주석

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배경

주석은 기본 화학 원소 중 하나입니다. 정제되면 부식에 대한 내성과 다른 금속을 코팅하는 능력으로 알려진 은백색 금속입니다. 식품용기의 캔 성형에 사용되는 강판의 도금으로 가장 많이 사용됩니다. 주석은 또한 구리와 결합하여 청동을 형성하고 납과 결합하여 땜납을 형성합니다. 주석 화합물인 제1주석은 충치를 예방하기 위해 종종 불소 공급원으로 치약에 첨가됩니다.

주석의 최초 사용은 기원전 3500년경 <작은> 시기로 거슬러 올라갑니다. 지금의 터키에서 처음 채굴되고 처리되었습니다. 고대 금속 세공인들은 상대적으로 부드러운 구리와 주석을 결합하여 훨씬 더 단단한 청동을 만드는 법을 배웠습니다. 청동은 더 내구성이 있고 더 오래 예리하게 유지되는 도구와 무기로 만들 수 있습니다. 이 발견은 약 2,000년 동안 지속된 청동기 시대로 알려진 것을 시작했습니다. 청동 도구의 ​​우수성은 주석의 다른 출처를 찾는 데 박차를 가했습니다. 영국에서 광범위한 주석 매장량이 발견되었을 때 상인들은 귀금속을 지중해 지역의 국가로 가져왔지만 출처는 비밀로 유지했습니다. 기원전 310년 <작은> 때까지는 아니었습니다. 그리스 탐험가 피테아스가 지금의 영국 콘월 근처에서 광산의 위치를 ​​발견했다고 합니다. 서기 43년 로마의 브리튼 침공에 대한 많은 추진력 주석 거래를 통제하기 위해서였다. 주석의 화학 기호 Sn은 재료의 라틴어 이름인 stannum에서 파생됩니다.

세계의 다른 곳에서 주석은 고대 중국과 현재 남아프리카 공화국의 알려지지 않은 부족에서 사용되었습니다. 기원전 2500-2000년경 <소> , 태국 북동부의 코랏 고원(Khorat Plateau)에 있는 금속 세공인들은 주석과 구리의 현지 공급원을 사용하여 청동을 생산했으며 기원전 1600년경 <작은> 청동 쟁기는 지금의 베트남에서 사용되었습니다. 주석은 1500년대에 스페인이 정복하기 전에 멕시코와 페루에서도 알려지고 사용되었습니다.

주석을 도금 재료로 사용한 것은 로마 제국 시대로 거슬러 올라갑니다. 당시 구리 용기는 주석으로 코팅되어 외관을 밝게 유지했습니다. 1300년대에 중부 유럽에 주석 도금된 철제 그릇이 등장했습니다. 주석으로 코팅된 얇은 철판(양철판)은 1600년대 중반 영국에서 사용할 수 있게 되었으며 금속 용기를 만드는 데 사용되었습니다. 1810년 프랑스의 피에르 뒤랑(Pierre Durand)은 밀봉된 양철 캔에 식품을 보존하는 방법에 대한 특허를 받았습니다. 이 새로운 기술을 완성하는 데 수년 간의 실험이 필요했지만 1800년대 중반에는 깡통이 식품 포장용 병을 대체하기 시작했습니다.

1839년 미국의 아이작 배빗(Isaac Babbitt)은 주석, 안티몬 및 구리로 구성된 Babbitt 금속이라는 마찰 방지 합금을 발명했습니다. 그것은 베어링에 널리 사용되었으며 고속 기계 및 운송의 개발에 크게 기여했습니다.

1952년 영국의 Pilkington 회사는 판유리의 연속 생산을 위한 "플로트 유리" 방법을 도입하여 유리 제조 산업에 혁명을 일으켰습니다. 이 방법에서 용융 유리는 냉각될 때 용융 주석이 있는 액체 욕조에 떠 있습니다. 이것은 이 방법을 도입하기 전에 요구되었던 롤링, 그라인딩 및 폴리싱 작업 없이 매우 평평한 유리 표면을 생성합니다.

오늘날 세계 주석의 대부분은 말레이시아, 볼리비아, 인도네시아, 태국, 호주, 나이지리아, 영국에서 생산됩니다. 미국에는 주요 주석 매장량이 없습니다.

