磨礦分級自動化系統(tǒng)升級改造研究及應用

朱淼斌，柯圣釗

（江西銅業(yè)股份有限公司武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

1 引言

選礦自動化能提高勞動生產(chǎn)率、穩(wěn)定生產(chǎn)指標，還能降低生產(chǎn)成本，有效解決了傳統(tǒng)選礦廠生產(chǎn)操作偏差大、勞動強度高、管理低效、生產(chǎn)指標不穩(wěn)定等諸多問題［1-2］。隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，可通過計算機技術(shù)來監(jiān)測和控制選礦過程的技術(shù)參數(shù)。因此，選礦自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代選礦必不可少的技術(shù)手段之一［3］。磨礦分級是選礦廠耗費能量最大、運行成本最高的作業(yè)環(huán)節(jié)，將直接影響到后續(xù)選別工段的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。因此，磨礦分級系統(tǒng)的自動化顯得格外重要。磨礦分級自動化控制系統(tǒng)采用先進的控制方式，綜合分析判斷磨機負荷和礦物性質(zhì)等因素，控制磨機給礦、磨礦濃度、分級溢流濃度和粒度。此外，自動化系統(tǒng)還將實現(xiàn)磨礦分級作業(yè)參數(shù)的實時檢測、顯示和故障的及時報警，從而使得磨礦分級作業(yè)能一直保持最佳的運行狀態(tài)。

武山銅礦自投產(chǎn)以來，磨礦分級系統(tǒng)歷經(jīng)了多次自動化改造。通過提升磨礦生產(chǎn)流程自動化水平和加強設(shè)備運維管理，在提高生產(chǎn)指標和降低生產(chǎn)費用方面，系統(tǒng)自動化在選礦生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用［4-5］。然而，為了實現(xiàn)選礦廠節(jié)能降耗、降本增效的目標，磨礦分級系統(tǒng)的自動化水平仍有待提高。因此，本文在分析了武山銅礦磨礦分級系統(tǒng)現(xiàn)有問題的基礎(chǔ)上，提出了三種自動化升級改造控制方法并考察了其實際生產(chǎn)應用效果。

2 磨礦流程生產(chǎn)現(xiàn)狀

磨礦流程通常包括一段磨礦、兩段或多段磨礦，一段磨礦的優(yōu)點是分級設(shè)備數(shù)量少、投資較低；生產(chǎn)操作簡單易行，調(diào)節(jié)方便；設(shè)備配置簡單，因設(shè)備間故障相互影響導致的停工損失小等。一段磨礦流程的缺點是給礦粒度范圍寬，導致裝球困難、磨礦效率低；溢流細度不夠，難以得到細粒級產(chǎn)物；產(chǎn)品粒度分布不均導致后續(xù)選別困難等。相比于一段磨礦，兩段或多段磨礦能在不同的磨礦段分別進行礦石的粗磨和細磨，磨礦產(chǎn)物的粒度分布較均勻，過粉碎現(xiàn)象較少，能夠提高后續(xù)選別作業(yè)指標。

武山銅礦選廠的磨礦工藝流程如圖1所示。一段為半自磨機開路磨礦，二段為球磨機閉路磨礦。二段球磨作業(yè)所得礦漿被輸送到一組水力旋流器進行分級，沉砂返回至二段球磨機的給礦口，進行閉路循環(huán)再磨，溢流至浮選工序進行分離作業(yè)。2019年通過自主創(chuàng)新，選廠完成了半自磨機磨礦濃度自動控制改造項目，實現(xiàn)了半自磨機磨礦濃度自動控制，改善了一段磨礦的磨礦效果。為滿足實際生產(chǎn)需求，后期進行了多次改造，但自動化成效仍顯不足，難以提高生產(chǎn)效率，無法滿足嚴格管控成本的生產(chǎn)要求［6］。

圖1 兩段一閉路磨礦工藝流程

在實際生產(chǎn)中，現(xiàn)有磨礦工藝主要存在以下問題：

（1）磨礦工藝自動化程度落后，原礦分級壓力無顯示，泵池量的波動較大。當半自磨機“漲肚”時，需要人員及時調(diào)整，若未及時發(fā)現(xiàn)，將影響磨礦指標和處理量，“精細控制、精準操作”目標難以實現(xiàn)。此外，原電氣設(shè)備故障率高，影響磨礦生產(chǎn)的穩(wěn)定性和處理量；檢測儀表、執(zhí)行機構(gòu)損壞或失靈，缺少必要的生產(chǎn)過程參數(shù)的檢測。

（2）半自磨機給礦水、排礦水、返砂水等都是靠人工手動調(diào)節(jié)，原礦溢流波動影響依然存在，且濃度偏高、細度偏低，粒度組成仍有提升空間。

（3）二段球磨系統(tǒng)自動化尚未實現(xiàn)，磨礦作業(yè)時需要人為調(diào)整磨礦的補加水量。然而，人工操作容易導致磨礦效率低下、生產(chǎn)不穩(wěn)定、磨礦產(chǎn)品細度波動大和分級溢流“跑粗”等現(xiàn)象。

