Пирометаллургическое производство цинка

Достоинствами пирометаллургической схемы получения цинка являются:

- ее малостадийность,

- сравнительно высокое прямое извлечение цинка в металл (93 %),

- использование высокопроизводительного оборудования непрерывного действия,

- возможность перерабатывать низкокачественное сырье с высоким содержанием железа, мышьяка, сурьмы и кремнезема.

Недостатки этой схемы:

- большой расход кокса (до 25 % от массы агломерата),

- большой расход электроэнергии при использовании электропечей (3 000 кВт·ч/т цинка),

- малая комплексность использования сырья,

- получение цинка низших марок, требующего рафинирования.

Эта технология обычно применяется для переработки бедных цинковых концентратов с высоким содержанием примесей железа, мышьяка, сурьмы, кремнезема и с невысоким содержанием редких металлов (кадмия, индия, таллия и других), а также при небольшом объёме производства и при потребности в цинке низших марок.

Пирометаллургический способ основан на использовании высокой летучести цинка в металлическом состоянии при 1000-1200^оС. Т.к. температура кипения цинка 906^оС, он отделяется в парообразном состоянии, возгоняется и затем конденсируется. Большинство сопутствующих металлов, в условиях восстановления и возгонки цинка, остаются в твердой фазе. Для процесса характерна высокая избирательность.

Для практической реализации процесса дистилляции необходимо предварительно перевести сульфид цинка (в виде которого содержится цинк в цинковых сульфидных концентратах) в наиболее легковосстановимую форму – оксид цинка ZnO. Это достигается путем окислительного обжига сульфидных цинковых концентратов.

Назначение обжига перед дистилляцией:

1) Возможно более полное удаление серы из цинковых концентратов. Перевод цинка и других металлов в оксиды.

2) Предварительная отгонка из концентрата летучих соединений свинца, кадмия, мышьяка, сурьмы и некоторых рассеянных элементов.

3) Окускование мелкого материала шихты с получением кусков пористой структуры.

4) Получение концентрированных по SO₂ газов, пригодных для получения серной кислоты.

Выполнение указанных условий достигается в ходе окислительно-спекающего обжига, который, чаще всего проводят в две стадии:

- окислительный обжиг на порошок в печах кипящего слоя,

- и окислительно-спекающий обжиг на агломерационных машинах.

В ходе окислительного обжига происходит окисление сульфида цинка кислородом воздуха. Это экзотермические реакции, идущие с выделением тепла:

ZnS + 1,5O₂ -> ZnO + SO₂ + 890 кДж Т=800 С – основная реакция

ZnS + 2О₂ -> ZnSO₄ +775 кДж Т= 600-700 С

(Первая реакция наиболее интенсивно протекает при температуре свыше 800С, вторая – при 600-700С). Чтобы окислительный обжиг сульфидных концентратов происходил до образования оксидов (максимальной десульфуризации) необходимо поддерживать температуру не ниже 900 С. Температуру регулируют скоростью загрузки материала и часто водяными холодильниками, установленными в корпусе печи в области кипящего слоя.

Материалы, подаваемые в печь КС, могут иметь высокую влажность и даже подаваться в печь в виде пульпы.

При обжиге в кипящем слое цинковых концентратов образуется большое количество пыли. Грубую пыль (до 40% от массы огарка) улавливают в циклонах, а тонкую (до 5%) – в электрофильтрах. Тонкую пыль, в которую переходит большое количество редких и рассеянных элементов, либо перерабатывают самостоятельно, либо объединяют с грубой пылью и огарком. В огарке содержится 55-65 % цинка и до 2,5% серы (в концентрате, подаваемом в печь КС, серы около 29-30%).

В настоящее время на цинковых заводах работают печи кипящего слоя с высотой 7-12 м, диаметром 5-7 м, площадью пода от 21-35 до 72-123 м². В них можно обжигать 100-800 т концентрата в сутки, т.е. от 5 до 10-20 т/(м²сут). На многих заводах используют избыточное тепло кипящего слоя и тепло отходящих газов для производства пара.

Полученный огарок поступает на агломерацию.

Агломерация придает шихте необходимые физические свойства (кусковатость, пористость, механическую прочность), но на спекательных машинах недостаточна степень десульфуризации, чтобы в один прием обжечь сульфидный концентрат, поэтому все-таки наиболее эффективен двухстадийный обжиг, когда в первой стадии проводят обжиг на порошок, а во второй стадии – агломерируют огарок окислительного обжига на спекательных машинах.

Спекание огарка достигается в результате образования сравнительно легкоплавких силикатов железа, свинца и цинка, при этом происходит выгорание остатка серы и отгонка кадмия, германия, индия, галлия. При температуре агломерирующего обжига практически все железо окисляется до магнетита Fe₃O₄, поэтому ферритов тяжелых цветных металлов образуется мало. Применять флюсы для снижения тугоплавкости и увеличения доли связующих компонентов в агломерате нецелесообразно, т.к. это ухудшает условия дистилляции. Полученный агломерат почти не содержит сульфатной серы.

Шихту перед агломерацией увлажняют до влажности 6-10% для улучшения газопроницаемости. Пылевынос при агломерации 3-4%, пыль содержит до 25-35% свинца и до 1,5% кадмия. Ее не возвращают на обжиг, а перерабатывают отдельно для извлечения свинца и кадмия.

Агломерирующий обжиг полученного огарка ведут на прямолинейных спекательных машинах при температурах в зоне горения и спекания до 1200-1400 С. Потребности тепла обеспечиваются как за счет реакций окисления сульфидов, так и за счет ввода в шихту необходимого количества коксика.