원자재

지각에서 자연적으로 발견되는 9개의 주석 함유 광석이 있지만 어느 정도 채굴되는 것은 카사이트라이트뿐입니다. 광석 자체 외에도 여러 다른 재료가 주석을 가공하고 정제하는 데 자주 사용됩니다. 여기에는 석회암, 실리카 및 소금이 포함됩니다. 석탄이나 연료유 형태의 탄소도 사용됩니다. 광석에 특정 화학 물질이 고농도로 존재하면 다른 재료를 사용해야 할 수 있습니다.

제조
프로세스

주석 광석에서 주석을 추출하는 과정은 광상의 출처와 광석에서 발견되는 불순물의 양에 따라 다릅니다. 볼리비아와 영국의 주석 매장지는 지하 깊숙한 곳에 있으며 광석에 도달하려면 터널을 사용해야 합니다. 이 광상의 광석은 중량 기준으로 약 0.8-1.0%의 주석을 함유할 수 있습니다. 말레이시아, 인도네시아 및 태국의 주석 광상은 하천 바닥을 따라 자갈에 있으며 광석에 도달하려면 준설선이나 펌프를 사용해야 합니다. 이 광상의 광석에는 중량 기준으로 0.015% 정도의 주석이 포함될 수 있습니다. 전 세계 주석의 80% 이상이 이 저등급 자갈 매장지에서 발견됩니다.

출처에 관계없이 각 공정은 원치 않는 물질을 물리적 또는 화학적으로 제거하고 주석의 농도를 점진적으로 높이는 여러 단계로 구성됩니다. 이러한 단계 중 일부는 광산 현장에서 수행되는 반면 다른 단계는 별도의 시설에서 수행될 수 있습니다.

다음은 동남아시아의 자갈 매장지에서 일반적으로 발견되는 저품위 광석을 처리하는 데 사용되는 단계입니다.

채굴

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1 자갈 퇴적물이 하천 수위 또는 그 이하일 경우 하천 바닥을 따라 조성된 인공 연못에서 운영하는 부유식 준설선에 의해 자갈 퇴적물이 자양됩니다. 준설선은 체인 구동 버킷 또는 잠긴 회전식 커터 헤드 및 흡입 파이프가 장착된 긴 붐을 사용하여 자갈을 굴착합니다. 자갈은 주석 광석에서 토양, 모래 및 돌을 분리하기 위해 준설선의 일련의 회전 스크린과 셰이커 테이블을 통과합니다. 나머지 광석은 수집되어 추가 처리를 위해 해안으로 옮겨집니다.

주석 보닛은 1800년대에 10주년 기념 선물로 주어졌습니다. (Henry Ford Museum 6 컬렉션, Greenfield Village, Dearborn, Michigan)

1800년대에 주석은 값이 싸고 광택이 좋아 특히 노동계급에게 인기 있는 평범한 가정용품이었습니다. 철이나 강철을 얇게 압연하여 녹인 주석에 담가서 조작, 절단, 납땜이 용이했습니다. 주석은 구리, 백랍, 황동 또는 은을 사용할 수 있는 거의 모든 것에 사용되었지만 일반적으로 오래 가지 못했습니다. 약 1870년의 주석 카탈로그를 검토하면 주석이 쿠키 절단기보다 훨씬 더 많은 용도로 사용되었음을 알 수 있습니다. 주석은 어린이 장난감, 커피포트, 도시락, 심지어 남성용 스피툰을 만드는 데 사용되었습니다.

그러나 '주석 기념일'이라고 하는 10주년 선물을 제작하는 데에도 많이 사용되었습니다. 은 선물이 필요한 스물다섯 번째 선물만큼 잘 알려지지 않았지만 빅토리아 시대의 주부는 여기에 묘사된 양철 보닛과 같은 10주년 기념일 선물인 양철 선물을 받을 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 1870년경에 유행했던 "숟가락 보닛" 형태로 제작된 이 작품은 당시의 것으로 추정됩니다. 물론 착용할 수는 없지만, 기념일을 기념하기 위해 선반에 진열하기 위한 것이었습니다. Tinsmiths는 바로 이 목적을 위해 기발한 선물을 제공했습니다. 박물관 컬렉션에는 모자뿐만 아니라 양철 신발과 물을 담는 데 사용할 수 없었던 장식용 꽃병이 있습니다.

