ВВЕДЕНИЕ

     Металлургическая  промышленность Казахстана является в  настоящее время одной из базовых  отраслей экономики. Она входит в  число мировых лидеров. Объемы производимой продукции позволяют полностью  удовлетворять потребности отечественных  предприятий и поставлять цветные металлы на мировые рынки. Сегодняшнее состояние отрасли явилось результатом ее многовекового развития. Экономика цветной металлургии Республики Казахстан развивается в направлении рыночных отношений.

      Современные металлургические технологии представляют собой комплексы различной сложности металлургических процессов и переделов. Конечной целью современного металлургического передела является обеспечение максимального извлечения металлов из исходного сырья с минимальными капитальными и эксплуатационными затратами, получение товарной продукции с наибольшими потребительскими качествами, обеспечение минимального воздействия на окружающую среду.

      Этому способствует автоматизация технологических  процессов, позволяющая снизить  расходы на материалы, сырье, электроэнергию и заработную плату рабочих. Внедрение автоматизированной системы позволяет повысить производительность предприятия с минимальными затратами.

     В  данной работе предложена модернизированная система автоматизации процесса электролиза цинка. Целью автоматизации является улучшение условий труда персонала отделения электролиза, повышение чистоты выпускаемого цинка и улучшение технико-экономических показателей производства данного металла. 
 
 
 

     1 АНАЛИЗ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИЗА  ЦИНКА КАК ОБЪЕКТА АВТОМАТИЗАЦИИ 

1. Способы получение  металлического цинка

      В современной металлургии цинка  применяются два способа получения  металлического цинка: пирометаллургический и гидрометаллургический.

      Пирометаллургические  способы заключаются в обработке  руд и концентратов нагреванием при высоких температурах. В отличие от пирометаллургических, гидрометаллургические процессы основаны на извлечении металлов из сырья и различных полупродуктов водными растворами кислот и других химических реагентов с последующим выделением металлов из растворов.

      Производственный  процесс получения цинка по гидрометаллургической  технологии слагается из следующих  основных стадий: подготовка сырья  к металлургической переработке; обжиг  цинковых концентратов; подготовка обожженных продуктов и других материалов к выщелачиванию; выщелачивание цинкосодержащих материалов; очистка растворов от примесей; электролитическое осаждение цинка; плавка катодного цинка.

      Цинк  выщелачивается из предварительно обожженного  концентрата раствором серной кислоты:

      ZnO+H₂SO₄=ZnSO₄+H₂O                   (1.1)

      Полученные  при выщелачивании растворы содержат   примеси, поэтому раствор сульфата цинка подвергается очистке. Далее  водный раствор сернокислого цинка, очищенный от примесей, поступает  на электролиз в ванны с анодами  и катодами.

      По  сравнению с пирометаллургическим, гидрометаллургический метод имеет  ряд преимуществ:

      - высокая степень извлечения основных  и попутных компонентов исходного  сырья;

      - обеспечение наиболее благоприятных  условий для охраны окружающей  среды от вредных выбросов;

      - возможность переработки различного  цинксодержащего сырья, в том  числе низкосортного с высоким  содержанием вредных примесей [1].

     Таким образом, гидрометаллургический способ позволяет получить более чистый металл, при этом повысить комплексное извлечение других металлов. 

2. Описание  технологического процесса электролиза  цинка

     Процесс электролиза цинка является завершающим  циклом гидрометаллургического способа  переработки цинкосодержащего сырья.

     Технологическая схема включает в себя следующее  оборудование: электролизные ванны, напорные баки, атмосферные градирни, баки для добавок, смеситель, желоба, коллектор отработанного электролита и насосы. Характеристика оборудования приведена в таблице 1.1. 

     Таблица 1.1 - Характеристика оборудования электролизного отделения

     Продолжение таблицы 1.1

     Основным  оборудованием в процессе электролиза  цинка является электролизная ванна 1 из полимербетона с анодами и  катодами, токоподводящими шинами, приспособлениями для подвода и  отвода электролита и его охлаждения [2]. Электролизная ванна представлена на рисунке 1.1. 

Рисунок 1.1 – Полимербетонная электролизная  ванна для электрического осаждения  цинка: 1 - катод; 2 – анод; 3 – сливной  лоток; 4 – фарфоровые изоляторы, 5 –  отверстие для слива электролита. 

     На  заводах чаще всего применяли  железобетонные ванны, внутренние стенки которых футеровали листовым свинцом, полихлорвинилом или винипластом. В настоящее время для электролиза  используют ванны из полимербетона. Основное преимущество этих ванн заключается в том, что они не требуют футеровки, так как их корпус является одновременно и кислотостойким, и непроницаемым. Рабочий объем ванны составляет 2,5 м³. Ванны изолированы от опоры стеклянными или фарфоровыми изоляторами. Обортовку ванн и сливные лотки изготавливают из винипласта [3].

