JKSimMet軟件在半自磨機(jī)選型上的應(yīng)用

鄒毅仁， 羅良烽

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司 礦山事業(yè)部， 北京 100038)

JKSimMet軟件在半自磨機(jī)選型上的應(yīng)用

鄒毅仁， 羅良烽

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司 礦山事業(yè)部， 北京 100038)

JKSimMet屬于碎磨流程模擬軟件，是選礦工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化的重要工具。介紹了JKSimMet軟件的發(fā)展過程，理論知識(shí)，概述了該軟件使用的方法和步驟。通過在某銅礦選礦廠半自磨工藝的優(yōu)化案例，探討了JKSimMet在選礦工藝優(yōu)化中的作用以及應(yīng)用前景。

流程模擬; 半自磨機(jī)

0 前言

流程模擬軟件是選礦工程師研究、設(shè)計(jì)及優(yōu)化工藝流程的重要工具，其應(yīng)用可貫穿于一個(gè)具體項(xiàng)目的整個(gè)生命周期。流程模擬軟件的發(fā)展趨勢(shì)有兩個(gè)方向，一是強(qiáng)調(diào)軟件的通用性和整體綜合性能，集各種工藝流程和作業(yè)單元于一體，例如USIM PAC、Metsim、SysCAD等軟件；二是針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域，注重單一作業(yè)單元的精細(xì)化和專業(yè)化，例如CEET和JKTech系列軟件等[1]。

本文將重點(diǎn)介紹選礦工藝上應(yīng)用廣泛的碎磨流程模擬軟件JKSimMet，以及其在某選礦廠半自磨工藝優(yōu)化中的應(yīng)用。

1 JKSimMet簡(jiǎn)介

JKSimMet是澳大利亞昆士蘭大學(xué)所屬研究機(jī)構(gòu)JKMRC(Julius Kruttschnitt Mineral Research Centre)推出的碎磨流程模擬軟件。1986年，JKMRC成立了JKTech公司來負(fù)責(zé)軟件的商業(yè)化運(yùn)作；1987年，JKTech成功推出了第一個(gè)JKSimMet版本，實(shí)現(xiàn)了在DOS環(huán)境下模擬計(jì)算和模型參數(shù)擬合的雙重功能；1988年進(jìn)一步改進(jìn)，新增了數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)處理的功能；1999年，JKTech推出了全新的JKSimMetV5.0，完成了運(yùn)行環(huán)境和人機(jī)界面從DOS平臺(tái)向Windows平臺(tái)的轉(zhuǎn)換；2012年再次完成重大升級(jí)，推出了最新的英文版本JKSimMetV6.0，融入了JKMRC多年來在粉碎和分級(jí)數(shù)學(xué)模型研究方面取得的最新成果，并優(yōu)化了軟件界面；2014年，中文版JKSimMetV6.1問世，加速了JKTech軟件在中國(guó)市場(chǎng)上的推廣應(yīng)用。

JKSimMet是目前世界上應(yīng)用最廣泛的磨礦分級(jí)回路模擬軟件，軟件包中內(nèi)置了眾多的單元作業(yè)模型，有支流源(給料機(jī)、加水器)、破碎機(jī)(旋回破碎機(jī)、顎式破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)、對(duì)輥破碎機(jī)及高壓輥磨機(jī)等)、磨機(jī)(球磨機(jī)、棒磨機(jī)、自磨機(jī)等)、分離器、篩分機(jī)(圓筒篩、單層篩、重介質(zhì)篩等)、分級(jí)機(jī)(螺旋分級(jí)機(jī)、水力旋流器等)、分選機(jī)(浮選機(jī)、浮選柱等)、貯存輸送類、簡(jiǎn)單的粉碎模型(粒度分布變化)和簡(jiǎn)單的分級(jí)效率曲線等，能滿足所有已知的磨礦分級(jí)回路流程的模擬。在最新的JKSimMetV6中，每個(gè)單元設(shè)備模型可與多達(dá)50個(gè)支流連接，用戶雙擊“支流”，即可直接輸入或查看其數(shù)據(jù)。目前世界各地的JKSimMet用戶已達(dá)500多家，主要分布在北美和澳洲的礦山公司、工程公司以及科研院所等。在國(guó)內(nèi)也有多家單位采購并在使用該軟件。

