鋅冶金

本書敘述了硫化鋅精礦焙燒-浸出-凈化-電積鋅和鋅鉛硫化精礦燒結(jié)焙燒-ISP鼓風(fēng)爐熔煉-粗鋅精餾精煉等過(guò)程的基本原理、生產(chǎn)設(shè)備和工藝技術(shù)條件與操作。此外，對(duì)豎罐煉鋅和電熱法煉鋅也有專章介紹。2100433B

1 鋅冶金的一般知識(shí)

1.1 鋅的性質(zhì)和用途

1.2 鋅的礦物資源和煉鋅原料

1.3 鋅的生產(chǎn)方法

1.3.1 火法煉鋅

1.3.2 濕法煉鋅

2 硫化鋅精礦的流態(tài)化焙燒

2.1 硫化鋅精礦流態(tài)化焙燒的基本原理

2.1.1 硫化鋅精礦焙燒的目的與要求

2.1.2 焙燒的固體流態(tài)化技術(shù)

2.1.3 硫化鋅精礦焙燒的主要反應(yīng)

2.1.4 硫化鋅精礦伴生礦物在焙燒中的行為

2.1.5 硫化鋅精礦焙燒的技術(shù)條件

2.2 硫化鋅精礦流態(tài)化焙燒的工藝組成

2.2.1 爐料準(zhǔn)備及加料系統(tǒng)

2.2.2 流態(tài)化爐本體系統(tǒng)

2.2.3 煙氣冷卻及收塵系統(tǒng)

2.2.4 排料系統(tǒng)

2.3 流態(tài)化焙燒爐及附屬設(shè)備

2.3.1 流態(tài)化焙燒爐

2.3.2 氣體分布板及風(fēng)箱

2.3.3 流態(tài)化床層排熱裝置

2.3.4 排料口

2.3.5 煙氣出口

2.3.6 爐體及爐頂

2.4 流態(tài)化焙燒爐的正常操作及事故處理

2.4.1 流態(tài)化焙燒爐的開爐與停爐

2.4.2 流態(tài)化焙燒爐的正常操作

2.4.3 流態(tài)化焙燒的生產(chǎn)故障及處理

2.5 鋅精礦流態(tài)化焙燒的操作技術(shù)條件及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2.5.1 操作技術(shù)條件的控制

2.5.2 焙燒產(chǎn)物

2.5.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2.5.4 焙燒過(guò)程的熱平衡與熱能利用

3 濕法煉鋅的浸出過(guò)程

3.1 鋅焙燒礦的浸出目的與浸出工藝流程

3.1.1 鋅焙燒礦浸出的目的

3.1.2 焙燒礦浸出的工藝流程

3.2 鋅焙燒礦在浸出中發(fā)生的主要化學(xué)變化

3.2.1 金屬氧化物的溶解與沉淀反應(yīng)

3.2.2 Zn-H20系及M-H2O系電勢(shì)-pH圖的應(yīng)用

3.2.3 影響浸出反應(yīng)速度的因素

3.2.4 常規(guī)法浸出的一般操作及技術(shù)條件的控制

3.3 鐵酸鋅的溶解與中性浸出過(guò)程的沉鐵反應(yīng)

3.3.1 鐵酸鋅的溶解

3.3.2 中性浸出過(guò)程的沉鐵反應(yīng)

