Fundição de zinco - Zinc smelting

A fundição de zinco é o processo de conversão de concentrados de zinco ( minérios que contêm zinco) em zinco puro. A fundição de zinco tem sido historicamente mais difícil do que a fundição de outros metais, por exemplo , ferro , porque, em contraste, o zinco tem um baixo ponto de ebulição . Em temperaturas normalmente usadas para fundir metais, o zinco é um gás que escapará de uma fornalha com o gás de combustão e será perdido, a menos que medidas específicas sejam tomadas para evitá-lo.

O concentrado de zinco processado mais comum é o sulfeto de zinco , obtido pela concentração de esfalerita pelo método de flotação por espuma . O material de zinco secundário (reciclado), como o óxido de zinco, também é processado com o sulfeto de zinco. Aproximadamente 30% de todo o zinco produzido é de fontes recicladas.

Métodos

Existem dois métodos de fundição de zinco: o processo pirometalúrgico e o processo de eletrólise. Ambos os métodos ainda são usados. Ambos os processos compartilham a mesma primeira etapa: torrefação.

O caminho superior é o processo pirometalúrgico de fundição de zinco e o caminho inferior é o processo eletrolítico.

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A torrefação é um processo de oxidação de concentrados de sulfeto de zinco em altas temperaturas em um óxido de zinco impuro, denominado "Zinco Calcino". As reações químicas que ocorrem são as seguintes:

Aproximadamente 90% do zinco em concentrados são oxidados a óxido de zinco. No entanto, nas temperaturas de torra, cerca de 10% do zinco reage com as impurezas de ferro dos concentrados de sulfeto de zinco para formar ferrita de zinco . Um subproduto da torrefação é o dióxido de enxofre , que é posteriormente processado em ácido sulfúrico , uma commodity . O fluxograma da refinaria vinculado mostra um esquema da operação de torrefação de zinco do leste canadense de Noranda

O processo de torra varia de acordo com o tipo de torrador usado. Existem três tipos de torrefadores: fornos múltiplos, suspensão e leito fluidizado.

Torradeira de múltiplos fornos

Em um torrefador de múltiplas fornalhas, o concentrado cai através de uma série de 9 ou mais fornos empilhados dentro de uma coluna cilíndrica revestida de tijolos. À medida que o concentrado de alimentação cai no forno, ele é primeiro seco pelos gases quentes que passam pelas lareiras e, em seguida, é oxidado para produzir calcina. As reações são lentas e podem ser sustentadas apenas pela adição de combustível. Vários torrefadores de forno não têm pressão e operam a cerca de 690 ° C (1.270 ° F). O tempo de operação depende da composição do concentrado e da quantidade de remoção de enxofre necessária. Vários torrefadores de forno têm a capacidade de produzir uma calcina de alta pureza.

Torrador de suspensão

Em um torrefador de suspensão, os concentrados são soprados em uma câmara de combustão muito semelhante à de uma fornalha de carvão pulverizado. A torrefadora consiste em uma carcaça de aço cilíndrica revestida de refratário, com grande espaço de combustão na parte superior e 2 a 4 lareiras na parte inferior, semelhantes às de um forno de soleira múltipla. A moagem adicional, além da exigida para um forno de soleira múltipla, é normalmente necessária para garantir que a transferência de calor para o material seja suficientemente rápida para que as reações de dessulfuração e oxidação ocorram na câmara do forno. Os torrefadores de suspensão não são pressurizados e operam a cerca de 980 ° C (1.800 ° F).

Torradeira de leito fluidizado

Em um torrefador de leito fluidizado, concentrados de sulfeto finamente moídos são suspensos e oxidados em um leito de matéria-prima apoiado em uma coluna de ar. Como no torrador de suspensão, as taxas de reação para dessulfurização são mais rápidas do que nos processos de soleira múltipla mais antigos. Os torrefadores de leito fluidizado operam sob uma pressão ligeiramente inferior à atmosférica e em temperaturas médias de 1.000 ° C (1.830 ° F). No processo de leito fluidizado, nenhum combustível adicional é necessário após a ignição ter sido alcançada. As principais vantagens deste torrador são maiores capacidades de produção, maiores capacidades de remoção de enxofre e menor manutenção.

Processo de eletrólise

O processo de eletrólise, também conhecido como processo hidrometalúrgico, processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) ou processo eletrolítico, é mais amplamente utilizado do que os processos pirometalúrgicos.

