6 Рафинирование черного цинка

Цинк, полученный дистилляцией, называют черновым (или сырым), т.к. общее содержание примесей в нем достигает 3–4 % . В дистилляционном цинке, независимо от способа его получения может быть до 3 % Pb, до 0,3 % Fe, до 0,5 % Cd, а также медь, мышьяк, сурьма и другие примеси. Черновой цинк идет в основном на оцинкование железа. Но большую часть дистилляционного цинка подвергают рафинированию. Применяют разные способы рафинирования: рафинирование 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 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 (FeZn₃ и FeZn₇) и твердых растворов, которые при охлаждении кристаллизуются, образуя пропитанную цинком губчатую массу железистого цинка (гартцинка).

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.

Полученный после рафинирования ликвацией цинк содержит 0,8–1,2 % Pb и 0,03–0,04 % Fe. 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 % – в угар. Цинковистый свинец направляют на свинцовые заводы, где его обычно загружают в рафинировочные котлы на стадии обессеребрения свинца. Дроссы, удаляемые с поверхности ванны, возвращают в шихту дистилляционных печей. Железистый цинк (4–5 % Fe и 94 % Zn) также возвращают на дистилляцию.

Для получения более чистого цинка проводят химическое рафинированиецинка от свинца металлическим натрием. Возможна частичная очистка цинка от меди, железа и свинца путем проведения двухстадийной конденсации.

Для более полного удаления свинца и некоторых других примесей может быть применена повторная дистилляция цинка или так называемая редистилляция.

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.

Процессы однократной дистилляции дают хорошие результаты в том случае, если величина разности парциальных давлений паров обоих металлов большая. Однократной дистилляцией можно достаточно хорошо отделить свинцовую фазу от цинка, но цинковая фаза при этом от свинца очищается плохо. Отделить цинк от кадмия еще труднее, так как величина разности их парциальных давлений небольшая.

Ректификация позволяет разделить компоненты с близкими температурами кипения и получить чистые металлы. Температура кипения компонентов чернового цинка следующая, °С : 906 – Zn; 767 – Cd; 1745 – Pb; 2543 – Cu; 2870 – Fe. Ректификацией легко отделить цинк от меди и железа, но разделить цинк, кадмий и свинец – значительно труднее.

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).