Металлургия цинка - выщелачивание цинкового огарка

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Московский государственный институт стали и сплавов

Технологический университет

Кафедра металлургии тяжелых цветных металлов

Курсовая работа

Тема: Металлургия цинка - выщелачивание цинкового огарка Москва 2010

1. Описание замкнутой противоточной двухстадийной схемы выщелачивания цинкового огарка

Задача выщелачивания цинковых концентратов состоит в том, чтобы возможно полнее перевести в раствор цинк и другие ценные компоненты огарка при минимальном загрязнении раствора вредными примесями.

Выщелачивание огарка в настоящее время на большинстве заводов ведется по двухстадийной непрерывной (периодической) противоточной замкнутой технологической схеме.

Обожженный концентрат

В качестве растворителя используют сернокислые растворы с концентрацией серной кислоты 10 г/л на стадии нейтрального выщелачивания и 150 г/л на стадии кислого выщелачивания.

Перед выщелачиванием огарок классифицируют по крупности с целью удаления частиц крупнее 0,3 мм. Частицы огарка крупнее 0,3 мм либо дополнительно измельчают, либо выщелачивают более концентрированными растворами серной кислоты. Такая крупность части огарка необходима для уменьшения диффузионных ограничений при его растворении. Для этого вводится перемешивание раствора (механическое или воздушное).

На нейтральное выщелачивание поступают: часть отработанного электролита, фильтраты кислого выщелачивания вместе с кислым раствором, оборотные растворы, промывные воды и огарок. При нейтральном выщелачивании преследуют цель очистки растворов сульфата цинка от примесей железа, алюминия, мышьяка, сурьмы, кремнекислоты методом гидролиза, что можно провести лишь в нейтральной среде (рН = 5,2 -5,4). При нейтрализации растворов выделяется тепло, нагревающее жидкость до 50-60⁰С, которое способствует переводу коллоидного кремнезема в кристаллическую модификацию, также коагулируются выпадающие из раствора гидрооксиды металлов. Выщелачивание проводят в пневматических или механических агитаторах. Нейтральная пульпа после классификатора (отделяются пески) поступает на сгущение. Верхний слив сгустителя направляют на очистку от примесей и электролиз, а нижний слив вместе с песками на кислое выщелачивание.

Таким образом, в процессе выщелачивания получаются:

1) нейтральные растворы от первого выщелачивания, поступающие на дальнейшую переработку;

2) кислые растворы (слив сгустителей, фильтраты), оборотные и промывные воды, поступающие на нейтральное выщелачивание;

3) сгущенный промытый осадок от кислого выщелачивания - кек.

Нейтральные растворы, обогащенные цинком (130 -170 г/дм 3), направляются на очистку от меди, кадмия и других примесей. Очистка от меди и кадмия производится цементацией металлическим цинком. При достаточном содержании меди при этом выпадают остатки мышьяка и адсорбируются следы растворенного кремнезема. Фильтрация сгущенных пульп производится в вакуум-фильтрах, осветленных растворов - на фильтрпрессах. Очищенный от примесей раствор сернокислого цинка поступает на электролиз с нерастворимыми анодами. Цинк осаждается на катоде, а кислота регенерируется на аноде. Отработанный электролит возвращается на выщелачивание. Таким образом получается замкнутый цикл.

Противоточность схемы заключается в изменении концентраций цинка в выщелачиваемом материале (она снижается от "головы" схемы к "хвосту") и кислоты (она снижается от "хвоста" схемы к "голове"), т.е. на нейтральное выщелачивание подается кислота с явным недостатком, на кислое - наоборот. Это позволяет наиболее полно перевести в раствор цинк и в то же время нацело использовать растворяющий агент - серную кислоту.

Поведение компонентов огарка при выщелачивании

Цинк содержится в огарке в виде оксида, сульфата, сульфида.

Главным соединением в огарке является оксид. Он растворяется в серной кислоте по реакции

Скорость растворения оксида цинка зависит от концентрации серной кислоты, температуры, скорости перемешивания и свойств оксида (аморфный оксид растворяется легче, чем кристаллический). Полнота выщелачивания оксида цинка зависит от количества кислоты. Практически свободный оксид цинка мало растворяется при нейтральном выщелачивании (не хватает серной кислоты) и почти полностью - при кислом выщелачивании.

Сульфат цинка хорошо растворим в воде, особенно горячей, поэтому он полностью переходит в раствор при нейтральном выщелачивании.

Сульфид цинка хорошо растворим только в концентрированной серной кислоте при нагревании

поэтому при нейтральном выщелачивании сульфид цинка практически не растворяется, а при кислом имеет очень малое значение. Практически сульфидный цинк переходит весь в кек.

