Войти
Выплавка цинка - это процесс преобразования цинка концентраты (руды, содержащие цинк) в чистый цинк. Плавка цинка исторически была труднее, чем плавка других металлов, например железо, поскольку цинк, напротив, имеет низкую точку кипения. При температурах, обычно используемых для плавки металлов, цинк представляет собой газ, который выходит из печи вместе с дымовым газом и теряется, если не будут приняты специальные меры для предотвратить это.
Наиболее распространенным переработанным цинковым концентратом является сульфид цинка, который получают путем концентрирования сфалерита с использованием метода пенной флотации. Вторичный (переработанный) цинковый материал, такой как оксид цинка, также обрабатывается сульфидом цинка. Примерно 30% всего производимого цинка происходит из вторичных источников.
Существует два метода плавки цинка: пирометаллургический процесс и процесс электролиза. Оба метода все еще используются. Оба эти процесса имеют один и тот же первый шаг: обжаривание.
Обжарка - это процесс окисления концентратов сульфида цинка при высоких температурах до неочищенного оксида цинка, который называется «кальцином цинка». Происходят следующие химические реакции:
Примерно 90% цинка в концентратах окисляется до оксида цинка. Однако при температурах обжига около 10% цинка реагирует с примесями железа в концентратах сульфида цинка с образованием феррита цинка. Побочным продуктом обжига является диоксид серы, который далее перерабатывается в серную кислоту, товар. На связанной технологической схеме нефтеперерабатывающего завода схематически показана операция обжига цинка в Восточной Канаде, производимая компанией Noranda.
Процесс обжига зависит от типа используемого обжигового устройства. Существует три типа обжарочных аппаратов: многоподовые, суспензионные и с псевдоожиженным слоем.
В многоподовых обжарочных аппаратах концентрат падает через серию из 9 или более подов. внутри цилиндрической колонны, выложенной кирпичом, уложены еще очаги. Когда исходный концентрат падает через печь, он сначала сушится горячими газами, проходящими через поды, а затем окисляется с образованием кальцина. Реакции протекают медленно и могут поддерживаться только добавлением топлива. Обжарочные аппараты с несколькими подами не находятся под давлением и работают при температуре около 690 ° C (1270 ° F). Время работы зависит от состава концентрата и требуемого количества удаляемой серы. Многоподовые печи для обжига имеют возможность производить кальцинированный материал высокой чистоты.
В обжиговой печи с суспензией концентраты вдуваются в камеру сгорания, очень похожую на камеру сгорания в печи для измельчения угля.. Обжарки состоят из огнеупорной подкладки цилиндрической стальной оболочки, с большим пространством сгорания в верхней части и от 2 до 4 очагов в нижней части, аналогичного тем, кратного под. Дополнительное измельчение, помимо того, которое требуется для многоподовой печи, обычно требуется для обеспечения того, чтобы передача тепла материалу была достаточно быстрой, чтобы в камере печи происходили реакции обессеривания и окисления. Подвесные обжиговые установки не находятся под давлением и работают при температуре около 980 ° C (1800 ° F).
В обжиговых установках с псевдоожиженным слоем мелкодисперсные сульфидные концентраты взвешиваются и окисляются в сырье кровать поддерживается на воздушной колонне. Как и в установке для обжига суспензии, скорость реакции обессеривания выше, чем в более старых многоподовых процессах. Обжарочные установки с псевдоожиженным слоем работают при давлении немного ниже атмосферного и при средней температуре 1000 ° C (1830 ° F). В процессе с псевдоожиженным слоем после воспламенения дополнительное топливо не требуется. Основными преимуществами этой обжиговой установки являются более высокая пропускная способность, большие возможности удаления серы и меньшие затраты на обслуживание.
Процесс электролиза, также известный как гидрометаллургический процесс, Roast-Leach-Electrowin (RLE) процесс, или электролитический процесс, более широко используется, чем пирометаллургические процессы.
Процесс электролиза состоит из 4 этапов: выщелачивания, очистки, электролиза, плавления и литья.
