Выщелачивание обожженного цинкового концентрата

Тема: Выщелачивание обожженного цинкового концентрата  

Введение 

      Цинк  относится к металлам древности, дата открытия которых теряется в  веках.

     Происхождение названия элемента неясно, однако кажется  правдоподобным, что оно произведено  от Zinke (по-немецки «острие», или «зуб»), благодаря внешнему виду металла.

     Содержание  цинка в земной коре составляет 7,6·10^–3%, он распространен примерно так же, как рубидий (7,8·10^–3%), и чуть больше, чем медь (6,8·10^–3%). [6]

     Основными минералами цинка являются сульфид  цинка ZnS (известный как цинковая обманка или сфалерит) и карбонат цинка ZnCO₃ (каламин в Европе, смитсонит в США).

     Цинк  – тяжелый цветной металл синевато-белого цвета. Плотность твердого цинка  составляет 7,14 г/см³,жидкого 6,7 г/см³. Температура плавления равна 419,4 ^оС, кипения 906 ^оС. Цинк – сильно летучий металл.

     Цинк  тверже, чем олово, но мягче, чем отожженная медь. Холодный цинк хрупкий и не прокатывается. При 100-150 ^оС цинк становится ковким и пластичным, из него можно прокатать листы , толщина, которых составляет сотые доли миллиметра. При нагреве свыше 250 ^оС цинк становится настолько хрупким,что легко может быть превращен в пыль. При 500 ^оС цинк горит зеленовато-синим пламенем, образуя белый порошок оксида цинка  ZnO. При этом цинк способен окисляться кислородом воздуха, парами воды и углекислым газом. [5]

      Энтальпия плавления цинка составляет 6,18 кДж/моль, энтальпия парообразования 122,0 кДж/моль.

      Сухой воздух при отсутствии углекислоты  не оказывает влияния на цинк при  комнатной температуре. Влажный воздух окисляет металл с образованием на его поверхности тончайшей пленки сероватого цвета, имеющей состав ZnCO₃∙3 Zn(OH)₂. Эта пленка обладает большой плотностью и препятствует дальнейшему развитию окислительного процесса внутри металла.[5]

     Стандартный электродный потенциал цинка - 0,763 В.

     Цинк  в соединениях проявляет валентность 2+.

     Разбавленные  кислоты растворяют цинк с выделением водорода. Щелочи растворяют цинк с  образованием цинкатов. Цинк – самый  электроотрицательный металл из тяжелых  цветных металлов. Он вытесняет из раствора такие металлы как Сu, Ni, Co, Pb, Sn.

     Из  химических соединений цинка для  металлургии наибольшее значение имеют  сернистый цинк (ZnS), оксид цинка (ZnO), углекислый цинк (ZnCO₃) и сульфат цинка (сернокислый цинк ZnSO₄).

     Добыча цинка ведется в 50 странах. В России цинк извлекается из медноколчеданных месторождений Урала, а также из полиметаллических месторождений в горах Южной Сибири и Приморья. Крупные запасы цинка сосредоточены в Рудном Алтае (Восточный Казахстан), на долю которого приходится более 50% добычи цинка в странах СНГ. Цинк добывают также в Азербайджане, Узбекистане (месторождение Алмалык) и Таджикистане.[6]

     В 2004 в Китае выпуск рафинированного  цинка достиг 2,46 млн т. Примерно по 1 млн. т производят Канада и Австралия.

     Спрос на металл остается высоким, благодаря  бурному росту производства антикоррозионных покрытий. Оцинкованная жесть широко применяется как кровельный материал. Металлический цинк в виде брусков  используют для защиты от коррозии стальных изделий, соприкасающихся с морской водой. Большое практическое значение имеют сплавы цинка – латуни (медь плюс 20–50% цинка). Для литья под давлением, помимо латуней, используется быстро растущее число специальных сплавов цинка. Еще одна область применения – производство сухих батарей, хотя в последние годы оно существенно сократилось.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     1 Общая часть

     1.1 Руды и минералы цинка

     Самородного цинка в природе не найдено. В  рудах цинк представлен окисленными  и сернистыми минералами, в связи,  с чем цинковые руды подразделяются на сульфидные и окисленные в зависимости от того, какие минералы содержаться в руде в превалирующем количестве.

      Важнейшие минералы приведены в табл.1. [3] 

Таблица 1 – Главнейшие минералы цинка

 

  В сульфидных рудах цинк присутствует главным образом в виде сфалерита ZnS, содержащего 67,1% Zn и 32.9 % S. Чистый сфалерит – желтого цвета, но примеси железа придают ему темно-бурый и черный цвет. Часто руды содержат и другую разновидность сульфида цинка – минерал вюртцит ZnS. Очень часто сульфидные цинковые минералы ассоциированы с сульфидами железа в виде марматита (nZnS∙mFeS) или христофита.

