5.4.1 Цинк, его свойства, области применения. Цинк известен человечеству с глубокой древности; первые упоминания о нем относятся к V в. до н.э. Вначале его получали в Индии, Китае и других странах Древнего Востока в виде сплава с медью, который называется латунью. Получение цинка в чистом виде долгое время было затруднено из-за его высокой химической активности и летучести. В Европе цинк впервые получен в XVIII в, а в настоящее время по производству и потреблению он занимает одно из ведущих мест среди цветных металлов. Цинк – светло-серый, хрупкий и твердый металл с плотностью 7,13 г/см3, температура его плавления составляет 419,5 С. Упругость паров цинка чрезвычайно высока – он начинает заметно улетучиваться уже при температуре 500-600 С, чем заметно отличается от других цветных металлов. При наличии в воздухе паров воды и диоксида углерода цинк покрывается тонкой и очень плотной пленкой из ZnCO3 Zn(OH)2, которая практически полностью прекращает процесс его дальнейшего окисления. Это свойство цинка широко используют в технике для антикоррозионных покрытий (цинкование), главным образом, железа. Продукт окисления цинка – оксид цинка ZnO плавится при температуре около 2000 С, а восстанавливается при температуре более 1000 С в атмосфере, практически полностью состоящей из СО. Сульфид цинка ZnS плавится при температуре около 1775 С. Таким образом два важнейшие соединения цинка – сульфид и оксид цинка – являются очень тугоплавкими соединениями. Со многими металлами цинк образует ряд промышленно важных литейных сплавов, а также входит в состав латуней, бронз и др. Широко используется оксид цинка для приготовления цинковых белил, медикаментов и парфюмерных изделий. Примерное распределение цинка по основным областям применения следующее (%): цинкование – 25-40; литейные сплавы – 25-40; латуни и бронзы – 10-30; цинковый прокат – 5-10; оксид цинка – 3-10; прочие – 3-8. 5.4.2 Сырье для получения цинка и способы его переработки. Основным источником получения цинка являются сульфидные
80
полиметаллические медно-свинцово-цинковые, свинцово-цинковые и медно-цинковые руды. В этих рудах цинк содержится в виде ZnS, но имеет также практическое значение соединение ZnS FeS. Можно считать, что цинк извлекают из тех же руд, что и свинец, так как окисленные цинковые руды имеют сейчас подчиненное значение. В сульфидных рудах содержание цинка обычно составляет 1-3 %, а руды имеют очень сложный состав, что приводит к необходимости их предварительного селективного обогащения с выделением цинка в самостоятельный концентрат. Цинковые концентраты содержат (%): Zn – 48-60; Pb – 1,5-2,5; Cu – 1-3; Cd – до 0,5; Fe – 3-10; S – 30-38, и из них кроме цинка надо извлекать Pb, Cu, Cd, Au, Ag, Hg, Ga, In, Tl, Se, Te, а также использовать содержащуюся в них в больших количествах серу. Для переработки цинка могут быть использованы пирометаллургический и гидрометаллургический способы. В России гидрометаллургическим способом производится более 90 % цинка, и поэтому пирометаллургический способ здесь не рассматривается. 5.4.3 Гидрометаллургическое получение цинка (рисунок 5.14). В основу этой технологии заложено выщелачивание оксида цинка из предварительно обожженного концентрата разбавленной серной кислотой
ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O.
Цинк из сернокислого раствора выделяют электролитическим осаждением на катоде, а на аноде при этом регенерируется серная кислота, и суммарный процесс электролиза описывается следующей реакцией
ZnSO4 + H2O = Zn + H2SO4 + 0,5O2.
Так как при выщелачивании в раствор переходят сопутствующие примеси (Cu, Cd, Co, Fe и др.), то перед электролизом растворы подвергают тщательной очистке. Обжиг цинковых концентратов перед выщелачиванием проводят в печах кипящего слоя (см. рисунок 5.9), что обеспечивает получение мелкого огарка с хорошо развитой поверхностью. Химизм процесса обжига концентратов сводится к протеканию следующих основных реакций
81
2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2 + 891 МДж и 2FeS2 + 5,5O2 = Fe2O3 + 4SO2 + 165 МДж.
Эти экзотермические реакции обеспечивают автогенность процесса обжига.
Рисунок 5.14 – Схема получения цинка из руд гидрометаллургическим методом
Выщелачивание обожженных цинковых концентратов проводят для перевода цинка в раствор. Этот процесс проводят в чанах емкостью до 140 м3 (рисунок 5.15) при перемешивании огарка с растворителем. Нерастворимый осадок после выщелачивания направляют на вельцевание – восстановление коксиком при 1100-1200 С в трубчатой печи для доизвлечения цинка, свинца, кадмия и летучих элементов. В остатке после вельцевания – клинкере – содержится железо, медь, серебро и золото. Этот продукт направляют на медеплавильные
82
заводы, где его используют в качестве добавок в шихту шахтных печей.
1 – электродвигатель; 2 – редуктор; 3 – стойка; 4 – подвод раствора; 5 – подвод пара; 6 – подача сжатого воздуха; 7 – выпускная труба; 8 – диффузор; 9 – импеллерная мешалка; 10 – змеевик; 11 – чан; 12 – вал; 13 – загрузка огарка; 14 – рама
Рисунок 5.15 –Чан для выщелачивания с механическим перемешиванием
5.4.4 Производство катодного цинка. Очищенный от примесей цинковый раствор непрерывно поступает на электролиз, вытесняя уже отработанный электролит. На цинковом катоде при повышенной плотности тока (до 700 А/м2), высокой чистоте исходного электролита, низкой температуре процесса (33-38 С), и при наличии в электролите поверхностно-активных веществ, создается высокое перенапряжение водорода, что препятствует его разряду. Электролизер во многом схож с ваннами, используемыми при электролизе меди. Катоды изготавливают из холоднокатаного алюминиевого листа толщиной 34 мм, а аноды отливают из свинца с добавкой 1 % серебра для повышения их коррозионной стойкости. Полученный катодный цинк отделяют от алюминиевого катода и направляют на переплавку в чушки
83
2. Начала металлургии. /Под. ред. В.И. Коротича. – Екатеринбург, 2000. – 391 с. 3. Производство цветных металлов. /Б.Б. Кистяковский, Н.В. Гудима, Н.Н. Ракова и др. – М.: Металлургия, 1984. – 280 с. 4. Галевский Г.В. Введение в металлургию / Г.В. Галевский, М.Я. Минцис, В.В. Руднева. – Нов-к : Изд-во СибГИУ, 2003. – 173 с. 5. Еланский Г.Н. Основы производства и обработки металлов / Г.Н. Еланский, Б.В. Линчевский, А.А. Кальменев. – М. : МГВМИ, 2005. – 416 с.
