Металлургия тяжелых цветных металлов. Производство свинца и цинка. Практикум

При выщелачивании огарка с неполным растворением цинка процесс ведут либо в одну стадию – нейтральное выщелачивание, либо в две стадии – сначала нейтральное, а затем кислое выщелачивание, что позволяет ограничить растворение железа и кремнезема. При слабокислом и нейтральном выщелачивании (рН = 4,8…5,4) растворяется основное количество оксидных соединений цинка и одновременно проводится гидролитическая очистка от Fe(III), кремнекислоты и некоторых малых примесей (As, Sb, Al, In, Cu). Кислое выщелачивание проводят до конечного рН = 1…2, что позволяет обеспечить повышение общего извлечения цинка в раствор при ограниченном растворении железа, кремнезема и других примесей. Процессы ведут как в непрерывном, так и в периодическом режиме. Предпочтителен непрерывный режим при двухстадийном выщелачивании и периодический при одностадийном. Для выщелачивания используют реакторы двух типов – чаны с пневматическим перемешиванием (пачуки или пневматические агитаторы) и с механическим перемешиванием (механические агитаторы). Для разделения твердой и жидкой частей пульпы, как правило, используют сгустители. Фильтрацию нижнего слива сгустителей проводят на рамных пресс-фильтрах, а фильтрацию пульпы после репульпации (отмывки осадков) – на дисковых вакуум-фильтрах.

Электролиз очищенных цинковых растворов ведут из кислого электролита при содержании компонентов, г/дм3: H2SO4 – 120…170; Zn – 40…70. Температура электролиза составляет 35…38 С. Катодная плотность тока – 400…700 А/м2. Напряжение на ванне составляет 3,2…3,8 В. Время наращивания катодов может составлять 24, 48 и 72 часа. Процесс ведут в электролизерах ящичного типа в коррозион- но-стойком исполнении. Ванны изготавливают из дерева, полимербетона или железобетона. Внутренние стены ванны оклеивают рубероидом и футеруют рольным свинцом, полихлорвинилом или винипластом. Применяют алюминиевые катодные матрицы и свинцово-серебряные аноды

41

(с содержанием 0,5…2,0 % Ag). После наращивания катода проводят сдирку металлического цинка [6].

Переплавку катодного цинка осуществляют в низкочастотных индукционных печах при температуре 500…520 С с использованием покровного флюса NH4Cl. Переплавленный металл разливают в чушки массой 24 кг (на карусельных или ленточных машинах) и в слитки больших размеров («джумбо») массой 1000 кг.

Сопоставление пирометаллургического и гидрометаллургического способов получения цинка дает основание выделить главные преимущества пирометаллургии:

–компактность аппаратурно-технологической схемы производства;

–использование аппаратов с высокой удельной производительностью и большой единичной мощностью;

–образование минимальных потоков и объемов конденсированных промежуточных и конечных продуктов, полупродуктов и отходов производства.

Недостатки пирометаллургического способа:

–высокие затраты на углеродистое топливо, ремонт основного оборудования, подготовку материалов к металлургической переработке;

–необходимость очистки и обезвреживания технологических газов.

Гидрометаллургический способ получения цинка в классическом варианте имеет ряд преимуществ по сравнению

спирометаллургией:

–выше рентабельность производства и степень комплексности использования сырья;

–ниже удельные энергозатраты,

–возможность использования однотипного и конструктивно простого оборудования (гидрометаллургического цикла),

–лучше условия труда технологического персонала,

–выше возможность механизации и автоматизации технологических процессов,

–получение товарного металла более высокого качества.

42

Основные недостатки гидрометаллургического способа:

–громоздкость аппаратурно-технологической схемы производства;

–использование большого количества аппаратов с невысокой удельной производительностью;

–образование больших потоков промежуточных продуктов (растворов);

–высокая комплексность достигается за счет дополнительной переработки полупродуктов (в ряде случаев пирометаллургическими методами);

–необходимость утилизации отходов производства (отвальных кеков);

–повышенные требования к качеству перерабатываемых концентратов.

Тем не менее гидрометаллургический способ, включающий обжиг, выщелачивание, очистку растворов и электролиз, в настоящее время является доминирующим в металлургии цинка и обеспечивает хорошие технико-экономические показатели для кондиционных концентратов.

При совершенствовании классической гидрометаллургической схемы производства цинка в целях обеспечения возможности переработки низкосортных концентратов оптимизировались технологии основных стадий, повышался уровень механизации и автоматизации управления с использованием компьютерной техники, разрабатывались более рациональные способы переработки полупродуктов производства [7].