2 JKSimMet用途

JKSimMet通過流程模擬可以研究選礦工藝流程中各個(gè)作業(yè)單元之間的相互聯(lián)系，分析各種參數(shù)對(duì)流程整體性能的影響。JKSimMet軟件主要有三大工程功能：數(shù)質(zhì)量平衡、工藝流程設(shè)計(jì)與設(shè)備選型、生產(chǎn)流程的優(yōu)化與改造。

2.1 數(shù)質(zhì)量平衡

JKSimMet可用來對(duì)設(shè)計(jì)的工藝流程或生產(chǎn)考察的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行物料平衡協(xié)調(diào)，減少個(gè)別數(shù)據(jù)的測(cè)量偏差，或分析作業(yè)單元的物料變化，確定設(shè)備模型參數(shù)。在處理復(fù)雜工藝或多元素的數(shù)質(zhì)量平衡上，相比于傳統(tǒng)的Excel，JKSimMet更體現(xiàn)其專業(yè)性與便捷性。

2.2 工藝流程設(shè)計(jì)與設(shè)備選型

JKSimMet用來將實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的礦石粉碎特性參數(shù)(落重試驗(yàn)或SMC試驗(yàn))與設(shè)計(jì)參數(shù)或現(xiàn)場(chǎng)流程考察數(shù)據(jù)相結(jié)合，建立碎磨回路的過程模型，即可確定設(shè)備的規(guī)格型號(hào)及工作參數(shù)。

在項(xiàng)目咨詢階段，應(yīng)用JKSimMet可對(duì)各種不同的碎磨工藝流程方案、設(shè)備組合方案或功率分配方案進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，并對(duì)流程中所有的單元設(shè)備和物料流進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，分析比較各方案的優(yōu)劣。碎磨流程是選礦廠投資最大，生產(chǎn)消耗最多的環(huán)節(jié)，所以設(shè)計(jì)最優(yōu)化的碎磨流程是非常必要的。在金屬工業(yè)項(xiàng)目的可行性研究報(bào)告中，經(jīng)常參與比較的碎磨工藝方案通常有以下三類：

(1)常規(guī)碎磨工藝流程，以高能圓錐破碎機(jī)為核心，采用兩段或三段碎礦，并通過篩分作業(yè)控制最終破碎產(chǎn)品粒度，采用一段球磨機(jī)磨礦的常規(guī)流程，其中的三段一閉路碎磨流程是國(guó)內(nèi)礦山應(yīng)用最廣泛的常規(guī)工藝。

(2)(半)自磨工藝流程，以(半)自磨機(jī)為核心，形成了AB、ABC、SAB、SABC等工藝流程。

(3)高壓輥磨工藝流程，以高壓輥磨機(jī)為核心，有效降低破碎產(chǎn)品粒度的工藝流程。

JKSimMet具有對(duì)上述碎磨工藝進(jìn)行一體化分析的能力，是優(yōu)化回路結(jié)構(gòu)的有效方法，有利于提高回路的設(shè)計(jì)水平。

2.3 生產(chǎn)流程的優(yōu)化與改造

通常，工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)研究受到諸多客觀因素的制約，且花費(fèi)不菲，因此計(jì)算機(jī)軟件的過程模擬對(duì)于選礦生產(chǎn)過程的優(yōu)化很有幫助，可以在昂貴的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)之前就能模擬出多種優(yōu)化方案，大幅度減少試驗(yàn)探索的工作量，并拓寬試驗(yàn)范圍，取得事半功倍的效果。

