Полезные ископаемые

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.7. Металлургия  цинка

 

 

Цинк используется человеком с глубокой древности; первые сведения о металлическом цинке относятся к V в. до н.э. Первоначально его получали в виде сплава с медью — латуни, выплавка которой производилась в Индии, Китае и других странах Древнего Востока. Получение свободного цинка затруднялось его высокой химической активностью и летучестью. При восстановлении из руд он возгонялся, а его пары вновь легко окислялись окружающей газовой фазой.

Цинк — светло-серый металл с синеватым оттенком. В периодической системе элементов Д.И. Менделеева он размещается во II группе 4-го периода под номером 30. Атомная масса цинка 65, 37. Для цинка характерно двухвалентное состояние. Температуры плавления и кипения цинка соответственно равны 419,5 и 907°С. Упругость паров цинка чрезвычайно высока — он начинает заметно улетучиваться уже при 500—600°С. Этим свойством цинк значительно отличается от остальных тяжелых цветных металлов.

В обычных условиях цинк хрупкий и твердый металл с плотностью 7130 кг/м3. При температуре плавления его плотность составляет 6570 кг/м3. При нагреве до 100—150°С цинк очень пластичен; выше 200°С он вновь становится хрупким и его легко можно истолочь в порошок.

Цинк обладает высоким сродством к кислороду. Однако при нормальных условиях он отличается высокой коррозионной стойкостью. Сухой воздух при комнатной температуре на цинк не действует, но при наличии в нем паров воды и углекислого газа металл покрывается тонкой и очень плотной пленкой состава 2пСО3 « 2п(ОН)2, которая практически полностью прекращает процесс дальнейшего окисления. Это свойство цинка широко используют в технике для нанесения антикоррозионных покрытий (цинкование) главным образом на железные изделия.

Продукт окисления цинка — ZnО — трудно восстановим. Его восстановление до металла возможно при температурах выше 1000°С в атмосфере, практически полностью состоящей из оксида углерода (см. рис. 79). Оксид цинка плавится при температуре около 2000°С. Важное практическое значение для металлургии имеет также сульфид цинка 2п5 с температурой плавления 1775°С.

В разбавленных кислотах цинк растворяется с выделением водорода и образованием соответствующих солей. Щелочи растворяют цинк с образованием цинкатов, например Na2ZnО2.

Цинк — ярко выраженный электроотрицательный металл (Е0Zn = 0,763B). Он вытесняет медь, никель, кобальт, свинец, олово и благородные металлы из растворов. Это свойство цинка широко используют в металлургической практике для цементационного выделения многих металлов из промышленных растворов. Со многими металлами цинк образует ряд промышленно важных сплавов. Хорошие литейные свойства сплавов на основе цинка позволяют методами литья под давлением получать изделия сложнейших форм с хорошими механическими характеристиками и высококачественной поверхностью. Такие изделия широко используют во многих отраслях народного хозяйства и спрос на них непрерывнорастет.

Оксид цинка — белый порошок — находит применение в производстве красителей (цинковых белил), как наполнитель некоторых сортов резины, а также при изготовлении медикаментов и парфюмерных изделий.

Ниже приведено примерное распределение цинка по основным областям применения, % от общего:

Цинкование. ................ 25—40

Литейные сплавы ............. 25—40

Латуни и бронзы. ........... 10—30

Цинковый прокат. ..........5—10

Оксид цинка ................ 3—10

Прочие потребители. .......... 3—8

Основным источником получения цинка являются сульфидные полиметаллические медно-свинцово-цинковые, медно-цинковые и свинцово-цинковые руды.

В сульфидных рудах цинк обычно присутствует в виде сфалерита или вуртцита, состав которых отвечает формулеZnS, а также марматита nZnS•mFeS. Спутниками цинка в полиметаллических рудах являются минералы и элементы: свинц, медь, кадмий, висмут, золото, серебро, мышьяк, сурьму, таллий, селен, теллур, германий и индий. Можно считать, что цинк в основном извлекают из тех же руд, что и свинец. Окисленные цинковые руды в настоящее время имеют подчиненное значение.