낸시 EV 브릭

자갈 퇴적물이 수위 이상의 건조한 지역에 있는 경우 자갈 퇴적물이 수위 이하에 있을 때, 하천을 따라 조성된 인공 연못. 자갈 퇴적물이 수위 또는 그 이상의 건조한 지역에 있는 경우, 먼저 큰 노즐을 통해 펌핑된 물줄기로 자갈을 분해합니다. 다음으로 광석은 채광 작업에 인접한 청소 또는 드레싱 창고로 들어갑니다. 스트림, 그들은 먼저 큰 노즐을 통해 펌핑 된 물 제트로 분해됩니다. 생성된 진흙 슬러리는 인공 연못에 갇힙니다. 연못의 가장 낮은 지점에 위치한 펌프는 슬러리를 팔롱이라고 하는 나무 여물통으로 펌핑합니다. 진흙 속의 모래와 흙보다 무거운 주석 광석은 가라앉는 경향이 있으며 리플이라고 하는 일련의 나무 판자 뒤에 갇혀 있습니다. 주기적으로 갇힌 광석은 팔롱에서 버려지고 추가 처리를 위해 수집됩니다.

집중

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2 광석은 채광 작업에 인접한 청소 또는 드레싱 창고로 들어갑니다. 먼저 여러 개의 진동체를 통과하여 거친 이물질을 분리합니다. 그런 다음 물이 채워진 분류 탱크를 통과할 수 있습니다. 여기서 광석은 바닥으로 가라앉고 아주 작은 실트 입자는 멀리 옮겨집니다. 또한 부유 탱크를 통과할 수 있으며, 여기에서 특정 화학 물질이 첨가되어 주석 입자가 표면으로 떠오르고 물마루로 넘칠 수 있습니다.

3 마지막으로 광석을 건조시키고 다시 선별하고 자성 분리기를 통과하여 철 입자를 제거합니다. 생성된 주석 농축물은 현재 중량으로 약 70-77%의 주석이며 거의 순수한 석석으로 구성되어 있습니다.

제련

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4 주석 정광은 석탄 또는 연료유 형태의 탄소와 함께 용광로에 배치됩니다. 불순물이 과도하게 포함된 주석 정광을 사용하는 경우 석회석과 모래도 첨가하여 불순물과 반응할 수 있습니다. 재료가 약 1400°C(2550°F)로 가열되면 탄소가 노 분위기에서 이산화탄소와 반응하여 일산화탄소를 형성합니다. 차례로 일산화탄소는 주석 정광의 캐시라이트와 반응하여 조 주석과 이산화탄소를 형성합니다. 석회석과 모래를 사용하면 정광에 존재하는 실리카나 철과 반응하여 슬래그를 형성합니다.

5 주석은 많은 물질과 쉽게 화합물을 형성하기 때문에 종종 슬래그와 반응합니다. 결과적으로 첫 번째 용해로에서 나온 슬래그에는 상당한 양의 주석이 포함되어 있으며 폐기되기 전에 추가로 처리해야 합니다. 슬래그는 추가 탄소, 고철 및 석회석과 함께 두 번째 용광로에서 가열됩니다. 이전과 마찬가지로 조주석이 형성되어 일정량의 잔류 슬래그와 함께 회수됩니다. 주석 정광을 석탄이나 연료유 형태의 탄소와 함께 용광로에 넣습니다. 가열되어 조 주석과 함께 슬래그를 형성합니다. 슬래그와 조주석을 여러 번 더 가열하여 불순물을 제거하고 주석 하드헤드를 회수합니다.

6 두 번째 노의 잔류 슬래그는 철과 화합물을 형성한 주석을 회수하기 위해 한 번 더 가열됩니다. 이 재료는 하드 헤드로 알려져 있습니다. 나머지 슬래그는 폐기됩니다.

정제

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7 1차 노의 조주석을 슬래그에서 회수한 조주석과 하드헤드와 함께 저온로에 넣는다. 주석은 대부분의 금속보다 녹는 온도가 훨씬 낮기 때문에 주석만 녹고 다른 금속은 고체로 남도록 노의 온도를 조심스럽게 올릴 수 있습니다. 녹은 주석은 경사면을 따라 흘러 폴링 케틀에 수집되고 다른 재료는 뒤에 남습니다. 이 과정을 청산이라고 하며 존재할 수 있는 철, 비소, 구리 및 안티몬을 효과적으로 제거합니다.

