Цинк

<час />

Фон

Цинк - элементарный металл. Он указан в Периодической таблице как «Zn» с атомным номером 30 и атомным весом 65,37, и он плавится при 788 ° F (420 ° C). Цинк обычно имеет серый металлический цвет, но его можно отполировать до блестящего серебряного блеска. В природе он встречается только в виде химического соединения, а не в виде чистого цинка, и может использоваться в качестве сырья для отливок и покрытий.

В эпоху Римской империи люди использовали цинк для сплава меди и латуни для изготовления оружия. В этом неочищенном процессе цинк улавливался медью во время нагрева руды, хотя в то время мало что было известно о важности цинка в металлургии. Название цинк может быть образовано от немецкого слова «цинн», что означает олово. Научное открытие цинка приписывают Надреасу Сигизмунду Маргграфу, немецкому химику, который выделил чистый цинк в 1746 году. Вскоре после этого в Бристоле, Англия, Уильямом Чэмпионом было основано первое производственное предприятие, или плавильный завод.

Лишь около 5% мировых поставок цинка добывается в Соединенных Штатах, а остальная часть поступает в основном из Индии, Мексики и Канады. Во всем мире производится около 6,7 миллионов метрических тонн цинковой руды. Примерно две трети цинка, используемого в Соединенных Штатах, импортируется.

Приложения

Цинк в основном используется для гальванизации стали от коррозии, литья под давлением сложных деталей машин, а также в аккумуляторных батареях и других электрических устройствах. Цинк также сплавлен с медью с образованием латуни.

Гальванизация стали включает нанесение тонкого слоя цинка на все открытые поверхности стали для защиты от коррозии. Цинк обеспечивает отличную коррозионную стойкость, поскольку он легче окисляется атмосферой. Окисление происходит, когда металл подвергается воздействию воздуха или воды, и электроны от металла переходят к кислороду. Когда цинк прочно связан со сталью, цинк освобождает свои электроны быстрее, чем сталь, оставляя более прочный металл под ним нетронутым. Нанесение цинкового покрытия осуществляется путем погружения стали в расплавленный цинк или путем электролитического покрытия стали цинком, подобно хромированию.

Сплавы для литья под давлением обычно содержат 96% цинка и 4% алюминия. В процессе литья под давлением используются стальная матрица, состоящая из двух частей, и литейный пресс, которые удерживают половинки матрицы вместе во время впрыска расплавленного металла. Внутри стальной матрицы находится полость, в которой находится негативное изображение отливаемой детали. Расплавленный металл вводится в полость под давлением, точно заполняя всю пустоту. Металл остывает, и пресс раскрывает половинки матрицы, обнажая сформированную деталь. Детали, отлитые из цинка, очень близки к желаемой форме и требуют небольшой механической обработки, прежде чем они будут помещены в сборку. Типичные области применения включают копировальные аппараты, самолеты и детали медицинских инструментов. Производители автомобилей используют цинковое литье под давлением для изготовления эмблем, молдингов, дверных ручек и кронштейнов. Отливки из цинка под давлением легко хромируются для обеспечения долговечности и внешнего вида.

Одно уникальное применение цинка имеет особое преимущество в его способности передавать свои свойства коррозионной стойкости посредством электрического контакта. Это приложение называется «жертвенным анодом». Аноды, изготовленные из почти чистый цинк, прикрепленные болтами к алюминиевым судовым двигателям. При работе в воде, особенно в соли вода, окисление образует слабый электрический ток, который может вызвать коррозию корпуса и деталей двигателя. Поскольку цинк легко окисляется в присутствии этого электрического тока, он «приносит в жертву» себя, быстро разъедая, поглощая весь электрический дисбаланс корабля. Оставшийся алюминиевый корпус и двигатель в результате не подвергаются коррозии. По мере расходования анод необходимо заменять, чтобы обеспечить непрерывную защиту.

В применении, аналогичном расходуемому аноду, цинк используется в качестве компонента в производстве батарей. Батарея с сухими элементами создает химическую реакцию с цинком в металлическом корпусе (или «банке»), что приводит к возникновению потенциала напряжения между двумя соединениями. Электрическое устройство, такое как фонарик или портативное радио, может быть подключено к батарее и питаться от производимого электричества. Связанная таким образом реакция поддерживает электрический ток в течение всего времени действия доступных химических реагентов.

Цинк в виде соединения используется в фармацевтике, резине, косметике, красках и керамической глазури. В других соединениях цинк используется в электронно-лучевых трубках . флюс для пайки и консерванты для древесины.