3.4 從含鐵高的浸出液中沉鐵

3.4.1 黃鉀鐵礬法

3.4.2 針鐵礦法

3.4.3 赤鐵礦法

3.5 氧化鋅粉及含鋅煙塵的浸出

3.5.1 氧化鋅粉及含鋅煙塵的來(lái)源與化學(xué)成分

3.5.2 氧化鋅粉浸出前的預(yù)處理

3.5.3 氧化鋅粉的浸出

3.6 氧化鋅礦的直接浸出

3.6.1 氧化鋅礦原料的特性

3.6.2 氧化鋅礦直接酸浸過(guò)程中膠體的形成與控制

3.6.3 高硅氧化鋅礦的處理方法

3.6.4 我國(guó)高硅氧化鋅礦直接酸浸的生產(chǎn)實(shí)踐

3.7 硫化鋅精礦的氧壓浸出

3.8 鋅浸出生產(chǎn)用的主要設(shè)備

3.8.1 常用浸出設(shè)備

3.8.2 液固分離設(shè)備

3.9 鋅浸出渣及其處理

3.9.1 鋅浸出渣的組成及處理方法

3.9.2 回轉(zhuǎn)窯煙化法處理浸出渣

3.9.3 矮鼓風(fēng)爐處理濕法煉鋅浸出渣

3.9.4 鋅浸出渣送鉛熔煉處理

4 硫酸鋅浸出液的凈化

4.1 浸出液成分及其凈化方法

4.2 鋅粉置換除銅、鎘

4.2.1 置換法除銅、鎘的基本反應(yīng)

4.2.2 置換過(guò)程的影響因素

4.2.3 鎘復(fù)溶及其避免鎘復(fù)溶的措施

4.2.4 置換法除銅、鎘的主要技術(shù)條件控制

4.3 鋅粉置換除鈷鎳

4.3.1 砷鹽凈化法

4.3.2 銻鹽凈化法及合金鋅粉法

4.4 有機(jī)試劑法除鈷、鎳

4.4.1 黃藥除鈷法

4.4.2 β-萘酚除鈷法

4.5 除去氟氯及其他雜質(zhì)的凈化方法

4.5.1 除氯

4.5.2 除氟

4.5.3 除鈣、鎂

4.6 凈化過(guò)程的主要設(shè)備

4.6.1 流態(tài)化凈化槽

4.6.2 機(jī)械攪拌槽

4.6.3 尼龍管式過(guò)濾器

4.6.4 廂式壓濾機(jī)

4.6.5 板框壓濾機(jī)

4.6.6 凈化過(guò)程的加熱設(shè)備

4.7 凈化過(guò)程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

5 硫酸鋅溶液的電解沉積

5.1 鋅電解液成分及鋅電積生產(chǎn)過(guò)程

5.1.1 鋅電解液

5.1.2 鋅電積生產(chǎn)過(guò)程

5.2 鋅電積過(guò)程的理論基礎(chǔ)

5.2.1 陰極反應(yīng)

5.2.2 陽(yáng)極反應(yīng)

5.2.3 電解液中的雜質(zhì)在電積過(guò)程中的行為

5.3 鋅電解車間的主要生產(chǎn)設(shè)備及布置

5.3.1 電解槽

5.3.2 陽(yáng)極

5.3.3 陰極

5.3.4 電解液冷卻設(shè)備

5.3.5 電解槽布置及電路連接

5.4 鋅電解的正常操作

5.4.1 裝出槽及槽上操作

5.4.2 剝鋅

5.4.3 電解液的循環(huán)和冷卻

5.4.4 酸霧的產(chǎn)生與電解車間的通風(fēng)

