Рафинирование чернового цинка



Цинк, полученный дистилляцией, называют черновым (или сырым), так как общее содержание примесей в нем достигает 3 - 4 %. В дистилляционном цинке независимо от способа его получения может быть до 3 % Рb, до 0,3 % Fе, до 0,5 % Сd, а также медь, мышьяк, сурьма и другие примеси. Черновой цинк идет в основном на оцинкование железа. Большую часть дистилляционного цинка подвергают рафинированию. Применяют способы рафинирования: ликвацией, дистилляцией, химическое и рафинирование ректификацией.

Ликвационное рафинирование основано на изменении растворимости металлов -примесей в расплавленном цинке при охлаждении расплава с последующим выделением металлов-примесей в отдельную металлическую фазу и разделением фаз по плотности. Ликвацией рафинируют цинк от свинца и железа. Свинец ограниченно растворим в цинке. С понижением температуры до затвердевания эвтектики (417,8°С) происходит уменьшение взаимной растворимости цинка и свинца. На практике ликвацию проводят при 430 - 440 °С. Этой температуре соответствует содержание свинца в цинке около 1 % .

Железо с цинком образует ряд химических соединений (FеZn3 и FеZn7) и твердых растворов, которые при охлаждении кристаллизуются, образуя пропитанную цинком губчатую массу железистого цинка (так называемого гартцинка- твердого цинка ). В жидкой ванне при ликвации обычно образуется три слоя: жидкий сплав свинца с цинком, содержащий 5 - 6% Zn (нижний); слой твердого железистого цинка (средний); жидкий рафинированный цинк (верхний). Кроме того, на поверхность жидкого цинка всплывают оксиды цинка - дроссы. Ликвацию проводят в отражательных печах с восстановительной атмосферой, чтобы не окислить цинк. Расход топлива составляет около 10 % от массы чернового цинка. В печи расплавляют чушки чернового цинка, ванну выдерживают при 430 - 450 °С в течение 24 - 36 ч, освобождают поверхность ванны от дроссов, выпускают из печи часть цинка (примерно треть) и догружают ванну черновым цинком. Полученный после рафинирования ликвацией цинк содержит 0,8 - 1,2 % Рb и 0,03 - 0,04 % Fе. По мере накопления железистый цинк удаляют из печи шумовкой, а свинец с донной части ванны вычерпывают через трубу, вставляемую через свод в ванну печи. В процессе ликвационной плавки 90 % цинка переходит в частично рафинированный металл, 1,5% - в цинковистый свинец, 5 % - в железистый цинк, 2 % в дроссы, 1,5 - угар. Цинковистый свинец (5 - 6% Zn) направляют на свинцовые заводы, на которых его обычно загружают в рафинировочные котлы на стадии обессеребрения свинца. Дроссы, удаляемые с поверхности ванны, возвращают в шихту дистилляционных печей. Железистый цинк (4 - 5 % Fе и 94 % Zn) также возвращают на дистилляцию.

Для более полного удаления свинца и некоторых других примесей может быть применена повторная дистилляция цинка или так называемая редистилляция. При нагреве цинка до 1000 °С цинк и кадмий возгоняются. Равновесная упругость паров свинца при этой температуре составляет 236 Па (0,24 % от атмосферного давления), а упругость паров железа и меди ничтожна. Пары цинка конденсируют и получают чистый цинк (99,85 % Zn и 0,1 % Рb). В процессе редистилляции в рафинированный цинк переходит 80 % Zn, в побочные продукты 15 %, потери цинка составляют 5 %.

Рафинирование ректификацией. С целью получения чистого цинка высоких марок применяют последовательно ликвацию и ректификацию. Ректификация позволяет получить цинк чистотой 99,996 %, а также свинец и кадмий в отдельных продуктах. Этот передел сравнительно дорогой и применяют его не часто.

Ректификацией называют непрерывный противоточный процесс разделения двух компонентов, в котором операции дистилляции и конденсации фаз многократно повторяются. При ректификации используют известное явление: содержание низкокипящего компонента в парах кипящей жидкости всегда выше, чем в равновесной с ним жидкой фазе (закон Д.П. Коновалова).