Ортосиликат цинка – 2ZnO SiO₂ хорошо растворим в разбавленной серной кислоте. Заводская практика выщелачивания показала, что в разбавленной кислоте (концентрация 0,05 г/дм³, рН = 3) силикатный цинк не растворяется, тогда, как свободный оксид цинка хорошо растворим. На этой основе и был разработан метод "обратного выщелачивания" для богатых по оксиду кремния огарков: в пульпу, содержащую силикаты цинка, добавляют небольшое количество серной кислоты, оксид цинка при этом растворяется, а силикаты остаются в остатке. В этом случае много цинка переходит в кек, который подвергается переработке.

На одном из Таиландских заводов высококремнисryю руду (37% оксида кремния) подвергают растворению сернокислыми растворами при температуре 900 С. Пульпу после выщелачивания нейтрализуют основным сульфатом цинка при температуре 70⁰С до достижения рН раствора 4, на этой стадии происходит также коагуляция коллоидной кремнекислоты, отделяемой дальнейшим фильтрованием пульпы. Кек промывают и из промывных вод высаживают основной сульфат цинка известняком.

Феррит цинка в слабых растворах серной кислоты растворяется незначительно. Так, при температуре 400 С, концентрации серной кислоты 100 г/дм³ за 4 ч растворяется менее 4% цинка, связанного в феррит. Феррит цинка хорошо растворяется при температуре 90 – 95^о С, концентрации кислоты 180 - 210 г/дм³ за 4-6 ч.

Алюминат цинка при выщелачивании растворяется незначительно.

Железо находится в огарке главным образом в виде оксида (Ш), свободного или связанного в ферритную форму; частично я виде магнетита (Fe₃О₄) и закиси (FeO). Триоксид железа при нейтральном выщелачивании не растворяется, при кислом выщелачивании частично переходит в раствор по реакции

Полученный сульфат трехвалентного железа растворяет сульфид цинка, способствуя более полному его извлечению:

Закись железа растворяется даже в слабых растворах кислоты по реакции

Железо в ферритной форме с цинком также слабо переходит в раствор, как и цинк. В раствор переходит 3 - 4 % железа, содержащегося в огарке, в результате чего концентрация его в растворе достигает 1 - 2 г/дм³, что оказывается полезным при последующей гидролитической очистке раствора от мышьяка, сурьмы, германия и других примесей.

Алюминий присутствует в виде свободного оксида или связанного в алюминаты металлов. При кислом выщелачивании глинозем растворяется в небольшом количестве:

 

Al₂O₃ +3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ +3 H₂O

 

Медь содержится в виде свободных оксидов, а также связаны в ферритную и силикатную формы. При нейтральном выщелачивании медь почти не растворяется, она растворяется в основном при кислом выщелачивании по реакциям

CuO × SiO₂ + H₂SO₄ = CuSO₄ + SiO₂ + H₂O

Практически растворяется примерно половина меди, а вторая половина остается в кеке.

Кадмий содержится в основном в виде оксида и при выщелачивании большей частью (85 - 90%) переходит в раствор

 

CdO + H₂SO₄ = CdSO₄ + H₂O

 

Мышьяк и сурьма переходят в раствор только трехвалентные (из пылей) по реакциям

Мышьяк может быть в растворе и в виде мышьяковистой кислоты H₃AsO₃

Пятивалентные оксиды мышьяка и сурьмы слабо растворимы в кислоте, поэтому переходят в кек.

Никель и кобальт, если имеются в огарке, растворяются с образованием соответствующих сульфатов.

Хлор содержится иногда в огарке (пылях) в виде растворимых в воде хлоридов металлов.

Свинец присутствует иногда в значительных количествах. При выщелачивании он переходит в сульфат, который вместе с другими соединениями свинца переходит в кек. На образование сульфата свинца так же, как и сульфатов кальция и бария, нерастворимых в разбавленной кислоте, расходуется серная кислота, для восполнения которой при обжиге в огарке оставляют необходимое количество сульфатной серы.

Золото и серебро. Золото при выщелачивании не растворяется и переходит в кек. Серебро в огарке присутствует в виде сульфида и сульфата. Сульфидное серебро при выщелачивании не растворяется и переходит в кек, а сульфатное серебро растворяется в воде, но затем осаждается в виде хлорида за счет присутствующего в растворе хлора.

Оксид кремния в свободном состоянии не растворяется, а связанный в, силикатную форму с оксидами металлов растворяется даже в разбавленных растворах серной кислоты

Переходящий в раствор оксид кремния проходит стадию коллоидных растворов.

Редкие металлы в основном или не растворяются (ванадий), или растворенные (германий, таллий, индий частично) выпадают из раствора при нейтральном выщелачивании в виде гидратов металлов. Переходящий в раствор таллий осаждается вместе с медью и кадмием цинковой пылью.