5.4.5 鋅電積過(guò)程的故障及處理

5.5 鋅電解生產(chǎn)的主要技術(shù)條件與指標(biāo)分析

5.5.1 電鋅質(zhì)量

5.5.2 電流密度與電流效率

5.5.3 槽電壓與電能消耗

5.6 陰極鋅熔鑄

5.6.1 感應(yīng)電爐的構(gòu)造

5.6.2 陰極鋅熔鑄的生產(chǎn)過(guò)程

5.6.3 感應(yīng)電爐熔鑄鋅的生產(chǎn)技術(shù)條件及其控制

5.6.4 鋅合金的配制

6 鼓風(fēng)爐煉鋅

6.1 概述

6.2 鉛鋅硫化精礦的燒結(jié)焙燒

6.2.1 鉛鋅硫化精礦化學(xué)成分及其燒結(jié)焙燒的目的

6.2.2 鉛鋅硫化精礦在燒結(jié)焙燒過(guò)程中發(fā)生的物理化學(xué)變化

6.2.3 鉛鋅混合精礦燒結(jié)焙燒的生產(chǎn)實(shí)踐

6.3 鼓風(fēng)爐熔煉（ISP法）

6.3.1 鼓風(fēng)爐煉鋅生產(chǎn)工藝流程的敘述

6.3.2 鼓風(fēng)爐煉鋅爐內(nèi)發(fā)生的物理化學(xué)變化

6.3.3 鋅蒸氣的冷凝

6.3.4 煉鋅鼓風(fēng)爐及主要附屬設(shè)備的結(jié)構(gòu)

6.3.5 鼓風(fēng)爐煉鋅的正常操作及故障處理

6.3.6 鼓風(fēng)爐煉鋅的主要技術(shù)條件及其控制

6.3.7 煉鋅鼓風(fēng)爐的產(chǎn)物

7 豎罐煉鋅

7.1 豎罐煉鋅的基本原理

7.1.1 概述

7.1.2 氧化鋅還原反應(yīng)和還原條件

7.1.3 鋅焙燒礦中其他組分在蒸餾過(guò)程中的行為

7.2 豎罐煉鋅的工藝流程

7.2.1 團(tuán)礦的制備

7.2.2 團(tuán)礦焦結(jié)

7.2.3 蒸餾與冷凝

7.3 豎罐蒸餾爐

7.3.1 豎罐

7.3.2 燃燒室和換熱室

7.4 鋅蒸氣的冷凝

7.4.1 冷凝器

7.4.2 影響冷凝效率的因素

7.4.3 冷凝操作的要點(diǎn)

7.5 豎罐煉鋅的主要操作及其技術(shù)條件控制

7.5.1 加料與排料操作

7.5.2 下延部送風(fēng)

7.5.3 罐內(nèi)壓力控制

7.5.4 鋅蒸氣的冷凝與出鋅

7.5.5 開爐升溫與停爐

7.5.6 爐瘤的形成與處理方法

7.5.7 罐體損壞與熱補(bǔ)

