锌

背景

锌是一种元素金属。它在元素周期表中列为“Zn”，原子序数为 30，原子量为 65.37，熔点为 788°F（420°C）。锌通常是灰色的金属色，但可以打磨成闪亮的银色光泽。在自然界中，它仅以化合物的形式存在，而不是纯锌，可用作铸件和涂料的原材料。

在罗马帝国时代，人们用锌将铜合金化为黄铜制成武器。在这个粗加工过程中，锌在矿石加热过程中被铜捕获，尽管当时人们对锌在冶金中的重要性知之甚少。锌这个名字可能来源于德语单词“zinn”，意思是锡。锌的科学发现归功于德国化学家 Nadreas Sigismund Marggraf，他于 1746 年分离出纯锌。此后不久，William Champion 在英国布里斯托尔建立了第一家生产设施或冶炼厂。

世界上只有大约 5% 的锌供应是在美国开采的，其余的主要来自印度、墨西哥和加拿大。全球大约生产 670 万吨锌矿石。美国使用的锌大约有三分之二是进口的。

应用

锌主要用于镀锌钢以防止腐蚀、复杂机器零件的压铸以及电池和其他电气应用。锌也与铜形成合金以形成黄铜。

镀锌钢包括在钢的所有暴露表面涂上一层薄薄的锌层以防止腐蚀。锌具有优异的耐腐蚀性，因为它更容易被大气氧化。当金属暴露于空气或水中时会发生氧化，金属中的电子会转移到氧气中。当锌与钢紧密结合时，锌比钢更容易释放其电子，从而使下方更坚固的金属完好无损。锌涂层的应用是通过将钢浸入熔融锌中或通过用锌对钢进行电镀来完成的，就像镀铬一样。

压铸合金通常含有 96% 的锌和 4% 的铝。压铸工艺使用两件式钢模和压铸机在注入熔融金属期间将两个半模保持在一起。钢模内部是一个型腔，该型腔具有要铸造的零件的负像。熔融金属在压力下注入型腔，准确填充整个空隙。金属冷却，压力机打开半模，露出成型零件。锌铸件非常接近所需的形状，在将它们放入组件之前几乎不需要机械加工。典型应用包括复印机、飞机和医疗器械部件。汽车制造商将锌压铸件用于标志、模具、门把手和支架。锌压铸件很容易镀铬，以提高耐用性和外观。

锌的一项独特应用特别利用了其通过电接触传递其耐腐蚀性能的能力。这种应用称为“牺牲阳极”。阳极几乎由纯锌，用螺栓固定在铝制船用发动机上。在水中操作时，尤其是盐水，氧化形成微弱的电流，可能腐蚀船体和发动机部件。由于锌在这种电流的存在下很容易被氧化，它通过快速腐蚀来“牺牲”自己，消耗掉船上所有的电力不平衡。剩下的铝制船体和发动机没有因此被腐蚀。当它被消耗时，必须更换阳极以确保持续保护。

在类似于牺牲阳极的应用中，锌被用作电池生产中的一种成分。干电池与金属外壳（或“罐”）中的锌发生化学反应，从而在两个连接之间产生电压。电子设备，例如手电筒或便携式收音机，可以连接到电池并由产生的电力供电。如此连接，反应在可用化学反应物的持续时间内保持电流。

锌作为化合物用于制药、橡胶、化妆品、油漆和陶瓷釉料。其他化合物在阴极射线管中使用锌， 助焊剂和木材防腐剂。

制造
过程

挖矿

1 锌矿石是使用传统的爆破、钻孔和运输技术从地下矿山中挖掘出来的。矿石以硫化锌（也称为闪锌矿）、碳酸锌（菱锌矿）、硅酸锌（calimine）以及锰和铁的化合物形式出现（坦率的）。锌矿石有时与银或铅一起开采矿石。矿石的分解除矿石本身外，还需要石油和硫酸；冶炼需要电力、焦炭或天然气提供热能。

泡沫浮选

2 锌可通过称为泡沫浮选的工艺生产，该工艺还可用于还原铜和铅矿石。这个过程包括将锌矿石研磨成细粉，将其与水、松油和浮选化学品混合，然后搅拌混合物以将锌“浮”到表面。多种化学品用于涂覆重要的锌颗粒并防止它们被水润湿。然后注入空气，包覆矿物将自己附加到气泡上。该操作在大桶内进行并用叶轮搅拌。旋转的叶轮将空气从围绕叶轮轴的竖管吸入，然后将其分散到混合物或“纸浆”中。锌上升到顶部，残留物留在纸浆底部，因为它不能附着在气泡上。自动刮刀去除含有锌的富含矿物质的泡沫。

过滤

3 过滤泡沫以去除水和液体油。糊状剩余物与石灰混合并送入熔炉。熔炉在 2500°F (1371°C) 下烘烤混合物，将矿物质融合成称为烧结的固体块。此时，材料已完全转化为氧化锌。

冶炼

4 下一个还原过程使用高炉将准备好的矿石熔化成其元素成分。高炉以电力、焦炭或天然气为燃料，可产生高达 2200°F (1204°C) 的温度。然而，这也会产生二氧化碳，当它冷却以重新形成氧化锌时，二氧化碳会与锌重新结合。为了减少这种重新形成，在锌还热的时候用熔化的铅喷洒它。铅在 1022°F (550°C) 下溶解锌并将其带到另一个室，在那里它被冷却到 824°F (440°C)。在这个温度下，较轻的锌从铅中分离出来并从顶部排出。铅被重新加热并返回高炉。

精炼

5 通过将锌保持熔融状态数小时，可以进一步改进金属。在这种状态下，铁和其他污染物沉淀到底部，使几乎纯的锌从顶部小心地排出并浇铸成锭。

合金化

6 大多数锌在使用前与其他金属形成合金以改善其性能。合金化包括将锌与其他金属按精确比例重熔和混合。例如，在压铸过程中添加约 4% 的铝以提高铸件质量和模具寿命。其他添加的合金是少量的钛、铜和镁。合金化后，将熔融金属倒入母模和铸锭模中。母猪可以重达数千磅，而锭重约 45 磅（20 公斤）。

质量控制

金属合金通过称为光谱分析的过程进行检查。金属在保护罩下使用电弧燃烧。燃烧的金属发出的光通过一个很像棱镜的装置，它将光分成所有单独的颜色。每个元素都有一组不同的颜色或光谱，就像指纹一样。任何异物都会改变光谱，并在这样做时显示其独特的色谱，识别它。光谱仪中的计算机使用传感器来获取这些颜色。然后，计算机程序生成一个打印输出，标识光谱中的每个元素和金属中的浓度。可以减少或增加元素以改变组成。