JKSimMet軟件應(yīng)用數(shù)值模擬的方法分析流程和考察數(shù)據(jù)，模擬出實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)情況，即可在電腦上對(duì)生產(chǎn)流程運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷，識(shí)別并分析存在的問題，制定優(yōu)化方案，或可提高產(chǎn)能，或可提高碎磨產(chǎn)品質(zhì)量，滿足后續(xù)分選作業(yè)的要求。

一旦建立了工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)值模擬，即可根據(jù)采礦出礦礦石性質(zhì)的變化，提前制定選廠可靠的生產(chǎn)計(jì)劃，或者有針對(duì)性地調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，使生產(chǎn)流程提前適用礦石性質(zhì)的變化。

3 JKSimMet的使用

3.1 獲取試驗(yàn)核心參數(shù)

目前用于半自磨工藝設(shè)計(jì)選型的試驗(yàn)方案主要有：芬蘭Metso的批次試驗(yàn)、澳大利亞昆士蘭大學(xué)JK落重試驗(yàn)，SMCC公司的SMC試驗(yàn)，加拿大MinnovEX的SPI試驗(yàn)，美國(guó)MacPherson可磨性試驗(yàn)等。幾乎每份試驗(yàn)報(bào)告中都強(qiáng)調(diào)其結(jié)果只對(duì)試驗(yàn)礦樣負(fù)責(zé)。因此，“代表性礦樣”的概念對(duì)工藝流程、產(chǎn)品方案、設(shè)計(jì)指標(biāo)的制定具有越來越重要的意義。如果條件允許的話，最為科學(xué)的方法是對(duì)礦床進(jìn)行大量的勘探取樣，分析出礦石性質(zhì)的變化趨勢(shì)以及品位的分布情況，但這無疑對(duì)試驗(yàn)的可操作性和經(jīng)濟(jì)性提出了挑戰(zhàn)。

JK落重試驗(yàn)或SMC試驗(yàn)(SAG Mill Comminution Test)因只需要少量的巖芯樣，且測(cè)定過程簡(jiǎn)單快捷而被廣泛應(yīng)用，該試驗(yàn)分析得出的參數(shù)ta、A和b的值 ，即是JKSimMet軟件模擬的三個(gè)核心參數(shù)，將用來表征礦石的性質(zhì)。

ta屬于低能量研磨函數(shù)，對(duì)應(yīng)半自磨機(jī)中鋼球與礦石、礦石與礦石之間的磨剝破碎機(jī)理。ta數(shù)值越小，表示礦石抗研磨能力越強(qiáng)。A和b的數(shù)值函數(shù)關(guān)系見公式(1)[2-3]：

t10=A×(1-e-b×Ecs)

(1)

式中Ecs—落重試驗(yàn)時(shí)所設(shè)定的能級(jí)，kW·h/t；t10—礦石在特定能量下破碎后的粒度分布函數(shù)在粒度為原始粒度十分之一處的取值，%；

A—礦石在某一能量破碎過程中，所能達(dá)到的最細(xì)的細(xì)度，A越大，表示礦石在同樣能級(jí)下產(chǎn)生的細(xì)粒級(jí)越多；

b—礦石在某一能量破碎過程中,達(dá)到平衡的速度有多快，b越大，表示破碎過程完成的速度越快。

通過(Ecs-t10)曲線，即可求出A和b的值，但A和b這兩個(gè)高能量破磨函數(shù)都不能單獨(dú)用于礦石類型的比較，而是用A與b的乘積(A×b)來評(píng)價(jià)礦石的可破碎性，可用于體現(xiàn)磨機(jī)中鋼球?qū)ΦV石、礦石對(duì)礦石的沖擊破碎機(jī)理。A×b的數(shù)值越小，表示礦石的抗沖擊破碎能力越強(qiáng)，越難破碎。

3.2 使用步驟

JKSimMet使用不同窗口顯示不同種類的數(shù)據(jù)，包括流程圖窗口、設(shè)備與結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)窗口、繪圖窗口、數(shù)據(jù)概述窗口、報(bào)告窗口等。使用軟件的基本步驟為：

