锡
来源: 更新时间: 2020-03-16
一、锡的性质
锡的元素符号是Sn ,源出自拉丁名字stannum,其英文为tin。锡的原子量为118. 69 ,在元素周期表中原子序数为50,属第Ⅳ主族的元素,位于同族元素锗和铅之间。故锡的许多性质与铅相似,且易与铅形成合金。
锡是银白色金属。锡表面光泽与浇铸温度和杂质含量有关,浇铸温度愈低,其表面颜色愈暗。浇铸温度高于500℃ 时,锡的表面生成的氧化膜呈现珍珠色光泽。锡中所含的少量杂质,如铅、砷、锑等能使锡的表面结晶形状发生变化,并使其表面颜色发暗。锡相对较软,具有良好的展性,仅次于金、银、铜,容易展压成0.004 mm 厚的锡箔,但延性很差,不能拉成丝。锡条在被弯曲时,由于锡晶粒间发生摩擦而发出断裂般响声,称为“锡鸣”。在常压下,随着温度的变化,锡有三个同素异形体:灰锡(α-Sn)、白锡(β-Sn)、和脆锡(γ-Sn)。白锡是一种常见的银白色金属,具有正方形晶体结构,富有展性,比重较灰锡重。白锡在温度上升到161℃以上时会转变成具有斜方晶体的结构,展性很差,很脆,一敲就碎,故叫做“脆锡”。白锡在温度下降到-13.2℃以下时会逐渐变成煤灰般松散的粉末,称灰锡。灰锡为金刚石形立方晶系,比白锡轻。特别是在-33℃或有红盐(SnCl4?2NH4Cl)的酒精溶液存在时,白锡变为灰锡的速度大大加快。一把好端端的锡壶,会“自动”变成一堆粉末。这种锡的“疾病”还会传染给其他“健康”的锡器,当正常的锡板一旦与灰锡接触后也会产生灰色的斑点而逐渐被“腐烂”掉,这种现象称锡疫,最早为亚里士多德所发现。由白锡转化为灰锡过程的温度会因存在杂质如铝和锌等而降低。在锡中加入锑或铋可以防止锡的退化。元素铋一般被用于防止“锡疫”,这是由于铋原子中有多余的电子可供给锡的结晶点阵,使锡的晶体结构稳定,而防止“锡疫”的产生。
常温下锡在空气中稳定,几乎不受空气的影响,这是因为锡的表面生成了一层致密的氧化物薄膜,阻止了锡的继续氧化。锡在常温下对许多气体、弱酸或弱碱的耐腐蚀能力均较强,所以在通常环境和受工业污染的腐蚀性环境中,锡均能保持其银白色的外观。因此,锡常被用来制造锡箔或用来镀锡。但当温度高于150 ℃时,锡能与空气作用生成SnO 和SnO2 ,在赤热的高温下,锡会迅速氧化挥发。
二、锡的主要用途
锡是人类最早生产和使用的金属之一,始终与人类的技术进步相联系。从青铜时代到如今的高科技时代,锡的重要性和应用范围不断显现和扩大,成为现代工业和技术发展中一种不可缺少的材料。
锡由于具有熔点低、展性好、易与许多金属形成合金、并且无毒、耐腐蚀、以及外表美观等特性,所以锡及其合金在工业和人们的日常生活中有着广泛的应用。作为食品和饮料包装材料的马口铁的用锡量占世界锡消费总量的30%左右;用于制造合金,锡铅焊料的锡用量占世界消费总量的30%以上。
锡能够生成范围很广的无机和有机锡两大类化合物。锡的化工产品有广泛的用途,其中最重要的是用于金属表面镀锡,以起保护或装饰作用,并在药剂、塑料、陶瓷、木材防腐、照相、防污剂、涂料、催化剂、农用化学制品、阻燃剂及塑料稳定剂等方面广为应用。
三、锡的资源
目前世界上虽然有40多个国家和地区开采锡矿,但年产锡超过1万吨的仅有巴西、印度尼西亚、泰国、马来西亚、澳大利亚、玻利维亚、俄罗斯和中国。
中国锡矿开采主要在云南、广西,其次为湖南、广东、江西。云南锡业股份公司和柳州华锡集团是两大产锡基地。
国内外锡矿的开采都受矿体开采条件的制约,技术的多样性和发展水平的参差不齐是客观存在的。在露天开采中,既有最原始的人工淘洗开采,也有现代化的采锡床开采。在地下开采中,既有镐挖人背的小洞开采,也有无轨设备的机械化开采。我国露天砂锡矿和坑内脉锡矿的开采工艺、技术装备都已比较先进。
锡矿的可采品位,随着矿种的不同,锡价的波动和开采方法的差别,变动范围很大。普遍存在的问题,是开采品位不断下降,砂锡矿开采品位已降为0.009%~0.03%,最低仅为0.005%;脉锡矿开采品位一般在0.5%以上,易处理的伟晶岩锡矿和含锡多金属矿床中,锡的开采品位可低于0.3%。20世纪90年代以前,中国的锡产量也主要来自砂锡矿,但随着几大主要砂锡矿山因资源枯竭而停产或减产后,目前砂锡矿的锡产量已远低于脉锡矿。
