鋅液凈化過程優化控制系統軟件開發

摘要：鋅液凈化除鈷過程反應機理復雜、工藝流程長，鋅粉和砷鹽的添加憑人工經驗設定，造成鋅粉的大量浪費，甚至導致凈化后液中鈷離子濃度超標。為此，從現場實際出發，深入研究凈化過程的工藝機理，提出凈過程優化操作系統的設計方案，開發優化操作指導軟件，確保出口雜質離子濃度達標，并降低了鋅粉添加量。

關鍵詞：鋅液；凈化過程；優化操作系統；軟件開發

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

1引言

濕法煉鋅是世界上主流的鋅冶煉工藝[1]。濕法煉鋅工藝流程中，電解液中雜質離子濃度超標將會顯著降低電解的電流效率與電鋅質量、增大電能消耗，因此，凈化除雜是鋅電解前極為重要的工序[2]。硫酸鋅溶液凈化過程主要由除銅、除鈷和除鎘三個工序組成。除鈷過程是在溫度為75℃以及有銅離子存在的條件下進行的。當鋅液中加入三氧化二砷、鋅粉及返回的底流晶種后，由于Cu-Zn微電池電位差大于CoZn微電池因而使鈷易于在CuZn微電池陰極上放電還原，在溶液中形成穩定的AsCuCo（Zn）合金，從而使溶液中的Co2+以合金形式在溶液中沉淀分離出來。由于鈷離子濃度無法實現在線檢測，反應條件的控制和反應劑的添加通常按照人工經驗進行，由于人工經驗的主觀性和不精確性，造成了鋅粉過量添加以及除鈷過程的波動[3]。

國內某鉛鋅冶煉集團的濕法煉鋅過程采用芬蘭奧托昆普公司的鋅液凈化除鈷系統，它能實現硫酸鋅溶液中鈷離子的深度凈化。其工藝流程圖如圖1所示。砷鹽除鈷過程由4個反應器串聯而成。在高溫條件下，1#反應器入口將添加砷鹽和底流，1#～3#反應器入口則添加廢酸，4個反應器中都添加鋅粉。鋅粉及砷鹽與溶液中的鈷離子及除銅工序殘留的銅離子發生復雜的氧化還原反應，生成鈷砷、銅鈷金屬化合物，逐漸去除硫酸鋅溶液中的鈷離子。鈷砷、銅鈷等金屬化合物在濃密機中沉淀，作為晶種從濃密機底流返回到1#反應器，而凈化后的鋅液則通過濃密機溢流送往后續的除鎘工段，達到凈化鋅液的目的。

然而，由于國內的礦源波動較大，鋅液凈化除鈷系統不能較好的適用于現場的操作，導致目前鋅粉、砷鹽及晶種的添加由操作工人任經驗設定。為了保證出口雜質離子濃度達標，現場操作人員往往過量添加鋅粉，從而造成了除鈷過程的不穩定和鋅粉的浪費。

2系統需求分析

鋅液凈化除鈷系統的最終目的是在保證出口雜質離子濃度達標的情況下，盡量減少鋅粉添加量。因此，鋅粉添加量的優化是我們這個系統至關重要的環節。

為了給雜質鈷離子的除去創造更好的反應環境，砷鹽、廢酸以及底流返回量的優化添加也非常必要。這是因為砷鹽在除鈷過程中起穩定劑和活化劑的作用。若砷鹽添加不夠，除鈷效果不好；若砷鹽添加過量，則會導致鋅粉消耗增加和增大劇毒砷化氫氣體生成的可能，且除鈷效果也將變差。 若反應器中廢酸添加量不夠，生成的堿式硫酸鹽和不可溶硅膠將會阻礙除鈷的進行，且會造成壓濾困難；若廢酸添加量過多，PH過低，鋅粉會直接和酸反應生成氫氣，浪費鋅粉，且析氫和鈷離子還原是競爭還原關系，會抑制除鈷的反應。

另外，底流含固中的合金能促進除鈷的反應，底流含固中未反應完的鋅粉單質能降低鋅粉消耗。然而當底流返回量過少時則會對除鈷反應有促進作用的合金過少，導致除鈷效果變差，增加了鋅粉的消耗。底流返回量過多，則會使得除銅后液的停留時間縮短，從而導致反應器溶液粘稠度增加，影響鈷離子的擴散，底流中的硅膠會促使可溶硅向硅膠轉變，影響除鈷和壓濾。

綜上所述，優化操作系統需要提供對鋅粉、砷鹽、廢酸和底流返回量的添加進行優化操作指導。另外，綜合考慮鋅液凈化除鈷優化操作系統的工業應用需求，所開發的系統應該具備以下基本功能[3]：

1）優化控制砷鹽，廢酸，底流返回量以及鋅粉添加量。

2）除鈷過程相關關鍵參數的實時顯示以及相關報警提示功能。

3）除鈷過程相關關鍵參數的歷史數據查詢及其趨勢圖的繪制。

4）除鈷過程相關關鍵參數的存儲管理。

5）專家知識庫管理。添加、修改或刪除集成在系統中的專家知識。

6）用戶管理功能，實現系統的安全運行。

3系統的總體設計

鋅液凈化除鈷優化操作系統軟件總體結構如圖2所示，系統軟件的主要工作流程如下：

1） 用戶通過賬戶名和密碼登錄該系統后，在數據輸入界面輸入相應的化驗值，并存儲到參數存儲數據庫中。

2） 同時，系統啟動后，在后臺開辟一個OPC通訊線程來實時讀取現場相關參數，并通過過程參數監控界面顯示相關參數的值，并將讀取的數據存儲到參數存儲數據庫中。

3） 根據OPC通訊讀取的現場相關參數及專家知識庫中的報警信息，判斷此時各個狀態參數是否正常。若有不正常的數據，則彈出報警信息，并將報警信息的出現時間、故障位置、發生故障后是否采取措施等信息記錄到參數存儲數據庫。

