Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В.Плеханова

(технический университет)

А.К. Орлов

МЕТАЛЛУРГИЯ

СВИНЦА И ЦИНКА

Учебное пособие

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2004

УДК 669.2/8; 669.4 (075.80)

ББК 34.33

О664

Приведены сведения о свойствах цинка, свинца и их соединений, источниках сырья для их производства и области применения. Описаны промышленные технологические схемы переработки цинк- и свинецсодержащего сырья. Рассмотрены теоретические основы и практика технологических процессов, используемых при промышленном производстве свинца и цинка.

Учебное пособие предназначено для студентов специальности 110200 «Металлургия цветных металлов» и может быть использовано студентами специальностей 110300 «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей», 210200 «Автоматизация технологических процессов и производств (в металлургии)», 330200 «Инженерная защита окружающей среды» и др. при изучении дисциплин металлургического профиля.

Научный редактор доц. Ю.М.Смирнов

Рецензент вед. науч. сотр. Л.В.Чугаев (ОАО «Иститут Гипроникель»).

Орлов А.К.

О664. Металлургия свинца и цинка: Учеб. пособие / А.К.Орлов. Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 2004. 71 с.

ISBN 5-94211-172-3

УДК 669.2/8; 669.4 (075.80)

ББК 34.33

ISBN 5-94211-172-3

 Санкт-Петербургский горный институт им. Г.В.Плеханова, 2004 г.

Цинк и свинец, наряду с медью, никелем и оловом, входят в основную группу тяжелых цветных металлов и по масштабам мирового производства занимают среди цветных металлов третье и четвертое место после алюминия и меди. Цинк в основном пока получают из природного сырья, тогда как в производстве рафинированного свинца около половины приходится на долю природного сырья, а остальной свинец получают из вторичного сырья.

Традиционно в Горном институте при преподавании металлургии свинца и цинка сначала изучается металлургия цинка, а затем металлургия свинца.

Часть 1. Металлургия цинка

1.1. Общие сведения

На территории Индии и Китая производство цинка существовало уже около V века до н.э. В Европе промышленное производство цинка пирометаллургическим методом началось в Великобритании с пуском завода в Бристоле в 1740 г. Первые заводы по производству цинка гидрометаллургическим методом («Трейл» в Канаде и «Анаконда» в США) начали работать в 1915 г. Мировое производство металлического цинка в 1998 и 2002 г. оценивается соответственно в 8,03 и 9,4 млн т, увеличиваясь в среднем за этот период примерно на 4,3 % в год. Из общего производства цинка более 80 % получают гидрометаллургическим способом. Главными производителями цинка являются КНР, Япония, Канада, Германия, США, Австралия, Бельгия, Франция и др.

Напомним некоторые физические свойства цинка: атомная масса 65,38; плотность в твердом состояния 7,14 г/см³; температура плавления 419,4 С; температура кипения 906 С. В свежем изломе цинк имеет синевато-белый цвет. При нахождении на воздухе он покрывается пленкой основного карбоната [ZnCO₃  3Zn(OH)₂] серого цвета, которая является весьма плотной и хорошо защищает цинк от дальнейшей коррозии.

Цинк – электроотрицательный металл ( = –762 В) и растворяется в кислотах с выделением водорода. Как амфотерный металл цинк растворяется в щелочных растворах с образованием цинкатов. Будучи электроотрицательным по отношению к железу, цинк широко применяется для защиты железа от коррозии. В разных странах для этих целей используется 30-60 % от общего потребления цинка. Много цинка потребляется в виде сплавов, наиболее распространенными из которых являются латуни и сплавы для литья под давлением. В металлургии цинк используется как цементатор для выделения из растворов более электроположительных металлов, а также как реагент при обессеребривании чернового свинца. Оксид и сульфид цинка используются как пигменты.

Главными природными промышленными минералами цинка являются сфалерит (ZnS) и марматит [(Zn, Fe)S]. Менее распространены оксидные минералы: цинкит (ZnO), смитсонит (ZnCO₃), виллемит (Zn₂SiO₄), каламин (Zn₂SiO₄H₂O). Соответственно имеется два типа цинксодержащих руд: сульфидные и оксидные. В рудах цинк почти всегда ассоциирован со свинцом. В сульфидных рудах главным свинцовым минералом является галенит (PbS). В медно-цинковых сульфидных рудах и полиметаллических рудах главным медьсодержащим минералом является халькопирит (CuFeS₂).

Сульфидные руды перед металлургической переработкой успешно подвергаются обогащению флотацией с получением цинкового, свинцового и других концентратов. Основным природным сырьем для производства цинка являются цинковые концентраты, имеющие в среднем следующий химический состав, %: Zn 45-60; Cd 0,1-0,5; Pb 0,1-3,0; Cu 0,2-3,0; Fe 5-13; S 29-35; SiO₂ 0,4-4. Поскольку пока не найдено удовлетворительных способов обогащения оксидных цинковых руд, то они непосредственно поступают в металлургическую переработку.

1.2. Методы переработки цинксодержащего сырья

Сульфидные цинковые концентраты можно перерабатывать пирометаллургическим (рис.1.1) и гидрометаллургическим (рис.1.2) методами. В обоих случаях первой операцией является окислительный обжиг концентратов, целью которого является перевод сульфида цинка и сульфидов других металлов в форму оксидов.

Цинковый концентрат

Воздух

Агломерирующий обжиг

Агломерат

Газы и пыль

Газоочистка

Газы

Пыль

На производство

H₂SO₄

Восстановитель

Дистилляция

Остаток

Газы с парами цинка

На специальную

переработку или

в отвал

Конденсатор

Газы с парами цинка

Черновой цинк

Рафинирование ликвацией и ректификацией

Газоочистка

Черновой

свинец

Рафинированный цинк

Пусьера

Потребителю

На свинцовый завод

Пыль

Газы

Рис.1.1. Принципиальная технологическая схема переработки

сульфидных цинковых концентратов пирометаллургическим методом

Рис.1.2. Принципиальная технологическая схема переработки

сульфидных цинковых концентратов гидрометаллургическим методом

В пирометаллургической технологии полученный агломерат в смеси с твердым углеродистым восстановителем (коксом или каменным углем) нагревают до 1200-1400 С для восстановления оксида цинка до свободного металла и отгонки цинка. Газы, содержащие пары цинка, охлаждают, получая в конденсаторе жидкий жащие пары цинка, охлаждают, получая в конденсаторе жидкий цинк. при окончательной очистке газов оставшийся цинк улавливают в виде пыли. Черновой цинк, содержащий до 2-4 % примесей (главная из них свинец), для получения товарного металла рафинируют пирометаллургическим методом.

Окислительный обжиг цинковых концентратов для последующей их переработки гидрометаллургическим способом (рис.1.2) практически повсеместно проводят только в печах кипящего слоя. Полученные в результате обжига огарок и пыль затем выщелачивают раствором серной кислоты (отработанным электролитом). Из очищенного от примесей раствора сульфата цинка электролизом с нерастворимыми анодами выделяют цинк. Электролитный цинк содержит до 99,99 % цинка.

канадскими фирмами «Шеррит Гордон» и «Коминко» разработана и внедрена в 80-х гг. ХХ в. на двух заводах безобжиговая технология переработки цинковых концентратов гидрометаллургическим методом. Головной операцией в ней является автоклавное окислительное выщелачивание концентрата раствором серной кислоты (отработанным электролитом).

Высокосортные оксидные цинковые руды (они встречаются сейчас редко) могут быть переработаны по любой из приведенных технологических схем, а для низкосортных успешно применяют технологию с вельц-процессом в качестве головной операции.