7.5.8 罐壁積鐵

7.5.9 冷凝系統(tǒng)的積灰和清掃

7.5.10 冷凝系統(tǒng)的壓力控制

7.5.11 蒸餾爐的熱工調(diào)整

7.5.12 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

8 電熱法煉鋅和電爐生產(chǎn)合金鋅粉

8.1 電阻爐煉鋅

8.2 礦熱電爐煉鋅

8.3 電爐生產(chǎn)合金鋅粉

8.3.1 關(guān)于電爐生產(chǎn)鋅粉的概述

8.3.2 電爐鋅粉生產(chǎn)的工藝流程

8.3.3 對(duì)原料和主要輔助材料的質(zhì)量要求

8.3.4 電爐生產(chǎn)合金鋅粉的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

9 粗鋅精餾精煉

9.1 粗鋅精餾的目的

9.1.1 概述

9.1.2 粗鋅精餾的目的

9.2 精餾精煉的基本原理

9.2.1 鋅及其他金屬的蒸氣壓與溫度的關(guān)系

9.2.2 利用Zn-Cd，Zn-Pb二元系相圖分析粗鋅精餾精煉過(guò)程

9.2.3 粗鋅熔析精煉原理

9.3 精餾塔的構(gòu)造

9.3.1 塔本體

9.3.2 燃燒室和換熱室

9.3.3 冷凝器

9.3.4 熔化爐

9.3.5 加料器

9.3.6 下延部

9.3.7 熔析爐

9.3.8 純鋅槽

9.4 鋅精餾的正常操作和技術(shù)條件控制

9.4.1 精餾工藝過(guò)程

9.4.2 鋅精餾的正常操作及技術(shù)條件控制

9.4.3 精餾爐的開爐和停爐操作

在許多火法冶金過(guò)程中，礦物原料中的許多主金屬往往以金屬、合金或熔锍的形態(tài)產(chǎn)出，而其中的脈石成分及伴生的雜質(zhì)金屬則與熔劑一起熔合成一種主要成分為氧化物的熔體，即熔渣。熔渣是火法冶金的必然產(chǎn)物，其組成主要來(lái)自礦石、熔劑和燃料灰分中的造渣成分。由于火法冶金的原料和冶煉方法種類繁多，因而冶金熔渣的類型很多，是成分極為復(fù)雜的體系。但總的來(lái)說(shuō)，熔渣主要是由各種氧化物組成的熔體，如CaO、FeO、MnO、MgO、Al₂O₃、SiPO₂、P2O₅、Fe₂O₃等，這些氧化物在不同的組成和溫度條件下可以形成化合物、固溶體、溶液以及共晶體等。除了氧化物以外，熔渣還可能含有其他鹽，甚至還夾帶少量的金屬，如氟化物(CaF₂)、氯化鈉(NaCl)、硫化物(CaS、MnS、硫酸鹽)等，這些鹽有的來(lái)自原料，有的是作為助熔劑加入的。

熔渣中的上述氧化物單獨(dú)存在時(shí)熔點(diǎn)都很高，冶金條件下不能熔化。例如SiO₂、Al₂O₃、CaO、MgO的熔點(diǎn)分別是：1713℃、2050℃、2570℃、2800℃。只有它們之間相互作用形成低熔點(diǎn)化合物，才能形成熔點(diǎn)較低的、具有良好流動(dòng)性的熔渣。原料中加入熔劑的目的就是為了調(diào)整熔渣的酸堿性，形成冶金條件下能熔化并自由流動(dòng)的低熔點(diǎn)熔渣。

盡管冶金熔渣成分極為復(fù)雜，但熔渣主要成分常由五、六種氧化物組成，通常是SiO₂、CaO、FeO、Al₂O₃、MgO等。熔渣中含量最多的氧化物通常只有三個(gè)，其總含量可達(dá)80%以上，所以對(duì)爐渣性質(zhì)起決定性作用的一般是前三項(xiàng)。例如，大多數(shù)有色冶金熔渣的主要成分是SiO₂、FeO、CaO；高爐煉鐵熔渣的主要成分是SiO₂、CaO、Al₂O₃；煉鋼熔渣的主要成分是SiO₂、CaO、FeO。熔渣是金屬提煉和精煉過(guò)程的重要產(chǎn)物之一。然而，不同的熔渣所起的作用是不完全一樣的。

電冶金技術(shù)概述

電冶金技術(shù)也叫濕法冶金，以區(qū)別于采用火或電的火法熔煉技術(shù)。所謂濕法冶金，就是從電解液中電沉積出金屬的過(guò)程，它是冶金工業(yè)部門提取金屬的重要方法之一，同時(shí)也是提純有色金屬和制取貴重金屬的主要方法。

電冶金與火法冶金比較，具有制品純度高，并且能處理低品位礦石或復(fù)雜多金屬礦的優(yōu)點(diǎn)。電冶金技術(shù)的要點(diǎn)是將礦石經(jīng)焙燒、粉碎等處理后，用酸(如鹽酸、硫酸)或堿(如硫化堿，即硫化鈉加氫氧化鈉)、鹽(如硫酸亞鐵)等，將礦石中的金屬鹽進(jìn)行溶解，再對(duì)這種含金屬離子的電解液進(jìn)行電沉積加工。這時(shí)采用的陽(yáng)極是不溶性陽(yáng)極，而從陰極上獲取金屬材料。當(dāng)然在電解制取前還要對(duì)這種電解液進(jìn)行提純，將電位較正的異種金屬離子先行取出，然后才進(jìn)行所需金屬的制取。

電冶金還用于對(duì)不純有色金屬的精煉。這時(shí)的陽(yáng)極則是需要提純的金屬，如銅、鎳等。通過(guò)電解加工后，從陰極上獲得的是純度很高的金屬材料，其純度通?？梢赃_(dá)到99.99%以上。

