Металлургия цинка и кадмия

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 663 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС 

Кафедра металлургии цветных и благородных металлов 

Ю.П. Романтеев, А.Н. Федоров, 
СВ. Быстров 

Металлургия 
цинка и кадмия 

Учебное пособие 

Под редакцией доктора технических наук, профессора, 
заслуженного деятеля науки и техники РФ В.П. Быстрова 

Допущено учебно-методическим объединением 

по образованию в области металлургии в качестве 

учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по направлению Металлургия, специальность 

Металлургия цветных металлов 

t 

Москва 
Издательство «УЧЕБА» 2006 

УДК 669.4/5 
Р69 

Рецензент 
д-р техн. наук, проф. И.В. Николаев 

Романтеев Ю.П., Федоров А.Н., Быстров С.В. 
Р69 
Металлургия цинка и кадмия: Учеб. пособие/ Под ред. 
В.П. Быстрова. – М.: МИСиС, 2006. – 193 с. 

В учебном пособии изложены теоретические основы металлургических 
процессов производства цинка и его спутника кадмия, описаны современные 
способы переработки цинкового и кадмиевого сырья и промежуточных продуктов, технологические схемы и аппаратурное оформление основных переделов, освещена практика ведения металлургических операций, рассмотрены 
вопросы комплексного использования полиметаллического сырья на предприятиях цинковой промышленности и охраны окружающей среды. 

Соответствует государственному образовательному стандарту дисциплины «Металлургия тяжелых цветных металлов». 

Предназначено для студентов четвертого и пятого курсов специальности 
150102 (1102) «Металлургия цветных металлов» и инженеров-металлургов. 
Может быть использовано студентами других факультетов. 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (технологический 
университет) (МИСиС), 2006 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение 
6 

1. Общие сведения 
7 

1.1. Развитие производства цинка 
7 

1.2. Применение цинка 
8 

1.3. Минералы и руды цинка 
9 

1.4. Месторождения свинцово-цинковых руд в СНГ 
11 

1.5. Физико-химические свойства цинка 
12 

1.6. Способы получения цинка 
13 

1.6.1. Пирометаллургический способ 
13 

1.6.2. Гидрометаллургический способ 
14 

2. Гидроэлектрометаллургический способ производства цинка 
17 

2.1. Стандартный метод производства цинка. Общая схема процесса .... 18 
2.2. Обжиг цинковых концентратов 
20 

2.2.1. Сульфатообразование 
21 

2.2.2. Ферритообразование 
24 

2.2.3. Силикатообразование 
25 

2.2.4. Сушка концентратов 
25 

2.2.5. Обжиг в цилиндрических многоподовых печах 
с механическим перегребанием 
27 

2.2.6. Обжиг во взвешенном состоянии 
29 

2.2.7. Обжиг в кипящем слое 
32 

2.3. Выщелачивание цинка из огарка растворами серной кислоты 
39 

2.3.1. Кинетика выщелачивания цинка из огарка растворами 
серной кислоты 
41 

2.3.2. Поведение компонентов огарка при выщелачивании 
43 

2.3.3. Аппаратура для выщелачивания и очистки растворов 
46 

2.3.4. Очистка растворов сульфата цинка от примесей 
55 

2.3.4.1. Гидролитическое осаждение примесей 
55 

2.3.4.2. Очистка растворов от меди и кадмия 
58 

2.3.4.3. Очистка растворов от кобальта 
61 

2.3.4.4. Очистка растворов от хлора и фтора 
62 

2.3.4.5. Очистка растворов от накапливающихся примесей 
64 

2.4. Электролиз растворов сульфата цинка 
64 

2.4.1. Теория катодного осаждения цинка 
68 

2.4.1.1. Перенапряжение водорода 
68 

2.4.1.2. Выход по току 
71 

2.4.1.3. Напряжение при электролизе и расход энергии 
74 

2.4.2. Практика электролитического получения цинка 
75 

2.4.3. Интенсификация процесса электролиза цинка 
89 

2.4.4. Переработка дроссов 
91 

3 

2.5. Совершенствование процесса получения цинка 
по традиционной технологии 
92 

3. Пирометаллургический способ производства цинка 
93 

3.1. Агломерирующий обжиг цинковых концентратов 
93 

3.2. Дистилляция цинка 
96 

3.2.1. Сущность способа 
96 

3.2.2. Поведение компонентов шихты при дистилляции 
96 

3.3. Конденсация цинковых паров 
100 

3.4. Получение цинка в горизонтальных ретортах 
103 

3.4.1. Обслуживание печи 
105 

3.4.2. Изготовление реторт и конденсаторов. Алонжи 
106 

3.5. Получение цинка в вертикальных ретортах 
107 

3.6. Дистилляция цинка в электропечах 
110 

3.6.1. Процесс получения цинка в шахтных электропечах 
110 

3.6.2. Процесс получения цинка в рудно-термической печи 
113 

3.6.3. Конденсация цинковых паров 
116 

3.7. Плавка в шахтных печах с жидкостной конденсацией цинка (ISP)..122 
3.8. Рафинирование цинка 
126 

