» » Получение цинка в шахтной печи
06.05.2015

Обычная восстановительная плавка цинкового агломерата в шахтной печи с выдачей из нее жидкого цинка невозможна, так как при давлениях, близких к атмосферному, цинк восстанавливается в виде паров и улетучивается. Под давлением, превышающим атмосферное, восстановить окись цинка в шахтной печи с получением жидкого металла теоретически возможно, но в этом случае вследствие одновременного восстановления до металла присутствующего в шихте железа был бы получен цинковожелезный сплав, требующий дополнительной редистилляции для выделения цинка.
Большим достижением в пирометаллургии цинка последних лет явилась разработка метода промышленного применения непрерывной шахтной плавки цинкового агломерата на заводе Эвонмаут (Англия). Исследования этого процесса на заводе Эвонмаут, проводившиеся в течение 25 лет, завершились недавно постройкой двух шахтных печей с общей суточной производительностью 70 т цинка. Решение главной проблемы — конденсации цинка из газов с относительно низкой концентрацией цинковых паров и значительным содержанием двуокиси углерода — позволило до 89% цинка получать в виде жидкого металла.
В шахтных печах завода Эвонмаут плавится крупнокусковый цинковый агломерат в смеси с коксом крупностью 76 мм, расход которого составляет 104% к весу возгоняемого цинка. Шихту предварительно подогревают до 800°, а воздушное дутье — до 600°, причем подогрев осуществляется за счет сжигания части конденсаторного газа. Для обеспечения высокого коэффициента использования тепла, свободного выпуска расплавленных продуктов и предупреждения получения в печи чугуна кокс сжигают с образованием значительного количества CO2. Колошниковые газы содержат 8—10% CO2 и 5—6% паров цинка, температура их поддерживается на уровне 1000°.
Известно, что восстановление окиси цинка углеродом протекает главным образом по реакциям
Получение цинка в шахтной печи

В шахтной печи двуокиси углерода образуется больше, чем следует по реакции (1), так как часть углерода сгорает до СО2 в фокусе печи. Поэтому при понижении температуры реакция (1) энергично идет справа налево и для предупреждения окисления цинковых паров на всем пути от печи до конденсатора необходимо поддерживать температуру газов не ниже равновесной, обеспечив быстрое охлаждение их в конденсаторе. На заводе Эвонмаут высокую температуру газов в верхней зоне печи поддерживают сжиганием в печи некоторого количества конденсаторного газа.
Для быстрого охлаждения газов в конденсаторе и получения цинка в жидком состоянии был применен метод противоточного орошения их жидким свинцом Встречая свинцовую завесу, газы быстро охлаждаются и пары цинка конденсируются на каплях свинца. Температура газов на выходе из конденсатора 450°. Охлаждение большого количества газов требует, согласно тепловому балансу, подачи на орошение 420 т свинца на 1 т цинка при температуре 440°. Практически в час на орошение подается 300—400 т свинца, при этом содержание цинка в последнем поднимается незначительно — всего на 0,24%. Обогащаясь цинком до 2,26% при нагреве до 570°, свинец остается не на сыщенным по цинку (рис. 24). После охлаждения свинца до 440° избыточное против предела насыщения (2,02%) количество цинка всплывает на поверхность свинцовой ванны. Образование тумана при быстром охлаждении газов предотвращается высоким перегревом паров цинка (температура печных газов 1000°, а точка росы 650°) и орошением их расплавленным свинцом
Получение цинка в шахтной печи

Схема процесса шахтной плавки цинка на заводе Эвонмаут показана на рис. 25. Печи имеют кессонированную нижнюю часть и футерованную огнеупорным кирпичом верхнюю часть шахты Площадь пода одной печи с 16 фурмами 5,1 м2 и второй с 20 фурмами 6,4 M2. Производительность печей равна соответственно 30 и 40 г цинка в сутки. Печи оборудованы отстойниками для накапливания штейна и чернового свинца и герметическими колошниками Шихту загружают через двойной колокольный затвор.
Газы отводятся из печи над шихтой одновременно в два конденсатора. В каждом конденсаторе работают по три вертикальных ротационных насоса, погруженных в свинцовую ванну, с помощью которых производится противоточное орошение газов свинцом. Температура газов быстро падает с 1000 до 600° и затем еще до 450° у выхода из конденсатора. Газами уносится из конденсатора не более 5% от исходного количества цинковых паров Пусьеру улавливают в отстойниках и направляют в оборот.
Получение цинка в шахтной печи

Как видно из схемы на рис. 25, свинец циркулирует в замкнутом цикле: конденсатор — насосная камера — водоохлаждаемый желоб — ванна для разделения свинца и цинка — конденсатор. Температурный режим конденсатора регулируется изменением скорости циркуляции и степени охлаждения свинца в желобе (температура свинца на выходе из желоба 450°). В разделительной ванне на поверхности свинца поддерживают постоянный слои цинка высотой 380 мм. Цинк непрерывно скачивается в котел для рафинирования.
Состав шлака меняется в зависимости от характера шлакообразующих сырья; содержание в шлаке свинца составляет 0.5%, а цинка колеблется от 1 до 5%. При тщательном подборе шихты в шлаке остается не более 2—3% цинка. Степень возгонки цинка увеличивается при добавлении в шихту известняка, увеличении пористости агломерата и равномерном распределении шихты в печи.
Все процессы регулирования давления и температуры воздуха в шахтной печи и подогревателе, а также распределение газов между конденсаторами автоматизированы.
При благоприятных условиях 89% цинковых паров конденсируется в жидкий металл. Остальные 11% извлекаются из газов в виде дросса (43% Zn и 36% Pb) и пусьеры (32% Zn и 45% Pb). Дроссы и пусьера идут в оборот в шихту плавки. Жидкий черновой цинк, сильно загрязненный мышьяком (0,05%) и немного сурьмой, обрабатывают металлическим натрием. В готовом цинке содержится 1,2% Pb, 0,024% Fe, 0,07% Cd и 0,001% As. При большом содержании мышьяка в сырье процесс ведут с получением некоторого количества металлического железа для образования шпейзы.
Расход кокса в шахтной плавке ниже, чем при дистилляции цинка в ретортах. Замечено, что при плавке богатых свинцово цинковых концентратов расход кокса составляет 90% от веса возогнанного цинка плюс 20% от веса полученного шлака.
Новый процесс шахтной плавки особенно приемлем для переработки свинцово-цинковых концентратов и цинксодержащих шлаков свинцовой плавки.
Свинец при этом способе получается в виде чернового металла. Ввиду экзотермичности реакции восстановления окиси свинца топлива на его попутное получение не расходуется. В черновом свинце концентрируется золото, серебро, медь и сурьма.
К 1957 г. в шахтных печах было выплавлено 70 000 г цинка. Применение воздуха, обогащенного кислородом, или чистого кислородного дутья позволило бы еще более усовершенствовать этот процесс. Опыты в этом направлении проводились Д.М. Чижиковым и Ф.M. Лоскутовым.
После промывки газов в специальных устройствах их используют для подогрева воздуха и шихты и сжигают под котлами.