磨礦自動加球技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望

朱佳欽 黃宋魏 呂晉芳 汪 洋 尉佳怡 趙 凱 曾 理

（昆明理工大學國土資源工程學院）

選礦生產(chǎn)中，原礦被破碎、研磨工藝處理的效果越好， 有用礦物和脈石礦物之間單體解離的程度就會越高， 則相應(yīng)后續(xù)選別流程的效率也會提高［1，2］。 實踐證明，保持筒體內(nèi) 的鋼球填充率和鋼球的球徑級配比相對穩(wěn)定， 可使球群中始終存在更小的堆積空隙［3］，增加礦石與研磨體的接觸面積， 而且更穩(wěn)定的填充率還能保證球磨機的臨界轉(zhuǎn)速基本與球磨機轉(zhuǎn)速相等，一定程度上遏制磨機有用功的減少［4］。 相比直接提高球磨機功率［5］或更換磨機結(jié)構(gòu)和襯板材料［6］等手段，其成本較低，性價比優(yōu)勢更為明顯。

穩(wěn)定的介質(zhì)填充率意味著要實時補充因磨損或腐蝕造成的鋼球損耗。 目前，國內(nèi)選礦廠磨礦介質(zhì)基本由操作工人手動補充， 勞動強度大、加球量計算不準確且加球曲線不夠平滑，導(dǎo)致這種補加方式易造成補加鋼球時鋼介質(zhì)充填率反而不能達到要求，以至降低了磨礦效率［7］。 自20世紀70 年代以來， 為了克服人力加球存在的各種缺點，國內(nèi)各選礦廠開始自研加球設(shè)備并投入使用。 到21 世紀，各種型號的自動加球設(shè)備已經(jīng)在攀鋼、太鋼及中國黃金等企業(yè)推廣應(yīng)用，在優(yōu)化球磨機裝補球工藝、發(fā)揮球磨機生產(chǎn)效能等方面都起到了重要作用。 由于國內(nèi)現(xiàn)役的加球機型號繁雜，功能各異，因此筆者將從結(jié)構(gòu)組成、工作原理、性能特點及應(yīng)用效果等方面對常見的自動加球設(shè)備進行歸類與闡述，并結(jié)合近幾年對加球設(shè)備的改進方向， 探討自動加球技術(shù)未來的發(fā)展。

1 自動加球設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計

一套完整的自動加球設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)包括加球系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及故障預(yù)防與排除系統(tǒng)等［8］。 加球系統(tǒng)是加球設(shè)備功能實現(xiàn)的關(guān)鍵設(shè)備。 根據(jù)從球倉中抓取鋼球方式的不同，自動加球系統(tǒng)可分為滾筒式、轉(zhuǎn)盤式和提升機構(gòu)式3 種不同類型。

1.1 滾筒式加球

滾筒式加球機構(gòu)是目前應(yīng)用最為廣泛的加球機構(gòu)， 國內(nèi)如ZJQ、pk-zq 及LBJ 等系列加球機等均采用此類構(gòu)型。 其工作原理是傳動電機帶動滾筒轉(zhuǎn)動，當鋼球接觸到滾筒時，焊接在滾筒表面的球爪就可以捕獲住鋼球并將其直接送入加球口或傳輸裝置上。 典型的滾筒式加球系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示［9］。

圖1 滾筒式加球系統(tǒng)

抓球滾筒上設(shè)置球爪的目的是為了保證對滾筒鋼球的捕獲，提高抓球效率，同時配合傳動電機轉(zhuǎn)速控制單位時間內(nèi)的加球量。 如圖2 所示，球爪一般設(shè)計成幾個球爪分列的形式［10］。 每一個球爪最多只能抓取一個鋼球，使其無法從球爪上掉落。 當滾筒旋轉(zhuǎn)帶動球爪經(jīng)過梳狀底板時，球爪穿過梳齒之間的空隙，抓取梳狀底板上的鋼球，鋼球隨滾筒轉(zhuǎn)動而掉入出球口輸出。

圖2 加球滾筒示意圖

梳狀底板則設(shè)置在進球口，除輸出球爪上的鋼球外， 還能減少多余鋼球被帶入接球斗中，造成鋼球添加過量。 一部分加球設(shè)備還在底板上設(shè)置行程開關(guān)來監(jiān)測球爪變形程度［11］。 當已經(jīng)損壞變形的球爪通過底板時，就會觸動底板上的行程開關(guān)，控制系統(tǒng)及時控制電機停運并報警，避免變形的球爪卡死滾筒，引起設(shè)備故障。