3.8.1. Рафинирование ликвацией 
126 

3.8.2. Химическое рафинирование 
128 

3.8.3. Рафинирование ректификацией 
130 

3.8.4. Переработка полупродуктов от дистилляции цинка 
133 

4. Переработка промежуточных продуктов цинкового производства 
135 

4.1. Переработка цинковых кеков 
135 

4.1.1. Переработка цинковых кеков вельцеванием 
135 

4.1.2. Автоклавное выщелачивание цинковых кеков 
138 

4.1.3. Ярозит-процесс 
140 

4.1.4. Гетит-процесс 
142 

4.1.5. Процесс превращения 
142 

4.1.6. Ярозит-процесс ВНИИцветмета 
143 

4.2. Переработка медно-кадмиевых кеков 
146 

5. Кадмий 
149 

5.1. Общие сведения о кадмии 
149 

5.1.1. Применение кадмия 
149 

5.1.2. Кадмиевое сырье 
150 

5.1.3. Свойства кадмия 
151 

5.2. Способы получения кадмия 
152 

5.2.1. Гидрометаллургия кадмия 
153 

5.2.1.1. Поведение кадмия при окислительном обжиге 
153 

5.2.1.2. Поведение кадмия при выщелачивании огарка 
154 

5.2.1.3. Цементация кадмия из сульфатных растворов 
155 

5.2.1.4. Практика цементации кадмия 
157 

5.2.1.5. Двухстадийная цементация 
157 

4 

5.2.1.6. Дальнейшее совершенствование непрерывной очистки 
цинковых растворов от примесей 
159 

5.2.1.7. Выщелачивание медно-кадмиевого кека 
162 

5.2.1.8. Возможные технологические схемы 
процесса выщелачивания 
163 

5.2.1.9. Электролитическое осаждение кадмия 
168 

5.2.1.10. Влияние примесей на электролиз кадмия 
171 

5.2.1.11. Устройство электролитных ванн 
173 

5.2.1.12. Переплавка катодного кадмия 
174 

5.2.2. Комбинированный способ производства кадмия 
174 

5.2.2.1. Подготовка пылей к выщелачиванию 
175 

5.2.2.2. Обогащение пылей в шахтных печах 
175 

5.2.2.3. Обогащение пылей в отражательной печи 
176 

5.2.2.4. Осаждение кадмиевой губки 
176 

5.2.2.5. Дистилляция кадмия 
177 

5.2.2.6. Рафинирование кадмия 
178 

5.2.2.7. Процесс непрерывного вакуумного рафинирования 
чернового кадмия 
179 

5.2.3. Применение центробежного реактора-сепаратора 
в металлургии кадмия 
181 

5.2.4. Заключение по металлургии кадмия 
186 

6. Пылеулавливание на цинковых заводах 
187 

6.1. Общая характеристика технологических газов 
187 

6.2. Очистка газов обжиговых печей кипящего слоя 
188 

6.3. Очистка газов трубчатых печей (вельцпечей) 
189 

6.4. Дополнительная очистка обжиговых газов цинковых заводов 
от тумана серной кислоты, мышьяка и селена 
190 

Библиографический список 
192 

5 

ВВЕДЕНИЕ 

Цветная металлургия является одной из ведущих отраслей промышленности России, и от ее состояния зависит развитие всей экономики страны. 

Экономика цветной металлургии стран СНГ работает в режиме 
становления рыночных отношений. Сложившиеся до перехода к рыночным отношениям хозяйственные связи в настоящее время полностью (или почти полностью) распались, что привело к спаду производства ввиду нехватки сырья, материалов и оборудования, затруднению в сбыте готовой продукции. Повышение цен на энергоносители привело к росту издержек производства и цен на цветные металлы. 

Истощение богатых и легкодоступных месторождений вынуждает 
переход к разработке месторождений с менее качественными рудами, 
расположенными в более отдаленных и труднодоступных районах, 
расширению объемов использования лома и отходов производства. 

Все эти недостатки сказались на замедлении темпов внедрения 
новой техники и технологий, развития научных исследований. 

Рост издержек производства на предприятиях цветной металлургии стран дальнего зарубежья компенсируется переходом от ресурсоемкого типа воспроизводства к ресурсоэкономному, что обеспечивается внедрением эффективных энерго-, материало-, капитало- и 
трудосберегающих малоотходных и безотходных технологий, автоматизацией производственных процессов на основе средств электронно-вычислительной и микропроцессорной техники, повышением 
извлечения ценных компонентов, комплексности использования сырья и качества продукции. 