В сульфидных полиметаллических рудах содержание цинка обычно составляет 1—3 %. Эти руды имеют исключительно сложный состав, что обусловливает необходимость их обязательного предварительного обогащения по селективной схеме с получением нескольких концентратов — цинкового, свинцового, медного и др.

Цинковые концентраты селективного флотационного обогащения полиметаллических руд содержат, %: Zn 48—60; РЬ 1,5—2,5; Сu 1—3; Сd до 0,25; Fе 3—10; S 30—38; пустой породы до 10. Они представляют собой комплексное, дорогостоящее сырье. Из цинковых концентратов нужно также извлекать РЬ, Си, Сd, s, Аu, Ад, Нg, Gа, In, Т1, Sе, Те. Иногда при обогащении труднообогатимых руд получают промежуточные продукты — концентраты содержащие 12—18 %-2п и 4—8 % Си. Переработка таких материалов затруднена как на цинковых, так и на медных заводах.

Для переработки цинковых концентратов в настоящее время применяют пирометаллургические (дистилляционные) и гидрометаллургические технологические схемы.

В основе пирометаллургических способов лежит процесс восстановления оксида цинка при 1000-1100°С, т.е. при температурах выше точки кипения металлического цинка, что обеспечивает выделение его в момент образования в парообразном состоянии и, следовательно, его возгонку (дистилляцию) в виде паров:

ZnО+С = Znпар + СО;    2пО + СО=Znпар + С02.           

 

 

Пары цинка в дальнейшем конденсируют. Получение цинка в жидком состоянии при дистилляции возможно только в условиях сильно 
восстановительной   атмосферы   и   полной   герметизации   применяемой аппаратуры.

В связи с тем, что цинк в концентрате присутствует в форме сульфида, а его восстановление возможно только из оксида, дистилляции обязательно предшествует окислительный обжиг с полным удалением серы. Для получения пористого кускового материала, пригодного для дистилляции, проводят обжиг со спеканием на ленточных агломерационных машинах.

Возможны несколько вариантов аппаратурного оформления пирометаллургического способа получения цинка: в горизонтальных и вертикальных ретортах, в шахтных печах с электрообогревом, электротермией. Принципы дистилляции положены в основу получения паров цинка в электротермической части агрегата КИВЦЭТ-ЦС.

Получающийся пирометаллургическим способом цинк обязательно загрязнен примесями (РЬ, Сd, Fе, Сu и др.), возгоняемыми вместе с ним при дистилляции или попадаемыми из выносимой газами пыли. Поэтому дистилляционный цинк, как и всякий черновой металл, нуждается в рафинировании.

Очистку цинка от железа и свинца можно проводить методом их ликвации в донную фазу при медленном охлаждении расплава или повторной дистилляцией — редистилляцией. Для рафинирования чернового цинка и попутного извлечения из него кадмия успешно используют ректификацию -  многократную дистилляцию и конденсацию.

Пирометаллургический способ применяют с момента возникновения цинкового производства. Доля выпускаемого этим способом цинка из года в год сокращается и в настоящее время составляет не более 20 %. Все новые цинковые заводы построены и будут строиться с применением гидрометаллургической технологии.

Гидрометаллургический способ получения цинка, примененный в промышленном масштабе впервые в 1915г., является в настоящее время основным. Широкому распространению гидрометаллургия при производстве цинка обязана ее значительным преимуществам по сравнению с дистилляцией, а именно:

1)  более высокому извлечению цинка и сопутствующих элементов;

2) более высокой комплексности  использования сырья;

3) высокому качеству цинка;

4)   высокой   механизации  трудоемких технологических  процессов.

Принципиальная технологическая схема получения цинка гидрометаллургическим способом приведена на рис. 138.

По этому способу цинк выщелачивают водным раствором серной кислоты из предварительно обожженного концентрата (огарка). При выщелачивании цинк переходит в раствор в виде сернокислого цинка по реакции

ZnО+ Н2S04  = ZnSО4 + Н20.