8 폴링 케틀의 용융된 주석은 증기, 압축 공기 또는 녹색 나무 막대로 휘젓습니다. 이 과정을 끓이라고 합니다. 축축한 녹색 나무는 기둥의 기계적 교반과 함께 증기를 생성합니다. 폴링 주전자의 이름은 이 조잡하지만 효과적인 나무 기둥 사용에서 비롯되었습니다. 남아있는 불순물의 대부분은 표면으로 올라와 스컴을 형성하고 제거됩니다. 정제된 주석은 이제 약 99.8% 순도입니다.

9 더 높은 순도가 필요한 응용 분야의 경우 주석은 전해 정제 공장에서 추가로 처리될 수 있습니다. 주석을 주형에 부어 큰 전기 양극을 형성하고, 이는 전기정련 공정의 양극 단자 역할을 합니다. 각 양극은 개별 탱크에 배치되고 주석 시트는 탱크의 반대쪽 끝에 놓여 음극 또는 음극 단자 역할을 합니다. 탱크는 전기 전도성 용액으로 채워져 있습니다. 각 탱크에 전류가 흐르면 주석이 양극에서 벗겨지고 음극에 증착됩니다. 일반적으로 비스무트와 납인 나머지 불순물은 용액에서 떨어져 탱크 바닥에 점액을 형성합니다.

10 음극을 재용해하고 정제된 주석을 주형으로 주조하여 주괴 또는 막대를 형성한 다음 다양한 최종 사용자에게 배송합니다. 저순도 주석은 일반적으로 25-100lb(11-45kg) 무게의 잉곳으로 주조됩니다. 고순도 주석은 무게가 약 2lb(1kg)인 작은 막대로 주조됩니다.

품질 관리

설명된 공정은 순도 99% 이상의 주석을 일관되게 생산하는 것으로 입증되었습니다. 이 순도를 보장하기 위해 다양한 단계에서 샘플을 분석하여 공정 조정이 필요한지 여부를 결정합니다.

주석 하드헤드는 주석 주괴로 성형될 때까지 더욱 정제됩니다.

미국에서 상업용 주석 등급의 순도 수준은 ASTM(American Society for Testing Materials) 표준 분류 B339에 의해 정의됩니다. 최고 등급은 AAA로 주석이 99.98% 함유되어 연구용으로 사용됩니다. 99.80%의 주석을 함유한 A급은 식품용기용 양철을 만드는 데 사용됩니다. B, C, D 및 E 등급은 순도가 99%에 이르는 낮은 등급입니다. 청동 및 땜납과 같은 범용 주석 합금을 만드는 데 사용됩니다.

부산물/폐기물

주석 처리에서 생성되는 유용한 부산물이 없습니다.

폐기물에는 채광 및 농축 작업 중에 거부된 토양, 모래 및 돌이 포함됩니다. 이들은 엄청난 양의 물질을 구성하지만 환경에 미치는 영향은 지역 폐기 관행과 존재할 수 있는 기타 광물의 농도에 따라 다릅니다. 제련 및 정제 작업에서 발생하는 슬래그도 폐기물입니다. 여기에는 잠재적으로 유해할 수 있는 다량의 비소, 납 및 기타 물질이 포함될 수 있습니다. 주석 자체는 인간이나 환경에 유해한 영향을 미치는 것으로 알려진 바가 없습니다.

미래

주석의 사용은 새로운 응용 프로그램이 개발됨에 따라 증가할 것으로 예상됩니다. 주석은 알려진 해로운 영향이 없기 때문에 납, 수은, 카드뮴과 같은 더 환경적으로 유해한 금속을 대체할 것으로 예상됩니다. 한 가지 새로운 응용 분야는 전자 산업에서 주석 납 땜납을 대체하기 위한 주석 은 땜납의 공식화입니다. 또 다른 응용은 산탄총 포탄의 납탄을 대체하기 위해 주석탄을 사용하는 것입니다.

쓰레기 처리 매립장에서 사용할 주석 기반 화합물을 만들기 위한 개발 작업이 진행 중입니다. 이 화합물은 납 및 카드뮴과 같은 중금속과 상호작용하여 빗물이 주변 토양 및 지하수로 운반되는 것을 방지합니다.