Новые законодательные акты Российской Федерации о недрах и 
охране окружающей среды наряду с экономическими условиями развития цветной металлургии России стимулируют переход предприятий к ресурсоэкономному типу воспроизводства, обеспечению внедрения эффективных малоотходных и безотходных технологий. 

6 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 

1.1. Развитие производства цинка 

Первые сведения о металлическом цинке относятся к V веку до 
новой эры. Вначале цинк получали в Индии, позже – в Китае. Сплав 
цинка с медью – латунь – получали в небольших горнах, переплавляя 
окисленную цинковую руду с углем и медью. 

Цинковое производство в Европе возникло в небольшом масштабе в XV–XVI вв. на Гарце (Германия). В первое десятилетие XIX в. в 
Европе было построено несколько дистилляционных заводов, и к 
концу века дистилляция цинка получила большое развитие в Бельгии, Франции и других странах. 

Опыты по получению цинка из его сульфатных растворов были 
начаты еще в 1900 г., однако практическое применение процесс нашел только с освоением флотации и выделением при обогащении 
богатых и чистых цинковых концентратов. Первые гидрометаллургические цинковые заводы были построены в 1915 г. в Канаде и 
США. 

В настоящее время среди развитых капиталистических и развивающихся стран 27 являются производителями цинка. Одной из важных тенденций цинковой отрасли этих стран является концентрация 
производства, позволяющая снизить производственные издержки и 
укрепить ее финансовое положение. В результате в настоящее время 
до 50 % выпуска цинка и свинца в капиталистических странах сосредоточено в пяти крупных объединениях. Всего в этих странах насчитывается 44 цинковых завода и 16 свинцово-цинковых комбинатов 
общей мощностью свыше 5 млн т цинка в год. Основными странамипроизводителями цинка являются Япония, Канада, США, Германия, 
Австралия, Бельгия, Италия, Франция, Испания и Южная Корея. 

В странах СНГ основная доля цинка производится на заводах 
Республики Казахстан (АО «УК СЦК», АО «ЛПК»). В России цинк 
производят на Челябинском электролитном, Беловском цинковом 
заводах и на заводе «Электроцинк», на Украине – на заводе «Укрцинк». Все цинковые заводы стран СНГ, кроме Беловского, работают 
по гидрометаллургической технологии. На Беловском цинковом заводе применяется электротермическая технология (вместо недавней 
дистилляции в горизонтальных ретортах) производства металличе
7 

ского цинка и технология производства цинкового порошка методом 
дистилляции в ректификационных колоннах. 

Гидрометаллургическим способом цинк получают в Узбекистане 
(г. Алмалык). 

Исходным сырьем для производства металла служат руды и концентраты, в которых, кроме цинка и свинца, присутствуют также некоторые другие ценные металлы, такие, как золото, серебро, медь, 
кадмий, мышьяк, сурьма, висмут и др. Все эти металлы обычно являются спутниками свинца и цинка в рудных полиметаллических 
месторождениях. 

Задачей современной науки в свинцово-цинковой отрасли промышленности является изучение и разработка путей комплексного 
использования сырья с наибольшим экономическим эффектом. 

1.2. Применение цинка 

Цинк находит широкое применение как в промышленности, так и 
в быту. 

В свободном металлическом виде он применяется для оцинкования железных, стальных и чугунных изделий (листов, труб и др.). 
Свойство цинка покрываться очень плотной тончайшей пленкой в 
виде основного карбоната ZnCO3 3Zn(OH)2, препятствующей дальнейшему проникновению окислителя во внутренние слои металла, 
позволяет с успехом использовать цинк в качестве предохранителя 
других металлов от коррозии. Это покрытие надежно защищает железо и его сплавы от коррозии не только в обычной, но и загрязненной промышленными газами атмосфере и в морской воде. На эти цели расходуется около 40 % мирового производства цинка. 

Цинк не только надежный защитник металлов, но и прекрасный 
материал для изготовления некоторых деталей, различных веществ. 
Цинковые белила все больше вытесняют свинцовые в малярном деле 
и в живописи. Его соединения с кислородом (оксид цинка) – необходимая составная часть обычной косметической пудры. Без оксида 
цинка не обходятся фармацевты и медики: пушинки белого порошка 
входят в состав присыпок, мазей, пластырей, паст. Сернокислый 
цинк также широко применяется в промышленности как основа минеральных красок. Широким спросом пользуется белая краска, получаемая из смеси сернокислого бария и сернистого цинка (литопон). 