Цинк является одним из наиболее массово производимых и потребляемых цветных металлов. По прогнозам специалистов, в период с 2023 по 2026 г. мировое производство цинка будет относительно стабильным со среднегодовым приростом 0,5 % и достигнет к 2026 г. отметки 13,1 млн т [8]. Доля вторичного цинка составляет примерно 10 % от всего произведенного рафинированного цинка.

Цинк находит широкое применение как в промышленности, так и в быту. В свободном металлическом виде он при-

43

меняется для оцинкования железных, стальных и чугунных изделий (листов, труб и др.). Свойство цинка покрываться очень плотной тончайшей пленкой в виде основного карбоната – ZnCO3·3Zn(OH)2, препятствующей дальнейшему проникновению окислителя во внутренние слои металла, позволяет с успехом использовать цинк в качестве предохранителя других металлов от коррозии. Это покрытие надежно защищает железо и его сплавы от коррозии не только в обычной, но и загрязненной промышленными газами атмосфере и в морской воде. На эти цели расходуется около 40 % мирового объема производства цинка.

Цинк не только надежный защитник металлов, но и прекрасный материал для изготовления некоторых деталей, различных веществ. Цинковые белила все в большей степени вытесняют свинцовые белила в малярном деле и живописи. Его соединения с кислородом (оксид цинка) – необходимая составная часть обычной косметической пудры. Без оксида цинка не обходятся фармацевты и медики – пушинки белого порошка входят в состав присыпок, мазей, пластырей, паст. Сернокислый цинк также широко применяется в промышленности как основа минеральных красок. Широким спросом пользуется белая краска, получаемая из смеси сернокислого бария и сернистого цинка (литопон).

2.2.Тесты по металлургии цинка

1.Для металлического цинка характерны свойства:

1) высокая пластичность и высокая температура плавления (выше 2000 С);

2) хрупкость и низкая температура плавления (менее 600 С);

3)низкая химическая активность (встречается в природе

всамородном виде);

4)высокая теплопроводность (идет на изготовления охлаждающих элементов);

5)высокая электропроводность (используется для изготовления электропроводов).

44

2.В промышленной классификации цветных металлов цинк относится к группе:

1) редких металлов;

2) легких металлов;

3) тяжелых металлов;

4) редкоземельных металлов;

5) благородных металлов.

3.Минералы, содержащие цинк:

1)халькопирит и халькозин;

2)боксит и пирит;

3)сфалерит и смитсонит;

4)пирротин и халькозин;

5)нефелин и малахит.

4.Средний уровень содержания цинка в руде, %: 1) около 0,3; 2) 0,3…1,0; 3) 1…13; 4) 15…20; 5) 20…30.

5.Основные области применения цинка:

1)сплавы с железом;

2)оцинкование металлических изделий;

3)производство аккумуляторов;

4)сплавы с медью;

5)производство красок.

6. Принципиальная схема гидрометаллургической переработки сульфидного цинкового концентрата:

1)обжиг – выщелачивание – очистка от примесей – электролиз;

2)агломерация – плавка – электролиз;

3)плавка – конвертирование – очистка чернового цинка – электролиз;

4)подготовка шихты – выщелачивание – электролиз;

45

5) агломерация – выщелачивание – очистка от примесей – электролиз.

7. Схема пирометаллургического получения цинка:

1)агломерация – плавка – электролиз;

2)окислительно-спекающий обжиг – дистилляция – рафинирование;

3)агломерация – плавка – конвертирование – очистка чернового цинка;

4)обжиг в КС – дистилляция – рафинирование;

5)окислительно-спекающий обжиг – дистилляция – электролиз.

8.Обжиг при пирометаллургической переработке ведут: 1) до полного удаления серы; 2) до остаточного содержания серы 0,1 %;

3) до остаточного содержания серы 0,5…1,0 %;

4) до остаточного содержания серы 2…4 %;

5) до остаточного содержания серы 6…8 %.

9.Температура обжига (при гидрометаллургическом способе), С:

1) 750…830;

2) 940…980;

3) 990…1040;

4) 1050…1150;

5) 1200…1300.

10.Обжиг цинковых концентратов проводят:

1)в окислительной атмосфере;

2)в нейтральной атмосфере;

3)в восстановительной атмосфере;

4)в вакууме;

5)нет правильного ответа.