Основная химическая формула выщелачивания, которая определяет этот процесс:
На практике это достигается за счет процесса, называемого двойным выщелачиванием. Обожженный материал сначала выщелачивают в нейтральном или слабокислом растворе (серной кислоты), чтобы выщелачивать цинк из оксида цинка. выщелачивается в сильной серной кислоте для выщелачивания остатка цинка из оксида цинка и феррита цинка. Результатом этого процесса является твердое вещество и жидкость; жидкость содержит цинк и часто называется продуктом выщелачивания; твердое вещество называется выщелачиванием остаток и содержит драгоценные металлы (обычно свинец и серебро), которые продаются в качестве побочных продуктов. В продукте выщелачивания сильной кислотой также содержится железо, которое удаляется в процессе Промежуточная стадия в форме гетита, ярозита и гематита. Есть еще кадмий, медь, мышьяк, сурьма, кобальт, германий, никель и таллий в продукте выщелачивания. Следовательно, его необходимо очистить.
В процессе очистки используется процесс цементации для дальнейшей очистки цинка. Он использует цинковую пыль и пар для удаления меди, кадмия, кобальта и никеля, которые могут помешать процессу электролиза. После очистки концентрация этих примесей ограничивается менее 0,05 миллиграмма на литр (4 × 10 фунтов на галлон США). Очистка обычно проводится в больших резервуарах с мешалкой. Процесс протекает при температуре от 40 до 85 ° C (от 104 до 185 ° F) и давлении от атмосферного до 2,4 атм (240 кПа) (абсолютная шкала). Побочные продукты продаются для дальнейшей очистки.
Раствор сульфата цинка должен быть очень чистым, чтобы электрохимическое извлечение было хоть сколько-нибудь эффективным. Примеси могут изменить напряжение разложения настолько, чтобы электролизная ячейка вырабатывала в основном газообразный водород, а не металлический цинк.
Цинк извлекается из очищенного раствора сульфата цинка электролизом, который является специализированной формой электролиза. Процесс заключается в пропускании электрического тока через раствор в серии ячеек. Это вызывает осаждение цинка на катодах (листы алюминия ) и образование кислорода на анодах. Серная кислота также образуется в процессе и повторно используется в процессе выщелачивания. Каждые 24-48 часов каждую ячейку отключают, оцинкованные катоды удаляют и промывают, а цинк механически удаляют с алюминиевых пластин.
Электролитические плавильные печи цинка содержат до нескольких сотен элементов. Часть электрической энергии преобразуется в тепло, что увеличивает температуру электролита. Электролитические ячейки работают при температуре от 30 до 35 ° C (от 86 до 95 ° F) и при атмосферном давлении. Часть электролита непрерывно циркулирует через градирни как для охлаждения, так и для концентрирования электролита за счет испарения воды. Охлажденный и концентрированный электролит затем возвращается в ячейки. На этот процесс приходится примерно треть всей энергии, потребляемой при выплавке цинка.
Существует два общих процесса электрохимического извлечения металла: процесс с низкой плотностью тока и процесс Tainton с высокой плотностью тока. В первом в качестве электролита используется 10% раствор серной кислоты с плотностью тока 270–325 ампер на квадратный метр. Последний использует в качестве электролита 22–28% раствор серной кислоты с плотностью тока около 1000 ампер на квадратный метр. Последний дает лучшую чистоту и имеет более высокую производительность на единицу объема электролита, но имеет недостаток, заключающийся в том, что он более горячий и вызывает большую коррозию емкости, в которой это делается. В любом из электролитических процессов на каждую метрическую тонну производства цинка затрачивается около 3900 кВт⋅ч (14 ГДж ) электроэнергии.
В зависимости от типа производимых конечных продуктов цинковые катоды, выходящие из электролизного цеха, могут подвергаться дополнительной стадии преобразования в литейном производстве. Цинковые катоды плавятся в индукционных печах и отливаются в товарные продукты, такие как слитки. Другие металлы и компоненты сплавов могут быть добавлены для производства цинксодержащих сплавов, используемых при литье под давлением или общем гальваническом применении. Наконец, расплавленный цинк можно транспортировать на близлежащие перерабатывающие предприятия или к третьим сторонам, используя специально разработанные изолированные контейнеры. Так обстоит дело с Баленом и Буделом.
