優(yōu)化鋅粉的加入方式降低鋅粉消耗

王 亮

鋅濕法冶煉凈化工藝在有價(jià)金屬冶煉的過(guò)程中通過(guò)添加鋅粉的方式剔除雜質(zhì)金屬，從而獲得硫酸鋅溶液，并最終通過(guò)電解反應(yīng)獲取價(jià)值金屬。在實(shí)際進(jìn)行該工藝的過(guò)程中，需要合理的控制鋅粉的添加量，并選擇合適的添加方法，從而才能夠保證除雜效果，為后續(xù)的鋅電解工藝奠定良好的基礎(chǔ)。本文主要采用控制參數(shù)化的方法合理設(shè)計(jì)鋅粉添加量，并對(duì)鋅粉添加控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以期降低鋅粉單耗量，促使鋅粉加入方式能夠得到進(jìn)一步的優(yōu)化。

1 鋅濕法冶煉凈化工藝概述

現(xiàn)階段，金屬冶煉工藝主要包括兩種，分別為濕法冶煉和火法冶煉，濕法冶煉主要是利用反應(yīng)溶液除去金屬礦中的雜質(zhì)，從而獲得目標(biāo)金屬，該種方法相比于火法冶煉而言，成本較低且除雜效果更佳，故而現(xiàn)階段我國(guó)金屬冶煉工業(yè)普遍選用的是濕法冶煉。鋅濕法冶煉凈化工藝目前在我國(guó)的金屬冶煉行業(yè)中發(fā)展較好，其主要是在冶煉過(guò)程中向反應(yīng)溶液添加鋅粉，利用自然的氧化還原反應(yīng)去除金屬礦中的雜質(zhì)。鋅濕法冶煉工業(yè)流程為浸出-凈化-電積，即稀釋出金屬礦中含有的目標(biāo)金屬和雜質(zhì)金屬，隨后向稀釋液中添加鋅粉，利用鋅粉去除溶液中的雜質(zhì)礦，并經(jīng)過(guò)電解獲得目標(biāo)礦。但在工藝實(shí)際進(jìn)行的過(guò)程中，金屬礦中含有的金屬雜質(zhì)較多，如銅、鈷、鎘、鐵、鍺等，若凈化后溶液中含有濃度較高的金屬雜質(zhì)，則會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的電解沉積過(guò)程受到嚴(yán)重的影響，硫酸鋅溶液質(zhì)量不佳導(dǎo)致鋅電解率嚴(yán)重降低，致使提煉出來(lái)的目標(biāo)金屬質(zhì)量不高且產(chǎn)量少，因此，在進(jìn)行鋅濕法冶煉凈化工藝時(shí)，一定要注重凈化工藝質(zhì)量。

2 相關(guān)理論研究

2.1 鋅液凈化過(guò)程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究

實(shí)際上，鋅粉與雜質(zhì)離子之間的凈化反應(yīng)過(guò)程是置換反應(yīng)，硫酸鋅溶液中的鋅粉為正電性金屬離子溶液，而雜質(zhì)屬于負(fù)電性金屬離子，將雜質(zhì)放入硫酸鋅溶液當(dāng)中，鋅離子與雜質(zhì)金屬離子交換，而雜質(zhì)金屬離子將流向陽(yáng)極，鋅離子將流向陰極，從而完成置換反應(yīng)。在進(jìn)行鈷離子的置換過(guò)程中，鈷離子的反應(yīng)動(dòng)力是受傳質(zhì)步驟所控制的。

2.2 復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程建模方法研究

復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程建模是指對(duì)根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)特征對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行參數(shù)化的描述，并將其構(gòu)建為生產(chǎn)模型。但由于在金屬冶煉工業(yè)中，動(dòng)力學(xué)理論、物料平衡理論等理論數(shù)字模型過(guò)于理想化，利用其分析出來(lái)的參數(shù)與實(shí)際偏差較大，故而在進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程建模時(shí)需要以精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，建立可靠的機(jī)理模型，通過(guò)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的處理分析工業(yè)生產(chǎn)與數(shù)據(jù)信息的內(nèi)在聯(lián)系，從而建立數(shù)學(xué)模型，并為后續(xù)的控制參數(shù)化研究提供支持。