      Из  табл. 2 видно, что большинство цинковых концентратов содержит 50-55% Zn и 30-32% S,то есть80-85% ZnS. Не вызывает технологических трудностей содержание в концентрате 4-8% Fe и 2-3% SiO₂. Более высокое содержание этих примесей ведет к снижению извлечения цинка при переработке концентратов гидрометаллургическим способом и вызывает известные затруднения в производстве. Те или иные количества кадмия, меди, свинца и редких элементов в концентратах предопределяют иногда схему их переработки. При современных способах металлургического передела все они извлекаются в полупродукты, подвергаемые дальнейшей переработке. [3]    

Таблица 2 – Химический состав концентратов,%

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.   Потребление цинка и его соединений

     Крупнейшими странами — потребителями цинка являются Китай, США, Япония и Германия, на долю этих стран приходится около 51% суммарного потребления рафинированного цинка в мире (рис. 1). В 2007 г. объемы потребления и производства цинка составили около 11,3 млн т. [4] 

     Рисунок 1 – Структура потребления рафинированного  цинка в мире 

      Расплавленный цинк образует с железом химические соединения, сохраняющиеся и в  твердом состоянии. Этим свойством  пользуются для покрытия стальных изделий защитным  цинковым слоем, наносимым методами гальванизации, горячего цинкования и шерардизации. Также оцинковывают листы, трубы, проволоку, гвозди, баковую аппаратуру, фермы мостов и перекрытий и многие другие изделия. [3]

      Цинк  образует сплавы со многими цветными металлами. Сплав цинка с медью – латунь находит самое широкое применение в технике.

      Сплав цинка с медью и оловом называется бронзой. Различные сорта бронз  широко применяют в машиностроении. Сплавы цинка с медью и никелем  называются мельхиором и нейзильбером. Цинк используется также для производства типографических сплавов.

      Широкое применение нашло литье цинка  под давлением. Низкая температура  плавления и хорошие литейные качества позволяют при таком  способе литья получать изделия  высокой прочности, с хорошим качеством поверхности, почти не требующей дополнительной обработки. Изделия, полученные литьем под давлением, широко используются в авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности. В среднем в одной машине содержится около 25 кг цинковых деталей, отлитых под давлением.[2,3]  

      Цинк  используют для обессеребрения свинца и очистки сульфатных цинковых растворов. Его применяют для производства  ряда медикаментов, а также в химической промышленности.

        Окись цинка широко используется при производстве резины и ее обработке. Она улучшает качество резиновых шин и ряда других резиновых изделий. Широко используют чистый цинковый купорос при производстве корда – основы  шин.

      Цинк  довольно широко применяют при исследовании космического пространства. Цинк используют в качестве покрытия стартовых конструкций, применяемых для запуска ракет.[3]

      Краска, приготовленная из сульфида цинка, оказалась  наилучшей для покрытия космических  кораблей, так как она отличается низким отношением поглощения солнечной энергии к инфракрасному излучению и обладает наилучшими отражательными свойствами.

      Цинковые  соединения широко используют в качестве источников энергии в космических  кораблях – цинк-серебряных окисных  батарей.

      Потребления цинка непрерывно увеличивается, несмотря на широкое внедрение пластмасс, алюминия, нержавеющей стали и других заменителей.

  Потребление рафинированного цинка в России в 2006 г. составило около 175 тыс. т, причем по сравнению с предыдущим годом оно увеличилось более чем на 14%, в основном в связи с ростом производства оцинкованной стали. Из потребляемого в России цинка 62% идет на оцинкование, 18% — производство латунного проката, а 14% востребовано химической промышленностью (рис. 2). Около половины оцинкованного проката в России используется в строительстве. Другой важной областью применения цинка является автомобилестроение, поэтому крупными потребителями цинка в России являются металлургические предприятия «Северсталь», НЛМК, ММК, которые используют цинк для непрерывного горячего цинкования при производстве автолиста.[5]

     

     Рисунок 2 – Структура потребления цинка  в России 

     Таким образом, душевое потребление цинка в России пока отстает от уровня развитых стран. Однако Россия имеет хорошие предпосылки к позитивному развитию отрасли в первую очередь на фоне растущего спроса на легковые автомобили.  
 
 
 

1.3 Технологические схемы получения цинка

   Цинковая  промышленность для получения металлического цинка пользуется двумя способами: пирометаллургическим (дистилляционным)  и гидрометаллургическим (электролитическим). Основное количество цинка получают гидрометаллургическим способом. Технологические схемы того и другого способов представлены на рис. 3 и 4.[2] 

   

Рисунок 3 – Принципиальная схема пирометаллургического  способа получения цинка 
 

   

   Рисунок 4 – Принципиальная схема гидрометаллургического способа переработки цинковых концентратов