脉锡矿矿石和围岩中含有许多有害的物质,如砷、硫、铀(但未构成工业矿床)等,特别是矿岩中含铀镭等放射性元素,从开采过程中析出的氡及其子体,是致癌的主要物质。云锡是世界上矿工肺癌的高发区,是由于井下氡及其子体浓度超标所致。在国外脉锡矿的开采中亦发现有氡及其子体的含量,例如,英国南克罗夫蒂矿发现来自花岗岩围岩析出的氡气,作为环保问题引起足够的重视并采取相应的措施。
云锡矿工肺癌的防治,在防护技术方面进行了大量研究,取得了显著成绩。认识了氡及其子体的危害,查明了氡的来源、析出规律和污染机理,摸索出防氡密闭的新工艺;探索了压力分布对氡析出的影响,建立了以压为主,压抽结合的十多条机械通风系统,由于采掘作业地点分散,成功地使用了多级机站通风方式。研究出矿井溜井群防尘,在采掘工作面降尘、降氡子体新方法,研究出多种局部矿山沐浴、更衣卫生设施。由于开展综合治理技术研究,使井下劳动环境有了很大的改善,矿工肺癌发病率得到了很好的控制,解决了脉锡矿开采中最大的环保问题。
四、锡的提取与制备
锡石不溶于一般的酸或碱,在自然风化过程中具有相当高的稳定性。伟晶岩和石英脉等原生锡矿床形成的砂锡矿,遭风化和搬迁愈烈,锡石单体分离度愈好,愈集中在可选粒级范围内,可选性愈好。锡石-硫化物矿床氧化愈深,原矿含泥量愈多,被氧化的伴生硫化物与锡石分离困难或难以综合回收。锡石性脆而易碎,在磨矿时易过粉碎,需采用阶段选别方法,这是锡矿石选矿的一大特点。一些锡矿属于多金属共生矿(如大厂矿),伴生有价金属多(如:铜、铅、锌、钨、铋、锑、银、铟、镉等等),矿物种类复杂,综合利用任务繁重,选矿难度大,这是锡选矿的另一大特点。与铜、铅、锌等有色金属矿相比,矿石品位低。易选的砂锡矿品位0.01%~0.1%,脉锡矿除少数富矿区外,平均低于1%。而锡精矿品位最低要求40%以上,即富集比高达百倍至数千倍。这就要求易选矿石尽量采用高处理能力、低消耗的设备及方法;对难选矿石,为了缓解回收率与富集比之间的矛盾,则在产出高品位精矿的同时,另行产出低品位精矿或中矿用不同的冶金方法处理,这也是锡选矿的又一特点。
尽管中国的锡资源丰富,然而大多为锡石多金属共生矿床及其次生的氧化脉锡矿和残坡积砂锡矿。与世界锡资源的同类矿石相比,中国锡矿石总体上锡平均品位低、锡石粒度细、伴生矿物多,矿物组分复杂、共生关系密切,致使锡石的选矿及有价矿物综合回收困难。中国锡业界就是针对这样难处理的原料,经过长期科学研究和生产实践,攻克了一系列技术难题,研究成功并形成了先进的中国独特的锡选矿生产工艺,中国的锡矿石重选及锡石浮选都具有世界先进水平。
现代锡冶炼包括四个主要生产工序,即:锡精矿预处理、还原熔炼、精炼和烟尘与炉渣的处理。锡精矿预处理是锡冶炼的首要工序。
从自然界开采出的锡矿称为锡原矿。锡原矿的锡品位一般为0.01%~1.7%,经过选矿处理后,进入锡冶炼厂的锡精矿含锡品位大多数为40%~70%。锡矿资源伴生的铁、砷、锑、硫、铅、铋、钨等许多矿物杂质,用传统的重选、浮选或磁选等物理方法较难分离除尽,有一部分会以混合物、共晶体或化合物等形式伴随精矿进入锡冶炼厂,上述矿物杂质达到某一数量时,会导致锡冶炼工艺流程复杂化,回收率降低,经济效益变差,产品质量受影响,或企业周围环境状况恶化等一系列问题。为此,多数锡冶炼企业根据锡精矿中各种杂质的物理或化学性质,运用焙烧、酸浸和烧结等较为经济的工艺方法,在精矿入炉熔炼前进行预处理,降低或除去锡精矿的杂质,消除或降低杂质对锡熔炼过程的危害因素。锡精矿的预处理通常有以下四类方法:
(1)焙烧法脱除砷、硫、锑、同时磁化精矿内的铁或提高其他金属的溶解性;
(2)磁选法脱铁或钨;
(3)浸出法脱钨、铋、砷、锑或其他金属杂质;
(4)烧结法转换钨、铁、铋、铅等杂质的物理或化学性质,提高金属的溶解性与浸出法配套。
