Цинк: свойства, применение и производственный процесс

---

Общие сведения

Цинк (Zn, атомный номер 30, атомный вес 65,37) — сероватый металлический элемент, плавится при 788 °F (420 °C). В природе он встречается только в виде соединений и обычно извлекают для использования в литье и защитных покрытиях.

Римляне первыми сплавили цинк с медью для получения латуни, но полная металлургическая ценность цинка не была понята до XVIII века. Немецкий химик Н. С. Маргграф изолировал чистый цинк в 1746 году, и вскоре после этого открылся первый промышленный плавящий завод в Бристоле, Англия.

Сегодня США обеспечивают около 5 % мирового производства цинка, остальное идет в основном из Индии, Мексики и Канады. Глобальная добыча цинковой руды составляет примерно 6,7 млн метрических тонн в год, и примерно две трети американского цинка импортируются.

Применение

Основные роли цинка — цинкование стали для предотвращения коррозии, литье под давлением точных машинных деталей и служение анодом в батареях и других электрических приборах. Также сплавляют с медью для получения латуни.

При цинковании тонкое цинковое покрытие наносят на стальные поверхности либо горячей закалкой в расплавленном цинке, либо электролитическим осаждением. Более высокая склонность цинка к окислению защищает базовую сталь через жертвенную коррозию, сохраняя структурную целостность в агрессивных средах.

Литейные сплавы под давлением обычно состоят из 96 % цинка и 4 % алюминия. Процесс использует двухусковую стальную форму и пресс для впрыскивания расплавленного металла в полость, зеркалящую желаемую форму. После охлаждения форма открывается, раскрывая почти идеальные детали, требующие минимальной механической обработки. Распространенные литые детали включают детали ксероксов, авиационные фитинги, медицинские инструменты и автомобильные аксессуары — эмблемы, ручки дверей, кронштейны. Эти детали часто хромируют для долговечности.

Особое применение цинка — жертвенный анод, защищающий алюминиевые морские двигатели от коррозии. Почти чистые цинковые аноды приболчивают к корпусу; когда соленая вода индуцирует электрический ток, цинк предпочтительно окисляется, сохраняя алюминиевую структуру. Аноды должны заменяться после полного потребления.

В батареях цинк участвует в химической реакции, генерирующей напряжение между двумя клеммами. Приборы вроде фонариков и переносных радиоприемников используют эту энергию до истощения реагентов.

Помимо металлов, соединения цинка применяют в фармацевтике, резине, косметике, краске, керамической глазури, катодно-лучевых трубках, пайковом флюсе и древесных консервантах.

Производственный процесс

Добыча

• Цинковые руды — в основном сульфид цинка (сфалерит), карбонат цинка (смитсонит), силикат цинка (каламин) и марганцево-железное франклинит — добывают подземно с помощью взрывных работ, бурения и вывозки. Во многих случаях цинк добывают вместе с серебром или свинцом. Переработка требует нефть, серную кислоту, электричество, кокс или природный газ для обеспечения тепла для плавки.

Пенная флотация

• Измельченную руду смешивают с водой, кедровым маслом и флотационными реактивами, затем агитируют. Селективные поверхностно-активные химикаты покрывают цинковые частицы, позволяя им прикрепляться к пузырькам воздуха и подниматься на поверхность. Пену сбивают, оставляя цинковый концентрат сверху и отвалы снизу.

Фильтрация

• Пену обезвоживают, а оставшуюся пасту смешивают с известью перед обжигом в печи при 2500 °F (1371 °C). Это превращает материал в цинковый оксидный синтер.

Плавка (Smelting)

• Доменная печь плавит окисленную руду, достигая до 2200 °F (1204 °C). Для смягчения повторного окисления расплавленный цинк распыляют горячим свинцом; цинк растворяется, переносится в более холодную камеру (824 °F/440 °C) и затем отделяется от свинца. Свинец возвращают обратно в печь.

Рафинирование

• Позволяя расплавленному цинку покояться несколько часов, железо и другие примеси осаждаются на дно. Почти чистый цинк затем сливают с поверхности и отливают в слитки.

Сплавление

• Сплавление улучшает свойства цинка. Обычно добавляют 4 % алюминия для литья под давлением, с незначительными добавками титана, меди или магния. Расплавленный сплав лиют в крупные слитки или меньшие формы слитков (45 фунтов/20 кг) для дальнейшей переработки.

Контроль качества

Спектрографический анализ верифицирует состав сплава. Поджигая металлическую пробу под электрической дугой, испускаемый свет расщепляет на спектральные цвета — уникальный отпечаток для каждого элемента. Датчики захватывают спектр, и программное обеспечение kvantифицирует концентрацию каждого компонента, обеспечивая согласованность и позволяя корректировки для соответствия спецификации.

Будущее

Хотя роль цинка в автомобильном литье под давлением снизилась в пользу магния, алюминия и композитов, его использование для цинкования кузовных панелей растет. Цинковые покрытия позволяют производителям предлагать расширенные гарантии против ржавчины, отражая продолжающуюся актуальность металла в коррозионной защите.