(1)建立項(xiàng)目，繪制工藝流程圖。軟件包中內(nèi)置V5和V6兩種版本的設(shè)備圖標(biāo)供選擇。

(2)輸入工藝數(shù)據(jù)。包括定義系統(tǒng)和設(shè)備屬性，輸入支流數(shù)據(jù)。

(3)選擇設(shè)備模型，并輸入所要求的模型參數(shù)。在后續(xù)模擬過程中，用戶可修改模型參數(shù)，直至獲得滿意的結(jié)果。

(3)物料平衡及過程模擬。

(4)結(jié)果顯示與輸出。系統(tǒng)中的物流數(shù)據(jù)都可以輸出至Excel中，以報(bào)告的形式顯示。

一個(gè)完整的JKSimMet模擬報(bào)告可以提供給選礦工程師豐富的物料信息，包括回路中所有物料流的屬性(密度、流量、濃度和粒度分布)，以及設(shè)備參數(shù)(磨機(jī)功率、臨界轉(zhuǎn)數(shù)等)。

模擬過程中，一般用三個(gè)重要的指標(biāo)來衡量一個(gè)新的碎磨流程是否模擬完成：一是產(chǎn)品細(xì)度達(dá)到工藝要求；二是半自磨機(jī)充填率在25%±0.3；三是球磨分級(jí)回路循環(huán)負(fù)荷約為250%。當(dāng)然，這些指標(biāo)數(shù)值僅是JKMRC的推薦值，用戶亦可根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況和工程經(jīng)驗(yàn)來綜合考慮。

3.3 偏差來源分析

JKSimMet是一個(gè)工程師軟件，同其他工具一樣，所得到結(jié)果的質(zhì)量直接依賴于使用者的經(jīng)驗(yàn)和技能。軟件的設(shè)計(jì)理念就是根據(jù)已知的礦石性質(zhì)模擬輸出最優(yōu)化的設(shè)計(jì)流程，最優(yōu)化就是指在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上更趨于合理化，這將是一個(gè)不斷探索的過程。選礦工藝流程的制定及設(shè)備選型，沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)值，工業(yè)實(shí)踐才是檢驗(yàn)其準(zhǔn)確度的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

在試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及工藝流程一致的情況下，選型結(jié)果的差異主要來源于參數(shù)的選取，包括處理量及波動(dòng)系數(shù)、給礦和產(chǎn)品粒度分布、作業(yè)濃度及充填率、鋼球直徑及裝球率、臨界轉(zhuǎn)數(shù)率、篩孔尺寸、格子板大小及開孔率、循環(huán)負(fù)荷、服務(wù)系數(shù)與修正系數(shù)等，另外，軟件內(nèi)置的設(shè)備模型選擇也可能影響選型結(jié)果。

3.4 存在的問題

JKSimMet包含功能強(qiáng)大的系統(tǒng)，在幾十年的發(fā)展過程中，研究人員不斷地完善，但也有其一定的局限性：

(1)嚴(yán)格限制了用戶的參與，無法自行添加單元過程模型。軟件內(nèi)置的模型是根據(jù)某一些特定的工程數(shù)據(jù)建立的，必定有其適用范圍。若用戶能將某些行業(yè)或項(xiàng)目的獨(dú)特性融合至模型中，將大大提高軟件系統(tǒng)的靈活性與兼容性。

(3)模型參數(shù)眾多，特定參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的邏輯關(guān)系不甚明確。在計(jì)算過程中常會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，但軟件界面的錯(cuò)誤提示信息過于簡(jiǎn)單，這就需要操作者擁有豐富的工藝專業(yè)知識(shí)以及軟件運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

(4)軟件的后退功能有待優(yōu)化，對(duì)模型參數(shù)及信息欄屬性的修改都是不能后退返回的。因工藝模擬計(jì)算復(fù)雜，易造成過程本身不可逆，一旦出錯(cuò)很可能需要花費(fèi)很大的工作量去調(diào)整。在實(shí)際操作中，暫時(shí)的解決方法是不斷地復(fù)制備份，但這將拖慢電腦系統(tǒng)的運(yùn)行速度。