金屬的電解冶煉和精煉提純，大部分都是在電解質(zhì)的水溶液中進(jìn)行的。用水溶液電解體系制取的金屬已經(jīng)達(dá)到30多種。主要有銅、鋅、鈷、鎳、鐵、鉻、錳、鎘、鉛、銻、錫、銦、金、銀等。其中電解精煉提取的有銅、鎳、鉆、錫、鉛、汞、金、銀、銻、銦等。

除了水溶性電解質(zhì)，在金屬的熔融鹽中也可以電解冶金，并且是制取鋁等重要現(xiàn)代工業(yè)材料的重要技術(shù)。

通過(guò)熔鹽電解大規(guī)模生產(chǎn)的金屬有鋁、鎂、鈉、鋰、鉀、鈣、鍶、鋇、鈹、鈾、鈦等。這些材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性早巳超過(guò)鋼鐵與銅、鎳、鋅等一樣，成為重要的戰(zhàn)略性金屬材料。

電冶金技術(shù)應(yīng)用

(1)銅的電解精煉

電解煉銅是工業(yè)上采用得最早的電化學(xué)方法之一，其應(yīng)用也最廣。因?yàn)榛鸱ㄖ迫〉你~的雜質(zhì)含量太高，不適合現(xiàn)代工業(yè)特別是電子工業(yè)對(duì)高純度銅的需要。因此大部分(85%～90%)的銅的制取要通過(guò)電解法進(jìn)行精煉。各種銅的組分如圖1所示。

電解精煉銅的陰極沉積層盡管不需要像裝飾性電鍍那樣平滑光亮，但也不能有樹枝狀或疏松的鍍層。因此要適當(dāng)添加表面活性劑等改善陰極電流分布，使鍍層較為平整光滑。

電解精煉銅與其他電沉積銅的區(qū)別還在于它的規(guī)模是非常大的。為了提高生產(chǎn)效率和降低成本，電解精煉銅采用的是大規(guī)模生產(chǎn)方式。通常是上百個(gè)電解槽并聯(lián)或者串聯(lián)工作。所用的槽電壓也比電鍍高得多，約在16～18V。電流密度為200～260

銅的電冶金則是從銅礦石浸取的電解液中進(jìn)行的。銅礦石的科類很多，如孔雀石、藍(lán)銅礦、黑銅礦、硅孔雀石礦、赤銅礦、輝銅礦、斑銅礦、銅藍(lán)礦和黃銅礦等。

氧化銅礦用硫酸溶解浸出；硫化礦石是用硫酸鐵溶解；含有金屬銅和氧化物的礦石可以用氨水溶液浸出；孔雀石、藍(lán)銅礦和黑銅礦可以稀硫酸溶解；赤銅礦、輝銅礦和斑銅礦則用酸化的硫酸亞鐵溶解；黃銅礦必須先在高溫煅燒使之變成氧化銅，再用酸浸出，用濕法電冶煉；銅的電冶金所用的陽(yáng)極為鉛板。

(2)銀的電解精煉

用電解精煉銀幾乎是提純金屬銀的唯一方法。因?yàn)橛眠@種方法制得的金屬銀，其純度可達(dá)99.96%～99.99%。電解精煉銀的電解液如圖2所示。

由于銀的電位很正，因此電解液中的其他金屬雜質(zhì)的影響不眵顯。在槽電壓為1.5V，電流效率為95%時(shí)，每噸銀的電能消耗芫400kW·h。

電解銀的陽(yáng)極泥中含有金、鉑等希貴金屬，還可以再用來(lái)提煉這些貴金屬。

(3)金的電解精煉

在電解銅時(shí)分離銀、銅之后的陽(yáng)極泥，精煉銀以后的陽(yáng)極泥中的金，由礦石冶煉中所提取的金以及廢金飾等都可以用于金的精煉提純。這些材料中除金外，尚夾雜著銅、鉛、銀、鉑族金屬雜質(zhì)等。如果雜質(zhì)金屬含量超過(guò)15%，則要用化學(xué)法先提純。作為陽(yáng)極的金的含量不得低于90%。