2.3 復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化控制方法研究

鋅濕法冶煉凈化工藝的生產(chǎn)過(guò)程較為復(fù)雜，而對(duì)于此類復(fù)雜的生產(chǎn)工藝往往不能夠準(zhǔn)確的描述出生產(chǎn)過(guò)程的線性關(guān)系，同時(shí)又無(wú)法建立可靠的數(shù)學(xué)模型，故而本文選擇利用智能優(yōu)化控制算法對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行參數(shù)化處理，掌握生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，將其轉(zhuǎn)化為相關(guān)的參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，從而制定出鋅濕法冶煉工業(yè)過(guò)程優(yōu)化控制參數(shù)化方法，為鋅粉加入方式及加入量的設(shè)計(jì)奠定數(shù)學(xué)支持。

3 工程概況

本文為了更好的分析如何通過(guò)優(yōu)化鋅粉加入方式降低鋅粉的損耗，選擇以某冶煉廠為例，該冶煉廠主要以鋅濕法冶煉凈化工藝進(jìn)行鎵、鍺等稀散金屬回收，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的獲取。該冶煉廠以往參與冶煉回收工業(yè)的原材料為凡口礦，但由于近年來(lái)凡口礦產(chǎn)量低，無(wú)法滿足企業(yè)生產(chǎn)鎵、鍺等稀散金屬的需求，故而選擇品味較低的金屬混合礦、雜礦等，但由于此類礦的雜質(zhì)含量較高，在進(jìn)行鋅濕法冶煉的過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生大量的鐵、鈷、銅等雜質(zhì)，而這就需要適當(dāng)增加鋅粉的量以提升除雜效果，但由于該企業(yè)的相關(guān)工作人員無(wú)法準(zhǔn)確掌握鋅粉的添加量，且傳統(tǒng)的鋅粉添加方式并不能夠滿足當(dāng)前階段工藝的需求，在生產(chǎn)過(guò)程中只注重除雜效果而并未注重生產(chǎn)成本，導(dǎo)致企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益受到損壞。據(jù)筆者調(diào)查研究顯示，該企業(yè)2019年～2020年鋅粉單耗指標(biāo)持續(xù)上升，2020年5月，鋅粉單耗量達(dá)到105.47kg/t，生產(chǎn)成本大幅度增加，故而需要對(duì)鋅濕法冶煉凈化工藝添加鋅粉的方式及添加量進(jìn)行重新優(yōu)化與思考，選擇合適的鋅粉添加方式及添加量，實(shí)現(xiàn)在保證凈化效果的同時(shí)保證企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

通過(guò)對(duì)該企業(yè)鋅濕法冶煉凈化工藝流程的研究發(fā)現(xiàn)，鋅濕法冶煉凈化工藝主要分為三個(gè)階段，第一個(gè)階段除銅、第二個(gè)階段除鈷、第三個(gè)階段除鎘，但由于第一、二階段除銅、鈷的過(guò)程中，雜質(zhì)清除效果不佳導(dǎo)致萃銅溶液中雜質(zhì)較多，對(duì)后續(xù)鋅電解產(chǎn)生了影響。且在除鈷的過(guò)程中，若鋅粉添加過(guò)少則會(huì)導(dǎo)致上清液中雜質(zhì)含量較多，致使雜質(zhì)離子在后續(xù)鋅電解的過(guò)程中影響了電解率，進(jìn)而導(dǎo)致除電解率降低，影響了整個(gè)工藝的凈化效果，而相關(guān)工作人員為了提升除鈷效果，選擇盲目添加鋅粉，致使鋅粉的耗量嚴(yán)重增加。

4 鋅濕法冶煉凈化鈷動(dòng)態(tài)反應(yīng)模型

4.1 凈化除鈷過(guò)程機(jī)理

該企業(yè)采用的是富氧直接浸出濕法煉鋅工藝，電解工藝是盧森堡Paul Wurth公司的3.2m2大極板電解技術(shù)。在鋅濕法冶煉凈化工藝中，首先需要凈化金屬礦中的銅，采用中性浸出液浸泡反應(yīng)金屬礦，并在反應(yīng)器中持續(xù)添加鋅粉，促使鋅粉與反應(yīng)金屬礦中的銅離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后，將產(chǎn)生氧化亞銅，氧化亞銅將會(huì)沉淀至反應(yīng)器底部，以便于清理。值得注意的是，此反應(yīng)并不會(huì)將溶液中的銅離子全部去除，剩余部分銅離子將作為后續(xù)除鈷反應(yīng)的活化劑，而剩余部分銅離子溶液稱為萃銅余液。萃銅余液經(jīng)過(guò)過(guò)濾后，清理余液中的氧化亞銅，并送往除鈷反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中。

