某選廠磨礦分級工藝改造與自動化控制系統(tǒng)研究

左曉輝

(首鋼礦業(yè)公司水廠鐵礦)

某選廠磨礦分級工藝改造與自動化控制系統(tǒng)研究

左曉輝

(首鋼礦業(yè)公司水廠鐵礦)

某鐵選廠原采用螺旋分級與磨礦構(gòu)成閉路，存在著分級返砂量不穩(wěn)定、不連續(xù)且分級能力較差的問題，影響磨礦效果。同時為實現(xiàn)磨礦分級作業(yè)流程中磨機給礦量、充填率、磨礦與分級濃度等技術(shù)指標的自動化控制，建立了磨礦分級自動化控制系統(tǒng)。通過采用旋流器代替原螺旋分級機對磨礦產(chǎn)品進行分級，采用PID控制器控制磨機給礦、旋流器泵池液位與分級壓力，通過水量的控制進行磨礦與分級濃度的調(diào)節(jié)，使用自動加球機控制磨機充填率，設(shè)計了控制系統(tǒng)硬件，確定了控制流程，最終實現(xiàn)了磨礦分級作業(yè)流程的自動化控制。其中磨礦控制的關(guān)鍵點是保證球磨機的充填率和磨礦濃度，分級過程控制的關(guān)鍵點是旋流器的壓力與分級濃度。實踐結(jié)果表明，采用旋流器分級并建立磨礦分級自動化控制系統(tǒng)，可根據(jù)礦石性質(zhì)的不同自動調(diào)整給礦量，降低了返砂比，提高了磨礦效率和分級效率，實現(xiàn)了鋼球自動添加，有效降低了鋼耗。該選廠磨礦分級工藝的改造與自動化控制系統(tǒng)建立的實踐結(jié)果，有利于提高選廠自動化生產(chǎn)的整體水平。

磨礦分級率 控制系統(tǒng) 分級濃度 自動加球機

磨礦分級作業(yè)是選礦廠重要的生產(chǎn)工藝流程，其指標穩(wěn)定與否直接影響后續(xù)選礦工序指標的好壞，關(guān)系到選廠主要技術(shù)經(jīng)濟指標的穩(wěn)定與提高。首鋼礦業(yè)公司水廠鐵礦新主廠原采用磨機與螺旋分級機構(gòu)成閉路磨礦分級流程，存在的問題有：①由于螺旋分級機進礦采用勺頭設(shè)計，使進入球磨機的返砂量不穩(wěn)定、不連續(xù)，造成磨機處理礦量不均勻、磨礦濃度不穩(wěn)定，影響磨礦效果；②螺旋分級完全依靠重力分級，強力分級能力較差，效率低，返砂中存在大量的合格粒級；③給礦不穩(wěn)定或操作不及時，容易出現(xiàn)粒級跑粗，給下道工序作業(yè)帶來困難和隱患。原磨礦分析作業(yè)中磨機給礦量、充填率、磨礦與分級濃度等技術(shù)指標采用人工調(diào)整，操作難度大，控制滯后，勞動強度大，不利于選廠自動化整體水平的提升。

為解決上述問題，提出使用旋流器替代螺旋分級機進行分級工藝改造，以提高一段磨礦分級作業(yè)的磨礦效率、磨機臺時處理量，降低返砂中合格粒級的含量和返砂比，提高分級效率。同時，建立磨礦分級自動化控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)磨礦分級作業(yè)流程技術(shù)指標的實時自動化控制，為后續(xù)選別流程提供支持。

1 工藝改造

改造后的一段磨礦分級工藝流程見圖1。

圖1 水廠鐵礦磨礦分級工藝流程

一段球磨機磨礦后經(jīng)旋流器分級，溢流產(chǎn)品進入一段選別，沉砂返回一段球磨機再磨。磨機給礦量大小通過角行程執(zhí)行器開口控制，每個磨礦分級系列由10臺角行程執(zhí)行器控制磨機給礦。球磨機采用φ3 600 mm×4 500 mm格子型球磨機，旋流器采用φ710 mm平底旋流器。

