屈服强度 （Mpa）
延伸率 0.2%
永久变形法
（%）
极限抗拉强 度（Mpa）
屈服强度 （Mpa）
延伸率 0.2%
永久变形法
（%）
ASTM 最低
379
207
16
552
锆的特性及在压力容器中的应用
（南京锅炉压力容器检验研究院， 210002） 摘要：锆是一种活性金属，耐腐蚀性能优于镍、镍基合金、耐蚀不锈钢、钛等金属，近年来在压力容器的 应用逐渐增多。本文简述压力容器用锆材性能，分析锆在压力容器制造方面的应用，提出质量控制要点， 并对其应用做简要介绍。 关键词： 锆；特性；应用
Feature and application of zirconium for pressure vessel
Shao Feng
(Nanjing Boiler and Vessel Inspection Institute 210002)
Abstract: This article introduces the zirconium material for pressure vessel and analysis the forming theory and technical feature of zirconium, also it presents the key point for quality control and application analysis