在進(jìn)行除鈷反應(yīng)時(shí)，需要保證反應(yīng)溫度條件在75℃左右，在反應(yīng)容器中添加廢酸，形成硫酸銅，硫酸銅將與鋅粉發(fā)生反應(yīng)，生成單質(zhì)銅。在反應(yīng)過(guò)程中，持續(xù)添加鋅粉，促使單質(zhì)銅能夠附著在鋅粉表面，并與溶液形成銅-鋅微電池，而銅-鋅微電池比鈷-鋅微電池的電位差大，故而鈷離子將在溶液中流向陰極，并在陰極發(fā)生放電還原，形成銅-鋅-鈷的合金，但該合金穩(wěn)定性不強(qiáng)，很容易在溶液中還原成為單質(zhì)銅與鈷離子，故而需要在溶液中添加砷鹽，形成穩(wěn)定的砷-銅-鋅-鈷的合金，從而促使鈷離子能夠降低到電解允許的范圍內(nèi)，促使其能夠良好的完成電解反應(yīng)。

4.2 凈化過(guò)程反應(yīng)速率主要影響影響因素分析

首先，溫度是影響凈化過(guò)程反應(yīng)速率的重要因素，根據(jù)反應(yīng)速度與溫度之間的表示公式，可以了解到適當(dāng)?shù)奶嵘郎囟饶軌蛱嵘脫Q反應(yīng)效率，且溫度越高，除鈷反應(yīng)速度更快，但溫度過(guò)高也會(huì)破壞氧化還原反應(yīng)，故通常情況下，需要將反應(yīng)溫度控制在75℃～85℃之間。

其次，反應(yīng)時(shí)間也是影響反應(yīng)速度的重要參數(shù)。若在進(jìn)行除鈷反應(yīng)的過(guò)程中，未能合理的控制反應(yīng)時(shí)間，則會(huì)導(dǎo)致有價(jià)金屬冶煉質(zhì)量受到影響。若反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)導(dǎo)致鈷與萃銅余液中其他的雜質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)，或產(chǎn)生復(fù)溶。若反應(yīng)時(shí)間過(guò)短，則會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)不充分，除鈷效果降低。

再次，通過(guò)上文分析可知，萃銅余液中的銅離子將會(huì)附著在鋅粉表面形成沉積銅從而形成銅-鋅微電池，再利用銅-鋅微電池電位高于鈷-鋅微電池的原理促使鈷離子在陰極發(fā)生放電還原反應(yīng)，而溶液中銅離子的濃度越大，銅-鋅微電池與鈷-鋅微電池的電位差就越大，故而能夠快速吸引鈷離子在陰極發(fā)生反應(yīng)，因此，銅離子也是影響凈化過(guò)程反應(yīng)速率的重要因素。

最后，相對(duì)原子質(zhì)量也是影響凈化過(guò)程反應(yīng)速率的關(guān)鍵因素之一。在進(jìn)行鋅粉除銅的過(guò)程中，需要在溶液中添加硫酸銅，而此時(shí)，溶液中的PH將會(huì)發(fā)生改變，而若添加的硫酸銅過(guò)多，則會(huì)導(dǎo)致PH值過(guò)低，相對(duì)原子質(zhì)量增加，鋅粉便會(huì)與酸發(fā)生反應(yīng)生成氫氣，從而造成了鋅粉的浪費(fèi)。若添加的硫酸銅過(guò)少，則會(huì)導(dǎo)致PH值過(guò)高，不利于除鈷反應(yīng)的進(jìn)行。

