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Tin


背景

锡是基本的化学元素之一。精炼后,它是一种银白色金属,以其耐腐蚀和涂覆其他金属的能力而闻名。它最常用作用于形成食品容器罐的钢板上的镀层。锡还与铜结合形成青铜,与铅结合形成焊料。一种锡化合物,即氟化亚锡,经常被添加到牙膏中作为氟化物的来源,以防止蛀牙。

锡的最早使用可以追溯到公元前 3500 年 在现在的土耳其,它最初是在那里开采和加工的。古代金属工人学会了将相对较软的铜与锡结合形成更坚硬的青铜,这种青铜可以制成更耐用、更锋利的工具和武器。这一发现开启了所谓的青铜时代,持续了大约 2000 年。青铜工具的优越性促使人们寻找其他锡来源。当英格兰发现大量锡矿时,贸易商将贵金属带到地中海地区的国家,但对来源保密。直到 310 B.C. 希腊探险家 Pytheas 在现在的英国康沃尔附近发现了矿山的位置。罗马在公元 43 年入侵不列颠的主要推动力 是为了控制锡贸易。锡的化学符号 Sn 来源于该材料的拉丁文名称 stannum。

在世界其他地方,锡在古代中国和现在南非的一个未知部落中被使用。到大约 2500-2000 B.C. ,泰国东北部 Khorat 高原的金属工人使用当地的锡和铜资源生产青铜,到大约 1600 B.C. 青铜犁正在现在的越南使用。在 1500 年代西班牙征服之前,锡在墨西哥和秘鲁也广为人知并被使用。

锡作为电镀材料的使用可以追溯到罗马帝国时代,当时铜器皿涂上锡以保持明亮。 1300 年代,镀锡铁器皿出现在中欧。镀锡的薄铁片,称为马口铁,在 1600 年代中期在英国上市,并被用于制造金属容器。 1810 年,法国的 Pierre Durand 获得了一种在密封马口铁罐中保存食物的方法的专利。尽管需要多年的试验来完善这项新技术,但到 1800 年代中期,锡罐开始取代瓶子用于食品包装。

1839年,美国的艾萨克·巴比特发明了一种减摩合金,称为巴比特金属,由锡、锑和铜组成。它被广泛应用于轴承,极大地促进了高速机械和运输的发展。

1952 年,英国皮尔金顿公司引入了连续生产平板玻璃的“浮法玻璃”方法,彻底改变了玻璃制造行业。在这种方法中,熔融玻璃在冷却时漂浮在液态锡浴上。这会产生非常平坦的玻璃表面,而无需在引入此方法之前进行滚压、研磨和抛光操作。

今天,世界上大部分锡产于马来西亚、玻利维亚、印度尼西亚、泰国、澳大利亚、尼日利亚和英国。美国没有大型锡矿床。

原材料

在地壳中天然发现了九种含锡矿石,但唯一被开采到任何程度的一种是锡石。除了矿石本身,还经常使用其他几种材料来加工和提炼锡。这些包括石灰石、二氧化硅和盐。也使用煤或燃料油形式的碳。矿石中存在高浓度的某些化学品可能需要使用其他材料。

制造
过程

从锡矿石中提取锡的工艺因矿床来源和矿石中发现的杂质含量而异。玻利维亚和英格兰的锡矿床位于地下深处,需要使用隧道才能到达矿石。这些矿床中的矿石可能含有约 0.8-1.0%(重量)的锡。马来西亚、印度尼西亚和泰国的锡矿床位于沿河床的砾石中,需要使用挖泥机或泵才能到达矿石。这些矿床中的矿石可能含有低至 0.015%(重量)的锡。世界上 80% 以上的锡都存在于这些低品位的砾石矿床中。

不管来源如何,每个过程都包含几个步骤,其中不需要的材料被物理或化学去除,并且锡的浓度逐渐增加。其中一些步骤在矿场进行,而其他步骤可能在单独的设施中进行。

以下是加工东南亚砾石矿床中常见的低品位矿石的步骤:

挖矿

  • 1 当砾石沉积物位于或低于溪流中的水位时,它们会被漂浮在沿河床建造的人工池塘中运上来。挖泥机使用装有链条驱动铲斗或浸入式旋转刀盘和吸管的长臂挖掘砾石。砾石通过挖泥机上的一系列旋转筛网和振动台,将土壤、沙子和石头与锡矿石分离。然后收集剩余的矿石并将其转移到岸上进行进一步加工。

    在 1800 年代,人们赠送了一个锡制的帽子作为十周年纪念礼物。 (来自密歇根州迪尔伯恩格林菲尔德村亨利福特博物馆 6 的藏品。)

    在 1800 年代,锡是一种普通的家居材料,特别受工人阶级欢迎,因为它成本低且光泽明亮。由轧薄的铁或钢制成,并浸入熔化的锡中,易于操作、切割和焊接。锡几乎可以用于铜、锡、黄铜或银可以用于的所有物品,但通常不会持续很长时间。回顾 1870 年左右的锡制品目录,发现锡的用途远不止千篇一律——它还被用来制作儿童玩具、咖啡壶、午餐盒,甚至绅士的痰盂。

    然而,它也被普遍用来制作十周年的礼物,称为“锡制周年纪念”。这位维多利亚时代的家庭主妇虽然不像二十五岁那样出名,但她知道她很可能会收到一个十周年纪念的锡制礼物,就像这里描绘的锡制帽子一样。形状为大约 1870 年流行的“勺子帽”,这件作品很可能可以追溯到那个时代。当然,它不能穿,但它是为了纪念那个周年而展示在架子上的。为此,锡匠们提供了异想天开的礼物。博物馆藏品不仅包括帽子,还包括永远无法盛水的锡鞋和装饰花瓶。

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    当砾石沉积物位于或高于水位的干燥地区时 当砾石沉积物位于水位或低于水位时,它们被漂浮的挖泥船带上,在沿着河床建造的人工池塘。当砾石沉积物位于水位或以上的干燥区域时,它们首先被通过大喷嘴泵送的水射流打碎。接下来,矿石进入与采矿作业相邻的清洁或选矿棚。流,它们首先被通过大喷嘴泵送的水射流分解。产生的泥浆被困在人工池塘中。位于池塘最低点的泵将泥浆泵入一个木槽,称为 palong,沿其长度方向有一个缓和的向下斜坡。锡矿石比泥中的沙子和土壤重,容易下沉并被困在一系列称为浅滩的木板条后面。捕获的矿石会定期从 palong 中倾倒并收集起来进行进一步加工。

专注

  • 2 矿石进入采矿作业附近的清洁或选矿棚。首先,它通过几个振动筛来分离出较粗的异物。然后它可能会通过一个装满水的分级槽,在那里矿石沉到底部,而非常小的粉砂颗粒被带走。它也可能通过一个浮罐,在那里加入某些化学物质,使锡颗粒上升到表面并溢出到槽中。
  • 3 最后将矿石干燥、再次筛选,然后通过磁选机去除任何铁颗粒。所得锡精矿现在大约含有 70-77% 的锡,几乎由纯锡石组成。

冶炼

  • 4 锡精矿与煤或燃料油形式的碳一起放入熔炉中。如果使用杂质过多的锡精矿,还可以加入石灰石和沙子与杂质反应。当材料被加热到大约 2550° F (1400° C) 时,碳与炉内气氛中的二氧化碳反应形成一氧化碳。反过来,一氧化碳与锡精矿中的锡石反应形成粗锡和二氧化碳。如果使用石灰石和沙子,它们会与精矿中存在的任何二氧化硅或铁反应形成炉渣。
  • 5 因为锡很容易与许多材料形成化合物,所以它经常与炉渣反应。因此,第一个熔炉的炉渣含有大量锡,必须进一步处理才能丢弃。炉渣与额外的碳、废铁和石灰石一起在第二个熔炉中加热。和以前一样,粗锡与一定量的残渣一起形成和回收。 锡精矿与煤或燃料油形式的碳一起放入熔炉中。它被加热并与粗锡一起形成炉渣。将炉渣和粗锡再加热数次以去除杂质并回收锡硬头。
  • 6 将来自第二个熔炉的残余炉渣再加热一次,以回收与铁形成化合物的任何锡。这种材料被称为硬头。剩余的炉渣被丢弃。

