» » Рафинирование цинка
06.05.2015

Черновой цинк, полученный пирометаллургическим методом, содержит в виде примесей свинец, кадмий, железо, медь, мышьяк и т д. Некоторая часть чернового металла находит сбыт для оцинкования изделий, процессов цементации в гидрометаллургии, изготовления неответственных сплавов и т. д. Остальной цинк подвергают рафинированию различными методами.
Содержание примесей в черновом цинке колеблется в широких пределах, %:
Рафинирование цинка

Степень загрязнения цинка примесями зависит от характера сырья, температуры процесса, скорости дистилляции, времени выгреба и от других факторов. При одинаковых условиях чем выше температура процесса, тем больше примесей в черновом металле.
Свинец, кадмий, мышьяк и другие летучие металлы возгоняются и конденсируются вместе с цинком. Железо и медь попадают в цинк с частицами шихты. Источником загрязнения железом является также рабочий инструмент, употребляемый для выгреба цинка из конденсаторов.
Сырой цинк рафинируют двумя способами, ликвацией и ректификацией.
Рафинирование ликвацией

Ликвацией из чернового металла можно удалить механические включения, а также примеси, которые ограничено растворяются в цинке и образуют с ним тугоплавкие химические соединения. К таким примесям в первую очередь относятся свинец и железо. Диаграммы состояния систем Zn—Pb и Zn—Fe представлены на рис. 24 и 26.
В интервале температур между точками плавления и кипения цинка свинец имеет ограниченную растворимость в цинке. При охлаждении и отстаивании сплава образуются два слоя; нижний — обогащенный свинцом и верхний — цинком. Содержание металлов в этих слоях зависит от температуры сплава; чем ближе температура к точке плавления цинка, тем меньше свинца остается в верхнем цинковом слое. При температуре 430—450° в цинке содержится около 1 % Pb,
Диаграмма состояния системы Zn—Fe показывает, что железо образует с цинком тугоплавкие химические соединения с температурой плавления, значительно превышающей температуру плавления цинка. При охлаждении чернового цинка железо выделяется в виде кристаллов FeZn7. Эти кристаллы в соответствии со своим удельным весом располагаются между свинцовым и цинковым слоями.
Рафинирование цинка

Ликвационное рафинирование проводят обычно в отражательных печах емкостью от 30 до 150 г, отапливаемых углем, нефтью или генераторным газом. Процесс рафинирования включает следующие операции. загрузку и расплавление чушек чернового цинка, отстаивание цинковой ванны в течение 24—36 час. при температуре 430—450°, снятие дроссов, выпуск части рафинированного цинка, загрузка новой порции сырого цинка и т. д. Свинцовый сплав и так называемый твердый цинк, обогащенный железом, выгребают из печи периодически по мере накопления.
В рафинированном металле остается 0,8—1,0 % Pb и 0,03—0,04% Fe. Содержание цинка в свинцовом сплаве колеблется от 1 до 6%, а железа в твердом цинке не превышает 6%. Свинцовый сплав может использоваться для операции обессеребривания на свинцовых заводах. Твердый цинк возвращают на дистилляцию. Рафинирование от мышьяка и сурьмы ведут металлическим натрием в котлах.
В России ликвационное рафинирование как самостоятельная операция не применяется, его проводят только перед поступлением цинка в ректификационные колонны и осуществляют в небольших пламенных печах, разделенных на три отделения: плавильное, отстойное и перегревательное.
По данным практики цинковых заводов ПНР извлечение цинка при рафинировании составляет 98,99%, расход каменного угля на тонну готового металла 37 кг и безвозвратные потери цинка 0,25%.
Рафинирование ректификацией

С целью получения чистого цинка высоких марок применяют последовательно ликвацию и ректификацию Ректификация, или редистилляция, цинка основана на различии упругостей паров цинка и загрязняющих его примесей. Так температура кипения цинка 906°, кадмия 767°, свинца 1525°, меди 2310° и железа 3235°, следовательно, освободиться от меди и железа ректификацией довольно просто, а от кадмия и свинца труднее. Выделить последние удается путем много кратных дистилляций и конденсации цинка при различных температурах
Кривая равновесия между парами и кипящим сплавом Zn—Cd, исследованная Д.М. Чижиковым и Н.Н. Севрюковым (рис. 27), показывает возможности рафинирования цинка от кадмия методом ректификации
Ректификацию цинка осуществляют в колоннах, собранных из карборундовых тарелок, изображенных на рис. 28. Карборунд обладает высокой теплопроводностью и достаточной стойкостью по отношению к корродирующему действию цинка. По высоте колонна делится на две части обогреваемую нижнюю часть, где испаряется цинк, и верхнюю необогреваемую, называемую дефлегматором, где цинковые пары конденсируются. Испарительные тарелки имеют форму буквы W, конденсирующие — плоскодонные.
Рафинирование цинка

Работа ректификационной колонны протекает следующим образом. Расплавленный цинк непрерывно поступает на верхнюю тарелку испарительной части колонны, откуда стекает на расположенные ниже тарелки. Цинк поддерживают на тарелках в кипящем состоянии за счет обогрева испарительной части колонны генераторным газом. Пары цинка поднимаются навстречу потоку расплавленного металла и конденсируются на верхних тарелках. В колонне таким образом устанавливается частичный кругооборот цинка. В верхней ее части пары цинка, отводимые в конденсатор, обогащаются кадмием, а в жидком цинке на нижних тарелках накапливаются высококипящие примеси: железо, медь, свинец, индий и др.
Для отделения примесей ректификационную установку составляют обычно из двух колонн, располагая их последовательно. Схема такой установки представлена на рис. 29. Металл из ликвационной печи поступает в первую свинцовую колонну, насчитывающую 40—50 тарелок. Пары цинка и кадмия отводят в конденсатор. Четвертая или пятая часть цинка не успевает испариться. Эту часть цинка, аккумулирующую труднокипящие примеси (Fe, Cu, Pb), направляют на ликвацию. Процесс дистилляции ведут при 1100—1200°.
Рафинирование цинка

Обогащенный кадмием цинк из конденсатора свинцовой колонны поступает в кадмиевую колонну, температуру в которой поддерживают на 200° ниже, чем в свинцовой. Выходящие из колонны в конденсатор пары содержат поэтому до 40% Cd. Рафинированный цинк выпускают через нижнее отверстие и разливают в чушки.
На установке из двух колонн получают 20—30 т рафинированного цинка в сутки при сроке службы колонн 10—20 месяцев. Извлечение цинка из чернового металла достигает 96%. Рафинированный металл имеет чистоту 99,994% (0,002% Pb, 0,002% Fe и 0,0018% Cd). В свинцовом сплаве концентрируется индий, который можно извлечь.
В России на ректификационных колоннах успешно освоено производство тонкодисперсной цинковой пыли, в том числе и высокой чистоты. Эти колонны могут быть приспособлены и для дистилляции вторичного цинка.
В ПНР разработан метод получения металла высокой чистоты с содержанием цинка 99,999% и выяснены причины неполного выделения свинца из цинка. В результате исследований удалось получить цинк, содержащий 0,0006% Pb, 0,00012% Cd и 0,0003% Fe.