Elektrolytisch smelten
Algemeen overzicht van het proces
Samenvatting van de procesvolgorde
Details van de procesfasen
Hieronder wordt een beschrijving gegeven van het elektrolytische smeltproces dat onze zinksmelters gebruiken om hun producten te produceren.
Elektrolytisch Smelten
Zinksmelting is het proces van het winnen en raffineren van zinkmetaal uit zinkhoudende toeleveringsmaterialen zoals zinkhoudende concentraten of zinkoxides. Globaal zijn er twee zinksmeltprocessen in gebruik:
(i) een pyrometallurgisch proces dat wordt uitgevoerd bij hoge
temperaturen om vloeibaar zink te produceren
(ii) een hydrometallurgisch of elektrolytisch proces waarin een
waterige oplossing wordt gebruikt in combinatie met elektrolyse om
een vaste afzetting van zink te produceren.
De overgrote meerderheid van smelters in de westerse wereld
maakt gebruik van het elektrolytische proces, ook wel het
Roosten-Loging-Electrowinning (“RLE”) proces genoemd,
omdat het meerdere voordelen heeft ten opzichte van het
pyrometallurgische proces (energie-efficiënter, hogere
winningpercentages, gemakkelijker te automatiseren, hogere
productiviteit, enz.).
Alle smelters van Nyrstar gebruiken het elektrolytische
smeltproces.
Algemeen Overzicht van het Proces
Het elektrolytische zinksmeltingsproces kan verdeeld worden in
een aantal algemene opeenvolgende procesonderdelen, zoals getoond
in het algemene schema hieronder.
Source: Brook Hunt
Samenvatting van de procesvolgorde:
Stap 1: Ontvangst van grondstoffen (concentraten en secundaire grondstoffen zoals zinkoxides) en opslag
Stap 2: Roosting: een oxidatiefase waarbij zwavel wordt verwijderd uit de sulfidegrondstoffen met als resultaat roostgoed
Stap 3: Loging: lost het zink dat in het roostgoed zit op in een oplossing onder de vorm van zinksulfaat, waarbij gebruik wordt gemaakt van verdund zwavelzuur
Stap 4: Zuivering: het verwijderen van onzuiverheden die invloed kunnen hebben op de kwaliteit van het elektrolyseproces (zoals cadmium, koper, kobalt of nikkel) uit de loogoplossing
Stap 5: Elektrolyse of elektrowinning: de extractie van zinkmetaal uit de gezuiverde oplossing door middel van elektrolyse waarbij een neerslag van zinkmetaal achterblijft (zinkkathodes)
Stap 6: Smelten en gieten: het smelten van de zinkkathodes waarbij meestal gebruik wordt gemaakt van elektrische inductieovens en het gieten van het gesmolten zink in staven.
Aanvullende stappen kunnen aan het proces worden toegevoegd waardoor het pure zink (gewoonlijk 99,995% puur zink onder de naam Special High Grade (“SHG”)) wordt omgezet in diverse soorten legeringen of andere verkoopbare producten.
Details van de Procesfasen
De verschillende stappen in het proces worden hieronder meer gedetailleerd beschreven.
Stap 1: Ontvangst en opslag van de grondstoffen
Smelters gebruiken een mengsel van zinkhoudende concentraten of secundair zinkmateriaal, zoals zinkoxides, als grondstof voor de roostfabriek. De smelters van Nyrstar in Auby en Balen worden in het bijzonder gekenmerkt door een relatief hoge toevoer van secundaire materialen. Smelters die in het binnenland gelegen zijn ontvangen hun grondstoffen via de weg, het spoor of via het water, afhankelijk van locatie-eigen logistieke factoren en het soort grondstoffen (bijv. secundaire zinkoxides worden geleverd in kleinere hoeveelheden en worden gewoonlijk over de weg vervoerd). Leveringen van concentraten gebeuren gewoonlijk in grote partijen (bijv. 5.000 tot 10.000 ton).
De Europese smelters van Nyrstar zijn strategisch gepositioneerd in de buurt van de haven van Antwerpen die dient als een wereldwijd centrum voor concentraten en een uitgebreide multimodale logistieke infrastructuur aanbiedt. Op die manier worden België, Nederland en Frankrijk met elkaar verbonden. De smelters van Nyrstar in Australië zijn gelegen aan of dichtbij de kust, waardoor directe toegang via de zee mogelijk is, terwijl Clarksville met de belangrijke zeehaven van New Orleans verbonden is via de Mississippi en de Cumberland rivieren.
De meeste zinksmelters maken gebruik van meerdere soorten concentraten. Deze verschillende materialen worden gemengd om een optimaal mengsel van toeleveringsmaterialen voor het roostproces te verkrijgen.