O processo de eletrólise consiste em 4 etapas: lixiviação, purificação, eletrólise e fusão e fundição.

Lixiviação

A fórmula química básica de lixiviação que impulsiona esse processo é:

Isso é obtido na prática por meio de um processo denominado dupla lixiviação. A calcina é primeiro lixiviada em uma solução neutra ou ligeiramente ácida (de ácido sulfúrico) para retirar o zinco do óxido de zinco. A calcina restante é então lixiviada em ácido sulfúrico forte para retirar o zinco restante do óxido de zinco e da ferrita de zinco. O resultado desse processo é um sólido e um líquido; o líquido contém o zinco e é freqüentemente chamado de produto de lixiviação; o sólido é chamado de resíduo de lixiviação e contém metais preciosos (geralmente chumbo e prata) que são vendidos como subprodutos. Há também ferro no produto de lixiviação da lixiviação com ácido forte, que é removido em uma etapa intermediária, na forma de goethita , jarosita e hematita . Ainda há cádmio , cobre , arsênio , antimônio , cobalto , germânio , níquel e tálio no produto de lixiviação. Portanto, ele precisa ser purificado.

Purificação

O processo de purificação utiliza o processo de cimentação para purificar ainda mais o zinco. Ele usa pó e vapor de zinco para remover cobre, cádmio, cobalto e níquel, o que interfere no processo de eletrólise. Após a purificação, as concentrações dessas impurezas são limitadas a menos de 0,05 miligrama por litro (4 × 10-7 libras por galão americano). A purificação é geralmente conduzida em grandes tanques agitados. O processo ocorre em temperaturas que variam de 40 a 85 ° C (104 a 185 ° F) e pressões que variam de atmosférica a 2,4 atm (240 kPa) (escala absoluta). Os subprodutos são vendidos para posterior refino.

A solução de sulfato de zinco deve ser muito pura para que a separação eletrolítica seja eficiente. As impurezas podem alterar a voltagem de decomposição o suficiente para que a célula de eletrólise produza principalmente gás hidrogênio em vez de zinco metálico.

Eletrólise

O zinco é extraído da solução de sulfato de zinco purificado por eletroluição , que é uma forma especializada de eletrólise. O processo funciona passando uma corrente elétrica pela solução em uma série de células. Isso faz com que o zinco se deposite nos cátodos ( folhas de alumínio ) e o oxigênio se forme nos ânodos. O ácido sulfúrico também é formado no processo e reutilizado no processo de lixiviação. A cada 24 a 48 horas, cada célula é desligada, os cátodos revestidos de zinco são removidos e enxaguados e o zinco é mecanicamente separado das placas de alumínio.

As fundições eletrolíticas de zinco contêm até várias centenas de células. Uma parte da energia elétrica é convertida em calor, o que aumenta a temperatura do eletrólito. As células eletrolíticas operam em faixas de temperatura de 30 a 35 ° C (86 a 95 ° F) e à pressão atmosférica. Uma parte do eletrólito é continuamente circulada pelas torres de resfriamento para resfriar e concentrar o eletrólito por meio da evaporação da água. O eletrólito resfriado e concentrado é então reciclado para as células. Este processo é responsável por aproximadamente um terço de todo o uso de energia na fundição de zinco.

Existem dois processos comuns para a extração eletrolítica do metal: o processo de baixa densidade de corrente e o processo de alta densidade de corrente de Tainton . O primeiro usa uma solução de ácido sulfúrico a 10% como eletrólito, com densidade de corrente de 270–325 amperes por metro quadrado. O último usa solução de ácido sulfúrico de 22 a 28% como eletrólito com densidade de corrente de cerca de 1.000 amperes por metro quadrado. Este último apresenta maior pureza e maior capacidade de produção por volume de eletrólito, mas tem a desvantagem de aquecer mais e ser mais corrosivo para o vaso em que é feito. Em qualquer um dos processos eletrolíticos, cada tonelada métrica de produção de zinco gasta cerca de 3.900  kW⋅h (14  GJ ) de energia elétrica.

