Tin: Van de bronstijd tot moderne industrie – Toepassingen, productie en toekomst

Achtergrond

Tin (Sn, van het Latijn stannum) is een zilverwit metaal gewaardeerd om zijn corrosiebestendigheid en zijn vermogen om andere metalen te coaten. In het dagelijks leven verschijnt het als de beschermende laag op staalblikken, het legering in brons (tin + koper), soldeer (tin + lood), en het fluorideverbond in veel tandpasta's.

Historische records traceren tin gebruik tot ruwweg 3500 v.Chr. in het moderne Turkije, waar vroege metaalwerkers ontdekten dat het toevoegen van tin aan koper een harder legering produceerde – brons – capabel van scherpere, langdurigere gereedschappen en wapens. Deze doorbraak ingeleid de Bronstijd, die ongeveer 2.000 jaar duurde, en spurde een wereldwijde zoektocht naar tinbronnen aan. Engels rijke afzettingen werden stilzwijgend over de Middellandse Zee gehandeld, en in 310 v.Chr. lokaliseerde Griekse ontdekker Pytheas mijnen in de buurt van wat nu Cornwall is. De Romeinse verovering van Britannië in 43 n.Chr. werd deels gedreven door de wens om de tinhandel te controleren.

Tin's bereik strekte zich verder dan Europa. In 2500-2000 v.C.R. produceerden kunstenaars op Thailand's Khorat Plateau brons, en in 1600 v.C.R. gebruikte Vietnam al brons ploegen. In Amerika was tin bekend in Mexico en Peru lang voordat de Spanjaarden in de 16e eeuw arriveerden.

Romeinse ingenieurs coaten als eersten koperen vaten met tin om hun helderheid te behouden, een praktijk die in de 14e eeuw op ijzer overging. De midden-17e eeuw introductie van tinplaat – dunne bladen tin-gecoat ijzer – maakte massaproductie van metalen containers mogelijk. In 1810 patentteerde Pierre Durand de verzegelde tin-blik, en in de midden-1800s hadden tin blikken grotendeels glazen flessen voor voedselopslag vervangen.

Amerikaanse uitvinder Isaac Babbitt's 1839 legering van tin, antimoon, en koper – bekend als Babbitt metaal – werd de standaard voor lagers, wat vooruitgang in hoge-snelheid machines en transport aandraaide.

In 1952 revolucioneren Pilkington's zweefglas methode, die vertrouwt op gesmolten tin als koelbad, de glasindustrie door ultra-vlakke glasplaten te produceren zonder traditionele slijperij.

Vandaag leveren Maleisië, Bolivia, Indonesië, Thailand, Australië, Nigeria, en Engeland de bulks van wereldwijde tin. De Verenigde Staten hebben geen grote afzettingen.

Rauwmaterialen

De aardkorst bevat negen tin-bevattende ertsen, maar alleen cassiteriet wordt commercieel ontgonnen. Verwerking vereist vaak kalksteen, silica, zout, en koolstof (steenkool of brandstofolie). Hogere onzuiverheidsniveaus kunnen additionele reagentia vereisen.

Het productieproces

Extractiemethoden variëren per afzettingstype. Diepe ondergrondse mijnen in Bolivia en Engeland exploiteren erts met 0,8-1,0% tin, terwijl oppervlakte grindafzettingen in Zuidoost-Azië erts opleveren met slechts 0,015% tin. Meer dan 80% van de wereldwijde tin komt van deze lage-kwaliteit grindbronnen.

Mijnen

• Grind onder waterpeil wordt gebaggerd uit een kunstmatige vijver met drijvende baggers uitgerust met ketting-aangedreven emmers of roterende snijders. Het materiaal wordt aan boord gezeefd om grond, zand, en stenen te scheiden voordat het aan wal overgebracht wordt.
• Droge afzettingen worden gebroken met hoge-druk waterstralen; de resulterende slurry wordt in een vijver opgeslagen en in een houten goot (palong) gepompt waar zwaardere tinerts achter riffels neerdalen. Periodiek dumpen verzamelt de erts voor verdere verwerking.

Concentreren

• Erts passeert trillende zeven, een classificatietank, en optioneel een flotationtank om fijn silt en drijfbare deeltjes te scheiden.
• Na drogen en magnetische scheiding bereikt het tinconcentraat 70-77% zuiverheid, voornamelijk cassiteriet.

Smelten

• Het concentraat wordt met koolstof (steenkool of olie) verhit tot ~2550 °F (1400 °C). Koolstofmonoxide reduceert cassiteriet tot ruwe tin, terwijl kalksteen en zand slag vormen met silica of ijzeronzuiverheden.
• Omdat tin met slag kan binden, hersmelt een tweede oven de slag met additionele koolstof, schrootijzer, en kalksteen om meer tin te herwinnen. Een derde doorloop haalt 'hardhead' tin uit de resterende slag.

Raffineren

• Ruwe tin, hardhead, en slag tin worden in een lage-temperatuur oven gesmolten waar alleen tin vloeibaar wordt. De vloeistof wordt in een polingketel verzameld, wat het van vaste onzuiverheden scheidt (liquidatie).
• Koken – roeren met stoom of groene houten palen – verwijdert oppervlakteschuim, wat tin van ~99,8% zuiverheid oplevert.
• Elektrolytische raffinering zuivert tin verder tot >99,98% door het op kathodes in een elektrolytische cel te depositeren. Onzuiverheden dalen als slijm op de bodem.
• Finale geraffineerde tin wordt gegoten in lingoten of staven: lagere zuiverheidsgraden in 25-100 lb (11-45 kg) lingoten; hogere zuiverheid in ~2 lb (1 kg) staven.

Kwaliteitscontrole

Consistente 99%+ zuiverheid wordt bereikt door routinematige bemonstering op kritieke stadia, wat realtime aanpassingen toelaat. In de VS definieert ASTM B339 commerciële tin graden: AAA (99,98% tin) voor onderzoek, A (99,80%) voor tinplaat, en B-E (tot 99%) voor algemene legeringen.

Bijproducten & Afval

Terwijl geen nuttige bijproducten ontstaan, omvat afval afgekeurde grond, zand, en stenen, wier milieueffect afhangt van lokale afvalpraktijken. Smeltslag kan arseen, lood, en andere gevaarlijke elementen bevatten, maar tin zelf vormt geen bekende schade voor mens of ecosysteem.

De toekomst

Vraag naar tin wordt verwacht te stijgen naarmate het meer giftige metalen zoals lood, kwik, en cadmium vervangt. Opkomende toepassingen omvatten tin-zilver soldeer voor electronica en tin schot voor munitie, wat minder milieueffect biedt. Onderzoek verkent ook tin-gebaseerde verbindingen die zware metalen in stortplaatsen binden, wat lixiviatie in grond en grondwater voorkomt.

Afbeeldingen

Een tin hoed was een veelvoorkomend 10e-verjaardagscadeau in de 1800s, getoond als decoratief stuk.