Цинк
Последнее обновление страницы:14 May 2025
Вступление
Большинство людей время от времени наносят цинковый крем на нос, чтобы защитить свою кожу от солнечных ожогов. Но знаете ли вы, что цинк называют "Великим защитником" по другой причине: цинк защищает железо и сталь от коррозии, что очень важно, если учесть, что почти все наши здания, железные дороги, опоры освещения, автомобили и мосты (и это лишь некоторые из них) содержат сталь. Без цинка мы жили бы в очень ржавом мире! Нам также пришлось бы обходиться без многих продуктов, которые мы считаем само собой разумеющимися, таких как латунь.В Австралии на душу населения приходится больше оцинкованной стали (например, Colorbond или Zincalume), чем в любой другой стране.
Свойства
Чистый цинк - это голубовато-белый блестящий металл, устойчивый к коррозии.
Цинк никогда не встречался в природе в чистом виде. Его можно сплавлять (смешивать) с рядом других металлов. Цинк хрупок при обычных температурах, но становится пластичным (его можно измельчать и вытягивать в проволоку) при нагревании до 1000°C. Цинк имеет относительно низкую температуру плавления и является хорошим проводником электричества.Около 30% цинка, используемого в западном мире, получают из переработанных материалов.
Свойства цинка
| Химический символ | Zn |
|---|---|
| Руда | Сфалерит |
| Относительная плотность | 7,14 г/см3 |
| Твердость | 2,5 балла по шкале Мооса |
| Пластичность | Хрупкий, но стойкий при нагревании |
| Пластичность | Низкая пластичность, но высокая при нагревании |
| Температура плавления | 420°C |
| Точка кипения | 907°C |
Использует
В строительстве, на транспорте и в производстве бытовой техники используется большое количество цинка, главным образом в качестве антикоррозийного покрытия (цинкования) листовой стали, стальных балок, панелей транспортных средств, ограждений из сетки-рабицы, ограждающих перил и фонарных столбов. На цинкование приходится около половины всего мирового потребления цинка. Широкое использование цинка в качестве защитного покрытия обусловлено, главным образом, его устойчивостью к атмосферным воздействиям в результате электрохимической реакции, известной как гальваническое воздействие. Цинк более химически активен, чем железо или сталь, и, следовательно, практически полностью подвергается локальному окислению. При коррозии цинка образуется защитный поверхностный слой из оксидов и карбонатов. Большая часть остального цинка потребляется в виде латуни и других сплавов, а остальное используется в других целях, таких как пигменты, соли, оксидные добавки к каучуку и сельскохозяйственные химикаты.
| Воспользуйся | Описание |
|---|---|
Цинкование | Около двух третей всего цинка, используемого сегодня в Австралии, используется для защиты стали от коррозии путем нанесения на нее покрытия, называемого цинкованием (названного в честь итальянского химика Луиджи Гальвани, который изобрел этот процесс). Сталь погружают в расплавленный цинк, часто также с добавлением алюминия. Продукция включает в себя стальные балки, крыши, столбы, провода, гвозди, бытовую технику и автомобильные кузова. |
Изделия, изготовленные на заказ | Цинк, смешанный с небольшим количеством алюминия, образует очень прочный сплав. Его низкая температура плавления позволяет изготавливать его на заказ (в стальных формах различной формы) для изготовления всевозможных изделий (некоторые из которых требуют тонкой обработки) - от карбюраторов до дверных ручек, от скрепок до молний и даже спичечных коробков для автомобилей. |
Латунь | Латунь (70% меди, 30% цинка) особенно устойчива к коррозии и поэтому используется для изготовления корпусов парусных лодок и другого морского оборудования. Многие музыкальные инструменты изготавливаются из латуни. Латунь также используется для изготовления декоративных изделий, от светильников до кранов, а также инструментов для астрономии, геодезии, навигации и других научных целей. |
Батареи | В сочетании с другими металлами цинк становится хорошим проводником тока. Цинк также используется в самых распространенных цинково-углеродных аккумуляторах, а бромисто-цинковые и цинково-никелевые элементы питания относятся к числу новейших типов аккумуляторов. |
