优化锌粉的加入方式降低锌粉消耗

王 亮

锌湿法冶炼净化工艺在有价金属冶炼的过程中通过添加锌粉的方式剔除杂质金属，从而获得硫酸锌溶液，并最终通过电解反应获取价值金属。在实际进行该工艺的过程中，需要合理的控制锌粉的添加量，并选择合适的添加方法，从而才能够保证除杂效果，为后续的锌电解工艺奠定良好的基础。本文主要采用控制参数化的方法合理设计锌粉添加量，并对锌粉添加控制系统进行优化，以期降低锌粉单耗量，促使锌粉加入方式能够得到进一步的优化。

1 锌湿法冶炼净化工艺概述

现阶段，金属冶炼工艺主要包括两种，分别为湿法冶炼和火法冶炼，湿法冶炼主要是利用反应溶液除去金属矿中的杂质，从而获得目标金属，该种方法相比于火法冶炼而言，成本较低且除杂效果更佳，故而现阶段我国金属冶炼工业普遍选用的是湿法冶炼。锌湿法冶炼净化工艺目前在我国的金属冶炼行业中发展较好，其主要是在冶炼过程中向反应溶液添加锌粉，利用自然的氧化还原反应去除金属矿中的杂质。锌湿法冶炼工业流程为浸出-净化-电积，即稀释出金属矿中含有的目标金属和杂质金属，随后向稀释液中添加锌粉，利用锌粉去除溶液中的杂质矿，并经过电解获得目标矿。但在工艺实际进行的过程中，金属矿中含有的金属杂质较多，如铜、钴、镉、铁、锗等，若净化后溶液中含有浓度较高的金属杂质，则会导致后续的电解沉积过程受到严重的影响，硫酸锌溶液质量不佳导致锌电解率严重降低，致使提炼出来的目标金属质量不高且产量少，因此，在进行锌湿法冶炼净化工艺时，一定要注重净化工艺质量。

2 相关理论研究

2.1 锌液净化过程反应动力学研究

实际上，锌粉与杂质离子之间的净化反应过程是置换反应，硫酸锌溶液中的锌粉为正电性金属离子溶液，而杂质属于负电性金属离子，将杂质放入硫酸锌溶液当中，锌离子与杂质金属离子交换，而杂质金属离子将流向阳极，锌离子将流向阴极，从而完成置换反应。在进行钴离子的置换过程中，钴离子的反应动力是受传质步骤所控制的。

2.2 复杂工业生产过程建模方法研究

复杂工业生产过程建模是指对根据工业生产特征对工业生产过程进行参数化的描述，并将其构建为生产模型。但由于在金属冶炼工业中，动力学理论、物料平衡理论等理论数字模型过于理想化，利用其分析出来的参数与实际偏差较大，故而在进行生产过程建模时需要以精准的数据为基准，建立可靠的机理模型，通过对相关数据的处理分析工业生产与数据信息的内在联系，从而建立数学模型，并为后续的控制参数化研究提供支持。

2.3 复杂工业生产过程优化控制方法研究

锌湿法冶炼净化工艺的生产过程较为复杂，而对于此类复杂的生产工艺往往不能够准确的描述出生产过程的线性关系，同时又无法建立可靠的数学模型，故而本文选择利用智能优化控制算法对生产过程进行参数化处理，掌握生产过程的动态特性，将其转化为相关的参数，并对其进行计算，从而制定出锌湿法冶炼工业过程优化控制参数化方法，为锌粉加入方式及加入量的设计奠定数学支持。

3 工程概况

本文为了更好的分析如何通过优化锌粉加入方式降低锌粉的损耗，选择以某冶炼厂为例，该冶炼厂主要以锌湿法冶炼净化工艺进行镓、锗等稀散金属回收，从而实现经济效益的获取。该冶炼厂以往参与冶炼回收工业的原材料为凡口矿，但由于近年来凡口矿产量低，无法满足企业生产镓、锗等稀散金属的需求，故而选择品味较低的金属混合矿、杂矿等，但由于此类矿的杂质含量较高，在进行锌湿法冶炼的过程中将会产生大量的铁、钴、铜等杂质，而这就需要适当增加锌粉的量以提升除杂效果，但由于该企业的相关工作人员无法准确掌握锌粉的添加量，且传统的锌粉添加方式并不能够满足当前阶段工艺的需求，在生产过程中只注重除杂效果而并未注重生产成本，导致企业的经济效益受到损坏。据笔者调查研究显示，该企业2019年～2020年锌粉单耗指标持续上升，2020年5月，锌粉单耗量达到105.47kg/t，生产成本大幅度增加，故而需要对锌湿法冶炼净化工艺添加锌粉的方式及添加量进行重新优化与思考，选择合适的锌粉添加方式及添加量，实现在保证净化效果的同时保证企业的经济效益。

