아연

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배경

아연은 원소 금속입니다. 주기율표에 "Zn"으로 나열되어 있으며 원자 번호는 30이고 원자량은 65.37이며 788°F(420°C)에서 녹습니다. 아연은 일반적으로 회색 금속성 색상이지만 광택이 나는 은색 광택으로 연마될 수 있습니다. 자연에서는 순수한 아연이 아닌 화합물로만 발견되며 주물 및 코팅의 원료로 사용할 수 있습니다.

로마 제국 시대에 사람들은 아연을 사용하여 구리를 합금하여 무기를 놋쇠로 만들었습니다. 이 조잡한 공정에서 아연은 광석을 가열하는 동안 구리에 의해 포집되었지만 야금에서 아연의 중요성에 대해 그 당시에는 거의 인식되지 않았습니다. 아연이라는 이름은 주석을 의미하는 독일어 "zinn"에서 파생된 것일 수 있습니다. 아연의 과학적 발견은 1746년 순수 아연을 분리한 독일 화학자 Nadreas Sigismund Marggraf에 의해 인정됩니다. 최초의 생산 시설 또는 제련소는 그 직후 William Champion이 영국 브리스톨에 설립했습니다.

세계 아연 공급량의 약 5%만이 미국에서 채굴되며 나머지는 주로 인도, 멕시코 및 캐나다에서 나옵니다. 전 세계적으로 약 670만 톤의 아연 광석이 생산됩니다. 미국에서 사용되는 아연의 약 2/3가 수입됩니다.

애플리케이션

아연은 부식에 대한 강철 아연 도금, 복잡한 기계 부품의 다이 캐스팅, 배터리 및 기타 전기 응용 분야에 주로 사용됩니다. 아연은 또한 구리와 합금되어 황동을 형성합니다.

강철 아연 도금은 부식을 방지하기 위해 강철의 모든 노출된 표면에 아연을 얇게 코팅하는 작업을 포함합니다. 아연은 대기에 의해 더 쉽게 산화되기 때문에 우수한 내식성을 제공합니다. 금속이 공기나 물에 노출되면 산화가 일어나고 금속의 전자가 산소로 이동합니다. 아연이 강철에 단단히 결합되면 아연은 강철보다 전자를 더 쉽게 방출하여 아래에 있는 더 강한 금속을 손상시키지 않습니다. 아연 코팅의 적용은 강철을 용융 아연에 담그거나 크롬 도금과 마찬가지로 강철을 아연으로 전기분해 도금함으로써 수행됩니다.

다이캐스팅 합금은 일반적으로 96%의 아연과 4%의 알루미늄을 함유합니다. 다이캐스팅 공정은 2피스 스틸 다이와 주조 프레스를 사용하여 용융 금속을 사출하는 동안 다이 반쪽을 함께 고정합니다. 강철 다이 내부에는 주조할 부품의 부정적인 이미지가 있는 캐비티가 있습니다. 용융 금속은 압력 하에서 캐비티에 주입되어 전체 보이드를 정확하게 채웁니다. 금속이 냉각되고 프레스가 다이 반쪽을 열어 형성된 부분을 드러냅니다. 아연 주조 부품은 원하는 모양에 매우 가깝기 때문에 조립품에 배치되기 전에 기계 가공이 거의 필요하지 않습니다. 일반적인 응용 분야에는 복사기, 항공기 및 의료 기기 부품이 포함됩니다. 자동차 제조업체는 엠블럼, 몰딩, 도어 핸들 및 브래킷에 아연 다이캐스팅을 사용합니다. 아연 다이캐스팅은 내구성과 외관을 위해 쉽게 크롬 도금됩니다.

아연의 한 가지 독특한 적용은 전기적 접촉에 의해 부식 저항 특성을 전달하는 능력을 특히 활용합니다. 이 응용 프로그램을 "희생 양극"이라고 합니다. 양극, 거의 순수 아연은 알루미늄 선박 엔진에 볼트로 고정되어 있습니다. 수중 작업 중, 특히 소금 물이 산화되면 약한 전류가 형성되어 선체와 엔진 부품을 부식시킬 수 있습니다. 아연은 이 전류가 있는 상태에서 쉽게 산화되기 때문에 빠르게 부식되어 자체적으로 "희생"되어 선박의 모든 전기적 불균형을 소모합니다. 나머지 알루미늄 선체와 엔진은 결과적으로 부식되지 않습니다. 소모되면 양극을 교체하여 지속적인 보호를 보장해야 합니다.

희생 양극과 유사한 응용 분야에서 아연은 배터리 생산의 구성 요소로 사용됩니다. 건전지 배터리는 금속 하우징(또는 "캔")에서 아연과 화학 반응을 일으켜 두 연결 사이에 전위차가 발생합니다. 손전등이나 휴대용 라디오와 같은 전기 장치를 배터리에 연결하고 생산된 전기로 전력을 공급할 수 있습니다. 따라서 연결된 반응은 사용 가능한 화학 반응물의 지속 시간 동안 전류를 유지합니다.

화합물로서의 아연은 의약품, 고무, 화장품, 페인트 및 세라믹 유약에 사용됩니다. 다른 화합물은 음극선관 에 아연을 사용합니다. 납땜 플럭스 및 목재 방부제.

