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.

Чистый 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.

На 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 Zn₃P_2, ZnP_2, галогениды с общей формулой ZnHal₂. Цинк обладает амфотерными свойствами и вступает в реакции с кислотами и щелочами.

Цинк 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.

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.

 Для обогащения используют селективную флотацию, что позволяет выделить цинк в отдельный концентрат. Примерный состав отражен в таблице 2.

Таблица 2.

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.