4.3 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析

通過(guò)上文敘述可知，鋅濕法冶煉凈化工藝主要利用的是置換反應(yīng)進(jìn)行銅、鈷雜質(zhì)的去除并獲取有價(jià)金屬。而實(shí)際上，置換反應(yīng)便是電解還原反應(yīng)，歸根結(jié)底便是固體鋅粉與溶液中鈷離子發(fā)生反應(yīng)，根據(jù)菲克第一定律可知，固體與液體反應(yīng)中離子擴(kuò)散速度的計(jì)算公式，可以了解到金屬與溶劑的反應(yīng)面積也對(duì)反應(yīng)速度有著直接的影響，反應(yīng)面積越大，反應(yīng)速度越快，因此，在實(shí)際選擇鋅粉時(shí)，可選擇顆粒較小的鋅粉增大反應(yīng)面積。

5 基于控制參數(shù)化的鋅粉添加優(yōu)化算法研究

根據(jù)上文分析，確定影響鋅濕法冶煉凈化除鈷反應(yīng)效率的因素包括五個(gè)，將這五個(gè)影響因素看做控制量u，建立目標(biāo)函數(shù)，然后從時(shí)刻t=f到t=0求解狀態(tài)方程，獲得反應(yīng)過(guò)程的狀態(tài)值與目標(biāo)函數(shù)值，確定反應(yīng)過(guò)程的與反應(yīng)速度影響因素的線性曲線，構(gòu)建反應(yīng)數(shù)學(xué)模型。

6 鋅濕法冶煉凈化除鈷過(guò)程鋅粉添加優(yōu)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

6.1 系統(tǒng)總體框架

構(gòu)建DCS分布集散控制系統(tǒng)，采用WinCC組態(tài)軟件配合Visual C++6.0平臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)的集散控制，將鋅濕法冶煉凈化除鈷優(yōu)化控制系統(tǒng)錄入系統(tǒng)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)鋅粉的自動(dòng)化添加。

6.2 系統(tǒng)功能需求分析

為了解決萃銅溶液中富含有機(jī)物較多的問(wèn)題，該企業(yè)選擇進(jìn)一步完善萃銅余液的處理流程，選擇先將萃銅余液蒸發(fā)濃縮，待其產(chǎn)生硫酸鋅結(jié)晶鹽后，采用火法處理的方式去除硫酸結(jié)晶鹽中的有機(jī)物雜質(zhì)，隨后再進(jìn)行除鈷工藝流程，該種方式不僅能夠降低萃銅余液對(duì)后續(xù)電解影響，同時(shí)也能夠避免萃銅余液對(duì)除鈷過(guò)程產(chǎn)生影響，且避免存在兩個(gè)系統(tǒng)交匯處產(chǎn)生有機(jī)物沉淀的問(wèn)題。

在進(jìn)行鋅粉添加過(guò)程中，以往的添加方式是將鋅粉放置在圓盤(pán)給料器當(dāng)中，通過(guò)圓盤(pán)給料器實(shí)現(xiàn)向反應(yīng)溶液中添加鋅粉，而實(shí)際上，該種方式并不能夠精準(zhǔn)的提供反應(yīng)所需的鋅粉量，且受空氣濕度影響，鋅粉很容易產(chǎn)生結(jié)塊，因此很難把控鋅粉的供給量。因此，該企業(yè)選擇將傳統(tǒng)的圓盤(pán)給料器更換為電子皮帶秤，并將其連接DCS系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)中反應(yīng)數(shù)學(xué)模型會(huì)根據(jù)相關(guān)參數(shù)信息確定鋅粉的質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)給料。同時(shí)，利用DCS控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)給料狀況的遠(yuǎn)程監(jiān)控，利用DCS系統(tǒng)的人機(jī)交互界面觀察指令運(yùn)行狀況，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋅濕法冶煉凈化除鈷過(guò)程的良好監(jiān)控。

此外，隨著生產(chǎn)實(shí)踐的積累，以及逐步嘗試提高鋅電積對(duì)新液雜質(zhì)的適應(yīng)性，近年逐步更新各雜質(zhì)元素的標(biāo)準(zhǔn)，使之更科學(xué)、更合理，緊密的將生產(chǎn)和成本相結(jié)合，需要在保證鋅電積正常的情況下，進(jìn)行適度凈化，降低凈化過(guò)程生產(chǎn)成本的浪費(fèi)。

6.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的注意事項(xiàng)

