» » Практика электротермической возгонки цинка
29.05.2015

После того как была показана возможность успешной дистилляции цинка в вертикальных ретортах возник процесс электротермического получения цинка «Сент-Джозеф Лед компани».
На крупнейшем заводе, работающем по этому способу, в Джозефтауне (Пенсильвания, США) перерабатывают концентраты, содержащие 53—59% Zn и 0,07—2,9% Рb. Концентраты с различным содержанием свинца перерабатываются раздельно, что позволяет выдавать цинк различного качества.
Ежесуточно в многоподовых печах и частично печах для обжига во взвешенном состоянии обжигается около 450 г концентрата Обжиг в многоподовых печах сопровождается отгонкой 90% свинца и 30% кадмия. Полученный огарок гранулируют в смеси с коксом и подвергают двухступенчатой агломерации, обеспечивающей дополнительную весьма полную отгонку свинца и кадмия. Огарок от обжига во взвешенном состоянии агломерируют одноступенчатым процессом.
Пыль обжиговых и агломерационных машин подвергают выщелачиванию и переработке для извлечения свинца и кадмия. Цинк, освобожденный от этих примесей, возвращают в процесс.
Шихту, состоящую из равных объемов агломерата и кокса, нагревают электрическим током в вертикальных печах. Окись цинка, находящаяся в шихте, восстанавливается до металлического цинка и образовавшиеся пары цинка вместе с окисью углерода удаляются из печи.
Характеристика электропечей цинкового завода в Джозефтауне приведена в табл. 1. В дополнение к этим данным, относящимся к 1950 г., следует отметить, что недавно на этом заводе построено несколько печей производительностью свыше 50 т/сутки.
Практика электротермической возгонки цинка

Схема устройства печи показана на рис. 1. Ток подводится через параллельно включенные электроды, входящие сквозь стенки во внутреннее пространство печи по радиусу в верхней и нижней ее частях. Электроды квадратные 300 X 300 мм длиной 1,8 м расположены наклонно, чтобы не препятствовать сходу шихты, и погружены в нее на 200—300 мм. Каждая пара электродов дает мощность около 500 квт при напряжении 160—260 в.
Практика электротермической возгонки цинка

Автоматические весовые дозаторы подают смесь агломерата и кокса в трубчатые вращающиеся печи, отапливаемые газом. Шихта определенного гранулометрического состава (табл. 2), нагретая до 800°, поступает в электропечи.
Практика электротермической возгонки цинка

Печь загружают таким образом, чтобы более крупные частицы кокса и агломерата располагались в средней ее части, что способствует созданию в центре печи наиболее горячей пористой зоны. При этом создаются наилучшие условия службы футеровки, улучшается использование тепла и концентрируется газовый поток. Температура в центре достигает 1400°, у стен не превышает 900°; средняя температура в печи около 1200°.
Для предотвращения спекания шихта должна находиться в постоянном движении. По мере отгонки цинка легкоплавкость шихты возрастает и вероятность спекания ее в нижней части печи становится весьма большой. При неразномерном сходе шихты ток по сечению печи проходит неравномерно, вызывая местные перегревы и даже расплавление шихты.
Кокс, расходуемый в трехкратном размере против теоретически необходимого количества, способствует сохранению постоянства электропроводности шихты по мере прохождения ее вдоль печи. Только в нижней части наблюдается рост электросопротивления, за счет чего несколько повышается температура; это способствует лучшей отгонке цинка из шихты.
Пары цинка удаляются через отверстие, расположенное несколько выше средней части печи, в кольцевой сборник, откуда поступают в конденсатор. Температура газов при этом составляет примерно 850°.
У печей, служащих для производства окиси цинка, отверстия для отвода цинковых паров расположены по всему периметру. Пары цинка и окись углерода окисляются воздухом за стенами печи, охлаждаются его избытком, а образующаяся пыль осаждается в рукавных фильтрах.
Остатки от дистилляции выгружаются из печи, как показано на рис. 1. Бедные цинком более легкоплавкие и поэтому спекшиеся крупные частицы отделяются на сите от мелочи, богатой цинком. Эти крупные частицы разделяются магнитной сепарацией; магнитную часть, богатую железом и бедную цинком, направляют в отвал, а немагнитную часть, состоящую из кокса и не полностью восстановленного агломерата, делят при помощи воздушной сепарации на крупную фракцию, возвращаемую в электропечь, и мелочь, которую направляют совместно с мелочью от первого грохочения для приготовления шихты агломерации.
Опыт работы завода в Джозефтауне показал большое значение фактора физической подготовки шихты и ее влияния на ход процесса.
Существенное значение для процесса имеет выбор огнеупорных материалов. Шахту печей выкладывают плотным кирпичом специальных марок, свод над кольцом для отвода газов — из карбофракса, а пояс под кольцом — из литого муллита. Расход кирпича достигает 20— 25 кг, а карборунда 2 кг на 1 т цинка.
Компания печей для получения окиси цинка длится 240—300 суток, а печей для получения металлического цинка — до 100 суток. Работа завода характеризуется данными, приведенными в табл. 3 и 4.
Практика электротермической возгонки цинка