3 磨礦自動化改造方案和目標

通過提高磨礦生產(chǎn)過程的自動化水平，實現(xiàn)各個生產(chǎn)過程的精確控制，從而在保證生產(chǎn)運行的穩(wěn)定性和可靠性的同時提高生產(chǎn)效率［7-8］。結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)狀和現(xiàn)有條件，擬從半自磨機的給礦量、磨機與原礦泵池補加水量、水力旋流器分級壓力數(shù)顯和原礦泵轉(zhuǎn)速建模四個方面對磨礦分級自動化方案進行優(yōu)化改造（見圖2），努力實現(xiàn)以下設(shè)計目標：

（1）通過對半自磨機電流的數(shù)顯數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，建立模型讓自磨磨礦電流與鐵板機轉(zhuǎn)速聯(lián)鎖，實現(xiàn)半自磨機的按需給礦，降低磨機“漲肚”次數(shù)，減少因“漲肚”引起的流程波動。

（2）通過對自磨、球磨進料補加水，排礦補加水的數(shù)顯和遠程電動控制，以及通過給礦量準確計算出各點補加水量，將監(jiān)測的液位信號反饋至自動控制系統(tǒng)，遠程控制泵的運行頻率，穩(wěn)定控制原礦分級旋流器壓力，改善分級效果，達到穩(wěn)定泵池液位，實現(xiàn)磨礦濃度的自動控制和改善磨礦細度的目的。

（3）通過對旋流器分級壓力數(shù)顯與原礦泵遠程電流數(shù)顯及調(diào)速，分級壓力與轉(zhuǎn)速建模，實現(xiàn)原礦分級泵的自動控制。避免原礦泵池液位過低、原礦泵打空泵、分級溢流濃度波動大、顆?！芭艽帧钡痊F(xiàn)象的發(fā)生。

圖2 分級自動控制原理圖

4 磨礦自動化優(yōu)化改造

綜合考慮磨礦分級作業(yè)現(xiàn)狀和磨礦分級自動化改造方案及目標，從完善現(xiàn)有系統(tǒng)控制路線和進一步完善現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計，逐步推進磨礦分級自動化改造進程。

4.1 系統(tǒng)控制路線

4.1.1 鐵板機給礦控制路線

通過構(gòu)建自磨機運行電流與鐵板機給礦頻率的函數(shù)關(guān)系，實時自動調(diào)整給礦量，降低自磨機負荷，減少“脹肚”頻次，穩(wěn)定生產(chǎn)流程。

4.1.2 磨礦濃度控制路線

采集皮帶秤數(shù)值信號，經(jīng)過程序濾波得到較為準確的實時處理量，根據(jù)處理量計算出對應的補加水總量。通過控制程序和設(shè)置好的參數(shù)比例，計算出半自磨機、球磨機所需的補加水量，然后通過流量計反饋的信號來控制氣動閥門開度，精準、穩(wěn)定控制磨礦補加水量，實現(xiàn)原礦旋流器分級溢流濃度的自動控制。

4.1.3 分級控制路線

設(shè)定適宜偏差系數(shù)，通過原礦泵變頻運行實現(xiàn)泵池液位自動控制，避免泵池液位高造成的金屬流失或泵池液位低而引發(fā)的分級不穩(wěn)定等現(xiàn)象。

4.1.4 異常故障停車和“漲肚”等現(xiàn)象控制路線

針對異常故障停車及“漲肚”等現(xiàn)象，系統(tǒng)設(shè)置了“一鍵調(diào)節(jié)”功能。當異常情況發(fā)生時，啟動一鍵調(diào)節(jié)功能后半自磨機進料、出料補加水，球磨機進料、出料補加水按照設(shè)置的比例給水，且不受給礦量變化的影響，減少異常情況對流程穩(wěn)定性造成的影響。

4.2 系統(tǒng)改造設(shè)計

4.2.1 檢測儀表設(shè)計

通過完善檢測儀表，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中關(guān)鍵參數(shù)的檢測：（1）通過皮帶秤統(tǒng)計給礦量，信息反饋至控制系統(tǒng)；（2）選用可靠流量檢測儀表對各補加水流量進行監(jiān)測，便于及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常情況，采用YT-1000氣動執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)反饋信號調(diào)整補加水閥門開度，保證自動控制的有效實施；（3）對原礦分級旋流器的分級壓力進行檢測，保證分級效果；（4）增設(shè)原礦泵池液位計，收集液位高度信號；（5）監(jiān)測自磨機電流與給礦量構(gòu)成閉環(huán)控制，通過閉環(huán)控制實現(xiàn)減少礦量或停礦等措施，保證自磨機處于正常工作狀態(tài)，獲得較優(yōu)的經(jīng)濟指標。

4.2.2 電氣設(shè)備升級設(shè)計

由于鐵板機、皮帶輸送機、渣漿泵等相關(guān)電氣設(shè)備缺少必要的電流檢測、遠程調(diào)頻等功能，需對電氣回路進行重新設(shè)計。升級后電氣設(shè)備具備以下功能：