     Рассматриваемое число ванн составляет 156 штук. Ванны  размещены рядами торцевыми стенками друг к другу. Между рядами имеются  проходы для обслуживания ванн. Ряды сгруппированы в блоки. Для фиксации положения катодов и анодов в ванне, на бортах ванн установлены рейки из полиэтилена.

      В каждую ванну устанавливаются 30 - 34 анодов и 29 - 33 катодов. Для изготовления катодов используют листы из чистого  алюминия толщиной 4-7 мм, стандартные  размеры полотна длина – 1100 мм, ширина – 660 мм. Выбор алюминия в качестве материала катода обусловлен совокупностью полезных свойств: высокая электропроводность, малая плотность, мягкость и пластичность, легкость катода и удобство его механической обработки.  Катод состоит из трёх основных элементов: листа, штанги и контакта. Контактом служит приваренная к штанге медная вставка. Катоды делают на 20-25 мм шире и длиннее анодов. На края катодов с обеих сторон листа надевают резиновые планки для предотвращения срастания катодного цинка.

     В настоящее время все цинк-электролитные заводы мира применяют свинцово-серебряные аноды (свинцово-серебряного сплава с содержанием серебра 0,5-1%). Свинцовый анод состоит из анодного полотна, представляющего собой свинцовый лист толщиной 6-12 мм, медной освинцованной анодной штанги и анодного контакта. Анодное полотно служит для передачи электрического тока через слой электролита на катод. Назначение штанги – поддерживать свинцовое полотно в ванне на весу и служить одновременно проводником электрического тока. Роль анодного контакта сводится к приему тока от ошиновки. По краям укрепляют винипластовые изоляторы - направляющие, в которые упираются края катода. Эти изоляторы предупреждают короткое замыкание [4].

      Рассмотрим  питание электролизных ванн раствором. Питание ванн нейтральным раствором происходит непрерывно, так как электролиз цинка без циркуляции электролита в практике гидрометаллургии цинка не применяют. Естественная циркуляция электролита обеспечивается путем подачи нейтрального электролита с одной стороны ванны и вывода отработанного электролита с противоположного конца.

     В практике электролиза используют две  системы питания ванн: трубопроводную и по желобам. В обоих случаях  для обеспечения постоянного  напора в системе вдоль рядов  ванн в отделении электролиза устанавливается напорный желоб, в который подается нейтральный раствор.

     При трубопроводной системе основные магистрали прокладываются вдоль бортов ванн (ряда или блока), от которых раствор  к каждой ванне отводится через  небольшой патрубок.

     При использовании системы питания по желобам, последние устанавливают на некоторой высоте над рядами ванн. Из желобов раствор через калиброванные штуцеры или по шлангам с зажимами поступает в электролизные ванны. Система питания по желобам позволяет осуществить непрерывное наблюдение за их состоянием и своевременно очищать от осадков. При централизованном охлаждении и усиленной циркуляции электролита через ванну лучше использовать желобную систему, обладающую большей пропускной способностью по сравнению с трубопроводной [5].

      Для сбора нейтрального электролита, очищенного от примесей, используют напорные баки 2,3. Электролит представляет собой водный раствор сернокислого цинка и  имеет следующий состав: цинк – 135-160г/л, кадмий – 2 мг/л, медь – 0,2 мг/л, кобальт  – 1,5 мг/л, никель – 0,1 мг/л, железо - 40 мг/л, сурьма – 0,08 мг/л, фтор - 100 мг/л, хлор - 215 мг/л, мышьяк – 0,1 мг/л, марганец – 4-8 г/л [2].

      Из  напорных баков по желобам 9, 10 раствор  подается в смеситель 8, где смешивается  в пропорции 1:14 с отработанным охлажденным электролитом, поступающим с воздушных градирен 6, 7. Благодаря 15 кратной циркуляции скорость движения электролита в ванне возрастает, а также улучшается перемешивание его в межэлектродном пространстве.

      Для улучшения качества поверхности  катодного осадка в электролит непрерывно вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ) 4,5, а также вещества-пенообразователи для создания прочного слоя пены на поверхности электролита в ваннах, препятствующий образованию «сернокислотного тумана». В качестве ПАВ применяют столярный клей (200 г/т цинка), а пенообразователя – мыльный корень или экстракт корня солодки (110 г/т цинка) [1].

      Из  смесителя электролит самотеком  поступает в напорный желоб 11, затем  в распределительные желоба 12, расположенные  над рядами электролизных ванн. Непрерывная подача раствора в каждую ванну осуществляется через калиброванные штуцеры.

      Через ванны пропускают электрический  ток. Электролитическое осаждение  цинка обычно проводят при плотности  тока 400 – 700 А/м². Общее напряжение на ванне составляет 3,2 – 3,6 В. При прохождении тока через электролит от анода к катоду на алюминиевых катодах осаждается металлический цинк. При этом нейтральный раствор обедняется цинком и обогащается серной кислотой. Таким образом, электроосаждение цинка протекает в кислой среде[6].