Состав и структура цинка, его производство: технология, процесс, вред

Особенности производства и разные виды технологий

Для получения химического вещества ZnO на производствах применяют разные виды технологий, конечным результатом которых является соединение цинка с кислородом. При разных способах получения продукта учитываются: его востребованность, уровень физического воздействия, количество образования твердых отходов, сточных вод и выбросов в атмосферу, а также использование химических веществ и потребление энергии.

Окись цинка получают тремя основными методами:

путем обработки природного минерала цинкита методом вельцевания;
путем сжигания цинка в кислороде;
с помощью термического разложения водных растворов солей металла.

Независимо от способа получения в производственных помещениях устанавливаются вытяжки и вентиляционные системы. Работники снабжаются индивидуальными средствами защиты и респираторами. Само вещество не представляет опасности, но его пыль вызывает раздражение дыхательных путей, а попадание в пищевод приводит к заболеванию ЖКТ.

Факторы скорости протекания газовой химической коррозии

По мере исследования особенностей процесса протекания химической коррозии, ученые смогли определить важные факторы, которые влияют на ее скорость и другие особенности. К ним относятся такие, как:

Температура среды, в которую погружен металл.
Состав сплава и другие особенности металла.
Особенности газовой среды, ее состав, преобладающие элементы.
Длительность контактирования материала с коррозийной средой.
Появляющийся продукт коррозии.

Как и в случае с другими типами коррозийных поражений, большое значение имеет тип и особенности создающейся на поверхности оксидной пленки.

Особенности формирования оксидных пленок при газовой коррозии

Весь процесс формирования оксидной пленки на поверхности металла можно разделить на две крупные стадии:

Абсорбирование молекул кислорода на поверхности металлического изделия

Это происходит на тех участках, которые находятся в непосредственном контакте с атмосферой. Заметно появление ионной связи – атом кислорода забирает у металла по два электрода.

Можно предположить, что формирование очень сильной и стабильной связи при протекании такой реакции связано с попаданием кислорода в особое поле атомов металла.

Когда поверхность материала будет полностью наполнена окислителем, окажется сформирована мономолекулярная пленка. Она имеет склонность к утолщению со временем. Это уменьшает дальнейший контакт с кислородом, но сам опасный коррозийный процесс уже оказывается запущен.

Формирование химического соединения

Это явление характерно для ситуации, в которой происходит активное взаимодействие металла и газа. Из-за воздействия окислительных компонентов сплав начинает активно терять валентные электроны. Стремительно формируются и накапливаются продукты коррозии.

Дальнейшее протекание процесса будет во многом характеризоваться особенностями оксидной пленки. Так если она отличается повышенным уровнем защиты, сам коррозийный процесс будет замедляться.

Свойства цинка

Химические свойства цинка

Цинк — активный металл. При комнатной температуре тускнеет и покрывается слоем оксида цинка.

Вступает в реакцию со многими неметаллами: фосфором, серой, кислородом.
При повышении температуры взаимодействует с водой и сероводородом, выделяя водород.
При сплавлении с щелочами образует цинкаты — соли цинковой кислоты.
Реагирует с серной кислотой, образуя различные вещества в зависимости от концентрации кислоты.
При сильном нагревании вступает в реакции со многими газами: газообразным хлором, фтором, йодом.
Не реагирует с азотом, углеродом и водородом.

Физические свойства цинка

Цинк — твердый металл, но становится пластичным при 100–150 °C. При температуре выше 210 °С может деформироваться. Температура плавления — очень низкая для металлов. Несмотря на это, цинк имеет хорошую электропроводность.

Плотность — 7,133 г/см³.
Теплопроводность — 116 Вт/(м·К).
Температура плавления цинка — 419,6 °C.
Температура кипения — 906,2 °C.
Удельная теплота испарения — 114,8 кДж/моль.
Удельная теплота плавления — 7,28 кДж/моль.
Удельная магнитная восприимчивость — 0,175·10-6.
Предел прочности при растяжении — 200–250 Мн/м2.

Подробный химический состав цинка различных марок указан в таблице ниже.