Ректификация позволяет разделить компоненты с близкими температурами кипения и получить чистые металлы. Температура кипения компонентов чернового (сырого) цинка следующая, °С: 906 - Zn; 767 - Сd; 1745 - Рb; 2543 - Сu; 2870 - Fе.

Ректификацией легко отделить цинк от меди и железа, но разделить цинк, кадмий и свинец - значительно труднее. Ректификацию цинка проводят в две стадии. На первой стадии цинк и кадмий отделяют от примесей. При этом получают нелетучие примеси в кубовом остатке, а цинккадмиевый сплав – в дистилляте. На второй стадии разделяют цинк и кадмий.

Первую стадию осуществляют в колонне, получившей название «свинцовой», вторую – в «кадмиевой». Чушковой цинк расплавляют в печи, из которой он непрерывным потоком течет в приемник «свинцовой» колонны и далее по трубе поступает в «свинцовую» ректификационную колонну. Колонна состоит из 50 карборундовых тарелок. Около половины тарелок находится в камере горения топлива (испаритель), другая половина тарелок – в необогреваемой части колонны, защищенной теплоизолирующей кирпичной кладкой. Цинк из печи подают в среднюю необогреваемую часть колонны.

Рис.13.4. Схема цепи аппаратов ректификационной установки:

1 – печь-миксер; 2 – приемник «свинцовой» колонны; 3 – «свинцовая» ректификационная колонна;

4 – камера горения топлива; 5 – зумпф «свинцовой» колонны; 6 – печь ликвационного рафинирования

свинца; 7 – конденсатор «свинцовой» колонны; 8 – «кадмиевая» ректификационная колонна;

9 – конденсатор «кадмиевой» колонны; 10 – печь для разливки рафинированного цинка [7, стр.170]

В испарителе цинк нагревается и при достижении температуры кипения весь кадмий и около 85 % цинка переходят в пар. Неиспарившиеся 15 % цинка и флегма (всего примерно 25 % от массы загруженного цинка), содержащие труднокипящие примеси, стекают в зумпф свинцовой колонны, откуда поступают в печь рафинирования. В печи при температуре 430–460 °С расплав подвергают ликвации с выделением цинка, свинца и гартцинка.

Пары цинка и кадмия поднимаются навстречу стекающему цинку. На выходе паров из испарительной части колонны вследствие снижения температуры конденсируются пары труднокипящих металлов, и практически весь свинец переходит в флегму.

Пары цинка, пройдя через верхнюю часть колонны, поступают в конденсатор «свинцовой» колонны, представляющий собой футерованную карборундовым кирпичом камеру. Сконденсированный цинк-кадмиевый сплав из зумпфа свинцового конденсатора по желобу течет в приемник «кадмиевой» колонны, из которого по трубе поступает в среднюю часть «кадмиевой» колонны.

Рабочий процесс в кадмиевой колонне протекает так же, как и в свинцовой. Флегма и неиспарившаяся часть загруженного сплава стекают в зумпф «кадмиевой» колонны и представляют собой рафинированный цинк, содержащий от 99,995 до 99,998 % Zn, 0,002 % Pb, 0,003 % Cd, по 0,001 % Cu и Fe. Богатые кадмием пары из колонны направляют в металлический конденсатор. Конденсат дистиллята – цинк-кадмиевый сплав, содержащий около 40 % Cd. Часть сплава осаждается в виде пыли или губки.

Извлечение цинка в рафинированный металл составляет 93–95 %, в том числе в цинк высшей марки переходит 71 % Zn, в ликвационный – 24 %. В дроссы переходит 2,3 % Zn, в цинковистый свинец – 1,0 %, в цинккадмиевый сплав – 0,8 %, в гартцинк – 0,2 %. Потери составляют 0,7 %.

 


Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 341; Мы поможем в написании вашей работы!






Мы поможем в написании ваших работ!