2 改造效果

通過使用旋流器代替原螺旋分級機對磨礦產(chǎn)品進行分級，強化了對磨礦分級過程的控制，提高了球磨機的磨礦細度和磨礦效率，進一步降低了選礦成本，穩(wěn)定了主要選礦技術(shù)經(jīng)濟指標。

在整個控制過程中，需要穩(wěn)定磨礦濃度、旋流器壓力及溢流細度等指標，僅通過人工操作進行調(diào)整難以滿足控制需求。因此，采用自動化控制手段對水廠鐵礦新主廠的一段磨礦分級系統(tǒng)進行實時控制，以穩(wěn)定生產(chǎn)過程中的技術(shù)指標，同時降低崗位工人勞動強度。

3 磨礦分級自動化控制系統(tǒng)的建立

磨礦分級工藝核心是調(diào)礦、調(diào)水、穩(wěn)壓、保充填率。對磨礦工藝流程進行分析以確定控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可分為4個部分①磨機給礦的控制；②磨礦和分級濃度的控制；③旋流器相關(guān)參數(shù)的控制；④磨機充填率的控制。使一段球磨機在最佳工作狀態(tài)下運行是保證磨礦效率的關(guān)鍵，同時可保證球磨機充填率，穩(wěn)定磨礦濃度。只要控制好磨礦濃度，無論礦石性質(zhì)是否發(fā)生變化，都能穩(wěn)定磨礦的返砂比在合適范圍內(nèi)。旋流器主要調(diào)節(jié)手段是通過調(diào)節(jié)旋流器的給礦濃度與壓力來調(diào)節(jié)旋流器的分級效率、返砂比等相關(guān)參數(shù)。

3.1 磨機給礦的控制

依據(jù)磨機功率、音強與負荷的關(guān)系，采用球磨機電耳、功率的變化來判斷磨機工作狀態(tài)，不僅判斷出磨機負荷、磨機狀態(tài)的變化趨勢，同時也使控制系統(tǒng)的自診斷、自校正得到了可靠的保證，為控制系統(tǒng)磨礦效率提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。

與球磨分級自動化控制系統(tǒng)相比，其它控制系統(tǒng)只是等到球磨機達到“恢復(fù)值”才進行給礦，而該控制系統(tǒng)球磨機在“脹肚值”(超負荷)與“恢復(fù)值”之間時，會自動判斷球磨機工作狀態(tài)變化趨勢。如果電耳值趨于上升，控制系統(tǒng)會小幅度增加給礦量；如果電耳值變化趨勢是由“恢復(fù)值”到“脹肚值”運動，系統(tǒng)會同步對球磨機進行減礦。該控制系統(tǒng)能充分發(fā)揮球磨機的處理能力，避免處理能力浪費。

磨機給礦過程控制原理見圖2。

圖2 磨機給礦過程控制原理

設(shè)計的控制系統(tǒng)主要通過2個模糊控制器和1 個PID控制器進行控制。其中一個模糊控制器根據(jù)2個變量設(shè)定給礦量,另一個模糊控制器實現(xiàn)對PID 3個參數(shù)的自動校正。PID控制器的輸出到達給料機的變頻器,控制給料機電機的轉(zhuǎn)速,達到精確給礦的目的[2]。

3.2 磨礦濃度與分級濃度的控制

根據(jù)物料平衡原理，整個磨礦過程中進入磨機的物料量與從磨機中排出的物料量相等，即入磨濃度為球磨機的磨礦濃度。磨機中的固體量由原礦量和旋流器返砂量兩部分組成，磨機中物料總量由原礦量、返砂量和返砂水三部分組成。

控制系統(tǒng)對球磨機實時給礦量和返砂水、排礦水流量進行濾波后，可分別計算返砂水和排礦水的需求量，將計算值作為給定值，通過PID控制器控制電動閥的開度，調(diào)整返砂水和排礦水的流量，使實際流量等于計算值。磨礦濃度和分級濃度穩(wěn)定控制原理見圖3。