精炼锡通常采用火法冶金和湿法冶金(电解)两种方法。火法精炼锡的过程是由一系列的连续作业组成的,其中每一种业能够除去一种或两种杂质。火法的优点是生产能力较高,并且不使金属长期停滞在生产过程中,积压的锡量少。此外,火法精炼使杂质能够依次地提取出来,并富集于各种精炼渣中,这就为综合回收这些金属提供了条件。国内外炼锡厂多数是以火法精炼为主,辅以电解精炼,少数采用全电解精炼。火法精炼是利用锡与杂质对氧、硫和氯的亲合力的差别,以及与杂质生成不溶于液体锡的化合物的药剂作用,来达到精炼目的。这些工序具有一个共同的特点,即生成的化合物杂质浮在液体锡上,可以固体或黏性产物形式从金属表面捞去。
五、锡的深加工及其应用
锡化工产品是指以金属锡为原料,以化学方法进行加工制取的锡化学制品,是典型的有色金属精深加工产品,具有品种繁多、用途广泛、技术含量高、附加值高、市场前景好、发展潜力大、节能环保等精深加工产品应有的共同属性,符合国家产业发展政策,成为了近几年全球锡消费领域中增长最快的领域之一。目前具有工业用途的锡化工产品分为无机和有机两大系列6个大类几十个品种。
锡化工产品分为无机锡产品和有机锡产品两大类。锡的无机化合物分为氧化物、卤化物、硫化物、无机盐四类。近年来,随着科学技术的发展和人类环保意识的增强,有应用价值的无机锡化工产品品种不断增多,新的用途不断被发现和开发,如锡酸锌用作高效阻燃剂、硫酸亚锡用作水泥和蓄电池添加剂、锡酸钠用作涂料添加剂等,使得无机锡产品的应用空间得以拓展,全球无机锡化工产品的用途越来越广泛,需求量逐渐增大。无机锡化工产品主要用于锡及合金电镀、纺织、水泥、液晶玻璃、蓄电池、电子元器件、阻燃剂、陶瓷釉料等工业制造。有机锡化工产品主要作为塑料热稳定剂、催化剂。农业、医药、纺织方面用作杀虫剂、杀菌剂;林业和船舶方面用作防腐剂和涂料等。无机锡化工产品生产厂家国内有云南锡业、广西华锡、江苏雅克、广州金珠江、广东光华等公司。其中,云锡公司四类有工业应用价值的无机锡化合物都实现了规模化生产,无论是生产规模、还是产品种类、规格都处于全球首位。
六、锡的“三废”问题
中国各炼锡厂贯彻执行《中华人民共和国环境保护法》,贯彻实施 ISO14001 环境管理体系标准。依靠科学技术,增加环保投入,运用新技术、新方法,改造治理锡冶炼过程中废气、废水和废固等。
废气治理。中国各炼锡厂常用的收尘设备有沉降室、表面冷却器、旋风收尘器、电收尘器、布袋收尘器等干式收尘设备及淋洗塔、文氏管、脱硫塔等湿式收尘、脱硫设备。
动力波洗涤系统,对沸腾炉、烟化炉、澳斯麦特炉、电炉尾气中的二氧化硫进行治理,同时也部份吸收尾气中的氟、砷、铅等有害金属,减少对大气的污染。
烟气在线监测系统和运行监控系统,对环保治理设施进行监控管理,与生产污水自动监控系统形成较为完善的污染源自动监控系统。
2010年,云锡从加拿大引进“再生胺法脱硫工艺技术”,建成锡冶炼低浓度二氧化硫烟气制酸系统,排放烟气达到《锡、锑、汞工业污染物排放标准》(GB30770-2014)标准要求。此工艺的采用使脱硫石膏渣由每年1.5万吨下降到1500吨,SO2排放总量削减了59%,烟尘排放量削减50%;危废渣量削减了90%,脱硫污水量减少93%。
废水治理。各企业对锡冶炼生产污水的处理采用过滤、沉淀混凝沉淀、浮选、吸附、蒸发、萃取、pH 调整、化学氧化、生物过滤、加活性污泥等化学、物理方法治理。炼锡厂在生产过程中产出有害污水以高砷污水最为突出。
1976 年至 1981年,云锡建起高砷污水处理和低砷污水处理系统。1990年云锡实现高砷污水处理后进入生产水回用。1998年,云锡对低砷污水进行闭路循环治理改造,实现生产污水全部回用;2006年,云锡烟化炉收尘系统改造完成后无高砷污水产生。
废渣治理。中国大部分炼锡厂的烟化炉的废渣都是采用防渗漏、防飞扬、防流失的“三防”处理专用渣场堆存。脱硫产生的污泥渣经脱水后堆存于经三防处理的专用渣场。
砷害治理。1974 年 2 月,云南锡业公司投资新建砷害治理白砷车间,1978 年 3 月建成投产,有效治理了生产过程中产生的砷尘,变废为宝,年产白砷 350 吨。1997 年,建成炼前处理工艺,精矿中的砷及其它冶炼过程中产生的含砷物料经沸腾炉处理后用布袋收尘器收集送云锡砷业公司生产白砷。
七、主要锡企业
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