真空碳热还原硫化锌法制备金属锌的研究

刘予成

(文山学院冶金与材料学院，云南 文山663099)

锌矿是重要的一种工业原料。我国锌矿资源储量较为丰富、分布广泛，但是大矿少、小矿多；富矿少、贫矿多；易采易矿少、难采难选矿多；绝大部分探明矿点已经得到开发利用，未被开发利用的储量大多集中在建设条件和资源条件不好的矿区，后备资源缺乏[1]。随着我国锌矿冶炼的产能迅速发展，国内锌矿产资源的下降，锌产业的可持续发展能力严重削弱[2]。目前，国内外制锌的方法主要有电炉法、高炉法、窑法等，但制取率相对较低，且污染较大，成本较高，而真空冶炼尾气排放易于控制，工艺流程短，可直接使用锌矿直接碳热还原制取单质锌。

1 计算与分析

1.1 铟矿碳热还原过程的基本反应

硫化锌碳热还原过程主要发生以下反应：

2ZnS(s)+3O2(g)=2ZnO(s)+2SO2(g)

(1)

ZnO(s)+C(s)=Zn(l)+CO(g)

(2)

Zn(l)=Zn(g)

(3)

1.2 硫化锌真空下发生的氧化反应

根据相关热力学数据与计算公式，计算反应式(1)在体系内不同的压力下反应所需的温度，设压力分别为105Pa、104Pa、103Pa、102Pa、10 Pa。

图1 反应1在不同压力下的吉布斯自由能与温度关系

如图1所示，O2的分压在10 Pa～105Pa之间、温度小于1 800 K时，吉布斯自由能均小于0，即ZnS与O2的反应都可能进行，但在相同温度下，随着O2分压的逐渐降低，虽然吉布斯自由能逐渐增加，但该反应在低于1 800 K时完全满足热力学条件[4]。

1.3 真空下氧化锌碳热还原反应

将反应式(2)在不同温度下进行吉布斯自由能计算，作图后得到如图2所示。

由图2看出，在一定反应的温度下，当体系压力降低时，吉布斯自由能减小；在一定的体系压力下，当反应温度增加，吉布斯自由能随之减小，故降低体系压力更有利于氧化锌的碳热反应。……