Derretimento e fundição

Dependendo do tipo de produtos finais produzidos, os cátodos de zinco que saem da planta eletro-vencedora podem passar por uma etapa adicional de transformação em uma fundição. Os cátodos de zinco são fundidos em fornos de indução e fundidos em produtos comercializáveis, como lingotes. Outros metais e componentes de ligas podem ser adicionados para produzir ligas contendo zinco usadas em aplicações de fundição sob pressão ou galvanização em geral. Finalmente, o zinco fundido pode ser transportado para fábricas de conversão próximas ou terceiros usando recipientes isolados especialmente projetados.

Processos pirometalúrgicos

Existem também vários processos pirometalúrgicos que reduzem o óxido de zinco usando carbono e, em seguida, destilam o zinco metálico da mistura resultante em uma atmosfera de monóxido de carbono. A principal desvantagem de qualquer processo pirometalúrgico é que ele é apenas 98% puro; uma composição padrão é 1,3% de chumbo, 0,2% de cádmio, 0,03% de ferro e 98,5% de zinco. Isso pode ser puro o suficiente para galvanização, mas não o suficiente para ligas fundidas, que requerem zinco especial de alto grau (99,995% puro). Para atingir essa pureza, o zinco deve ser refinado .

Os quatro tipos de processos pirometalúrgicos comerciais são o processo (eletrotérmico) da St. Joseph Minerals Corporation, o processo de alto-forno , o processo de retorta vertical contínua de zinco de New Jersey e o processo de retorta horizontal do tipo belga .

Processo (eletrotérmico) da St. Joseph Mineral Company

Este processo foi desenvolvido pela St. Joseph Mineral Company em 1930 e é o único processo pirometalúrgico ainda usado nos Estados Unidos para fundir zinco. A vantagem desse sistema é que ele é capaz de fundir uma ampla variedade de materiais contendo zinco, incluindo pó de forno elétrico a arco. A desvantagem desse processo é que ele é menos eficiente do que o processo de eletrólise.

O processo começa com uma operação de sinterização downdraft. O sinter, que é uma mistura de calcina torrefadora e calcina EAF (forno elétrico a arco), é carregado em um transportador do tipo portão e, em seguida, os gases de combustão são bombeados através do sinter. O carbono nos gases de combustão reage com algumas impurezas, como chumbo, cádmio e halogenetos. Essas impurezas são levadas para os sacos de filtração. O sinter após esse processo, denominado sinter de produto, geralmente tem composição de 48% de zinco, 8% de ferro, 5% de alumínio, 4% de silício, 2,5% de cálcio e quantidades menores de magnésio, chumbo e outros metais. O produto de sinterização é então carregado com coque em um forno elétrico de retorta. Um par de eletrodos de grafite da parte superior e inferior do forno produzem um fluxo de corrente através da mistura. O coque fornece resistência elétrica à mistura para aquecê-la a 1.400 ° C (2.550 ° F) e produzir monóxido de carbono. Essas condições permitem que a seguinte reação química ocorra:

O vapor de zinco e o dióxido de carbono passam para um condensador a vácuo, onde o zinco é recuperado borbulhando em um banho de zinco fundido. Mais de 95% do vapor de zinco que sai da retorta é condensado em zinco líquido. O dióxido de carbono é regenerado com carbono e o monóxido de carbono é reciclado de volta para o forno de retorta.

Processo de alto-forno (processo de fundição imperial)

Este processo foi desenvolvido pela National Smelting Company em Avonmouth Docks , Inglaterra , a fim de aumentar a produção, aumentar a eficiência e diminuir os custos de mão de obra e manutenção. LJ Derham propôs o uso de um spray de gotículas de chumbo derretido para resfriar e absorver rapidamente o vapor de zinco, apesar da alta concentração de dióxido de carbono. A mistura é então resfriada, onde o zinco se separa do chumbo. A primeira planta com este projeto foi inaugurada em 1950. Uma das vantagens desse processo é que ele pode co-produzir lingotes de chumbo e escórias de cobre. Em 1990, era responsável por 12% da produção mundial de zinco.

O processo começa carregando sinter sólido e coque aquecido no topo do alto-forno. Ar pré-aquecido a 190 a 1.050 ° C (370 a 1.920 ° F) é soprado para o fundo do forno. O vapor de zinco e os sulfetos saem pela parte superior e entram no condensador. A escória e o chumbo se acumulam no fundo do forno e são extraídos regularmente. O zinco é removido do vapor no condensador por meio de chumbo líquido. O zinco líquido é separado do chumbo no circuito de resfriamento. Aproximadamente 5.000 toneladas métricas (5.500 toneladas curtas ) de chumbo são necessárias a cada ano para este processo, no entanto, este processo recupera 25% mais chumbo dos minérios de partida do que outros processos.