При выщелачивании цинкового огарка в раствор частично переходят содержащиеся в нем компоненты-спутники — Си, Сd, Fе, Аs и др. Качество цинка, получаемого электролитическим осаждением, зависит от чистоты раствора; чем чище поступает на электролиз раствор, тем более чистым получается товарный цинк. Поэтому перед электролизом раствор тщательно очищают от примесей.

Процесс электролитического осаждения цинка из очищенного раствора (электролита) протекает по следующей суммарной реакции:

ZnSО4 + Н20 = Zn+ Н2SО4 + 1/2О2

Цинк при электролизе осаждается на катоде, на аноде выделяется кислород. При этом в растворе регенерируется серная кислота, необходимая для выщелачивания свежих порций огарка. Катодные осадки цинка переплавляют, а цинк разливают в слитки.

Кек — нерастворенный остаток после выщелачивания — подвергают дополнительной переработке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.1. Основные виды  нефтепродуктов

 

 

Переработкой нефти получают продукты более 10 тыс. наименований. По объему потребления наибольшую значимость для народного хозяйства имеет искусственное жидкое топливо (карбюраторное, дизельное, котельное, реактивное и др.), смазочные масла и консистентные смазки.

Карбюраторное топливо предназначено для двигателей внутреннего сгорания с зажиганием от электрической искры. Основной показатель — детонационная стойкость, оцениваемая октановым числом, изменяющимся от 0 до 100. Октановое число определяется процентным содержанием малосклонного к детонации изооктана по сравнению с присутствующим в топливе нормальным гептаном, сгорающим со взрывом и вызывающим преждевременный износ двигателя.

Поскольку детонационная стойкость изооктана условно принята за 100 единиц, а н-гептана — за 0, качество топлива тем лучше, чем больше в нем изооктана и, следовательно, чем выше октановое число. Автомобильные бензины имеют октановое число 66, 72, 76, 93, 95 и 98; авиационные — 70, 91, 95, 100; тракторный бензин — 40 и 45; тракторный лигроин — 54. Повышение октанового числа достигается использованием более совершенных приемов каталитического крекинга, риформинга, алкилирования и изомеризации нефтяных фракций, увеличением содержания ароматических углеводородов, а также добавлением к бензину тетраэтилсвинца, а к воздушно-бензиновой смеси — воды или водно-спиртовых растворов в капельно-жидком виде.

Дизельное топливо используется в поршневых двигателях дизеля, воспламеняется от сжатия, необходимая температура воспламенения 550 –  600 °С. Основной показатель воспламеняемости — цетановое число, характеризующее склонность дизельного топлива к воспламенению. Цетановое число определяют по эталонной смеси сравнением легко воспламеняющегося цетана и трудно воспламеняющегося аметилнафталина. Чем больше цетановое число, т. е. чем больше в топливе парафинов и меньше ароматических соединений, тем выше качество дизельного топлива. Для тихоходных двигателей (с числом оборотов менее 1000 об/мин) используются соляровые масла с цетановым числом меньше 40, для быстроходных — с цетановым числом от 40 до 50. В дизельных топливах всех марок, так же как и в карбюраторных, строго регламентируется кислотность, щелочность, а также содержание серы и влаги, поскольку они сокращают срок службы двигателя.

Котельное топливо используют в паровых котлах, электростанциях, парогенераторных и котельных установках, промышленных (например, мартеновских) печах. К этому виду топлива относятся мазуты (продукты прямой перегонки нефти), жидкие продукты переработки каменных углей и горючих сланцев, гудроны.

Реактивное топливо применяется в реактивных и газотурбинных двигателях, получают его из нефти фракционной перегонкой. В основном это керосины, содержащие бензиновые и утяжеленные фракции и различные присадки. Присадки ускоряют отстаивание механических примесей, увеличивают термическую стабильность, усиливают смазывающие и ослабляют абразивные свойства продуктов сгорания.

Смазочные масла получают перегонкой мазута под вакуумом; применяются они во всех движущихся деталях для уменьшения трения и отвода теплоты. Лучшее сырье — малосмолистые и малопарафинистые нефти. По назначению классифицируютс