金的化合物除了氯化物以外，溶解度都很低，而且還不穩(wěn)定，因此都不適合作電解金的電解液。

電解金用的電解液是三氯化金加鹽酸。加入鹽酸的目的是為了增加電解液的電導(dǎo)，同時(shí)防止三氯化金的水解。

生成的一氧三氯絡(luò)金酸按下式電離。

因此，在中性的氯化金溶液中，主要以一氧三氯絡(luò)金酸的形式存在。這時(shí)如果以金屬金為陽(yáng)極進(jìn)行電解，將不是陽(yáng)極的金的電化學(xué)溶解，而是氧氣的析出，結(jié)果使陽(yáng)極容易鈍化。

電解精煉金的電解槽比較小，一般只有20L，用陶瓷制作。電解液的配方如圖3所示。

電解精煉出來(lái)的金的純度可達(dá)99.98%一99.99%。

(4)鋅的濕法冶金

鋅是重要的最常用有色金屬之一。在全世界的鍍槽中，有一半左右是鍍鋅液。也就是說(shuō)鍍鋅的量是所有電鍍液總量的一半。而世界上大約50%鋅則是通過(guò)濕法冶金制取的。

將鋅礦石用硫酸浸取，然后制成鍍鋅電解液，最后用不溶性陽(yáng)極進(jìn)行電沉積，從陰極上獲得金屬鋅。

工業(yè)上用電解法制鋅最早是美國(guó)和加拿大，他們于1914年開始工業(yè)電解冶煉鋅。濕法冶煉鋅方法與當(dāng)初基本上是一樣的。只是技術(shù)和設(shè)備更加完善。

與前面幾種有色金屬和貴金屬不同的是，鋅的還原電位比較負(fù)，因此很多比鋅電位正的金屬都容易成為在陰極優(yōu)先析出的雜質(zhì)。這使得鋅的電冶金的流程和管理比較復(fù)雜。為了排除雜質(zhì)金屬的干擾，在將鋅精礦經(jīng)煅燒成氧化鋅后，經(jīng)酸化浸制成硫酸鋅的溶液。這時(shí)要加入鋅粉，將電位比鋅正的金屬(銅、銀、金等)置換并沉淀出來(lái)。進(jìn)行這種分離后的電解液，才能用于濕法冶金。

鋅的濕法冶金分為正規(guī)法和強(qiáng)化法兩種。正規(guī)法是將浮選得到的鋅精礦在550～650℃緩慢煅燒，然后用較低濃度的硫酸溶解(也可以用電解鋅后的電解液)，制成如圖4(a)組成的電解液。

強(qiáng)化法是加大電解液主鹽濃度和電流密度，同時(shí)提高鍍液溫度和電流密度。這樣可以獲得較快的電沉積速度，如圖5(b)所示。

冶金熔锍是多種金屬硫化物(如FeS、Cu2S、Ni₃S₂、CoS、Sb₂S₃、PbS等)的共熔體，同時(shí)往往溶有少量金屬氧化物及金屬。

冶金熔锍是銅、鎳、鈷等重金屬硫化礦火法冶金過(guò)程的重要中間產(chǎn)物。例如，火法處理硫化銅精礦時(shí)，常常先進(jìn)行所謂的造锍熔煉，使Cu₂S、FeS等金屬硫化物熔合形成锍相，而脈石成分與造渣熔劑熔合成渣相，從而實(shí)現(xiàn)主金屬與脈石的分離，同時(shí)也使貴金屬富集于锍相以便進(jìn)一步回收。

熔锍的性質(zhì)對(duì)于有價(jià)金屬與雜質(zhì)的分離、冶煉過(guò)程的能耗等都有重要的影響。為了提高有價(jià)金屬的回收率、降低冶煉過(guò)程的能耗，必須使熔锍具有合適的物理化學(xué)性質(zhì)，如熔化溫度、密度、黏度等。