Обозначение марок	Цинк, не менее	Примесь, не более
свинец	кадмий	железо	медь	олово	мышьяк	алюминий	всего
ЦВ00	99,997	0,00001	0,002	0,00001	0,00001	0,00001	0,0005	0,00001	0,003
ЦВ0	99,995	0,003	0,002	0,002	0,001	0,001	0,0005	0,005	0,005
ЦВ	99,99	0,005*	0,002	0,003	0,001	0,001	0,0005	0,005	0,01
Ц0А	99,98	0,01	0,003	0,003	0,001	0,001	0,0005	0,005	0,02
Ц0	99,975	0,013	0,004	0,005	0,001	0,001	0,0005	0,005	0,025
Ц1	99,95	0,02	0,01	0,01	0,002	0,001	0,0005	0,005	0,05
Ц2	98,7	1,0	0,2	0,05	0,005	0,002	0,01	0,010**	1,3
Ц3	97,5	2,0	0,2	0,1	0,05	0,005	0,01	—	2,5
* В цинке, применяемом для производства сплава марки ЦАМ4-1о, массовая доля свинца должна быть не более 0,004%. ** В цинке, применяемом для проката, массовая доля алюминия должна быть не более 0,005%.

Содержание примесей в цинке зависит от способа производства и качества сырья.

В России основной процент цинка получают гидрометаллургическим способом — металл восстанавливают из солей в растворах. Такой способ позволяет получить наиболее чистый металл. Но часть цинка обрабатывают при высоких температурах. Такой метод называют пирометаллургическим.

Свинец — особая примесь в цинке, так как основная его часть оседает из-за нерастворимых анодов, содержащихся в металле. Катодный цинк, помимо всех указанных примесей, состоит из хлора и фтора.

Цинковое покрытие

Изначально производство цинкового покрытия проводилось методом погружения детали в расплавленный цинк, то есть горячим методом. Этот метод используется и сегодня для крупногабаритных предметов. Чтобы получить тонкое цинковое покрытие применяют процесс электролитического цинкования деталей. Оба этих метода могут быть реализованы исключительно в цеховых условиях. Чтобы улучшить защитные качества цинковых покрытий и продлить период их эксплуатации поверхность покрытий должна быть дополнительно пассивирована (фосфатирована, хроматирована), промаслена и окрашена. Основываясь на высоких защитных свойствах цинковых покрытий, были разработаны методики их нанесения не в цеху, а прямо на объекте, исключая этап демонтажа изделий. Довольно распространенными являются цинкполимерные и цинксиликатные материалы, в которых содержится от 80 до 98 % цинка. Ими покрывают защищаемые конструкции при помощи механизмов для распыления лакокрасочных материалов. Такие покрытия отличаются более высокими изолирующими характеристиками, в сравнении с металлическими цинковыми покрытиями, они повышают уровень защиты конструкций от коррозии и дают возможность расширить границы использования цинка и его сплавов.

Вредность цинка для организма

При попадании в организм солей цинка, а также сульфатов может произойти серьезное отравление организма. Достаточно одного грамма, что бы у человека началась рвота и головные боли. В обычной жизни длительное хранение пищевых продуктов в оцинкованной посуде может так же вызвать большие проблемы в организме. Отравления могут оказать негативное воздействие на дальнейшее развитие организма, а также вызвать бесплодие у женщин, образовать малокровие, задержать рост и многое другое.

Оксид цинка попадает в организм посредством вдыхания паров. Во рту может появиться сладкий привкус. Вместе с этим человек теряет аппетит, ощущается жажда. Наблюдается повышенная утомляемость, постоянная боль в груди, вялость, кашель и общее ухудшение самочувствия.

Но необходимо помнить, что цинк имеется в любом организме. Он нужен для правильного и полноценного развития клеток. Для борьбы со старением цинк один из немногих элементов, который оказывает активное омолаживающее действие. Поэтому недостаток цинка приводит к ряду заболеваний, среди которых можно отметить диабет, половые проблемы и многое другое.

Сырье для получения цинка

Основным источником получения цинка являются сульфидные, медно-свинцово-цинковые, медно-цинковые и свинцово-цинковые руды.