通过对该企业锌湿法冶炼净化工艺流程的研究发现，锌湿法冶炼净化工艺主要分为三个阶段，第一个阶段除铜、第二个阶段除钴、第三个阶段除镉，但由于第一、二阶段除铜、钴的过程中，杂质清除效果不佳导致萃铜溶液中杂质较多，对后续锌电解产生了影响。且在除钴的过程中，若锌粉添加过少则会导致上清液中杂质含量较多，致使杂质离子在后续锌电解的过程中影响了电解率，进而导致除电解率降低，影响了整个工艺的净化效果，而相关工作人员为了提升除钴效果，选择盲目添加锌粉，致使锌粉的耗量严重增加。

4 锌湿法冶炼净化钴动态反应模型

4.1 净化除钴过程机理

该企业采用的是富氧直接浸出湿法炼锌工艺，电解工艺是卢森堡Paul Wurth公司的3.2m2大极板电解技术。在锌湿法冶炼净化工艺中，首先需要净化金属矿中的铜，采用中性浸出液浸泡反应金属矿，并在反应器中持续添加锌粉，促使锌粉与反应金属矿中的铜离子发生氧化还原反应，当反应进行一段时间后，将产生氧化亚铜，氧化亚铜将会沉淀至反应器底部，以便于清理。值得注意的是，此反应并不会将溶液中的铜离子全部去除，剩余部分铜离子将作为后续除钴反应的活化剂，而剩余部分铜离子溶液称为萃铜余液。萃铜余液经过过滤后，清理余液中的氧化亚铜，并送往除钴反应过程当中。

在进行除钴反应时，需要保证反应温度条件在75℃左右，在反应容器中添加废酸，形成硫酸铜，硫酸铜将与锌粉发生反应，生成单质铜。在反应过程中，持续添加锌粉，促使单质铜能够附着在锌粉表面，并与溶液形成铜-锌微电池，而铜-锌微电池比钴-锌微电池的电位差大，故而钴离子将在溶液中流向阴极，并在阴极发生放电还原，形成铜-锌-钴的合金，但该合金稳定性不强，很容易在溶液中还原成为单质铜与钴离子，故而需要在溶液中添加砷盐，形成稳定的砷-铜-锌-钴的合金，从而促使钴离子能够降低到电解允许的范围内，促使其能够良好的完成电解反应。

4.2 净化过程反应速率主要影响影响因素分析

首先，温度是影响净化过程反应速率的重要因素，根据反应速度与温度之间的表示公式，可以了解到适当的提升温度能够提升置换反应效率，且温度越高，除钴反应速度更快，但温度过高也会破坏氧化还原反应，故通常情况下，需要将反应温度控制在75℃～85℃之间。

其次，反应时间也是影响反应速度的重要参数。若在进行除钴反应的过程中，未能合理的控制反应时间，则会导致有价金属冶炼质量受到影响。若反应时间过长，则会导致钴与萃铜余液中其他的杂质进行反应，或产生复溶。若反应时间过短，则会导致反应不充分，除钴效果降低。

再次，通过上文分析可知，萃铜余液中的铜离子将会附着在锌粉表面形成沉积铜从而形成铜-锌微电池，再利用铜-锌微电池电位高于钴-锌微电池的原理促使钴离子在阴极发生放电还原反应，而溶液中铜离子的浓度越大，铜-锌微电池与钴-锌微电池的电位差就越大，故而能够快速吸引钴离子在阴极发生反应，因此，铜离子也是影响净化过程反应速率的重要因素。

最后，相对原子质量也是影响净化过程反应速率的关键因素之一。在进行锌粉除铜的过程中，需要在溶液中添加硫酸铜，而此时，溶液中的PH将会发生改变，而若添加的硫酸铜过多，则会导致PH值过低，相对原子质量增加，锌粉便会与酸发生反应生成氢气，从而造成了锌粉的浪费。若添加的硫酸铜过少，则会导致PH值过高，不利于除钴反应的进行。

4.3 反应动力学分析

通过上文叙述可知，锌湿法冶炼净化工艺主要利用的是置换反应进行铜、钴杂质的去除并获取有价金属。而实际上，置换反应便是电解还原反应，归根结底便是固体锌粉与溶液中钴离子发生反应，根据菲克第一定律可知，固体与液体反应中离子扩散速度的计算公式，可以了解到金属与溶剂的反应面积也对反应速度有着直接的影响，反应面积越大，反应速度越快，因此，在实际选择锌粉时，可选择颗粒较小的锌粉增大反应面积。

5 基于控制参数化的锌粉添加优化算法研究

根据上文分析，确定影响锌湿法冶炼净化除钴反应效率的因素包括五个，将这五个影响因素看做控制量u，建立目标函数，然后从时刻t=f到t=0求解状态方程，获得反应过程的状态值与目标函数值，确定反应过程的与反应速度影响因素的线性曲线，构建反应数学模型。

