Металлургия цинка
Примеры использования сплавов, в состав которых входит цинк, известны с древности. Впервые металл был применен в Индии, Китае, странах Востока для плавки медно-цинкового сплава. Другое их название — латуни. Способности металлургии были ограничены, поэтому долгое время не получалось выделить чистый цинк. Другими препятствиями являлись высокая химическая активность элемента и летучесть. В средине XVIII века удалось выплавить металл высокого качества. После чего, изобретение было запатентовано, и началась эра промышленного производства цинка.
Физические свойстваЧистый металл обладает серебристо-серым цветом. Он хрупок и может ломаться при небольшом усилии. Присутствие примесей увеличивает это свойство. Температура плавления цинка — 419,5 ˚C. При нагреве до 500—600 ˚C происходит улетучивание металла в виде паров.
Химические свойстваНа воздухе металл покрывается оксидной пленкой. Процесс можно описать уравнением:
2Zn + O2 = 2Zn O
При содержании в атмосфере большого количества паров воды и оксида углерода (IV) поверхностный слой образуется из карбоната и гидроксида цинка. Он практически полностью защищает металл от окисления. Это качество используют для создания покрытий от коррозии. Процесс носит название — цинкование.
При нагревании металл вступает в реакцию со многими химическими элементами. С серой, фосфором, галогенами. В результате образуются соединения: сульфид ZnS, фосфиды Zn3P2, ZnP2, галогениды с общей формулой ZnHal2. Цинк обладает амфотерными свойствами и вступает в реакции с кислотами и щелочами.
ПрименениеЦинк и его соединения широко используются в разных отраслях промышленности.
- Оксид цинка востребован в производстве красок и медикаментов.
- Сульфид металла входит в состав люминесцентных составов.
- Хлорид цинка — компонент флюса для пайки.
Процентное соотношение по разным направлениям использования приведено в таблице 1.
Таблица 1.
Наименование отрасли применения |
Примерное значение от общей массы производимого цинка, % |
Цинкование |
25—40 |
Литейные сплавы |
25—40 |
10—30 |
|
Цинковый прокат |
5—10 |
Производство оксида цинка |
3—10 |
Прочие расходы |
3—8 |
Сырье для производства цинка
Для получения металла применяют полиметаллические руды. Цинк находится в них в виде сульфида. Примерное содержание составляет 1 – 3 %. Это значение очень низкое и требует дополнительных действий перед переработкой. По составу руда является многокомпонентным материалом. В ней содержится в сульфидной форме ряд сопутствующих элементов: медь, свинец, висмут, кадмий, серебро и золото. Одновременно с выделением цинка происходит извлечение других компонентов. Например: свинца, меди, кадмия, индия, ртути, селена, теллура. Также полиметаллические руды содержат в незначительных количествах серебро и золото.
ПереработкаДля обогащения используют селективную флотацию, что позволяет выделить цинк в отдельный концентрат. Примерный состав отражен в таблице 2.
Таблица 2.
Химический элемент |
Массовая доля в концентрате, % |
Цинк |
48—60 |
Свинец |
1,5—2,5 |
Медь |
1—3 |
Кадмий |
до 0,5 |
Железо |
3—10 |
Сера |
30—38 |
Наиболее распространенным на территории Россия является гидрометаллургическое получение цинка. С помощью него получают до 90 % металла. Пирометаллургия используется реже.
Технология гидрометаллургического процесса основана на взаимодействии разбавленной серной кислоты с предварительно обожженным концентратом. Стадия обжига выполняется в печах кипящего слоя. Такой прием позволяет получить огарок из частиц небольшого размера, но с развитой поверхностью. Основные реакции, описывающие процесс представлены следующим образом:
2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2 ,
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2
В ходе протекания процесса происходит выделение энергии в достаточном количестве для проведения сжигания без дополнительных затрат.
Взаимодействие оксида цинка с раствором серной кислоты можно описать с помощью уравнения:
ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O
Реакция проходит в специальных емкостях при перемешивании. Их объем может доходить до 140 м3. Часть концентрата, не вступившая в реакцию, отправляют на восстановление мелкой частью кокса. Процесс проводят в трубчатой печи при температуре 1100 – 1200 ˚C. В результате происходит извлечение оставшихся элементов: цинка, свинца, кадмия и др. После удаления летучих компонентов, клинкер, в составе которого находятся железо, медь и драгоценные металлы, попадает в медеплавильное производство. Этот продукт добавляют в шихту для плавки в печах шахтного типа.
Одновременно происходит взаимодействие реактива с сопутствующими компонентами. Полученный раствор содержит значительные количества меди, железа, кадмия и др. Перед следующим этапом требуется удаление посторонних примесей.
Для выделения металлического цинка из сернокислого раствора используют процесс электролиза. На катоде осаждается металлический цинк, а на аноде происходит регенерация серной кислоты. Окислительно-восстановительный процесс под действием электрического тока протекает по уравнению:
2ZnSO4 + 2H2O = 2Zn + 2H2SO4 + O2
Условия прохождения реакции: плотность тока до 700 А/м2, высокий уровень очистки рабочего раствора от посторонних примесей, температура от 33 до 38 ˚C.
Добавка в состав раствора для электролиза поверхностно-активных веществ способствует перенапряжению водорода. Материал катода представляет собой лист из алюминия, толщиной 34 мм. Анод выполнен из свинца с примесью серебра (1 %). Такая добавка увеличивает его стойкость в агрессивных условиях. Цинк, полученный в результате электролиза, переплавляют и разливают в изложницы для получения чушек.