1.2 轉(zhuǎn)盤式加球

轉(zhuǎn)盤式加球機構(gòu)是對滾筒式加球機構(gòu)的改良設(shè)計，即用撿球轉(zhuǎn)盤代替抓球滾筒實現(xiàn)鋼球的抓取與對送球速度的控制［12］，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)盤式加球機結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)盤式加球機的工作原理是：當鋼球靠重力作用， 沿料倉管道落入撿球轉(zhuǎn)盤上的轉(zhuǎn)盤孔時，系統(tǒng)控制電動機通過帶動轉(zhuǎn)盤按一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，直到下一個空的轉(zhuǎn)盤孔轉(zhuǎn)入到料倉管道孔。 當轉(zhuǎn)盤上的撿球孔旋轉(zhuǎn)到與出球槽一致時，鋼球從出球槽掉落進料斗里。 轉(zhuǎn)盤式加球機對鋼球的加取數(shù)量的計數(shù)更精確，但因加球速度較慢、可靠性不高等缺點，在實際選礦生產(chǎn)中應(yīng)用并不常見。

1.3 提升式加球

中型和大型球磨機的加球口位置普遍偏高，因此很多自動加球設(shè)備采用提升機構(gòu)將鋼球送入加球口［13］。 從圖4 可以看出，提升式加球機仍然是對滾筒式的改良，即將球爪或球斗運輸鋼球的載體改成了皮帶或提升鏈條。 加球過程為：鋼球由輸球機向鋼球提升機輸送后， 球斗抓取鋼球，再通過鋼球提升機將鋼球提升至球磨機給礦口，鋼球受重力落入進球口。

圖4 提升機構(gòu)式加球設(shè)備結(jié)構(gòu)

提升機構(gòu)的長度理論上可以根據(jù)現(xiàn)場情況任意調(diào)節(jié)，且本身占用平面面積小，該加球方案對選礦廠安裝條件的要求較低，對球磨機型號的限制少，適配性很強，一般多與其他加球機搭配使用。 一部分采用鏈條提升的加球機設(shè)計，還將在每節(jié)鏈條上的加球爪改為特殊設(shè)計的料斗［14，15］，使得鋼球在提升過程中更穩(wěn)定。

2 檢測與控制

2.1 檢測系統(tǒng)

加球設(shè)備的檢測系統(tǒng)由球倉物位監(jiān)測系統(tǒng)和加球數(shù)量統(tǒng)計系統(tǒng)組成。

為保障加球過程不會因缺料產(chǎn)生中斷，加球設(shè)備必須具備對球倉物位監(jiān)測功能。 球倉物位監(jiān)測多采用反射式光電檢測開關(guān)作為探測元件，開關(guān)上發(fā)射管發(fā)射出一定強度的紅外光，接收管則接收被反射回來的紅外光，根據(jù)紅外光的強度變化輸出對應(yīng)的電流信號。 通過分別設(shè)置上、下位檢測開關(guān)，檢測系統(tǒng)可以判斷球倉中鋼球大致的料位情況［16］。

加球數(shù)量統(tǒng)計系統(tǒng)則保障了系統(tǒng)對所加鋼球數(shù)量的精準控制。 早期采用限位開關(guān)與機械機構(gòu)聯(lián)動的方式，每加一個鋼球，限位開關(guān)就接通一次，計數(shù)器線圈通電，銜鐵片吸合，帶動計數(shù)器走動一個數(shù)字［17］。 由于被遮擋時會發(fā)出穩(wěn)定的單次脈沖信號，加球數(shù)量統(tǒng)計系統(tǒng)開始轉(zhuǎn)用對射式光電檢測器。 對射式光電檢測器作為非接觸式檢測器，因具有抗干擾能力強、分辨率高及響應(yīng)時間短等優(yōu)點，逐漸取代了機械計數(shù)器。 由于體積較小，成本低廉，部分檢測器通過在球道一側(cè)不同高度設(shè)置多個檢測窗口，不同球徑的鋼球通過時被遮擋的光接收器的數(shù)量也不相同，據(jù)此便可以實現(xiàn)對不同球徑鋼球的分類計數(shù)［18］。 加球數(shù)量統(tǒng)計系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 加球數(shù)量統(tǒng)計系統(tǒng)

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是加球設(shè)備的中樞。 如圖6 所示，控制系統(tǒng)由控制主機和人機接口兩部分組成。工業(yè)過程控制一般采用PLC 作為控制主機［19］，可選用西門子和三菱產(chǎn)品，如S7 系列、FX1S、FX1N 系列等。

圖6 自動加球設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

人機界面HMI 是操作人員與控制系統(tǒng)交互的手段，也是獲取實時信息的媒介。 早期人機界面多以控制臺/控制柜上的點陣顯示屏和若干獨立的按鍵組成，可顯示信息少，菜單調(diào)用的步驟也比較繁瑣。

隨著工控一體電腦逐漸走向成熟，現(xiàn)在的人機接口多是由基于組態(tài)軟件等開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件所開發(fā)的虛擬操作界面構(gòu)成。 只需將操作界面打包，錄入到工控電腦里，就能由操作人員通過觸控屏完成與系統(tǒng)之間的信息傳遞與交換［20］。 配合直觀的展示方式，操作人員可以根據(jù)需要實時完成加球模式的切換，并對加球過程中涉及到的所有數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀況進行遠程檢測和監(jiān)控，并及時發(fā)現(xiàn)加球機的不良運行狀態(tài)［21］，制定并實施相應(yīng)的調(diào)整策略。