Производственный
процесс

Горное дело

• 1 Цинковые руды добываются в подземных выработках с использованием обычных методов взрывных работ, бурения и выемки грунта. Руды встречаются в виде сульфида цинка (также называемого сфалеритом), карбоната цинка (смитсонит), силиката цинка (калимин) и соединений марганца и железа . (франклинит). Иногда цинковую руду добывают вместе с серебром или свинцом . руды. Помимо самой руды, для разложения руд требуются нефть и серная кислота; а электричество, кокс или природный газ необходимы для получения тепловой энергии для плавки.

Пенная флотация

• 2 Цинк можно производить с помощью процесса, называемого пенной флотацией, который также используется для восстановления медных и свинцовых руд. Этот процесс включает измельчение цинковой руды до мелкого порошка, смешивание его с водой, сосновым маслом и флотационными химикатами, а затем перемешивание смеси для «всплытия» цинка на поверхность. Для покрытия важных частиц цинка и предотвращения их смачивания водой используются различные химические вещества. Затем нагнетается воздух, и покрытые минералы прикрепляются к пузырям. Операция выполняется внутри чана и перемешивается крыльчаткой. Вращающееся рабочее колесо втягивает воздух по стояку, который окружает вал рабочего колеса, и рассеивает его по смеси или «пульпе». Цинк поднимается вверх, а остатки остаются внизу мякоти, так как он не может прилипнуть к пузырькам. Автоматические скребки удаляют минеральную пену, содержащую цинк.

Фильтрация

• 3 Пена фильтруется для удаления воды и жидких масел. Пастообразный остаток смешивают с известью и отправляют в печь. В печи смесь обжигается при температуре 2500 ° F (1371 ° C), в результате чего минералы расплавляются в твердые куски, называемые агломератом. На данный момент материал полностью преобразован в оксид цинка.

Плавка

• 4 В следующем процессе восстановления используется доменная печь для плавления подготовленной руды на элементарные компоненты. Доменная печь работает на электричестве, коксе или природном газе, которые создают температуру до 2200 ° F (1204 ° C). Однако при этом также образуется углекислый газ, который при охлаждении рекомбинирует с цинком с образованием оксида цинка. Чтобы уменьшить это преобразование, цинк опрыскивают расплавленным свинцом, пока он еще горячий. Свинец при температуре 1022 ° F (550 ° C) растворяет цинк и переносит его в другую камеру, где он охлаждается до 824 ° F (440 ° C). При этой температуре более легкий цинк отделяется от свинца и стекает с верха. Свинец повторно нагревается и возвращается в доменную печь.

Очистка

• 5 Дальнейшее улучшение качества металла может быть достигнуто путем выдерживания цинка в расплавленном состоянии в течение нескольких часов. В этом состоянии железо и другие загрязнения оседают на дно, позволяя почти чистому цинку аккуратно сниматься с верхней части и отливать в слитки.

Легирование

• 6 Большинство цинка перед использованием сплавляют с другими металлами для улучшения его свойств. Легирование включает переплавку и смешивание цинка с другими металлами в точных пропорциях. Например, примерно 4% алюминия добавляется для улучшения качества отливки и увеличения срока службы штампа в процессе литья под давлением. Другие добавленные сплавы - небольшие количества титана, меди и магния. После легирования расплавленный металл разливают в изложницы и изложницы. Свиноматки могут весить несколько тысяч фунтов, а слитки - около 45 фунтов (20 кг).

Контроль качества

Металлические сплавы проверяются с помощью процесса, называемого спектрографическим анализом. Металл под защитным кожухом обжигается с помощью электрической дуги. Свет, излучаемый горящим металлом, проходит через устройство, очень похожее на призму, которое разбивает свет на все его отдельные цвета. Каждый элемент имеет разный набор цветов или спектр, который похож на отпечаток пальца. Любой посторонний материал изменит спектр и при этом покажет свой уникальный цветовой спектр, идентифицируя его. Компьютер в спектрографе использует датчики для улавливания этих цветов. Затем компьютерная программа создает распечатку, которая идентифицирует каждый элемент в спектре и концентрацию в металле. Элементы могут быть уменьшены или увеличены, чтобы изменить состав.

Будущее

Из-за соотношения прочности и веса цинка его использование в автомобильной промышленности в качестве литья под давлением в последние несколько лет сократилось. Магний, алюминий и пластмассы нашли применение во многих сферах применения цинка. Тем не менее, использование цинка для цинкования деталей кузова автомобилей возрастает. Сегодня многие автомобили защищены цинкованием, что позволяет производителю предлагать расширенные гарантии на проблемы с ржавчиной кузова новых автомобилей.