(5)軟件雖然沒有限制流程數(shù)量或支流添加數(shù)量，模擬過程最多能識(shí)別50個(gè)支流,但每次只能打開一個(gè)項(xiàng)目文件，也不能實(shí)現(xiàn)多標(biāo)題欄顯示。界面顯示的設(shè)備參數(shù)的數(shù)量過少，且信息欄無法自定義。

4 JKSimMe應(yīng)用案例

某銅礦選礦廠是我國(guó)率先采用半自磨機(jī)工藝的大型選礦廠，設(shè)計(jì)能力13000 t/d，所處理礦石為兩個(gè)獨(dú)立礦段的混合礦石。該選廠的成功投產(chǎn)對(duì)我國(guó)半自磨工藝的推廣起到了示范效益。

4.1 設(shè)計(jì)選型

選廠建設(shè)時(shí)委托SVEDALA公司對(duì)其中一個(gè)礦段的礦石進(jìn)行了半自磨小型批次試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表1[4]。

根據(jù)批次試驗(yàn)的情況，采用功率法對(duì)碎磨回路進(jìn)行了設(shè)備選型，選型結(jié)果見表2。

表1 半自磨批次試驗(yàn)結(jié)果

表2 磨礦設(shè)備選型參數(shù)

4.2 生產(chǎn)現(xiàn)狀

從2004年投產(chǎn)至今，該選礦廠對(duì)半自磨工藝的生產(chǎn)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐探索，最終達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)，并形成了較穩(wěn)定的工藝參數(shù)。半自磨機(jī)生產(chǎn)參數(shù)見表3，其中半自磨機(jī)圓筒篩篩下產(chǎn)品粒度分析見圖1。

表3 半自磨機(jī)生產(chǎn)參數(shù)

圖1 半自磨機(jī)圓筒篩篩下產(chǎn)品粒度曲線

對(duì)比設(shè)計(jì)參數(shù)可知，半自磨生產(chǎn)現(xiàn)狀的特點(diǎn)：(1)電機(jī)功率接近滿負(fù)荷生產(chǎn)；(2)電機(jī)變頻低轉(zhuǎn)速運(yùn)行；(3)圓筒篩篩下產(chǎn)品粒度較細(xì)；(4)添加的鋼球規(guī)格大，導(dǎo)致鋼球與襯板的消耗太大，平均處理約100萬t礦石就消耗1套半自磨機(jī)襯板。若改用小規(guī)格鋼球，則系統(tǒng)產(chǎn)能將受到限制。因此，該半自磨系統(tǒng)還有進(jìn)一步優(yōu)化的需求。

為獲得JKSimMet模擬的核心參數(shù)，針對(duì)選礦廠生產(chǎn)的礦石進(jìn)行了JK落重試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

結(jié)合已有的考察數(shù)據(jù)，可利用JKSimMet軟件模擬出生產(chǎn)現(xiàn)狀，模擬情況見圖2：

表4 JK落重試驗(yàn)參數(shù)

注：樣品來源于半自磨機(jī)的給礦輸送機(jī)上。

圖2 半自磨機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)狀模擬圖

4.3 JKSimMet優(yōu)化方案

利用過程模擬功能，JKSimMet能為選廠提供多種可行的優(yōu)化方案，其優(yōu)化的目標(biāo)是降低半自磨機(jī)鋼球和襯板的消耗。

圖3 半自磨機(jī)優(yōu)化方案一模擬圖

(1)方案一：降低鋼球直徑，提高鋼球充填率，放粗圓筒篩篩下粒度，發(fā)揮后續(xù)球磨機(jī)的潛能。

添加Φ125 mm鋼球的過程模擬可得到：半自磨機(jī)計(jì)算功率5278 kW(電機(jī)裝機(jī)功率約為5500 kW)，臨界轉(zhuǎn)數(shù)率75%，圓筒篩篩下產(chǎn)品T80=1607 μm，篩上頑石產(chǎn)率17.0%，充球率14.5%，總充填率28.9%，模擬流程見圖3。

