優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金屬冶煉的過程中通過添加鋅粉的方式剔除雜質金屬，從而獲得硫酸鋅溶液，并最終通過電解反應獲取價值金屬。在實際進行該工藝的過程中，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，為后續的鋅電解工藝奠定良好的基礎。本文主要采用控制參數化的方法合理設計鋅粉添加量，并對鋅粉添加控制系統進行優化，以期降低鋅粉單耗量，促使鋅粉加入方式能夠得到進一步的優化。

1 鋅濕法冶煉凈化工藝概述

現階段，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溶液除去金屬礦中的雜質，從而獲得目標金屬，該種方法相比于火法冶煉而言，成本較低且除雜效果更佳，故而現階段我國金屬冶煉工業普遍選用的是濕法冶煉。鋅濕法冶煉凈化工藝目前在我國的金屬冶煉行業中發展較好，其主要是在冶煉過程中向反應溶液添加鋅粉，利用自然的氧化還原反應去除金屬礦中的雜質。鋅濕法冶煉工業流程為浸出-凈化-電積，即稀釋出金屬礦中含有的目標金屬和雜質金屬，隨后向稀釋液中添加鋅粉，利用鋅粉去除溶液中的雜質礦，并經過電解獲得目標礦。但在工藝實際進行的過程中，金屬礦中含有的金屬雜質較多，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，則會導致后續的電解沉積過程受到嚴重的影響，硫酸鋅溶液質量不佳導致鋅電解率嚴重降低，致使提煉出來的目標金屬質量不高且產量少，因此，在進行鋅濕法冶煉凈化工藝時，一定要注重凈化工藝質量。

2 相關理論研究

2.1 鋅液凈化過程反應動力學研究

實際上，鋅粉與雜質離子之間的凈化反應過程是置換反應，硫酸鋅溶液中的鋅粉為正電性金屬離子溶液，而雜質屬于負電性金屬離子，將雜質放入硫酸鋅溶液當中，鋅離子與雜質金屬離子交換，而雜質金屬離子將流向陽極，鋅離子將流向陰極，從而完成置換反應。在進行鈷離子的置換過程中，鈷離子的反應動力是受傳質步驟所控制的。

2.2 復雜工業生產過程建模方法研究

復雜工業生產過程建模是指對根據工業生產特征對工業生產過程進行參數化的描述，并將其構建為生產模型。但由于在金屬冶煉工業中，動力學理論、物料平衡理論等理論數字模型過于理想化，利用其分析出來的參數與實際偏差較大，故而在進行生產過程建模時需要以精準的數據為基準，建立可靠的機理模型，通過對相關數據的處理分析工業生產與數據信息的內在聯系，從而建立數學模型，并為后續的控制參數化研究提供支持。

2.3 復雜工業生產過程優化控制方法研究

鋅濕法冶煉凈化工藝的生產過程較為復雜，而對于此類復雜的生產工藝往往不能夠準確的描述出生產過程的線性關系，同時又無法建立可靠的數學模型，故而本文選擇利用智能優化控制算法對生產過程進行參數化處理，掌握生產過程的動態特性，將其轉化為相關的參數，并對其進行計算，從而制定出鋅濕法冶煉工業過程優化控制參數化方法，為鋅粉加入方式及加入量的設計奠定數學支持。

3 工程概況

本文為了更好的分析如何通過優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行鎵、鍺等稀散金屬回收，從而實現經濟效益的獲取。該冶煉廠以往參與冶煉回收工業的原材料為凡口礦，但由于近年來凡口礦產量低，無法滿足企業生產鎵、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含量較高，在進行鋅濕法冶煉的過程中將會產生大量的鐵、鈷、銅等雜質，而這就需要適當增加鋅粉的量以提升除雜效果，但由于該企業的相關工作人員無法準確掌握鋅粉的添加量，且傳統的鋅粉添加方式并不能夠滿足當前階段工藝的需求，在生產過程中只注重除雜效果而并未注重生產成本，導致企業的經濟效益受到損壞。據筆者調查研究顯示，該企業2019年～2020年鋅粉單耗指標持續上升，2020年5月，鋅粉單耗量達到105.47kg/t，生產成本大幅度增加，故而需要對鋅濕法冶煉凈化工藝添加鋅粉的方式及添加量進行重新優化與思考，選擇合適的鋅粉添加方式及添加量，實現在保證凈化效果的同時保證企業的經濟效益。

