Способы переработки цинкового сырья

Содержание

Введение………………………………………………………………………....3

1. Вещественный состав цинксодержащих руд и концентратов…………....4

2. Способы переработки цинкового сырья……………………………….….5

3. Очистка растворов сульфата цинка от примесей………………………....8

3.1 Гидролитическая очистка……………………………………………….…9

3.2 Очистка цементацией……………………………………………………...11

Заключение……………………………………………………………………..15

Литература………………………………………………………………….….17

Введение

Источником получения цинка является рудное сырье, которое обычно находится в сульфидном состоянии, а цинк представлен преимущественно сфалеритом (ZnS). Руды всегда комплексные, содержат кроме цинка свинец, медь, железо, серебро и др. В последнее время используется вторичное сырье в странах с высоким потреблением.

Примерно 50% мирового производства цинка расходуется на покрытие железных изделий с целью защиты их от ржавления.

Более 30% всего производства в мире цинка употребляется на производство сплавов. Сплав цинка с медью и оловом называется бронзой. Различные сорта бронз широко применяют в машиностроении. Сплавы цинка с медью и никелем называют мельхиором и нейзильбером. Благодаря способности давать сплавы с серебром и золотом, цинк используется в металлургии для извлечения благородных металлов.

Цинковая пыль применяется для осаждения золота и серебра из растворов при их получении гидрометаллургическим путем, для очистки растворов от меди и кадмия перед электролизом растворов цинка.

Оксид цинка широко используют при производстве резины и ее обработке. Он улучшает качество резиновых шин и ряда других резиновых изделий. Широко используют чистый цинковый купорос при производстве кордаосных шин. Соединения цинка, в частности его антимонид, используют в качестве интерметаллических полупроводников в приборах для превращения электрической энергии в тепловую. Антимонид цинка применяют также для точечного охлаждения детекторных приборов при изучении космоса. В промышленности окисленный ZnS перерабатывают, получая ZnO гидрометаллургическим способом, состоящим в том, что водный раствор ZnSO₄, полученный кислотным растворением ZnO, подвергают электролизу при температуре электролита не более 40 ⁰C.

Состав цинксодержащих руд и концентратов

Цинксодержащие руды делят на сульфидные и окисленные в зависимости от того, какими минералами представлены в них металлы. В сульфидных рудах цинк обычно находится в виде сфалерита ZnS (67,1 % Zn), иногда вюртцита ZnS (67,1 % Zn), реже - в виде марматита nZnS•mFeS.

Цинк обычно не образует самостоятельных руд, а входит в состав полиметаллических свинцово-цинковых или медно-свинцово-цинковых руд.

В этих рудах наряду со сфалеритом, присутствуют сульфиды свинца, меди, кадмия, марганца, серебра, мышьяка, сурьмы, кобальта. В сфалерите зачастую в виде примесей содержатся редкие элементы - индий, таллий, галлий и германий, а также золото в количестве от тысячных до сотых долей процента.

Свинец в сульфидных цинковых рудах представлен обычно в виде галенита PbS. В окисленных зонах месторождений цинксодержащих руд цинк присутствует в виде следующих минералов: цинкита ZnO (80,3 % Zn), франклинита (Zn, Mn)0•Fe2O3(6-18 % Zn), виллемита 2ZnO•SiO2 (58,6% Zn), каламина 2ZnO•SiO2•H20 (57,1 % Zn), смитсонита ZnCO3 (52,1 % Zn) и гидроцинкита 3Zn(OH)2•2ZnCO3 (47,6 % Zn). Из породообразующих компонентов в цинковых рудах содержатся кварц, глина, карбонаты кальция и магния, барит и др.

Низкое содержание цинка (1-3.%) и сложность составе цинксодержащих руд обусловливают необходимость их предварительного обогащения. Селективная флотация полиметаллических руд обеспечивает получение высококачественных цинковых концентратов, содержащих, %: (51 ±3,5) Zn; (32+2,5) S; (8,0+3,5) Fe; (0,2+0,05) Cd; (1+0,5) Pb; (l+0,5)Cu; (2,5+1,5) карбонатов и силикатов.

Кроме основных составляющих, в концентратах содержится незначительное количество золота; серебро(75-100 г/т); индий, ртуть, галлий, таллий; вредные примеси (0,01-0,1 % As; 0,01-0,03 % Sb; 0,01-0,02 % CI; 0,01% F; 0,001-0,01% Co; 0,01-0,05% Ni; германий, селен, теллур). Таким образом, цинковые концентраты представляют собой комплексное сырье. Отечественные предприятия к настоящему времени освоили извлечение из них 11-17 элементов с высокой экономической эффективностью.

Способы переработки цинкового сырья

Для извлечения цинка из концентратов применяют два способа: пирометаллургический (дистилляционный) и гидрометаллургический (электролитический). В настоящее время основное количество цинка получают гидрометаллургическим способом.