4） 根據參數存儲數據庫中輸入的化驗數據和OPC讀取的實時參數，利用后臺開辟的另一個優化線程實現該系統的優化計算，并將優化結果在屏幕上顯示。

5） 數據查詢界面可以分析參數存儲庫中存儲的歷史數據，并繪制成曲線。

6） 專家知識庫更新界面收集操作人員輸入的專家規則，寫入專家知識庫。4系統的詳細設計

根據上述軟件總體結構的設計，按照模塊化程序設計思想，優化操作系統的主要功能如圖3所示，包括數據采集模塊、數據查詢模塊、優化控制模塊、狀態監測模塊、用戶管理模塊及知識庫更新模塊，詳細設計如下：

4.1數據的采集模塊

優化操作系統采用標準Microsoft SQL Server 2000 數據庫進行生產數據的存儲，通過OPC客戶端軟件的編寫，現場數據被實時采集并保存到存儲數據庫相關的表格中。通過OPC客戶端軟件，用戶可以得到的實時數據主要包括廢酸的添加量、砷鹽的流量、底流的返回量、除銅后液的流量、各個反應器的鋅粉添加量、電機的工作狀態等信息。另外，在人工化驗數據輸入界面，相關鈷離子濃度、除銅溢流銅離子、廢酸濃度、相應BT值以及含固量等在輸入后也存入相應數據庫的表格中。

4.2數據查詢模塊

數據查詢模塊通過對存儲數據庫中相關表格的讀取，提供了鋅液凈化除鈷過程中相關參數的歷史查詢和實時跟蹤功能。

在優化操作系統運行過程中，可通過監控畫面中的曲線跟蹤功能，得到最近一小時內一些重要參數的變化趨勢。而且，可以通過數據查詢與曲線查詢功能，得到某段時間的重要生產數據及其變化趨勢。

4.3優化控制模塊

該模塊是本系統的核心。根據系統的需求分析可知，需要優化的參數包括廢酸的流量、底流返回流量、砷鹽添加以及各個反應器鋅粉添加量等。其中砷鹽主要用于與雜質銅、鈷離子進行反應。又由于溶液中需要一定濃度的銅離子，因此，根據入口銅離子濃度，鈷離子濃度，砷鹽濃度，我們利用上述離子與砷鹽的反應公式和工藝要求來設定砷鹽的添加。

廢酸添加的主要目的是：酸化強堿性的砷鹽溶液；降低底流返回液的BT值；添加鋅粉除雜造成局部BT值上升等。由于廢酸濃度和底流的BT值會發生變化，為此，需利用反應器化驗后的BT值及知識庫中關于廢酸調整的專家規則調整廢酸的添加量[4]。

反應器中的含固量是影響除鈷過程的重要因素。理論上，反應器中的含固量取決于反應過程生成的合金量、鋅粉添加量及返回底流中的含固量。由于反應過程生成的合金含量非常小，因此，實際生產中，主要是根據濃密機返回底流的含固量來調整底流返回流量，以實現反應器中的含固量。

對于鋅液凈化除鈷過程來說，鋅粉添加量的優化至關重要，也最為復雜。本系統根據選取的優化案例庫，采用最小二乘法來辨識得到各個反應器鋅粉的利用率；再根據目前各個反應器模型中相應的實際值來優化除鈷率；最后，根據除鈷率與鋅粉添加量之間的關系，優化添加各個反應器中鋅粉的添加量。

4.4狀態監測模塊

該模塊包括過程參數的在線監視以及報警信息的設置與提示。過程參數的在線監視可以讓現場操作人員很方便的從界面上看到相關關鍵參數的實時值，而報警信息功能的加入，可提醒現場操作人員相關反應狀態值是否超過正常范圍，從而在發生意外情況能及時的做出正確反應。

4.5用戶管理模塊

本系統對生產安全有著較高的要求。因此，工業控制計算機中數據的安全性及對過程操作的用戶分派就顯得尤為重要。針對這一需求，我們在優化操作系統中指定可操作的用戶，并對用戶分配相應的權限，每個權限對應相關的操作。通過對用戶訪問權限的設置可以有效防止非操作員對系統的訪問以及操作員跨權的誤操作，從而確保系統的安全運行。

4.6知識庫更新模塊

該模塊包含專家知識庫和優化案例庫。其中專家知識庫包含了報警信息的設置、更新和廢酸調節的專家規則更新，優化案例庫的更新則實現了系統模型的更新。

5結論

本文介紹了鋅液凈化除鈷優化操作系統的需求分析和系統軟件的設計過程。開發出的系統結合了機理模型和專家知識等，實現了鋅液凈化除鈷過程的過程優化。優化操作系統實現了生產工藝過程監控、過程關鍵參數的優化設定、歷史數據的查詢以及故障報警。系統保證了鋅液凈化過程的高效作業，實現了整個生產過程的智能化，減輕了勞動強度，提高了工作效率。

參考文獻

[1]劉洪萍. 鋅濕法冶金工藝概述[J]. 金屬世界， 2009 （5）： 53-57.

[2]王玉棉， 侯新剛， 王大輝， 等. 濕法煉鋅凈化工藝的技術改造與實踐[J]. 有色金屬， 2001， 4： 5-7.

[3]王凌云 濕法煉鋅凈化過程建模及基于控制參數化的優化方法[D] .長沙：中南大學，2006.

[4]鄭耀東. 范曉慧. 陳許玲， 等. 基于數據庫技術的燒結過程控制專家系統知識庫的建立[J] .燒結球團， 2004，29（1）：1-3.