通過對該企業鋅濕法冶煉凈化工藝流程的研究發現，鋅濕法冶煉凈化工藝主要分為三個階段，第一個階段除銅、第二個階段除鈷、第三個階段除鎘，但由于第一、二階段除銅、鈷的過程中，雜質清除效果不佳導致萃銅溶液中雜質較多，對后續鋅電解產生了影響。且在除鈷的過程中，若鋅粉添加過少則會導致上清液中雜質含量較多，致使雜質離子在后續鋅電解的過程中影響了電解率，進而導致除電解率降低，影響了整個工藝的凈化效果，而相關工作人員為了提升除鈷效果，選擇盲目添加鋅粉，致使鋅粉的耗量嚴重增加。

4 鋅濕法冶煉凈化鈷動態反應模型

4.1 凈化除鈷過程機理

該企業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。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金屬礦，并在反應器中持續添加鋅粉，促使鋅粉與反應金屬礦中的銅離子發生氧化還原反應，當反應進行一段時間后，將產生氧化亞銅，氧化亞銅將會沉淀至反應器底部，以便于清理。值得注意的是，此反應并不會將溶液中的銅離子全部去除，剩余部分銅離子將作為后續除鈷反應的活化劑，而剩余部分銅離子溶液稱為萃銅余液。萃銅余液經過過濾后，清理余液中的氧化亞銅，并送往除鈷反應過程當中。

在進行除鈷反應時，需要保證反應溫度條件在75℃左右，在反應容器中添加廢酸，形成硫酸銅，硫酸銅將與鋅粉發生反應，生成單質銅。在反應過程中，持續添加鋅粉，促使單質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，并在陰極發生放電還原，形成銅-鋅-鈷的合金，但該合金穩定性不強，很容易在溶液中還原成為單質銅與鈷離子，故而需要在溶液中添加砷鹽，形成穩定的砷-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，促使其能夠良好的完成電解反應。

4.2 凈化過程反應速率主要影響影響因素分析

首先，溫度是影響凈化過程反應速率的重要因素，根據反應速度與溫度之間的表示公式，可以了解到適當的提升溫度能夠提升置換反應效率，且溫度越高，除鈷反應速度更快，但溫度過高也會破壞氧化還原反應，故通常情況下，需要將反應溫度控制在75℃～85℃之間。

其次，反應時間也是影響反應速度的重要參數。若在進行除鈷反應的過程中，未能合理的控制反應時間，則會導致有價金屬冶煉質量受到影響。若反應時間過長，則會導致鈷與萃銅余液中其他的雜質進行反應，或產生復溶。若反應時間過短，則會導致反應不充分，除鈷效果降低。

再次，通過上文分析可知，萃銅余液中的銅離子將會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生放電還原反應，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生反應，因此，銅離子也是影響凈化過程反應速率的重要因素。

最后，相對原子質量也是影響凈化過程反應速率的關鍵因素之一。在進行鋅粉除銅的過程中，需要在溶液中添加硫酸銅，而此時，溶液中的PH將會發生改變，而若添加的硫酸銅過多，則會導致PH值過低，相對原子質量增加，鋅粉便會與酸發生反應生成氫氣，從而造成了鋅粉的浪費。若添加的硫酸銅過少，則會導致PH值過高，不利于除鈷反應的進行。

4.3 反應動力學分析

通過上文敘述可知，鋅濕法冶煉凈化工藝主要利用的是置換反應進行銅、鈷雜質的去除并獲取有價金屬。而實際上，置換反應便是電解還原反應，歸根結底便是固體鋅粉與溶液中鈷離子發生反應，根據菲克第一定律可知，固體與液體反應中離子擴散速度的計算公式，可以了解到金屬與溶劑的反應面積也對反應速度有著直接的影響，反應面積越大，反應速度越快，因此，在實際選擇鋅粉時，可選擇顆粒較小的鋅粉增大反應面積。

5 基于控制參數化的鋅粉添加優化算法研究

根據上文分析，確定影響鋅濕法冶煉凈化除鈷反應效率的因素包括五個，將這五個影響因素看做控制量u，建立目標函數，然后從時刻t=f到t=0求解狀態方程，獲得反應過程的狀態值與目標函數值，確定反應過程的與反應速度影響因素的線性曲線，構建反應數學模型。

6 鋅濕法冶煉凈化除鈷過程鋅粉添加優化控制系統實現

6.1 系統總體框架

構建DCS分布集散控制系統，采用WinCC組態軟件配合Visual C++6.0平臺對系統進行開發，實現對反應系統的集散控制，將鋅濕法冶煉凈化除鈷優化控制系統錄入系統當中，實現鋅粉的自動化添加。