6 锌湿法冶炼净化除钴过程锌粉添加优化控制系统实现

6.1 系统总体框架

构建DCS分布集散控制系统，采用WinCC组态软件配合Visual C++6.0平台对系统进行开发，实现对反应系统的集散控制，将锌湿法冶炼净化除钴优化控制系统录入系统当中，实现锌粉的自动化添加。

6.2 系统功能需求分析

为了解决萃铜溶液中富含有机物较多的问题，该企业选择进一步完善萃铜余液的处理流程，选择先将萃铜余液蒸发浓缩，待其产生硫酸锌结晶盐后，采用火法处理的方式去除硫酸结晶盐中的有机物杂质，随后再进行除钴工艺流程，该种方式不仅能够降低萃铜余液对后续电解影响，同时也能够避免萃铜余液对除钴过程产生影响，且避免存在两个系统交汇处产生有机物沉淀的问题。

在进行锌粉添加过程中，以往的添加方式是将锌粉放置在圆盘给料器当中，通过圆盘给料器实现向反应溶液中添加锌粉，而实际上，该种方式并不能够精准的提供反应所需的锌粉量，且受空气湿度影响，锌粉很容易产生结块，因此很难把控锌粉的供给量。因此，该企业选择将传统的圆盘给料器更换为电子皮带秤，并将其连接DCS系统当中，系统中反应数学模型会根据相关参数信息确定锌粉的质量，从而实现远程精准给料。同时，利用DCS控制系统能够实现对给料状况的远程监控，利用DCS系统的人机交互界面观察指令运行状况，并通过数据分析系统的运行状况，实现对锌湿法冶炼净化除钴过程的良好监控。

此外，随着生产实践的积累，以及逐步尝试提高锌电积对新液杂质的适应性，近年逐步更新各杂质元素的标准，使之更科学、更合理，紧密的将生产和成本相结合，需要在保证锌电积正常的情况下，进行适度净化，降低净化过程生产成本的浪费。

6.3 系统实现的注意事项

从上述论述，可以看出该工艺对于各项操作参数具有一定的精准度要求，因此，需要人们构筑DCS控制系统，并借助该系统，进行自动化的工艺操作，以消除人的因素，为工艺操作效果带来的影响。在此过程中，虽然DCS系统有高度自动化的优势特征，而且操作更加简单，但就目前来看，系统的日常检修、维护等仍然需要为人操作，因此，为了充分发挥系统的效能，需要委派技术过硬、职业素养高的人员，负责系统管理，以更好地落实各项维护、检修工作，让系统始终能够保持一个良好的运行状态。此外，系统的运行除了需要软件支持以外，硬件的运行状态，也是系统实现效果的决定性因素，所以，在系统实现方面，也要注意，一定要做好硬件设施的部署和管理，并提前进行硬件的部署规划和管理方案制定，以更好地支持该工艺的精准、高效落实。在此背景下，实现该系统时，需要先根据当前的条件，编制出硬件设施部署施工方案，并做好防电磁干扰、雷电干扰措施，而且也要严格按照现行的规范，合理控制管线间距以及排布方式，同时也要在硬件设施部署时，额外留出检修空间。此外，由于系统的实现，也离不开硬件设施的建设，所以，还需要为硬件设施设置相应的温湿度调节、监控装置，同时，也要提前委派专门的硬件检修专员，并根据硬件设施的现状，以及运行规律，编制相应的硬件检修工作方案、硬件故障应急方案，由此更好地保障硬件设施的稳定运行，提高系统的实现效果。从整体来说，系统的配套软件、硬件设施均需要技术人员进行维护和管理，因此，系统的实现效果也在很大程度上受人的因素所影响。为此，在系统实现过程中，还要注意，一定要强化对技术人员的选拔考核，而且也要做好定期的培训，完善相应的工作细则、工作制度，减少操作失误、错误出现的几率，为系统的有效实现提供更好的支持。

在系统的实现上，考虑到DCS系统具有后台数据存储查询功能，还可以运用该系统，通过统计、分析后台数据，对工艺的运行现状进行研究探讨，由此及时发现当前工艺操作中的需优化的点，再针对性地采取优化措施，持续改善工艺流程的运行效果，提高该系统的实现价值，让锌粉加入方式更加科学合理，压缩锌粉方面的成本，提升生产水平。

7 结论

综上所述，利用锌湿法冶炼净化工艺提取有价金属的方式是现阶段我国冶炼厂常用的方法，但锌湿法冶炼净化工艺在应用过程中还存在一些问题，其中，最主要的问题是锌粉浪费的问题。因此，在实际使用锌湿法冶炼净化工艺时，需要利用控制参数化实现对相关参数的合理计算，构建数学模型，并建立DCS控制系统实现自动化添加适量锌粉，实现适度净化，同时需要优化锌粉添加方式，将传统的圆盘给料器替换为电子皮带秤，最大程度上缓解锌粉浪费现象，减少生产成本。