Этот же метод применяется также в Аргентине, где построен завод производительностью 15000 т цинка в год.
Другой вариант электротермического получения цинка, так называемый Стерлинг-процесс, был осуществлен в начале прошлого десятилетия фирмой «Нью-Джерси Зинк Ко» в Пальмертоне на руднике Стерлинг-Хилл, руды которого характеризуются высоким содержанием железа и окиси цинка, связанной в силикатные минералы.
После обжига руда содержит 18—20% Zn, соотношение Zn:Fе колеблется от 1:1 до 20:1, что заметно осложняет осуществление любым известных процессов получения цинка.
Шихту с самым широким диапазоном по гранулометрическому составу (например, от содержания в ней 95% класса +13 мм до содержания 30% класса—0,06 мм) обжигают до содержания серы менее 1%. смешивают с углем и флюсами и нагревают во вращающейся печи до 850—900°. При этом происходят сушка шихты, удаление летучих составляющих угля, отгонка свинца и кадмия и восстановление части окислов.
Практика электротермической возгонки цинка

На рис. 2 изображена электропечь, предназначенная для плавки. Печь имеет прямоугольную форму, высота ее 2,5 м, толщина стен 600 мм; подина охлаждается воздухом, а стены орошаются снаружи водой. Электроэнергия поступает от 6000 квт трансформатора на три графитовых электрода диаметром 600 мм; практически расходуемая мощность 4500 квт. Электроды погружены в расплавленный шлак, отношение СаО:SiO2 в котором поддерживают в пределах 0,8—1,4. Шлак обладает достаточной текучестью при 1350°. Под шлаком находится слой чугуна. Горячую шихту загружают периодически порциями весом 2—3 т по длинным сторонам печи для защиты стен от прямого излучения.
Восстановление и возгонку цинка производят из твердой фазы, т. е. до полного расплавления шихты: в этих условиях скорость восстановления больше. Содержание железа в шлаке поддерживают в пределах 2—6% с тем, чтобы предупредить восстановление кремния и кальция и не допустить окисления углерода из чугуна закисью железа. Работу ведут на высоком напряжении: такой режим сопровождается образованием дуги между электродами и шлаком, что способствует выделению значительной части тепла за счет лучеиспускания.
При переработке концентрата, содержащего 50% Zn и 15% Fе, и суточной производительности 35 т чушкового цинка общее его извлечение составляет 95%, а расход энергии — менее 3300 кет*ч/т цинка. При работе печь находится под нагрузкой 95% общего времени.
Отсутствие в печи фильтрующего коксового слоя для регенерации СО не обеспечивает хороших условий конденсации и в струйном конденсаторе. В металл переходит лишь 75—80% цинка. Газы после очистки в скруббере от пыли используют для подогрева шихты и рафинировочных цинковых печей.
Металл, который выпускают из конденсатора в котел и после ликвации разливают в чушки, содержит 0,77% свинца, 0,01% кадмия, 0,02% железа и 0,001% меди, содержание цинка по разности равно 99,2%.
В чугуне концентрируются медь, золото и часть серебра, которые при достаточном их содержании могут быть извлечены.
Установки, аналогичные осуществленным на руднике Стерлинг-Хилл, эксплуатируются в Перу на заводе компании «Церро де Паско».
Сооружение и работа комплекса агрегатов, необходимых для Стерлинг-процесса, значительно проще, чем для метода компании «Сент-Джозеф Лед Ко». Эта установка предъявляет более низкие требования к сырью и позволяет извлекать сопутствующие металлы, но требует довольно большого расхода энергии и вследствие повышенного содержания СО2 в газах дает пониженное извлечение цинка в металл при более низком его качестве.
В России на Беловском цинковом заводе успешно эксплуатируется опытная промышленная электропечь для переработки цинковых концентратов. Осуществляя схему рудника Стерлинг-Хилл, на Беловском заводе извлекают в возгоны до 95% цинка, содержащегося в агломерате. Цинковые возгоны осаждают в виде тонкой металлической пыли, которую после просева направляют на гидрометаллургические цинк-электролитные заводы и другие предприятия в качестве цементирующей добавки для очистки растворов от примесей. Полученная пыль, имеющая активность 90% и крупность частиц менее 4 мк, используется для этой цели весьма успешно. Одновременно осваивается процесс прямой конденсации цинка в металл.