В сульфидных рудах цинк обычно присутствует в виде сфалерита или вуртцита, состав которых отвечает формуле ZnS, и марматита nZnS · mFeS. Спутниками цинка в полиметаллических рудах являются минералы и элементы.

В окисленных зонах месторождений цинксодержащих руд основными кислородсодержащими минералами цинка являются: смитсонит ZnCO3, цинкит ZnO и каламин ZnO·SiO2 ·H2O. Окисленные цинковые руды в настоящее время имеют подчиненное значение.

В сульфидных полиметаллических рудах содержание цинка обычно составляет 1…3 %. Эти руды имеют сложный состав. Все это обусловливает необходимость проведения предварительного обогащения руд по селективной схеме с получением нескольких концентратов.

Цинковые концентраты селективного флотационного обогащения полиметаллических руд содержат, %: Zn – 48…60; Pb – 1,5…2,5; Cu – 1…3; Cd – до 0,25; Fe – 3…10; S – 30…38, пустой породы – до 10.

Цинковые концентраты – комплексное дорогостоящее сырьё. Из них нужно извлекать цинк, свинец, медь, кадмий, серу, золото, серебро, ртуть, галлий, индий, таллий, селен, теллур и др.

Иногда при обогащении труднообогатимых медно-цинковых руд получают промежуточные продукты, содержащие 12…18 % Zn и 4…8 % Cu. Переработка этих материалов затруднена как на цинковых, так и на медных заводах.

Переработку цинковых концентратов в настоящее время осуществляют двумя методами – пирометаллургическим и гидрометаллургическим.

В основе пирометаллургического способа лежит процесс восстановления оксида цинка при 1000…1100 ºС, т. е. при температуре выше точки кипения металлического цинка, что обеспечивает выделение его в момент образования в парообразном состоянии и возгонку в виде паров:

ZnO + C = Znпар + CO; ZnO + CO = Znпар + CO2.

Пары цинка в дальнейшем конденсируют. Получение жидкого цинка дистилляцией возможно только в условиях сильно восстановительной атмосферы и полной герметизации применяемой аппаратуры.

В связи с тем что цинковый концентрат представляет собой сульфидный материал, а восстановление цинка возможно только из его оксида, дистилляции предшествует окислительный обжиг с полным удалением серы.

Возможны несколько вариантов аппаратурного оформления пирометаллургического способа получения цинка: в горизонтальных и вертикальных ретортах, в шахтных и электрических печах. Принцип действия положен в основу получения паров цинка в электротермической части кивцетного агрегата.

Получающийся пирометаллургическим способом цинк обязательно содержит большое количество металлов-примесей, возгоняемых вместе с ним или попадающих в него из выносимой газами пыли. Поэтому дистилляционный цинк, как и всякий черновой металл, нуждается в рафинировании.

Пирометаллургический способ применяют с момента возникновения цинкового производства. Доля выпуска цинка этим способом из года в год сокращается и в настоящее время составляет не более 20 %.

Гидрометаллургический способ является в настоящее время основным. Широкое распространение гидрометаллургии при производстве цинка обусловлено ее значительными преимуществами по сравнению с дистилляцией. К ним относятся:

извлечение большего количества цинка и сопутствующих элементов;
большая комплексность использования сырья;
высокое качество цинка;
высокая механизация трудоемких процессов.

По этому способу цинк выщелачивают раствором серной кислоты из предварительно обожженного концентрата. При выщелачивании цинк переходит в раствор в виде сернокислого цинка по реакции

ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O.

При выщелачивании цинкового огарка в раствор частично переходят содержащиеся в нем компоненты. Качество получаемого электролитическим осаждением цинка зависит от чистоты раствора: чем чище раствор, поступающий на электролиз, тем более чистым получается товарный цинк. Поэтому перед электролизом раствор тщательно очищают от примесей.

Процесс электролитического осаждения цинка из очищенного раствора протекает по следующей суммарной реакции:

ZnSO4 + H2O = Zn + H2SO4 + 0,5O2

Цинк при электролизе осаждается на катоде, а на аноде регенерируется серная кислота, необходимая для выщелачивания свежих порций огарка, и выделяется кислород. Катодные осадки цинка переплавляют и разливают в слитки.