圖3 返砂水、排礦水調(diào)整過程控制原理

PID控制器的控制算法

式中,u(t)為PID控制器的輸出和被控對象的輸出；e(t)為偏差值；Kp為控制器比例系數(shù)；TI為積分時間；TD為微分時間[3]。

將該系統(tǒng)濾波周期設(shè)置為1 min，即每分鐘對返砂水和排礦水進行一次調(diào)整，可達到精確控制，保證磨礦濃度及分級濃度穩(wěn)定在合適的范圍內(nèi)。

3.3 旋流器泵池液位與分級壓力的控制

旋流器泵漿池安裝超聲波液位檢測儀表，旋流器給礦安裝濃度檢測儀表、壓力檢測儀表，將信號傳輸至控制系統(tǒng)，通過系統(tǒng)控制渣漿泵頻率，調(diào)節(jié)泵漿池加水量，達到旋流器給礦壓力、礦漿池液位之間的關(guān)系平衡，從而穩(wěn)定旋流器分級效果、礦漿池液位的目的[4]。同時，旋流器泵漿池液位和壓力均可采用PID控制器的控制算法進行調(diào)節(jié)。旋流器控制原理見圖4。

圖4 旋流器控制原理

3.4 磨機充填率的控制

3.4.1 磨機充填率分析

在球磨自動化系統(tǒng)中球磨機充填率的控制非常關(guān)鍵。磨機充填率指的是球磨機內(nèi)鋼球的充填率，建立鋼球與磨機作業(yè)率以及磨機處理量的關(guān)系，據(jù)此實現(xiàn)定時、定量、連續(xù)加球。合理的鋼球配比不但能夠提高磨礦效率，而且有利于減少鋼球無功消耗，節(jié)約鋼球。人工定時一次性加入鋼球，造成磨機內(nèi)鋼球過多，相互磨損嚴重，增加無功消耗。

磨礦主要通過拋砸、壓擠、磨剝?nèi)N方式將礦石粉碎，三種方式充分配合才能有效提高磨機效率。不同球徑的鋼球可改善三種粉碎方式的配合效果，最佳狀況是鋼球與礦石接觸面最大。而人工非連續(xù)性加球鋼球配比不合理，不能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)加球，加之不合理的鋼球充填率，直接影響了磨機的工作效率。

3.4.2 磨機充填率的控制

通過采集球磨機的運行信號，根據(jù)球磨機的作業(yè)率，使用自動加球機按小時定量進行加球，測定球磨機的實際充填率，建立球磨機運行時間、耗球量與充填率之間的關(guān)系，并將關(guān)系植入到控制系統(tǒng)中去，以確定每小時的加球量。連續(xù)試驗結(jié)果表明，要確保球磨機充填率在38%以上，需要每小時加φ125 mm鋼球9個，相比未使用自動加球機平均每小時加鋼球近10個，每小時可節(jié)約鋼球1個 。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計與控制流程

4.1 控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計

(1)控制系統(tǒng)主要根據(jù)安全性和可靠性進行選擇。PLC控制系統(tǒng)不僅具有先進的通信和輸入、輸出能力，還集成了多個控制功能。PLC控制系統(tǒng)采用施耐德Quantum系列PLC控制器，具有模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、高抗干擾的I/O處理元件、靈活的配置能力等優(yōu)點。同時采用工業(yè)以太網(wǎng)方式實現(xiàn)控制器與上位機的數(shù)據(jù)交換，操作員可以通過上位機完成設(shè)備啟停和參數(shù)設(shè)置。

(2)采用電子皮帶秤檢測礦量，將檢測信號及皮帶轉(zhuǎn)速信號輸入到帶微處理器的二次儀表，進行濾波及數(shù)學運算，實時顯示瞬時礦量并轉(zhuǎn)化為4～20 mA的信號輸入到控制系統(tǒng)。