Исторически первым способом переработки был пирометаллургический. Технология способа и его аппаратурное оформление связаны с особенностями восстановления цинка из оксида. Восстановление оксида цинка до металла углеродом и СО происходит при температуре свыше 1000--1100 °С (температура кипения цинка 906 °С).

Реакции восстановления сопровождаются выделением газообразного цинка, его возгонкой (дистилляцией). Компоненты пустой породы остаются при этом в твердом виде. Конденсацией паров можно получить жидкий металлический цинк.

Поэтому пирометаллургический способ производства цинка называют дистилляционным или просто дистилляцией.

Дистилляционный способ начали применять еще в древности. Долгое время цинк получали из окисленных руд в глиняных горшках (ретортах), обогреваемых снаружи. Устье реторты соединяли с глиняным конденсатором, в котором получали жидкий металлический цинк. Довольно широкое распространение этого способа объяснялось его простотой и наличием запасов окисленных 'РУД.

С развитием дистилляционного способа улучшалась технология изготовления реторт для шихты и увеличивался размер дистилляционных печей, которые делали вначале на 2--4 реторты, а в последующем -- на 400-- 600 реторт.

В середине XIX в. перешли к переработке сульфидного сырья, которое перед дистилляцией обжигали. Однако вскоре богатые руды истощились и на смену им пришли убогие полиметаллические руды. Конец XIX в. характеризуется изучением химизма протекающих металлургических процессов и усиленными поисками новых схем переработки сырья.

Металлический цинк можно получать из его сульфида воздействием различными восстановителями, но реакция восстановления сульфида цинка начинается практически только при 1200--1300°С, когда основная масса шихты уже расплавилась и сульфид цинка перешел в расплав, из которого извлечь его очень трудно. Задача восстановления цинка значительно облегчается, если ZnS предварительно перевести в ZnO, т. е. сначала сульфидное сырье обжечь.

На смену периодическому процессу дистилляции в горизонтальных ретортах пришел процесс дистилляции в вертикальных ретортах (1927 г.). Применение вертикальных реторт заметно улучшило условия труда при получении цинка и позволило сделать его непрерывным. В дальнейшем были освоены вертикальные реторты, обогреваемые электрическим током, газом и электричеством, предусмотрен нагрев шихты без ее расплавления и разгрузка остатков дистилляции (раймовки) в твердом виде.

Был освоен также процесс плавки цинксодержащей шихты в руднотермических электропечах, позволяющий перерабатывать самые низкосортные концентраты.

Освоен и нашел широкое применение процесс плавки цинково-свинцовых концентратов в шахтной печи с прямой конденсацией цинка в жидкий металл. Шахтные печи позволяют получать до 100 - 150 т цинка в сутки в одном агрегате; они полностью механизированы, в значительной степени автоматизированы и сильно отличаются от дистилляционных печей с горизонтальными ретортами.

Но и в вертикальных ретортах, и в шахтных печах сохраняется первоначальный пирометаллургический принцип - возгонка цинка из оксида в момент его восстановления и конденсация паров в жидкий металл.

Примерное соотношение производства цинка различными способами, % от общего производства пирометаллургией, следующее: шахтная плавка 35; электротермия 30; дистилляция в вертикальных ретортах 23 - 24; дистилляция в горизонтальных ретортах 15. Во всех случаях получаемый пирометаллургический способом цинк содержит большое количество металлов-примесей, возгоняемых вместе с ним при дистилляции или попадающих в конденсат с механически уносимой из шихты пылью. Поэтому дистилляционный цинк нуждается в рафинировании от этих примесей.

Иногда рафинирование цинка достигается простой ликвацией. В случае необходимости получения более чистого металла его подвергают ректификации. В последнее время все шире применяют химические методы рафинирования.

Дистилляционный способ связан с большой затратой топлива и огнеупорных материалов и дает цинк только низших марок, а для получения высококачественной продукции требуется рафинирование.

Все эти недостатки предопределили поиски другой технологии, построенной на иных принципах. Такой технологией оказалась гидрометаллургическая переработка концентратов, внедрение которой в производство началось в начале XX в.

В настоящее время гидрометаллургическим способом производят свыше 70 % цинка. Широкое применение гидрометаллургического производства цинка обусловлено тем, что при хорошей механизации трудоемких процессов и высоком извлечении получают цинк более чистый, чем дистилляционный. Кроме того, повышается комплексность использования полиметаллического сырья. При наличии дешевой электроэнергии гидрометаллургический способ является более экономичным, чем пирометаллургический.

В основе гидрометаллургической схемы заложено выщелачивание оксида цинка из обожженного цинкового концентрата разбавленной серной кислотой:

ZnO + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂O.

Цинк из раствора выделяют путем электролитического восстановления на катоде. На аноде в это время регенерируется серная кислота, что позволяет использовать отработанный электролит в качестве растворителя при выщелачивании огарка.

Так как в раствор при выщелачивании переходят многие сопутствующие элементы-примеси (Сu, Cd, Co и др.), то перед электролизом раствор подвергают тщательной очистке.

Чем чище поступает на электролиз раствор, тем более высокого качества получают товарный цинк.