Здоровье | Люди и другие животные нуждаются в цинке для нормального роста и заживления ран. Фрукты, орехи, мясо, устрицы и другие моллюски являются хорошими источниками цинка. |
Оксид цинка | Оксид цинка - уникальный и очень полезный материал, используемый в производстве резиновых шин, средств для ухода за кожей (таких как цинковый крем, шампуни против перхоти, антисептические мази и лосьон с каламином для лечения кожных заболеваний), красок, напольных покрытий, пластмасс (для предотвращения их растрескивания) и керамической глазури. |
Сульфат цинка | В светящихся циферблатах часов, на экранах телевизоров и в лампах дневного света. |
Другие соединения цинка | В качестве растворителя для предотвращения растрескивания пластмасс, в хирургических повязках, клеях, а также для сохранения и придания огнестойкости древесине. Цинковая пыль в сухом виде очень легко воспламеняется, поэтому ее используют в фейерверках. |
История
Цинк (Zn) использовался в Риме и Китае более 2000 лет назад в качестве компонента латуни, представляющей собой сплав цинка и меди. Римляне и китайцы переплавляли цинковые руды, такие как каламин (карбонат цинка), с медью для получения латуни, которая использовалась для изготовления монет, емкостей, доспехов и ювелирных изделий. На самом деле они не знали, что цинк - это металл. Римляне также использовали каламин для заживления ран.Чистый цинк, вероятно, впервые был получен в Индии и Китае в 13 или 14 веке.Промышленное производство цинка в Европе началось только в середине 18 века, а в Соединенных Штатах - только в 1860 году.
Образование
Основным цинковым минералом является сфалерит ((Zn,Fe)S), который содержит до 67% цинка по массе. Смитсонит (ZnCO3, 52%), виллемит (Zn2SiO4, 59%) и гемиморфит (Zn4Si2O7(OH)2H2O, 54%) могут встречаться в приповерхностной зоне выветривания или окисления рудного тела. В некоторых случаях этими вторичными минералами также являются цинковые руды.
Залежи, содержащие цинк, образуются из горячих водных (или гидротермальных) флюидов, образующихся в недрах земли. Эти флюиды могут течь по подземным трещинам, где сфалерит и другие минералы могут выпадать в осадок, образуя жилистые отложения. Там, где встречаются известняки, флюиды могут течь через полости, образуя богатые, но неоднородные отложения. Некоторые флюиды могут достигать дна океана в районах подводной вулканической активности, образуя вулканогенные отложения. Примеры этого последнего типа отложений формируются сегодня в океанах у берегов Папуа - Новой Гвинеи, Канады и других стран мира. Другие жидкости могут выходить на поверхность через трещины в мелководных морях, и при подходящих условиях могут образовываться свинцово-цинково-серебряные отложения.
На протяжении тысяч миллионов лет отложения формировались таким образом. В конечном итоге эти отложения могут быть обнажены на поверхности в результате выветривания и эрозии. Некоторые из них полностью разрушены и могут быть возвращены в землю в результате естественных процессов. Обнаружить частично эродированные месторождения было относительно легко; в качестве примеров можно привести месторождения, обнаруженные в Брокен-Хилле в Новом Южном Уэльсе в конце 1800-х годов и на горе Айза в Квинсленде в прошлом веке. Эти месторождения легли в основу австралийской индустрии добычи цинка.
Ресурсы
В добываемых сегодня месторождениях цинковая руда (горная порода, содержащая экономичное содержание цинка и/или других материалов) обычно также содержит свинец, серебро и, в некоторых случаях, медь, и цинк извлекается в качестве побочного продукта наряду с этими другими металлами.Открытие крупного месторождения цинк-свинцово-серебряной руды в Брокен-Хилле в 1883 году (рудник работает и по сей день) стало значительным событием в истории Австралии, поскольку оно значительно повысило экономику страны. (смотритеGoogle Искусство и культура -Брокен-Хилл: одно из крупнейших в мире свинцово-цинково-серебряных месторождений) Ранее национальное богатство Австралии зависело только от шерсти и пшеницы.
Австралийские месторождения свинца и цинка и действующие рудники, 2022 год.
Размер депозита основан на общем объеме ресурсов (EDR + Продемонстрированные субэкономические ресурсы + Предполагаемый объем).
Для наглядности обозначены только крупные или значимые месторождения.