Stap 2: Roosting
Door het roostproces worden de zinksulfiden in de concentraten omgezet in zinkoxide, bekend als roostgoed. Een roostoven werkt bij een temperatuur van ongeveer 950°C waardoor voldoende energie wordt opgewekt om het proces autogeen te maken. Het roostproces is volledig geautomatiseerd en wordt gecontroleerd en bediend vanuit een centrale controleruimte. Nyrstar werkt met enkele van de grootste roostovens ter wereld die ontworpen zijn naar het voorbeeld van degenen die in gans de bedrijfssector gebruikt worden (bijv. de Lurgi-VM wervelbedroostoven die in Balen ontwikkeld is).
Het roosten heeft de productie van roostgoedmateriaal tot gevolg (dat naar de loogfabriek vervoerd wordt) en afvalgassen die veel zwaveldioxide bevatten. Afvalwarmteketels verwijderen het roostgoed dat zich in deze gassen bevindt en winnen de hitte terug in de vorm van stoom die gebruikt wordt in de loogfabriek en/of omgezet wordt in elektriciteit. Tenslotte wordt het zwaveldioxide in een contactproces omgezet in zwavelzuur, een belangrijk nevenproduct van de smelter.
Stap 3: Loging
Het belangrijkste doel van het logingsproces bestaat uit het oplossen van het zinkoxide dat in het roostgoed zit en dit om te vormen naar een zinksulfaatoplossing, voorafgaand aan de elektrolysefase. Voor dit proces wordt verdund zwavelzuur gebruikt. Ongeveer 90% van het zink in roostcalcinaat heeft de vorm van zinkoxide, terwijl de rest aanwezig is als zinkferriet, een oxide van ijzer en zink. Zinkoxide kan uitgeloogd worden met zwakke zwavelzuuroplossingen, maar het uitlogen van zink uit ferrieten vereist een agressievere zuurteomgeving. Het aanwezige zink en ijzer lossen op terwijl de overige metalen er uitkomen als een vaste stof die gewoonlijk “Loogproduct” genoemd wordt. Deze loogresten waarin waardevolle metalen zitten worden als bijproduct verkocht aan derden voor verdere verwerking. Het opgeloste ijzer wordt uit de zinksulfaatoplossing verwijderd als goethiet, jarosiet of hematiet, wat gewoonlijk opgeslagen wordt in bekkens.
Stap 4: Zuivering
De loogoplossing wordt vervolgens naar een zuiveringsinstallatie gestuurd waar andere opgeloste niet-ijzer onzuiverheden verwijderd worden, zoals cadmium, koper, kobalt of nikkel die ook een ongunstig effect kunnen hebben op de elektrolyse. Deze onzuiverheden worden verwijderd door middel van cementering door het aan de oplossing toevoegen van zinkstof. De daaruit voortvloeiende bijproducten worden meestal aan derden verkocht voor verdere verwerking. De gezuiverde zinksulfaatoplossing wordt naar de elektrolysehal gestuurd voor gebruik in de elektro-winningsfase van het smeltproces.
Stap 5: Elektrolyse of Elektrowinning
Zinkmetaal wordt uit de gezuiverde oplossing gewonnen door middel van elektrolyse. Elektrische stroom wordt door de oplossing geleid en het zink wordt afgezet op aluminiumkathodes. Met regelmatige tussenpozen worden deze kathoden uit de cellen gehaald en de zinkafzetting wordt van de kathoden gestript. De meeste smelters van Nyrstar maken gebruik van een gemechaniseerde en geautomatiseerde stripmethode die oorspronkelijk ontwikkeld werd in de fabriek te Balen.
Het zink dat via het elektrolyseproces geproduceerd wordt, is meestal van SHG-kwaliteit en bevat 99,995% zink.
De elektrolysefase gebruikt grote hoeveelheden elektriciteit en is daardoor verantwoordelijk voor een groot deel van de energiekosten in het hele smeltingproces. Daarom is de productiviteit van de elektrolysehal (en elektrische stroom en energie-efficiëntie in het bijzonder) een cruciale factor in de totale efficiëntie van de fabriek. Nyrstar heeft enkele van de grootste en meest efficiënte elektrolysehallen in de bedrijfstak.
Stap 6: Smelten en gieten
Afhankelijk van het soort eindproduct dat gefabriceerd wordt kunnen de zinkkathoden die uit de elektrowinningfabriek komen nog een aanvullende omvormingsstap ondergaan in een gieterij. Zinkkathoden worden in inductieovens gesmolten en in verkoopbare producten zoals staven gegoten. Andere metalen en legeringen kunnen toegevoegd worden om zinklegeringen te produceren die gebruikt worden in spuitgieten of algemene verzinkingtoepassingen. Tenslotte kan gesmolten zink vervoerd worden naar nabije omvormingsfabrieken of derden met gebruik van speciaal ontworpen geïsoleerde tanks. Dit gebeurt in Balen en Budel.