Интересным свойством обладает соединение цинка с серой. Оно 
светится под ударами быстролетящих атомных частиц. Благодаря 

8 

этой особенности сернистый цинк позволил ученым глубже проникнуть в тайны строения атома. 

В середине прошлого века ученые, кроме известных ранее 15 химических элементов (водород, кислород, азот, натрий, сера, фосфор и 
др.), обнаружили в составе различных растений и в организме животных титан, мышьяк, кобальт, рубидий, магний, бром, йод и много 
других элементов. Двадцатый век принес новые открытия. В чернике 
нашли радий, в теле морского ежа – ванадий, у жуков-хрущей – марганец, у подорожника и фиалок – цинк. 

Важную роль в процессе дыхания млекопитающих играет железо. 
Оно входит в состав гемоглобина, без которого мы не могли бы дышать. Ведь железо является переносчиком кислорода в организме. 
Но не у всех животных гемоглобин играет такую важную роль. У 
некоторых видов низших животных переносчиком кислорода при 
дыхании служит цинк. 

Значительную часть цинка употребляют в виде сплавов с медью 
(латунь), с медью и оловом (бронза), с медью и никелем (мельхиор) и 
др. Все эти сплавы идут на изготовление различных деталей в машиностроении. Сплавы цинка с оловом и сурьмой (гарт) являются заменителями типографского сплава, приготовляемого на свинцовой основе. 

Металлический цинк применяется также в металлургии свинца 
для осуществления процесса обессеребрения свинца и в металлургии 
золота и серебра – для цементации золота и серебра из их цианистых 
растворов. Хлористый цинк необходим при паяльных работах, а также используется для пропитки деревянных изделий (например, железнодорожных шпал), предохраняя их от гниения (антисептик). 

Словом, цинк вездесущ. Он присутствует в нашей пище, в почве, 
в живых организмах и в растениях. И если внимательно присмотреться к окружающим нас предметам, можно обнаружить немало 
изделий, которым этот невзрачный, неприметный металл сохраняет 
долгую жизнь. 

1.3. Минералы и руды цинка 

Самородный цинк в природе не найден. Цинк встречается в рудах 
главным образом в виде соединений с серой или кислородом. 

Основные минералы цинка: 
ZnS – сфалерит (цинковая обманка), содержит 67,1 % цинка, 
цвет – желтый, бурый, черный; 

9 

nZnS mFeS – марматит, содержит более 60 % цинка, буроваточерный цвет; 

ZnO – цинкит, содержит 80,3 % цинка, темно-красный цвет; 
ZnCO3 – смитсонит, содержит 64,8 % ZnO, белый, серый, зеленоватый цвет; 

Zn2SiO4(2ZnO SiO2) – виллемит, содержит 73 % ZnO, белый, желтый, зеленоватый цвет; 

H2Zn2SiO5(2ZnO SiO2 H2O) – каламин, содержит 67,5 % ZnO, 
белый, желтый, зеленоватый цвет; 

ZnSO4 – цинкозит, содержит 50,3 % ZnO, в природе встречается 
редко; 

ZnSO4 7H2O – госларит, содержит 28,2 % ZnO, белый или красноватый цвет. 

Цинковые руды классифицируют на сернистые или сульфидные, в 
которых цинк содержится в сульфидной форме, и окисленные, содержащие оксидные соединения цинка. Наиболее распространены в 
природе сульфидные руды, в которых цинк находится, главным образом, в виде сфалерита – первичные руды. В окисленных рудах 
цинк обычно находится в виде смитсонита, поэтому их иногда называют карбонатными. 

Минерал смитсонит, так же, как и другие окисленные минералы, – 
вторичного происхождения и образуется в результате длительного 
выветривания сульфидов. Поэтому в природе окисленные руды 
встречаются преимущественно в верхних, окисленных зонах месторождений. Эти наиболее доступные для эксплуатации части месторождений к настоящему времени уже почти везде выработаны, и 
цинковая промышленность перерабатывает почти исключительно 
сульфидные руды. 

Монометаллические цинковые руды в природе встречаются очень 
редко. Наибольшее распространение имеют свинцово-цинковые руды (Алтай, Восточный Казахстан), реже встречаются медноцинковые руды (Урал, Казахстан). Часто руды содержат, кроме цинка и свинца, медь, золото, серебро, кадмий и другие металлы. Цинковые руды содержат всегда кадмий (из редких – германий), обычно в 
виде минерала гренокит – сульфид кадмия. 

Цинковые руды из-за невысокого содержания в них извлекаемого 
металла (1…13 %), как правило, непосредственно в металлургическую переработку не поступают. Их предварительно обогащают. 

Для обогащения полиметаллических руд, содержащих кроме цинка и другие ценные металлы, применяют обычно методы селектив
10