Богатые залежи на горе Иса были обнаружены только в 1923 году и разрабатывались, несмотря на удаленность и суровые природные условия. Близлежащее месторождение Рич Хилтон было открыто в конце 1940-х годов, но не разрабатывалось до середины 1980-х. Добыча на горе Айза продолжается, и она является вторым по величине производителем цинка в Австралии. В регионе Маунт-Айза расположены крупные рудники на месторождениях Джорджа Фишера, Каннингтона и Сенчури, в то время как месторождения Дугалд-Ривер и Леди-Лоретта еще только разрабатываются. В Северной территории крупным производителем является крупное месторождение на реке Макартур.
Цинковая руда добывается также на месторождениях Роузбери в Тасмании, Элура в Новом Южном Уэльсе и Скаддлс и Госсан-Хилл в Западной Австралии. Высококачественная цинксиликатная руда периодически добывается на небольшом месторождении Бельтана в Южной Австралии.
В Австралии становится все труднее находить открытые месторождения, и геологоразведочные компании в настоящее время ведут поиск будущих месторождений под землей, что является более дорогостоящим и сложным способом поиска рудных тел. Однако с конца 1970-х годов был достигнут ряд успехов, включая разработку рудника Скаддлс (глубина 140 м) и месторождения Адмирал-Бей (глубина 1,5 км) в Западной Австралии, месторождения Каннингтон (глубина 10 м) в северном Квинсленде, выработанного месторождения Хеллиер (глубина 90 м) в Тасмании, месторождение Вилга (глубиной 50 м) в штате Виктория и месторождение Тина (глубиной 500 м) в Северной территории.
На сегодняшний день Австралия располагает более чем 20% известных мировых запасов цинка и свинца и является крупнейшим производителем и экспортером этих металлов в другие страны мира. Наши основные цинковые рудники находятся на реке Макартур в Северной территории и Хилтон-Джордж Фишер в Квинсленде. Дугалд-Ривер также разрабатывается на северо-западе Квинсленда на одном из известных в мире месторождений цинка с самым высоким содержанием цинка. Австралия занимает третье место после Китая и Канады по объему добычи в мире и второе после Канады по экспорту цинка. Австралия экспортирует цинк в виде рафинированного металла в широкий спектр стран Азиатско-Тихоокеанского региона, от Индии до США, но в основном в Индонезию, Гонконг, китайский Тайбэй и Малайзию. Основными потребителями австралийского цинка в виде руд и концентратов являются Япония и Южная Корея, а также, в меньшей степени, Бельгия, Германия и Великобритания.
Добыча полезных ископаемых
Австралия находится на переднем крае технологического развития в области добычи и переработки цинка. Почти все цинковые рудники Австралии находятся под землей и хорошо механизированы. Руда бурится и взрывается в больших объемах, транспортируется в подземные камнедробилки большими погрузчиками и грузовиками, а затем поднимается на поверхность в скипах или доставляется непосредственно на поверхность грузовиком через спиральный туннель, называемый спуском.
На поверхности руда подвергается дополнительному дроблению и тонкому измельчению. Затем используется процесс флотации для отделения цинка и других ценных сульфидных минералов от частиц пустой породы или хвостов обогащения с получением концентрата.
Обработка
В первые годы существования Брокен-Хилла практически невозможно было экономически эффективно добывать цинк, и цинковые минералы отправлялись на свалки отходов. Методы гравитационного и магнитного разделения оказались безуспешными, но в 1901 году в Брокен-Хилле был изобретен новый металлургический процесс, названный флотацией, который позволил извлечь цинковые минералы из руды более чем на 60%. После длительных экспериментов в 1912 году был усовершенствован метод селективной флотации, который заработал в промышленных масштабах. Усовершенствованные варианты этого процесса флотации, такие как разработанная австралийцами флотационная камера Jameson, сегодня используются во всем мире.
Флотационные камеры Jameson установлены на многих шахтах по всей Австралии. Измельченная руда, вода и специальные химикаты смешиваются и постоянно перемешиваются во флотационных камерах. Воздух пропускается через смесь в каждой камере, и мелкие частицы сульфида цинка прилипают к пузырькам, которые поднимаются и образуют пену на поверхности флотационной камеры. Отходы оседают и удаляются со дна камеры. Пену снимают, а полученный концентрат сульфида цинка высушивают. В результате этого процесса из руды, которая может содержать всего 6% цинка, получают концентрат с содержанием цинка более 50%. Из руды может быть извлечено до 90% цинка.