6.2 系統功能需求分析

為了解決萃銅溶液中富含有機物較多的問題，該企業選擇進一步完善萃銅余液的處理流程，選擇先將萃銅余液蒸發濃縮，待其產生硫酸鋅結晶鹽后，采用火法處理的方式去除硫酸結晶鹽中的有機物雜質，隨后再進行除鈷工藝流程，該種方式不僅能夠降低萃銅余液對后續電解影響，同時也能夠避免萃銅余液對除鈷過程產生影響，且避免存在兩個系統交匯處產生有機物沉淀的問題。

在進行鋅粉添加過程中，以往的添加方式是將鋅粉放置在圓盤給料器當中，通過圓盤給料器實現向反應溶液中添加鋅粉，而實際上，該種方式并不能夠精準的提供反應所需的鋅粉量，且受空氣濕度影響，鋅粉很容易產生結塊，因此很難把控鋅粉的供給量。因此，該企業選擇將傳統的圓盤給料器更換為電子皮帶秤，并將其連接DCS系統當中，系統中反應數學模型會根據相關參數信息確定鋅粉的質量，從而實現遠程精準給料。同時，利用DCS控制系統能夠實現對給料狀況的遠程監控，利用DCS系統的人機交互界面觀察指令運行狀況，并通過數據分析系統的運行狀況，實現對鋅濕法冶煉凈化除鈷過程的良好監控。

此外，隨著生產實踐的積累，以及逐步嘗試提高鋅電積對新液雜質的適應性，近年逐步更新各雜質元素的標準，使之更科學、更合理，緊密的將生產和成本相結合，需要在保證鋅電積正常的情況下，進行適度凈化，降低凈化過程生產成本的浪費。

6.3 系統實現的注意事項

從上述論述，可以看出該工藝對于各項操作參數具有一定的精準度要求，因此，需要人們構筑DCS控制系統，并借助該系統，進行自動化的工藝操作，以消除人的因素，為工藝操作效果帶來的影響。在此過程中，雖然DCS系統有高度自動化的優勢特征，而且操作更加簡單，但就目前來看，系統的日常檢修、維護等仍然需要為人操作，因此，為了充分發揮系統的效能，需要委派技術過硬、職業素養高的人員，負責系統管理，以更好地落實各項維護、檢修工作，讓系統始終能夠保持一個良好的運行狀態。此外，系統的運行除了需要軟件支持以外，硬件的運行狀態，也是系統實現效果的決定性因素，所以，在系統實現方面，也要注意，一定要做好硬件設施的部署和管理，并提前進行硬件的部署規劃和管理方案制定，以更好地支持該工藝的精準、高效落實。在此背景下，實現該系統時，需要先根據當前的條件，編制出硬件設施部署施工方案，并做好防電磁干擾、雷電干擾措施，而且也要嚴格按照現行的規范，合理控制管線間距以及排布方式，同時也要在硬件設施部署時，額外留出檢修空間。此外，由于系統的實現，也離不開硬件設施的建設，所以，還需要為硬件設施設置相應的溫濕度調節、監控裝置，同時，也要提前委派專門的硬件檢修專員，并根據硬件設施的現狀，以及運行規律，編制相應的硬件檢修工作方案、硬件故障應急方案，由此更好地保障硬件設施的穩定運行，提高系統的實現效果。從整體來說，系統的配套軟件、硬件設施均需要技術人員進行維護和管理，因此，系統的實現效果也在很大程度上受人的因素所影響。為此，在系統實現過程中，還要注意，一定要強化對技術人員的選拔考核，而且也要做好定期的培訓，完善相應的工作細則、工作制度，減少操作失誤、錯誤出現的幾率，為系統的有效實現提供更好的支持。

在系統的實現上，考慮到DCS系統具有后臺數據存儲查詢功能，還可以運用該系統，通過統計、分析后臺數據，對工藝的運行現狀進行研究探討，由此及時發現當前工藝操作中的需優化的點，再針對性地采取優化措施，持續改善工藝流程的運行效果，提高該系統的實現價值，讓鋅粉加入方式更加科學合理，壓縮鋅粉方面的成本，提升生產水平。

7 結論

綜上所述，利用鋅濕法冶煉凈化工藝提取有價金屬的方式是現階段我國冶煉廠常用的方法，但鋅濕法冶煉凈化工藝在應用過程中還存在一些問題，其中，最主要的問題是鋅粉浪費的問題。因此，在實際使用鋅濕法冶煉凈化工藝時，需要利用控制參數化實現對相關參數的合理計算，構建數學模型，并建立DCS控制系統實現自動化添加適量鋅粉，實現適度凈化，同時需要優化鋅粉添加方式，將傳統的圓盤給料器替換為電子皮帶秤，最大程度上緩解鋅粉浪費現象，減少生產成本。