精炼

  • 7 将第一炉中的粗锡与从炉渣中回收的粗锡和硬头一起放入低温炉中。因为锡的熔化温度比大多数金属低得多,所以可以小心地提高炉子的温度,以便只有锡熔化,而留下任何其他金属为固体。熔化的锡沿着倾斜的表面流下并被收集在极化釜中,而其他材料则留在后面。这个过程称为清算,它有效地去除了可能存在的大部分铁、砷、铜和锑。
  • 8 极锅中的熔融锡与蒸汽、压缩空气或生木极搅拌。这个过程称为煮沸。潮湿的绿色木材随着杆的机械搅拌产生蒸汽。撑竿壶的名字来源于这种粗制但有效地使用木杆的方法。大多数剩余的杂质上升到表面形成浮渣,浮渣被去除。精炼锡的纯度现在约为 99.8%。
  • 9 对于需要更高纯度的应用,锡可以在电解精炼厂进一步加工。将锡倒入模具中形成大的电阳极,作为电解精炼过程的正极。每个阳极都放置在一个单独的罐中,在罐的另一端放置一片锡作为阴极或负极端子。罐中充满了导电溶液。当电流通过每个罐时,锡从阳极剥离并沉积在阴极上。剩余的杂质,通常是铋和铅,从溶液中掉出来,在罐底形成粘液。
  • 10 阴极被重熔,精炼锡在铁模中铸造成锭或条,然后运往各个最终用户。较低纯度的锡通常被铸造成重达 25-100 磅(11-45 公斤)的锡锭。更高纯度的锡被铸造成更小的锡条,重约 2 磅(1 千克)。

质量控制

所描述的工艺已被证明可以始终如一地生产纯度为 99% 或更高的锡。为了确保这种纯度,样品在不同的步骤进行分析,以确定是否需要对过程进行任何调整。

锡硬头进一步精制,直至成型为锡锭。

在美国,商业级锡的纯度水平由美国材料试验协会 (ASTM) 标准分类 B339 定义。最高等级为 AAA,含 99.98% 的锡,用于研究。 A 级含有 99.80% 的锡,用于形成食品容器的马口铁。 B、C、D 和 E 级是较低的等级,纯度低至 99%。它们用于制造通用锡合金,如青铜和焊料。

副产品/废物

锡加工不会产生有用的副产品。

废弃产品包括在采矿和选矿作业中被丢弃的土壤、沙子和石头。这些构成了大量的材料,但它们对环境的影响取决于当地的处置做法和可能存在的其他矿物质的浓度。在冶炼和精炼过程中产生的炉渣也是一种废品。它可能含有大量可能有害的砷、铅和其他材料。锡本身对人类或环境没有已知的有害影响。

未来

随着新应用的开发,锡的使用预计会增加。由于锡没有已知的有害影响,因此有望取代其他对环境危害更大的金属,如铅、汞和镉。一项新应用是在电子工业中配制锡银焊料以替代锡铅焊料。另一个应用是使用锡弹代替霰弹枪弹中的铅弹。

开发工作正在进行中,以创建一种用于垃圾处理垃圾填埋场的锡基化合物。这种化合物会与铅和镉等重金属相互作用,以防止雨水将它们带入周围的土壤和地下水位。


制造工艺

  1. Spork
  2. 钛合金
  3. 生物陶瓷
  4. 响板
  5. 起重机
  6. 胶水
  7. 沙漏
  8. 线程
  9. 乙炔
  10. 石棉
  11. 牙冠
  12. 骰子