Кек (нерастворенный осадок), получаемый после выщелачивания, подвергают дополнительной переработке с целью доизвлечения из него цинка и других ценных компонентов.

Получение белил из металлического цинка

Наиболее распространенной технологией получения цинковых белил является получение из цинка муфельным либо тигельным способом. Технологический процесс состоит из подготовки сырья, его плавления, испарения с последующим окислением его паров, охлаждения суспензии и выделения белил. Цинк плавится в графитовом тигле или муфеле, установленном в печи специальной конструкции. При достижении температуры 980 градусов начинается образование его паров, которые вступают в реакцию с кислородом воздуха. Это приводит к образованию окиси цинка, сопровождающегося снижением температуры и появлением яркого свечения. Частицы вещества направляются в охлажденный канал и накапливаются в емкости. Данную технологию называют французским методом. Размер частиц вещества составляет от 0,1 до нескольких мкм. Для выработки 1 т порошка расходуется 294 кВт. По данной технологии получают цинковые белила, соответствующие ГОСТ 202-84, оксид цинка по ГОСТ 10262-76

Плавку на штейн

Плавку на штейн ведут в отражательных или электрических печах при температуре 1250 – 1300 °С. В плавку поступают обожженные концентраты медных руд, в ходе нагревания которых протекают реакции восстановления оксида меди и высших оксидов железа

6CuO + FeS = 3Cu₂O + FeO + SO₂

FeS + 3Fe₃O₄ + 5SiO₂ = 5(2FeO·SiO₂) + SO₂

В результате взаимодействия Cu₂O с FeS образуется Cu₂S по реакции:

Cu₂O + FeS = Cu₂S + FeO

Сульфиды меди и железа, сплавляясь между собой, образуют штейн, а расплавленные силикаты железа, растворяя другие оксиды, образуют шлак. Штейн содержит 15 – 55% Cu; 15 – 50% Fe; 20 – 30% S. Шлак состоит в основном из SiO₂, FeO, CaO, Al₂O₃.

Штейн и шлак выпускают по мере их накопления через специальные отверстия.

Опасен ли оксид цинка для человека

Опасное или нет производство оксида цинка, зависит от соблюдения правил работы с этим веществом. Они требуют использования индивидуальных средств защиты (респираторов типа «Лепесток» или УК-8, резиновых перчаток, защитных очков), а также соблюдения правил личной гигиены.

Помещения, где проводятся работы с цинком, должны быть снабжены общей приточно-вытяжной вентиляцией. Места с наибольшим количеством пыли оборудуются местными вытяжками. Для проведения лабораторного анализа следует применять вытяжной шкаф. Технологические процессы с применением окиси цинка должны проводиться в герметичных условиях.

Химические свойства

Цинк считается элементом, способным образовывать амфотерные соединения. В атмосфере цинк оксидируется и образует пленку. Цинк не вступает в реакцию щелочами и кислотами. Реакция происходит только при добавлении небольшого объема сульфата меди. При температуре цинк вступает в реакцию с галогенами и способствует образованию галогенидов. При добавлении в цинк фосфора образуются фосфиды. Взаимодействие с серой или ее аналогами образует халькогениды. С такими веществами как азот, бор цинк не вступает в реакцию. Нитрид цинка получается посредством реакции цинка и аммиака при температуре от 500 до 600 градусов.

Мировой рынок: фаза роста

В развитии цинковой промышленности, как и в других подотраслях цветной металлургии, присутствуют циклические составляющие. Пример цикличности конъюнктуры на этом рынке приведен на , на котором представлены сопоставимые цены на цинк с начала XX века. Прокомментируем здесь только последнюю конъюнктурную волну, начавшуюся примерно с 1997 года.

Хотя потребление цинка последнее десятилетия увеличивалось быстрыми темпами, его производство возрастало еще стремительнее. Этот прирост наполовину обязан Китаю, который и сам является крупнейшим производителем цинка (см. таблицу 2). До 1997 года цены на цинк стабильно росли, однако после того как китайская госкомиссия по тарифам резко уменьшила экспортные пошлины на цинк, на рынок поступило почти 40% выплавляемого в стране металла — и цены сразу же пошли вниз (см. ). Быстрый рост экономики Китая на рубеже веков фактически остановил экспорт цинка (см. график 4), однако ценам это не помогло. Более того, они еще заметнее снизились в 2001-2002 годах, когда резко замедлились темпы роста экономики США, главного мирового импортера цинка (см. график 5). Многие производители цинка не смогли гибко отреагировать на сложившуюся ситуацию и ограничить рост производства. В результате к 2003 году образовалось существенное перепроизводство этого металла (см. график 6), добавившее рынку нестабильности.