（1）增加遠程功能，可進行遠程/就地無擾切換，將各電氣設(shè)備集成到自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程集中操控，大幅降低勞動強度；

（2）增加了故障報警、設(shè)備運行電流等信號，更加全面地反映設(shè)備的工作性能，便于及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障；

（3）增設(shè)鐵板機、皮帶輸送機、磨機、渣漿泵等設(shè)備聯(lián)鎖功能，電氣設(shè)備運行更可靠，減少因電氣故障影響正常生產(chǎn)的情況，通過升級改造，保證了自動化功能可靠穩(wěn)定地實施和投用。

4.2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制室配置2名磨礦操作工對整個磨礦分級生產(chǎn)流程進行監(jiān)控、操作、管理和分析。分布式IO站將所有設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)采集到系統(tǒng)中。其中，皮帶秤、流量、分級壓力、泵池液位等測量儀表通過4～20 mA信號接入PLC的分布式IO中。通過升級控制器，保證了自動化系統(tǒng)的可靠性，同時也保持了良好的擴展性。

4.2.4 軟件功能設(shè)計

在控制功能上，通過對PLC系統(tǒng)的過程數(shù)據(jù)進行分析，并對控制功能（控制回路、順序控制）進行調(diào)試，自動化系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)工藝要求實現(xiàn)了鐵板機給礦、給水、分級等自動控制，保證了磨礦分級過程處理量、磨礦濃度、細度等生產(chǎn)指標。

5 系統(tǒng)改造前后應用效果對比

為考察磨礦分級自動化系統(tǒng)升級效果，對比了系統(tǒng)優(yōu)化前后半自磨機、球磨機排礦產(chǎn)品和旋流器分級溢流粒度分布情況。

由表1可知，磨礦分級系統(tǒng)改造前，1#和2#半自磨機磨礦平均濃度分別為77.85%、77.87%。由表1和圖3可知，系統(tǒng)改造后1#半自磨機磨礦產(chǎn)品中-0.038mm粒級含量下降了2.82個百分點，而2#半自磨機磨礦產(chǎn)品中-0.038mm粒級含量下降了2.9個百分點，有效緩解了過磨現(xiàn)象。

表1 系統(tǒng)優(yōu)化改造前后半自磨排礦產(chǎn)品對比 %

表2 系統(tǒng)優(yōu)化改造前后球磨排礦產(chǎn)品對比 %

圖3 系統(tǒng)優(yōu)化改造前后半自磨排礦產(chǎn)品粒度分布

圖4 系統(tǒng)優(yōu)化改造前后球磨排礦產(chǎn)品粒度分布

由表2可知，優(yōu)化后的1#和2#球磨機磨礦濃度分別為73.74%、73.52%。與優(yōu)化改造前相比，其磨礦濃度分別降低了5.32個百分點和6.54個百分點；由表2和圖4可知，優(yōu)化后的1#和2#球磨機排礦細度（-0.074mm含量）分別提高了3.81個百分點和2.76個百分點，有效緩解了欠磨現(xiàn)象。

由表3可知，1#與2#旋流器給礦泵池液位自動控制改造后，原礦溢流濃度分別由43.87%和40.65%降低至37.43%和36.57%。原礦溢流中-0.038mm細粒級含量分別從改造前的46.97%和47.95%降至改造后的45.43%和44.37%。同時，+0.18mm粗粒級含量分別從改造前的12.89%和14.24%降至改造后的9.95%和8.34%。由此可見，過磨、跑粗含量占比進一步降低。相應地，原礦溢流平均細度（-0.074mm含量）分別由60.97%、61.21%提高到64.34%、65.36%，磨礦分級效果得到顯著改善，有利于后續(xù)作業(yè)的選別。

表3 系統(tǒng)優(yōu)化改造前后原礦分級溢流考查結(jié)果 %

圖5 系統(tǒng)優(yōu)化改造前后原礦分級溢流粒度分布

通過優(yōu)化試驗，過磨和欠磨現(xiàn)象得到緩解，原礦溢流中間粒級含量大幅提高，半自磨機平均“漲肚”次數(shù)也由16.57次/d降至12.17次/d，說明優(yōu)化后的磨礦分級效果有了明顯改善。

6 結(jié)論

（1）武山銅礦自動化系統(tǒng)優(yōu)化應用后，閉路磨礦得到了有效的自動控制，磨礦效率也得到了進一步提高；處理量、補加水量、電流等重要工藝參數(shù)都實現(xiàn)了數(shù)顯，達到了“精細控制、精準操作”的目標，降低了人為因素對流程的干擾，“漲肚”次數(shù)進一步降低，流程穩(wěn)定性得到較大提升。

（2）通過磨礦給水自動控制系統(tǒng)和原礦泵池液位與分級壓力自動控制系統(tǒng)組合，有效改善了半自磨、球磨濃度和細度，為后續(xù)浮選作業(yè)提供了良好條件。

（3）磨礦流程自動化程度進一步提高，降低了操作人員勞動強度。