Существует также несколько пирометаллургических процессов, которые восстанавливают оксид цинка с использованием углерода, а затем перегоняют металлический цинк из полученной смеси в атмосфере углерода. монооксид. Основным недостатком любого пирометаллургического процесса является то, что его чистота составляет всего 98%; Стандартный состав - 1,3% свинца, 0,2% кадмия, 0,03% железа и 98,5% цинка. Он может быть достаточно чистым для гальванизации, но недостаточным для сплавов для литья под давлением, для которых требуется специальный высококачественный цинк (чистота 99,995%). Для достижения этой чистоты цинк должен быть очищен.
Четыре типа промышленных пирометаллургических процессов: St. (электротермический) процесс Joseph Minerals Corporation, доменный процесс, непрерывный процесс New Jersey Zinc с вертикальной ретортой и бельгийский процесс с горизонтальной ретортой.
Этот процесс был разработан St. Joseph Mineral Company в 1930 году и является единственным пирометаллургическим процессом, который до сих пор используется в США для плавки цинка. Преимущество этой системы состоит в том, что она способна плавить широкий спектр цинксодержащих материалов, включая пыль электродуговой печи. Недостатком этого процесса является то, что он менее эффективен, чем процесс электролиза.
Процесс начинается с операции спекания с нисходящим потоком. Агломерат, представляющий собой смесь кальцина обжиговой печи и кальцина из ДСП (электродуговая печь), загружается на конвейер шиберного типа, а затем газы сгорания прокачиваются через агломерат. Углерод в дымовых газах реагирует с некоторыми примесями, такими как свинец, кадмий и галогениды. Эти примеси удаляются в фильтрующие мешки. Агломерат после этого процесса, называемого агломератом продукта, обычно имеет состав из 48% цинка, 8% железа, 5% алюминия, 4% кремния, 2,5% кальция и небольших количеств магния, свинца и других металлов. Затем агломерат загружается с коксом в электрическую ретортную печь. Пара графитовых электродов сверху и снизу печи создает ток через смесь. Кокс обеспечивает электрическое сопротивление смеси, чтобы нагреть смесь до 1400 ° C (2550 ° F) и произвести монооксид углерода. Эти условия позволяют протекать следующей химической реакции:
Пары цинка и диоксид углерода проходят в вакуумный конденсатор, где цинк восстанавливается путем барботирования через ванну с расплавленным цинком. Более 95% паров цинка, выходящих из реторты, конденсируется в жидкий цинк. Диоксид углерода регенерируется с помощью углерода., а окись углерода рециркулируется обратно в ретортную печь.
Этот процесс был разработан National Smelting Company в Доки Эйвонмута, Англия, с целью увеличения производства, повышения эффективности и снижения затрат на рабочую силу и техническое обслуживание. Л.Дж. Дерхэм предложил использовать распыление капель расплавленного свинца для быстрого охлаждения и поглощения пары цинка, несмотря на высокую концентрацию углекислого газа. Затем смесь охлаждают, при этом цинк отделяется от свинца. Первый завод, использующий эту конструкцию, был открыт в 1950 году. Одним из преимуществ этого процесса является то, что он может одновременно производить слиток свинца и медный шлак. В 1990 году на его долю приходилось 12% мирового производства цинка.
Процесс начинается с загрузки твердого агломерата и нагретого кокса в верхнюю часть доменной печи. Подогретый воздух с температурой от 190 до 1050 ° C (от 370 до 1920 ° F) вдувается в нижнюю часть печи. Пары и сульфиды цинка выходят через верх и попадают в конденсатор. Шлак и свинец собираются на дне печи и регулярно выпускаются. Цинк очищается от пара в конденсаторе жидким свинцом. Жидкий цинк отделяется от свинца в охлаждающем контуре. Ежегодно для этого процесса требуется примерно 5000 метрических тонн (5 500 коротких тонн ) свинца, однако этот процесс извлекает из исходных руд на 25% больше свинца, чем другие процессы.