46

11. Для уменьшения образования феррита цинка при обжиге проводят:

1)предварительное измельчение компонентов шихты, примешивание к огарку сырого концентрата и обжиг при минимальной интенсивности процесса;

2)примешивание к огарку сырого концентрата, обжиг при максимальной интенсивности процесса и при максимально допустимой температуре;

3) обжиг при максимальной интенсивности процесса

ипри минимально допустимой температуре;

4)предварительное измельчение компонентов шихты, обжиг при максимально допустимой температуре и при минимальной интенсивности процесса;

5)примешивание к огарку сырого концентрата, обжиг при максимальной интенсивности процесса и при минимально допустимой температуре.

12.При обжиге наиболее вероятно образование силикатов цинка:

1) при повышенной температуре обжига и при переработке мелкозернистой шихты;

2) при пониженной температуре обжига и при переработке мелкозернистой шихты;

3) при пониженной температуре обжига и при переработке крупнозернистой шихты;

4) при повышенной температуре обжига и при переработке крупнозернистой шихты;

5) нет правильного ответа.

13.В огарке цинк находится в форме соединений:

1)ZnSO4;

2)ZnСO3;

3)ZnO;

4)ZnO Fe2O3;

5)ZnO SiO2.

47

14.Продукт обжига при гидрометаллургическом способе производства должен отвечать следующим требованиям:

1) содержание сульфидной серы 0,1…0,3 %;

2) крупность материала 4…12 мм;

3) содержание сульфатной серы 1…2 %;

4) крупность материала 0,15 мм;

5) содержание сульфатной серы 2…4 %.

15.Соотношение между огарком и пылью, выносимой из печи КС, %:

1) ~75/25;

2) ~70/30;

3) ~60/40;

4) ~50/50;

5) ~35/65.

16.В печах КС для обжига цинковых концентратов при замене воздуха техническим кислородом (с сохранением при этом общего количества кислорода, необходимого для осуществления реакции окисления сульфида цинка):

1) температура повысится, пылевынос увеличится, производительность снизится;

2) температура повысится, пылевынос уменьшится, производительность возрастет;

3) температура понизится, пылевынос не изменится, производительность возрастет;

4) температура понизится, пылевынос уменьшится, производительность возрастет;

5) температура повысится, пылевынос не изменится, производительность возрастет.

17.Для охлаждения реакционной зоны печей КС приме-

няют:

1) котлы-утилизаторы;

2) загрузку в печь пульпы или влажного концентрата;

3) водоохлаждаемые элементы;

48

4)подачу охлажденного дутья;

5)охлаждение реакционной зоны не требуется.

18. Допустимое содержание влаги после сушки (в случае ее использования) концентратов перед обжигом в печах КС, %:

1)до 0,1;

2)до 1;

3)до 3…5;

4)до 5…7;

5)до 8…10.

19. Необходимое количество сульфатной серы в огарке (температура в кипящем слое находится в пределах 950…980 С, а температура разложения ZnSO4 равна 770 С) остается, если:

1)производят смешение огарка с пылью, выносимой из печи;

2)к огарку добавляют необходимое количество сульфата цинка;

3)огарок подвергают дополнительной обработке при пониженной температуре;

4)сульфатная сера находится в огарке в форме других сульфатов;

5)идет реакция между оксидом цинка и серным ангидридом.

20. Обогащение дутья кислородом при обжиге, если

впечи имеется избыток тепла, применяют:

1)для повышения концентрации SO2 в газах;

2)для уменьшения пылевыноса;

3)для получения заданного содержания сульфатной серы в огарке;

4)для увеличения удельной производительности;

5)для снижения содержания сульфидной серы в огарке.

49

21.Чисто сульфатизирующий обжиг с последующим растворением сульфата цинка из огарка в горячей воде не проводят, так как:

1) для сульфатизирующего обжига требуются боhльшие затраты (более высокая температура);

2) технико-экономические показатели растворения огарка имеют низкие значения;

3) при сульфатизирующем обжиге не удается получить

богатые по SO2 газы;

4) повышается переход в раствор различных примесей;

5) происходит образование серной кислоты при электролизе цинка.

22.Стадии выщелачивания цинкового огарка:

1)кислое и щелочное;

2)кислое и нейтральное;

3)щелочное и нейтральное;

4)периодическое и непрерывное;

5)низкотемпературное и высокотемпературное.

23.Факторы, влияющие на скорость процесса выщелачивания:

1) концентрация серной кислоты;

2) продолжительность процесса;

3) крупность материала;

4) температура;

5) интенсивность перемешивания.

24.Температура процесса выщелачивания, С:

1)70…80;

2)60…70;

3)50…60;

4)40…50;

5)30…40.

50