從上述論述，可以看出該工藝對(duì)于各項(xiàng)操作參數(shù)具有一定的精準(zhǔn)度要求，因此，需要人們構(gòu)筑DCS控制系統(tǒng)，并借助該系統(tǒng)，進(jìn)行自動(dòng)化的工藝操作，以消除人的因素，為工藝操作效果帶來(lái)的影響。在此過(guò)程中，雖然DCS系統(tǒng)有高度自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)特征，而且操作更加簡(jiǎn)單，但就目前來(lái)看，系統(tǒng)的日常檢修、維護(hù)等仍然需要為人操作，因此，為了充分發(fā)揮系統(tǒng)的效能，需要委派技術(shù)過(guò)硬、職業(yè)素養(yǎng)高的人員，負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理，以更好地落實(shí)各項(xiàng)維護(hù)、檢修工作，讓系統(tǒng)始終能夠保持一個(gè)良好的運(yùn)行狀態(tài)。此外，系統(tǒng)的運(yùn)行除了需要軟件支持以外，硬件的運(yùn)行狀態(tài)，也是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果的決定性因素，所以，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面，也要注意，一定要做好硬件設(shè)施的部署和管理，并提前進(jìn)行硬件的部署規(guī)劃和管理方案制定，以更好地支持該工藝的精準(zhǔn)、高效落實(shí)。在此背景下，實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)時(shí)，需要先根據(jù)當(dāng)前的條件，編制出硬件設(shè)施部署施工方案，并做好防電磁干擾、雷電干擾措施，而且也要嚴(yán)格按照現(xiàn)行的規(guī)范，合理控制管線間距以及排布方式，同時(shí)也要在硬件設(shè)施部署時(shí)，額外留出檢修空間。此外，由于系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，也離不開(kāi)硬件設(shè)施的建設(shè)，所以，還需要為硬件設(shè)施設(shè)置相應(yīng)的溫濕度調(diào)節(jié)、監(jiān)控裝置，同時(shí)，也要提前委派專門(mén)的硬件檢修專員，并根據(jù)硬件設(shè)施的現(xiàn)狀，以及運(yùn)行規(guī)律，編制相應(yīng)的硬件檢修工作方案、硬件故障應(yīng)急方案，由此更好地保障硬件設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行，提高系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)效果。從整體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的配套軟件、硬件設(shè)施均需要技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù)和管理，因此，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)效果也在很大程度上受人的因素所影響。為此，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，還要注意，一定要強(qiáng)化對(duì)技術(shù)人員的選拔考核，而且也要做好定期的培訓(xùn)，完善相應(yīng)的工作細(xì)則、工作制度，減少操作失誤、錯(cuò)誤出現(xiàn)的幾率，為系統(tǒng)的有效實(shí)現(xiàn)提供更好的支持。

在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)上，考慮到DCS系統(tǒng)具有后臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢功能，還可以運(yùn)用該系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)、分析后臺(tái)數(shù)據(jù)，對(duì)工藝的運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行研究探討，由此及時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前工藝操作中的需優(yōu)化的點(diǎn)，再針對(duì)性地采取優(yōu)化措施，持續(xù)改善工藝流程的運(yùn)行效果，提高該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)價(jià)值，讓鋅粉加入方式更加科學(xué)合理，壓縮鋅粉方面的成本，提升生產(chǎn)水平。

7 結(jié)論

綜上所述，利用鋅濕法冶煉凈化工藝提取有價(jià)金屬的方式是現(xiàn)階段我國(guó)冶煉廠常用的方法，但鋅濕法冶煉凈化工藝在應(yīng)用過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，其中，最主要的問(wèn)題是鋅粉浪費(fèi)的問(wèn)題。因此，在實(shí)際使用鋅濕法冶煉凈化工藝時(shí)，需要利用控制參數(shù)化實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)參數(shù)的合理計(jì)算，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，并建立DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化添加適量鋅粉，實(shí)現(xiàn)適度凈化，同時(shí)需要優(yōu)化鋅粉添加方式，將傳統(tǒng)的圓盤(pán)給料器替換為電子皮帶秤，最大程度上緩解鋅粉浪費(fèi)現(xiàn)象，減少生產(chǎn)成本。