Признаки улучшения ситуации стали заметны с конца 2002 года, когда начали сокращаться цинковые излишки на рынке. А в конце прошлого-начале нынешнего года в цинковой промышленности наметились признаки выздоровления. Был закрыт ряд нерентабельных цинкоплавильных заводов, преимущественно в Европе. Уже в 2003 году в некоторых регионах образовался дефицит производства цинка, составивший около 300 тыс. тонн на наиболее привлекательном для отечественных производителей европейском рынке. В результате с мая 2003 года цены на цинк выросли на 35% — с 755 до 1017 долларов за тонну. По оценкам специалистов, в дальнейшем этот прирост может составить еще 30% только в текущем году.

Между тем эксперты прогнозируют увеличение потребности в этом металле, которое в 2004 году должно составить не менее 3,5% (Международная группа по изучению свинца и цинка, например, говорит о 4%). При этом баланс между потреблением и производством цинка в ближайшие годы будет смещаться в сторону дефицита. ЕС уже отменил заградительную пошлину на импорт цинка, что дает возможность российским предприятиям поставлять на европейский рынок до 50 тыс. тонн металла. Похожая ситуация наблюдается и на наиболее емком и перспективном для России рынке стран Юго-Восточной Азии.

История появления цинка

В древние времена цинк не был известен. Были известны такие металлы как железо, латунь. Выделить цинк из латуни в течении многих веков не удавалось. В середине 18 века в Англии ряд ученых смогли получить металл дистилляционным образом. Через несколько лет был создан новый способ получения цинка. Он заключался в горячем плавлении с дальнейшим охлаждением в холодильных камерах. Данный способ стал основой для дальнейшего получения цинка. Ученые детально раскрыли тонкости его получения и считаются первыми открывателями данного метала.

В 19 веке ряд других ученых смогли получить цинк новым способом. Данный метод заключался в температурной обработке. В нашей стране цинк был получен в 20 веке. Через несколько лет американцы запатентовали новый способ получения металла. Это был электролитический метод.

Как примеси изменяют свойства цинка

Производители ограничивают содержание кадмия, олова и свинца в литейных сплавах цинка, чтобы подавить межкристаллитную коррозию.

Олово — вредная примесь. Металл не растворяется и выделяется из расплава — способствует ломкости цинковых отливок. Кадмий напротив — растворяется в цинке и снижает его пластичность в горячем состоянии. Свинец увеличивает растворимость металла в кислотной среде.

Железо повышает твердость цинка, но снижает его прочность. Вместе с тем оно усложняет процесс заполнения форм при литье.

Медь увеличивает твердость цинка, но уменьшает его пластичность и стойкость при коррозии. Содержание меди также мешает рекристаллизации цинка.

Наиболее вредная примесь — мышьяк. Даже при небольшом ее количестве металл становится хрупким и менее пластичным.

Чтобы избежать растрескивания кромок при горячей прокатке цинка, содержание сурьмы не должна быть выше 0,01%. В горячем состоянии она увеличивает твердость цинка, лишая его хорошей пластичности.

Опасен ли оксид цинка для человека

Мировой рынок: фаза роста

Подведем итоги

В этой статье мы рассмотрели виды химической коррозии и то, чем она отличается от электрохимической. При условии соблюдения ряда требований, удается заметно уменьшить риск разрушения металла. К ним относятся такие, как:

Контроль формирования защитной оксидной пленки.
Исключение контакта определенных материалов с агрессивными средами.
Использование дополнительных защитных покрытий.
Отслеживание состава газовой смеси или электролита.
Применение металлов с компонентами сплава, замедляющими реакцию.

Соблюдение перечисленных требований позволит значительно увеличить длительность использования вашего металлического изделия.