Retorta vertical contínua de zinco de Nova Jersey

Diagrama do processo de zinco de Nova Jersey, Pat. US 2.457.552.

O processo de Zinco de Nova Jersey não é mais usado para produzir zinco primário nos Estados Unidos, Europa e Japão, porém ainda é usado para tratar operações secundárias. Esse processo atingiu o pico em 1960, quando respondia por 5% da produção mundial de zinco. Uma versão modificada desse processo ainda é usada em Huludao, na China, que produzia 65.000 toneladas métricas por ano.

Esse processo começa com a torrefação de concentrados que são misturados ao carvão e briquetados em duas etapas. Os briquetes são então aquecidos em um coque autógeno a 700 ° C (1.292 ° F) e carregados na retorta. Existem três razões para briquetar a calcina: para garantir o movimento descendente livre da carga; para permitir a transferência de calor através de uma seção transversal de tamanho prático; para permitir a porosidade adequada para a passagem do vapor de zinco reduzido para o topo da retorta. O vapor de zinco reduzido que é coletado no topo da retorta é então condensado em um líquido.

Overpelt melhorou este projeto usando apenas uma grande câmara de condensação, em vez de muitas pequenas, como foi originalmente projetada. Isso permitiu que o monóxido de carbono fosse recirculado nos fornos para aquecer as retortas.

Este processo foi licenciado para a Imperial Smelting Corporation (ISC), com sede em Avonmouth , Inglaterra, que teve uma grande planta de retorta vertical (VR) em produção por muitos anos. Foi usado até meados da década de 1970, quando foi substituído pela fábrica do forno de fundição imperial (ISF) da empresa. A planta VR foi demolida em 1975.

Processo de retorta horizontal tipo belga

Este processo foi o principal processo usado na Grã-Bretanha de meados do século 19 até 1951. O processo era muito ineficiente, pois foi projetado como uma operação de lote em pequena escala. Cada retorta produzia apenas 40 quilos (88 libras), então as empresas os colocavam em bancos e usavam um grande queimador de gás para aquecê-los todos. O processo belga requer redestilação para remover impurezas de chumbo, cádmio, ferro, cobre e arsênico.

História

A primeira produção de zinco em quantidade parece ter ocorrido na Índia a partir do século XII e posteriormente na China a partir do século XVI. Na Índia, o zinco foi produzido em Zawar entre os séculos 12 e 18, embora alguns artefatos de zinco pareçam ter sido feitos durante a antiguidade clássica na Europa . O minério de esfalerita encontrado aqui foi provavelmente convertido em óxido de zinco por torrefação, embora nenhuma evidência arqueológica tenha sido encontrada. Acredita-se que a fundição tenha sido feita em retortas de argila cilíndricas seladas que foram embaladas com uma mistura de minério torrado, dolomita e um material orgânico, talvez esterco de vaca , e então colocadas verticalmente em uma fornalha e aquecidas a cerca de 1100 ° C. O monóxido de carbono produzido pela carbonização do material orgânico teria reduzido o óxido de zinco a vapor de zinco, que então se liquefazia em um condensador cônico de argila no fundo da retorta, pingando em um recipiente de coleta. Durante o período de 1400–1800, a produção foi estimada em cerca de 200 kg / dia. O zinco também foi fundido na China a partir de meados do século XVI.

A produção de zinco em grande escala na Europa começou com William Champion , que patenteou um processo de destilação de zinco em 1738. No processo de Champion, o minério de zinco (neste caso, o carbonato, ZnCO 3 ) foi selado em grandes potes de redução com carvão e aquecido em um forno. O vapor de zinco então desceu por um tubo de condensação de ferro até chegar a um recipiente cheio de água no fundo. Champion montou sua primeira fábrica de zinco em Bristol , Inglaterra, mas logo se expandiu para Warmley e em 1754 já havia construído quatro fornos de zinco lá. Embora Champion tenha conseguido produzir cerca de 200 toneladas de zinco, seus planos de negócios não foram bem-sucedidos e ele faliu em 1769. No entanto, a fundição de zinco continuou nesta área até 1880.