제조
프로세스

채굴

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1 아연 광석은 기존의 발파, 드릴링 및 운반 기술을 사용하여 지하 광산에서 채굴됩니다. 광석은 황화아연(sphalerite라고도 함), 탄산아연(스미소나이트), 규산아연(칼리민) 및 망간과 철 화합물로 발생합니다. (프랭클린). 아연 광석은 때때로 은 또는 납 과 함께 채굴됩니다. 광석. 광석 자체 외에도 광석을 분해하려면 기름과 황산이 필요합니다. 그리고 전기, 코크스 또는 천연 가스는 제련을 위한 열 에너지를 제공하는 데 필요합니다.

거품 부양

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2 아연은 거품 부유선광이라는 공정으로 생산할 수 있으며 이는 구리 및 납 광석의 환원에도 사용됩니다. 이 공정에는 아연 광석을 미세한 분말로 분쇄하고 물, 소나무 기름 및 부유 화학 물질과 혼합한 다음 혼합물을 교반하여 아연을 표면에 "부유"시키는 과정이 포함됩니다. 중요한 아연 입자를 코팅하고 물에 젖는 것을 방지하기 위해 다양한 화학 물질이 사용됩니다. 그런 다음 공기를 주입하고 코팅된 미네랄을 거품에 자신을 붙입니다. 작업은 Vat 내부에서 수행되고 임펠러로 교반됩니다. 회전하는 임펠러는 임펠러 샤프트를 둘러싸고 있는 스탠드파이프 아래로 공기를 끌어당겨 혼합물 또는 "펄프" 전체에 분산시킵니다. 아연은 거품에 붙을 수 없기 때문에 펄프의 맨 위로 올라가고 잔류물은 펄프의 맨 아래에 남아 있습니다. 자동 스크레이퍼는 아연이 포함된 미네랄이 함유된 거품을 제거합니다.

필터링

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3 거품을 여과하여 물과 액체 기름을 제거합니다. 페이스트와 같은 잔여물은 석회와 혼합되어 용광로로 보내집니다. 퍼니스는 혼합물을 2500°F(1371°C)에서 구워서 미네랄을 소결이라고 하는 고체 덩어리로 융합시킵니다. 이 시점에서 재료는 산화아연으로 완전히 전환되었습니다.

제련

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4 다음 환원 공정은 고로를 사용하여 준비된 광석을 원소 성분으로 녹입니다. 고로는 최대 1204°C(2200°F)의 온도를 생성하는 전기, 코크스 또는 천연 가스로 연료를 공급합니다. 그러나 이것은 또한 산화아연을 재형성하기 위해 냉각될 때 아연과 재결합하는 이산화탄소를 생성합니다. 이 개질을 줄이기 위해 아연은 아직 뜨거울 때 용융 납을 뿌립니다. 1022°F(550°C)에서 납은 아연을 용해하고 다른 챔버로 운반하여 824°F(440°C)로 냉각됩니다. 이 온도에서 더 가벼운 아연은 납에서 분리되어 상단에서 배출됩니다. 납은 재가열되어 용광로로 되돌아갑니다.

정제

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5 아연을 용융 상태로 몇 시간 동안 그대로 두어 금속을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 이 상태에서 철과 기타 오염 물질은 바닥에 가라앉아 거의 순수한 아연이 위쪽에서 조심스럽게 빼내어 주괴로 주조됩니다.

합금

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6 대부분의 아연은 특성을 개선하기 위해 사용 전에 다른 금속과 합금됩니다. 합금은 아연을 재용해하고 정확한 비율로 다른 금속과 혼합하는 것을 포함합니다. 예를 들어, 다이캐스팅 공정에서 주조 품질과 다이 수명을 향상시키기 위해 약 4%의 알루미늄이 추가됩니다. 기타 추가된 합금은 소량의 티타늄, 구리 및 마그네슘입니다. 합금화 후, 용융 금속은 암퇘지 주형과 잉곳 주형에 부어집니다. 암퇘지의 무게는 수천 파운드인 반면 잉곳의 무게는 약 20kg입니다.

품질 관리

금속 합금은 분광 분석이라는 프로세스를 통해 검사됩니다. 금속은 전기 아크를 사용하여 보호 덮개 아래에서 연소됩니다. 불타는 금속에서 방출되는 빛은 프리즘과 매우 유사한 장치를 통과하여 빛을 모든 개별 색상으로 분해합니다. 모든 요소에는 지문과 같은 다양한 색상 또는 스펙트럼 세트가 있습니다. 모든 이물질은 스펙트럼을 변경하고 그렇게 함으로써 고유한 색상 스펙트럼을 표시하여 식별합니다. 분광기의 컴퓨터는 센서를 사용하여 이러한 색상을 선택합니다. 그런 다음 컴퓨터 프로그램은 스펙트럼의 각 요소와 금속 내의 농도를 식별하는 인쇄물을 생성합니다. 구성을 변경하기 위해 요소를 줄이거나 늘릴 수 있습니다.

미래

아연의 강도 대 중량비로 인해 자동차 산업에서 다이캐스팅으로 사용하는 비율이 지난 몇 년 동안 줄어들고 있습니다. 마그네슘, 알루미늄 및 플라스틱은 많은 아연 응용 분야를 인수했습니다. 그러나 자동차 차체 부품에 아연 도금을 하기 위한 아연의 사용은 증가하고 있습니다. 오늘날 많은 차량이 아연 도금으로 보호되어 제조업체가 신차의 차체 녹 문제에 대해 연장된 보증을 제공할 수 있습니다.