Краткие теоретические сведения. В начале 1950-х годов в поисках процесса переработки железистых цинковых руд и концентратов был испытан способ плавки их в отражательной печи с отгонкой цинка

В начале 1950-х годов в поисках процесса переработки железистых цинковых руд и концентратов был испытан способ плавки их в отражательной печи с отгонкой цинка и получением железа в виде чугуна. Цинк извлекался практически полностью с одновременным получением шлака и чугуна. Успех этой попытки привел к исследованию шлаковой плавки в электропечах. При этом для получения жидкого цинка применили конденсатор нового типа со струйным орошением. Опыты дали положительные результаты и в 1951 г. была построена промышленная электропечь для дистилляции цинка с расплавлением шихты (стерлинг-процесс).

Согласно разработанной технологии, окисленные цинксодержащие материалы, восстановитель и флюсы тщательно перемешивают. Крупность материала не играет заметной роли, важно, чтобы был хороший контакт между компонентами шихты. К химическому составу шихты также не предъявляется жестких требований. Перерабатываются как богатые по цинку концентраты, так и бедные, содержащие около 20 % цинка, столько же железа, а также свинец, кадмий, медь. Подвергаемая плавке шихта не должна содержать более 1 % серы и 1 % диоксида углерода, поэтому сульфидный материал предварительно обжигают и агломерируют.

Перемешанную шихту вначале прокаливают в течение двух часов в трубчатой печи при температуре 850-900 ⁰С, при этом отгоняются летучие из топлива, часть триоксида железа восстанавливается до закиси, диссоциирует известняк. Горячая шихта поступает в электропечь (рис. 10).

Одновременно загружают 2-3 т шихты. Расплавленный шлак и чугун собираются на поду печи. Для защиты подины от действия дуги поддерживают постоянным слой чугуна. Для предотвращения непосредственного контакта электрической дуги с чугуном поддерживают слой шлака. Избыток чугуна и шлака выпускают, а пары цинка, свинца, кадмия и др. металлов, оксид углерода направляются в конденсатор. Процесс проводится таким образом, что основная масса содержащегося в шихте цинка восстанавливается и отгоняется до расплавления пустой породы и образования жидкого шлака. При этом прямое воздействие электрической дуги на шихту ограничено. Тепло шихте передается радиацией. Дуга открытая между электродом и шлаком. Температура дуги достигает 3000-4000 ⁰C, а температура ванны поддерживается около 1450 ⁰С с тем, чтобы избежать восстановления элементов пустой породы и перегрева кладки печи. Достигают это тем, что шихту загружают откосами по всему периметру печи и она поглощает тепло на эндотермические реакции, а также на нагрев шихты. Как и при дистилляции в ретортах, основной химической реакцией в электропечи является взаимодействие оксида цинка с оксидом углерода с образованием паров цинка и диоксида углерода

ZnO + CO = Zn + CO₂.

Рис. 10. Руднотермическая печь для процесса “Стерлинг”:

1 – печь; 2 – контейнер; 3 – электроды; 4 – трансформатор;

5 – конденсатор; 6 – зумпфы; 7 – летки

Реакция эта обратима и в условиях реторты она смещается вправо за счет избытка углерода, который раскисляет диоксид

СO₂ + C = 2CO.

В электропечи допустить значительный избыток углерода невозможно, так как это приведет к загромождению печи коксом. Поэтому условия конденсации здесь хуже и недостаток углерода компенсируется повышением температуры отходящих газов до 1000 ⁰С, при этом быстрое охлаждение газов предотвращает образование большого количества пусьеры. Избыток углерода недопустим и потому, что могут восстановиться компоненты пустой породы и частично лететь, что резко влияет на конденсацию цинка. Поэтому углерода загружают теоретически необходимое количество для восстановления цинка, свинца, кадмия и части железа. Железа в шлаке оставляют невосстановленным 1,5-6,0 %; это делается для того, чтобы не восстанавливать кремний, магний, кальций. Отношение оксида кальция к оксиду кремния в шлаке поддерживают близким к единице. Такой шлак имеет достаточную текучесть при температуре выпуска из печи (1350 ⁰С), хорошо отделяется от чугуна и расплавляется после отгонки основной массы цинка из шихты.