Для получения металлического цинка используются два процесса: электролиз и плавка. В Австралии электролитический процесс в настоящее время используется на цинковом заводе Risdon в Тасмании и на заводе Sunmetals в Таунсвилле. На обоих заводах цинковый концентрат с различных австралийских рудников обжаривается для удаления большей части серы в виде диоксида серы и получения оксида цинка с примесями. Затем обжаренный концентрат выщелачивается серной кислотой с образованием раствора сульфата цинка. Раствор сульфата цинка очищается путем добавления небольшого количества цинкового порошка для осаждения и удаления следов меди, кадмия, кобальта и никеля. Раствор подается по трубопроводу в электролизеры, где цинк электрохимически осаждается на алюминиевых катодах (электродах). Цинк удаляют из катодов, плавят в печи и отливают в слябы.
Начиная с разработки флотационной камеры Jameson в начале прошлого века, Австралия была на переднем крае технологий по добыче, измельчению и экстракции цинка и других сопутствующих металлов. Недавние достижения Австралии включают разработку технологий Isasmelt и Isamill, которые были разработаны для решения проблем, связанных с переработкой Zn-Pb руд из цинкового пояса Северной Австралии. Технология Isasmelt была разработана в 1970-1990-х годах для обеспечения более строгого экологического контроля при выплавке свинца. С тех пор эта технология была применена при выплавке других металлов, в частности меди, и используется во всем мире. Технология Isamill, в которой для измельчения руды используются керамические шарики, песок или шлак, а не стальные шарики, была разработана в 1990-х годах для обеспечения очень тонкого измельчения руды, необходимого для выделения сульфидных минералов из очень мелкозернистых руд реки Макартур (HYC). С 2003 года технология Isamill используется во всем мире для производства широкого спектра сырьевых товаров, включая платину, медь, золото, молибден и магнетит.
Первичный рафинированный цинк производится или ранее производился на четырех заводах в Австралии - в Рисдоне в Тасмании, Кокл-Крике в Новом Южном Уэльсе, Порт-Пирри в Южной Австралии и Таунсвилле в Квинсленде. Небольшое производство вторичного рафинированного цинка осуществляется в Порт-Кембла, Новый Южный Уэльс. Оксид цинка и цинковая пыль производятся из первичного цинка и цинкового лома на заводе West Footscray в Мельбурне, штат Виктория, и в небольших количествах в Брисбене, Квинсленд.
На заводах Risdon и Sunmetal цинковые концентраты сначала обжариваются для удаления серы и получения цинкового шлака. Этот шлак выщелачивается кислотой, а полученный фильтрат очищается добавлением цинковой пыли. Цинк извлекается из этого раствора электролитическим способом для получения катодного цинка, который плавится в печах для получения слитков. Рисдон - крупнейший в Австралии завод по переработке цинка, а также один из крупнейших в мире.Менее половины цинковых концентратов Австралии перерабатывается внутри страны.
Исторически сложилось так, что плавка использовалась на плавильном заводе Cockle Creek близ Ньюкасла в Новом Южном Уэльсе для одновременного производства цинка и свинца в доменной печи. Цинковый и свинцовый концентраты из различных шахт были смешаны и спечены (частично расплавлены) для объединения мелких частиц в комки и удаления некоторого количества серы в виде диоксида серы. Спеченный продукт смешивали с коксом и плавили в доменной печи с получением паров цинка (газа), которые конденсировали путем охлаждения струей расплавленного свинца с образованием неочищенного металлического расплавленного цинка (98,3% цинка). Для удаления небольшого количества примесей свинца и кадмия жидкий цинк дважды прокипятили до образования паров цинка и повторно конденсировали для получения металлического цинка высокой чистоты (до 99,95%).
В Порт-Пири цинк извлекался из шлака свинцовоплавильного завода или расплавленных отходов, которые содержат около 17% цинка, а также из остатков цинкового завода в Рисдоне. Расплавленный шлак подвергался дальнейшему нагреву для удаления цинка и некоторого количества паров свинца, которые окислялись с образованием оксида цинка и отфильтровывались в виде пыли рукавным фильтром. Эта пыль измельчалась и проходила через установку электролитического рафинирования для получения цинка высокой чистоты.