方案二：降低鋼球直徑，提高臨界轉(zhuǎn)速率，放粗圓筒篩篩下粒度，發(fā)揮后續(xù)球磨機(jī)的潛能。

添加Φ125mm鋼球的過程模擬可得到：半自磨機(jī)計(jì)算功率5216 kW(電機(jī)裝機(jī)功率約為5500 kW)，臨界轉(zhuǎn)數(shù)率78%，圓筒篩篩下產(chǎn)品T80=1634 μm，篩上頑石產(chǎn)率17.2%，充球率12%，總充填率28.6%，模擬流程見圖4。

圖4 半自磨機(jī)優(yōu)化方案二模擬圖

4.4 建議

(1)生產(chǎn)實(shí)際表明半自磨機(jī)采用小規(guī)格鋼球，在現(xiàn)有裝機(jī)功率下，將制約產(chǎn)能，因此，在保持現(xiàn)有設(shè)備規(guī)格及配置的情況下來優(yōu)化工藝，必須增加裝機(jī)功率。但改造電機(jī)后仍面臨兩個(gè)重要參數(shù)：鋼球充填率和臨界轉(zhuǎn)速率，都將對(duì)優(yōu)化結(jié)果產(chǎn)生影響：

方案一中，減少了鋼球規(guī)格，將減輕鋼球?qū)δC(jī)襯板的沖擊；但同時(shí)增加了鋼球量，這對(duì)鋼球的消耗將產(chǎn)生負(fù)面影響。

方案二中，在保持充球率不變的情況下，增加臨界轉(zhuǎn)速率，這將會(huì)改變物料在磨機(jī)筒體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，可能會(huì)改變鋼球的拋落區(qū)域。

上述兩種不確定性因素的影響程度都可在生產(chǎn)實(shí)踐中有針對(duì)性地研究探索，建議明確參數(shù)的影響程度后，再?zèng)Q定實(shí)施哪種優(yōu)化方案。

(2)采用功耗法進(jìn)行大型磨機(jī)選型時(shí)，應(yīng)考慮磨機(jī)的空載功率。實(shí)驗(yàn)室批次試驗(yàn)機(jī)的規(guī)格為Φ1829 mm×305 mm，當(dāng)試驗(yàn)參數(shù)放大至生產(chǎn)中的大型磨機(jī)時(shí)，其自身消耗的功率將不可忽略。

5 結(jié)語

(1)半自磨機(jī)的選型方法多樣，利用JKSimMet數(shù)值模擬進(jìn)行設(shè)備選型是值得信賴的，特別是在礦

樣受到限制的新建礦山上，其應(yīng)用最為廣泛。

(2)JKSimMet是一個(gè)工程師軟件，需要專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)，其所得到結(jié)果的質(zhì)量直接依賴于使用者的經(jīng)驗(yàn)和技能。

(3)經(jīng)過十多年的推廣，半自磨工藝逐漸成為國(guó)內(nèi)大型選礦廠的主流工藝，實(shí)踐案例也越來越多。JKSimMet對(duì)生產(chǎn)過程的模擬與優(yōu)化將是今后咨詢單位和生產(chǎn)企業(yè)研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。

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Application of JKSimMet Software in Selection of Semi-autogenous Grinding Mill

ZOU Yi-ren， LUO Liang-feng

JKSimMet is crushing and grinding process simulation software, and it is an important tool for the design and optimization of ore dressing process. This paper introduces the development process, the knowledge of theory, the methods and steps of JKSimMet software. Based on the case about optimizing semi-autogenous grinding mill in a copper ore concentrator, the role and application prospects of JKSimMet in the optimization of mineral processing are discussed.

process simulation； semi-autogenous grinding mill

2014-12-26

鄒毅仁(1981-)，男，湖南漣源人，工程師，碩士研究生，主要從事選礦工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)工作。

TP273

B

1003-8884(2015)01-0020-06