Схема процесса цинка в Нью-Джерси, патент США 2457552. Цинк в Нью-Джерси больше не используется для производства первичного цинка в США, Европе и Японии., однако он все еще используется для лечения вторичных операций. Пик этого процесса пришелся на 1960 год, когда на его долю приходилось 5% мирового производства цинка. Модифицированная версия этого процесса до сих пор используется в Хулудао, Китай, где производится 65 000 метрических тонн в год.
Этот процесс начинается с обжига концентратов, которые смешиваются с углем и брикетируются. в два этапа. Затем брикеты нагревают в установке для коксования автогенного при 700 ° C (1292 ° F) и затем загружают в реторту. Для брикетирования кальцина есть три причины: обеспечить свободное движение шихты вниз; для обеспечения теплопередачи через поперечное сечение практического размера; чтобы обеспечить адекватную пористость для прохождения восстановленных паров цинка к верхней части реторты. Восстановленный пар цинка, который собирается в верхней части реторты, затем конденсируется в жидкость.
Overpelt улучшил эту конструкцию за счет использования только одной большой камеры конденсации вместо множества маленьких, как это было первоначально разработано. Это позволило рециркулировать окись углерода в печи для нагрева реторт.
Этот процесс был лицензирован компанией Imperial Smelting Corporation (ISC), расположенной в Эйвонмаут, Англия, которая имела большой вертикальный ретортный завод (VR) в производстве уже много лет. Он использовался до середины 1970-х годов, когда его заменил завод компании Imperial Smelting Furnace (ISF). Завод VR был снесен в 1975 году.
Этот процесс был основным процессом, использовавшимся в Великобритании с середины XIX века до 1951 года. Процесс был очень неэффективным, поскольку он был разработан как мелкомасштабная партия. Каждая реторта производила всего 40 килограммов (88 фунтов), поэтому компании складывали их в банки и использовали одну большую газовую горелку для их нагрева. Бельгийский процесс требует повторной дистилляции для удаления примесей свинца, кадмия, железа, меди и мышьяка.
Хотя некоторые цинковые артефакты, по-видимому, были изготовлены во времена классической древности в Европе, первое количество цинка, по-видимому, производилось в Индии, начиная с 12 века, а позже в Китае с 16 века. В Индии цинк производили в Заваре с 12 по 18 века. Обнаруженная здесь сфалеритовая руда предположительно была преобразована в оксид цинка путем обжига, хотя никаких археологических свидетельств этого обнаружено не было. Предполагается, что плавка проводилась в герметичных цилиндрических ретортах для глины, которые были заполнены смесью обожженной руды, доломита и органического материала, например коровий навоз, а затем помещены вертикально в печь и нагревают примерно до 1100 ° C. Окись углерода, образующаяся при обугливании органического материала, могла бы восстановить оксид цинка до паров цинка, которые затем сжижались в коническом глиняном конденсаторе на дне реторты и стекали вниз в сборный сосуд. В период с 1400 по 1800 год производство оценивается примерно в 200 кг / день. Цинк также выплавляли в Китае с середины шестнадцатого века.
Крупномасштабное производство цинка в Европе началось с Уильяма Чемпиона, который запатентовал процесс дистилляции цинка в 1738 году. цинковую руду (в данном случае карбонат ZnCO 3) запаивали в больших восстановительных баках с древесным углем и нагревали в печи. Затем пары цинка спускались через железную конденсационную трубу, пока не достигли наполненного водой сосуда на дне. Чемпион основал свой первый цинковый завод в Бристоле, Англия, но вскоре расширился до Уормли и к 1754 году построил там четыре цинковые печи. Хотя Чэмпиону удалось произвести около 200 тонн цинка, его бизнес-планы не увенчались успехом, и к 1769 году он стал банкротом. Однако выплавка цинка продолжалась в этой области до 1880 года.