(3)采用電磁流量計實時檢測水管中的水流量，通過DP總線通訊將流量及表底量輸入到控制系統(tǒng)。

(4)采用DE-2000型磨機電耳檢測磨音，并結(jié)合磨機功率共同對球磨機的負荷狀態(tài)進行有效檢測。

(5)電動調(diào)節(jié)閥通過接受給水控制信號來改變閥門開度，實現(xiàn)水量調(diào)節(jié)。

(6)功率變送器對磨機電機功率采用特制隔離模塊進行實時測量，由傳感器將功率信號變換為標準的4～20 mA電流輸出信號，具有高精度、高隔離、寬頻響、低漂移、功耗低、溫度范圍寬等特點。

(7)旋流器壓力采用壓力變送器進行測量，傳感器將其變換為標準的4～20 mA電流信號輸出到控制器。選擇壓力傳感器時應(yīng)盡量使傳感器與礦漿的接觸面要大，與內(nèi)部傳感器要進行隔離，防止砂粒堵塞壓力管道。

(8)旋流器給礦采用西門子變頻器進行控制，通過DP總線與控制系統(tǒng)進行通訊，根據(jù)壓力變送器測得壓力值進行轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

(9)給礦采用流態(tài)給礦器，實現(xiàn)無擾自動切換，系統(tǒng)能夠檢測到給礦器的狀況并實現(xiàn)自動切換，以免因待礦影響磨機臺時效率的發(fā)揮。

4.2 控制流程

一段磨礦分級自動化控制流程見圖5。

圖5 控制流程

5 控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

(1)自動化控制系統(tǒng)能夠根據(jù)礦石性質(zhì)的變化調(diào)整給礦量磨機，“脹肚”次數(shù)明顯減少。

(2)一段返砂比由原來的59.58%降低到目前的49.42%，返砂中-0.074 mm合格粒級含量由10.59%降低到6.37%，溢流中-0.074 mm合格粒級含量從28.67%提高到30.68%，分級質(zhì)效率達到30.72%，比螺旋分級機分級效率提高6.01%。

(3)該旋流器在φ110 mm的沉砂口和0.08 MPa的壓力下，各項技術(shù)指標相比螺旋分級機優(yōu)勢明顯。自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用后，磨礦濃度能穩(wěn)定在80%以上，旋流器壓力穩(wěn)定在0.08 MPa左右，平均臺時處理量由改造前的158.90 t/h提高到164.58 t/h ,提高了3.57%。

(4)給礦系統(tǒng)和球磨機運行狀況均很穩(wěn)定，返砂中合格粒級的有效分離，使磨礦效率提高0.11 t/(kW·h)，分級溢流粒度分布更加均勻。

(5)自動加球機能自動統(tǒng)計球磨機的作業(yè)時間，實現(xiàn)定時、定量加球。應(yīng)用自動加球機后，球耗由原6.67 kg/t下降到6.20 kg/t，節(jié)球率7.05%，經(jīng)濟效益非常可觀。

6 結(jié) 論

(1)采用功率與電耳組合的形式判斷球磨機的運行狀態(tài)，符合球磨機的運行規(guī)律，能夠充分發(fā)揮球磨機的磨礦效率。

(2)建立合理的球磨機自動加球系統(tǒng)，不但能保證球磨機合適的充填率，還可以達到節(jié)球目的，有利于發(fā)揮磨礦效率。

(3)磨礦分級控制過程中，磨礦濃度、旋流器的分級濃度不一定要使用濃度計、粒度儀，建立磨礦分級自動化控制系統(tǒng)，采用時間濾波累計技術(shù)可以達到控制磨礦和分級濃度、分級效率的目的。

[1] 紀 斌.磨礦分級自動控制系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用研究及推廣[J].中國鉬業(yè)，2004(1)：14-19.

[2] 李世國，王 鶴.基于PLC和WinCC的磨機給礦量模糊控制系統(tǒng)[J].金屬礦山，2009(4)：126-128.

[3] 易繼凱，候媛彬.智能控制技術(shù)[M].北京：北京工業(yè)大學出版社，1995.

[4] 楊世中,宋春雷,胡江南.選礦自動化在高原礦山的應(yīng)用[J].有色金屬：選礦部分，2013(2):59-63.

2015-11-30)

左曉輝(1984—)，男，工程師，064404 河北省遷安市濱河村。