Porcentagem de zinco produzido por determinados métodos
Ano
Retorta horizontal

Retorta vertical
Eletrotérmico Alto-
forno
Eletrolítico
<1916 > 90        
1929         28
1937         c. 33
1960 34,5 11 7,5 2 45
1970 15 10 6,5 12,5 56
1980 3 7 6 10 74

A primeira produção europeia de zinco também ocorreu na Silésia , na Caríntia e em Liège , na Bélgica . No processo da Caríntia, usado em obras estabelecidas em 1798 por Bergrath Dillinger, uma fornalha a lenha aquecia um grande número de pequenas retortas verticais, e o vapor de zinco então caía por um tubo de cerâmica em uma câmara de condensação comum abaixo. Este processo estava fora de uso em 1840. Os processos da Bélgica e da Silésia usavam retortas horizontais. Na Silésia, Johann Ruhberg construiu um forno para destilar zinco em 1799, primeiro usando potes, mas depois mudando para retortas de fundo plano chamadas "mufla", presas a tubos horizontais curvados para baixo nos quais o zinco se condensava. O processo da Silésia acabou por se fundir com o processo da Bélgica. Este processo, desenvolvido por Jean-Jacques Daniel Dony , foi introduzido em 1805–1810 e usou retortas com uma seção transversal cilíndrica. Os condensadores eram tubos de argila horizontais que se estendiam das extremidades das retortas. A fusão do processo de retorta horizontal "Belgo-Silésia" foi amplamente adotado na Europa no terceiro quarto do século 19 e, posteriormente, nos Estados Unidos.

Tentativas experimentais de extrair zinco por eletrólise começaram no século 19, mas a única aplicação comercialmente bem-sucedida antes de 1913 foi um processo, usado na Grã-Bretanha e na Áustria , onde o zinco e o cloro foram co-produzidos pela eletrólise de uma solução aquosa de cloreto de zinco . A Anaconda Copper Company , em Anaconda , Montana , e a Consolidated Mining and Smelting Company , em Trail , British Columbia , ambas construíram fábricas eletrolíticas de sucesso em 1915 usando o processo de sulfato de zinco atualmente usado. Esse método continuou a crescer em importância e, em 1975, era responsável por 68% da produção mundial de zinco.

O processo de retorta vertical contínuo foi introduzido em 1929 pela New Jersey Zinc Company. Esse processo utilizou uma retorta com paredes de carboneto de silício, com cerca de 9 metros de altura e seção transversal de 2 por 0,3 metros. As paredes da retorta foram aquecidas a 1300 ° C e briquetes consistindo de minério de zinco sinterizado, coque, carvão e material reciclado foram alimentados na parte superior da retorta. O zinco gasoso foi retirado do topo da coluna e, após uma viagem de 20 horas pela retorta, os briquetes usados ​​foram removidos do fundo. Para condensar o zinco gasoso, a empresa primeiro usou uma câmara simples de tijolos com defletores de carborundo, mas a eficiência era baixa. Durante a década de 1940, foi desenvolvido um condensador que condensava o vapor de zinco em um spray de gotículas de zinco líquido, lançadas por um impulsor elétrico.

O processo eletrotérmico, desenvolvido pela St. Joseph's Lead Company , era um tanto semelhante. A primeira planta comercial usando este processo foi construída em 1930 no local atual de Josephtown , Pensilvânia . O forno eletrotérmico era um cilindro de aço com cerca de 15 metros de altura e 2 metros de diâmetro, forrado com tijolos refratários. Uma mistura de minério sinterizado e coque foi alimentada no topo do forno, e uma corrente de 10.000–20.000 amperes, a uma diferença de potencial de 240 volts, foi aplicada entre os eletrodos de carbono no forno, elevando a temperatura para 1200–1400 ° C. Um condensador eficiente foi desenvolvido para esse processo de 1931 a 1936; consistia em um banho de zinco líquido do qual os gases de exaustão eram aspirados. O conteúdo de zinco da corrente de gás foi absorvido no banho líquido.

O processo de alto-forno foi desenvolvido a partir de 1943 em Avonmouth, Inglaterra, pela Imperial Smelting Corporation , que se tornou parte da Rio Tinto Zinc em 1968. Ele usa um spray de gotas de chumbo derretido para condensar o vapor de zinco.

Veja também

Referências