Эволюция содержания добываемой цинковой руды в Канаде и Австралии
Историческая эволюция производства цинка, добытого в разных странах
| Год | Горизонтальная. реторта | Вертикальная. реторта | Электротермическая | Взрывная. печь | Электролитическая |
|---|---|---|---|---|---|
| <1916 | >90 | ||||
| 1929 | 28 | ||||
| 1937 | c. 33 | ||||
| 1960 | 34,5 | 11 | 7,5 | 2 | 45 |
| 1970 | 15 | 10 | 6,5 | 12,5 | 56 |
| 1980 | 3 | 7 | 6 | 10 | 74 |
Раннее европейское производство цинка также имело место в Силезии, в Каринтии и в Льеже, Бельгии. В каринтийском процессе, который использовался в работах, основанных в 1798 году Бергратом Диллинджером, дровяная печь нагревала большое количество небольших вертикальных реторт, и пары цинка затем падали через керамическую трубу в общую конденсационную камеру внизу. К 1840 году этот процесс не использовался. В бельгийских и силезских процессах использовались горизонтальные реторты. В Силезии Иоганн Рухберг построил печь для дистилляции цинка в 1799 году, сначала использовав горшки, но позже перейдя на реторты с плоским дном, называемые «муфелями», прикрепленные к горизонтальным трубкам, изогнутым вниз, в которых конденсировался цинк. Силезский процесс в конечном итоге слился с бельгийским процессом. Этот процесс, разработанный Жан-Жаком Даниэлем Дони, был введен в 1805–1810 гг. И использовал реторты с цилиндрическим поперечным сечением. Конденсаторы представляли собой горизонтальные глиняные трубы, выходящие из концов реторт. Объединенный "белго-силезский" горизонтальный ретортный процесс получил широкое распространение в Европе к третьей четверти 19 века, а затем и в Соединенных Штатах.
Экспериментальные попытки извлечения цинка электролизом начались в 19 веке, но единственным коммерчески успешным применением до 1913 г. был процесс, использовавшийся в Великобритании и Австрии, где цинк и хлор производились совместно электролизом водной раствор хлорида цинка. Anaconda Copper Company, в Anaconda, Montana, и Consolidated Mining and Smelting Company, в Trail., Британская Колумбия, оба успешно построили электролитические заводы в 1915 году с использованием применяемого в настоящее время процесса сульфата цинка. Значение этого метода продолжает расти, и в 1975 году на его долю приходилось 68% мирового производства цинка.
Процесс непрерывной вертикальной реторты был внедрен в 1929 году компанией New Jersey Zinc Company. В этом процессе использовалась реторта со стенками из карбида кремния, высотой около 9 метров и сечением 2 на 0,3 метра. Стенки реторты нагревали до 1300 ° C, и брикеты, состоящие из агломерированной цинковой руды, кокса, угля и переработанного материала, подавали в верхнюю часть реторты. Газообразный цинк отводили из верхней части колонны, и после 20-часового прохождения через реторту отработанные брикеты были удалены из нижней части. Для конденсации газообразного цинка компания сначала использовала простую кирпичную камеру с карборундовыми перегородками, но эффективность была низкой. В 1940-х годах был разработан конденсатор, который конденсировал пары цинка на брызгах жидких капель цинка, выбрасываемых электрической крыльчаткой.
Электротермический процесс, разработанный St. Головная рота Джозефа была в чем-то похожей. Первый коммерческий завод, использующий этот процесс, был построен в 1930 году на нынешнем месте, Пенсильвания,. Электротермическая печь представляла собой стальной цилиндр высотой около 15 метров и диаметром 2 метра, облицованный огнеупорным кирпичом. Смесь агломерированной руды и кокса подавали в верхнюю часть печи, и между угольными электродами в печи подавали ток 10 000–20 000 ампер при разности потенциалов 240 вольт, повышая температуру до 1200–1400 ° C. С. Эффективный конденсатор был разработан для этого процесса с 1931 по 1936 год; он состоял из ванны с жидким цинком, через которую отсасывались выхлопные газы. Цинк, содержащийся в газовом потоке, абсорбировался жидкой ванной.
Доменный процесс был разработан начиная с 1943 года в Эйвонмауте, Англия, компанией, которая стала частью Rio Tinto Zinc в 1968 году. Он использует распыление капель расплавленного свинца для конденсации паров цинка.
 | На Викискладе есть материалы, связанные с цинком. металлургические заводы. |