3 故障預(yù)防與排除設(shè)備

自動加球設(shè)備最常見的故障是堵球故障，即儲球箱的輸出過程和往球磨機的送料過程中，各種原因造成鋼球堆積無法被正常運輸。 一般認為造成鋼球堆積的原因如下：

a. 加球設(shè)備長時間使用發(fā)生變形，無法及時帶走鋼球，造成儲球箱出料口產(chǎn)生堆積；

b. 下料速度與料斗送料速度不協(xié)調(diào)。

為解決鋼球堆積， 各種防堵球設(shè)計被提出，工作原理如圖7 所示。 其中，球倉出口處安裝有阻尼，降低鋼球從球倉滾落時的速度。 在儲球箱出口處延至梳狀底板處設(shè)置有一定深度的導(dǎo)球槽［22，23］，使鋼球進料更有序。在儲球箱與抓球裝置之間設(shè)置擋板，同時在儲球箱輸出過道中還設(shè)置有振動裝置［24］。 振動裝置通過往復(fù)運動帶動緩存球道以一定的頻率振動，打破鋼球堆積處之間力的平衡，讓堆積的鋼球更容易松動。

圖7 防堵球設(shè)備工作原理示意圖

一部分自動加球設(shè)備選擇在球道正下方設(shè)置疏堵裝置。 疏堵裝置由撥桿和鋼軸組成［25］，當系統(tǒng)監(jiān)控到球道處于堵球狀態(tài)時，便會發(fā)出控制信號啟動電機，電機通過軸承帶動裝置轉(zhuǎn)動。 疏堵裝置上的撥桿會跟著疏堵裝置一起運轉(zhuǎn)。 當運轉(zhuǎn)至堵球處時， 撥桿會打破鋼球之間力的平衡，從而使鋼球振動，進而完成疏通工作。

4 自動加球設(shè)備的應(yīng)用效果

4.1 優(yōu)化裝補球工藝

自動加球系統(tǒng)因為帶有加球數(shù)量統(tǒng)計功能，相比人工加球添加精度更高。 某選礦廠的MQY型自動加球機球磨機投入試運行后［26］，運行過程中測得的鋼球添加質(zhì)量與鋼球添加總數(shù)與實際值相比誤差幾乎可以忽略不計，詳見表1。

表1 加球機檢測數(shù)據(jù)與人工統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比

精確的鋼球添加量意味著在一班次內(nèi)消耗掉的鋼球量不變的情況下，系統(tǒng)不僅能保持加球曲線更加均勻和平滑，還能在初始加球后根據(jù)各項技術(shù)參數(shù)選定更合理的加球區(qū)間、最佳加球節(jié)點、單次加球量和加球次數(shù)。

4.2 發(fā)揮球磨機效能

生產(chǎn)實踐證明，加球機的應(yīng)用對于各項磨礦指標都有明顯提升。

烏山銅鉬礦選礦廠應(yīng)用加球機實現(xiàn)半自磨機區(qū)間加球技術(shù)后，半自磨機的處理能力為873 t/h， 較常規(guī)加球方法的半自磨機處理能力提高了4 t/h［27］。 城門山銅礦選礦廠自動加球技術(shù)實施前、后磨礦細度達標率曲線如圖8 所示。由圖8可以看出，加球機投運后，球磨機磨礦細度達標率相比投入前提升了近13%。 依照磨礦效率對于選礦廠經(jīng)濟效應(yīng)的影響關(guān)系［28］，磨礦效果提升1%，每臺球磨機處理量就能提高1.5 t/h。

圖8 自動加球機實施前、中、后期磨礦細度達標率曲線

除磨礦細度外，自動加球機對其他工藝指標的改善也較為明顯。在大紅山鐵礦廠，利用ZNJQ-1150 型自動加球機實現(xiàn)分時均量補加球方式后，廠內(nèi)MZS8848 半自磨機的原礦處理量和磨礦量均得到了明顯提高，磨礦生產(chǎn)中的能量消耗也明顯降低。 此外，球磨機襯板一直存在的延展變形問題也得到改善， 使用壽命延長約5.27%［29］（表2）。

表2 ZNJQ-1150 型智能加球機使用對工藝指標的影響

在國外，自動加球設(shè)備對磨礦生產(chǎn)的效用也得到了企業(yè)認可。 美國明尼蘇達州的鐵礦生產(chǎn)線數(shù)據(jù)［30］（表3）顯示，在磨礦生產(chǎn)線應(yīng)用比利時馬科托公司生產(chǎn)的自動加球設(shè)備后，球磨機可在一個較前明顯降低的目標功率下作業(yè)，同時對產(chǎn)品指標沒有產(chǎn)生負面影響，即加球設(shè)備的使用降低了球磨機最佳工作狀態(tài)時需要的功率，降低了能耗，同時球磨機鋼耗也明顯降低，證明加球設(shè)備的確緩解了生產(chǎn)作業(yè)中球磨機存在的高耗能和高耗鋼問題。

5 自動加球技術(shù)的最新發(fā)展

5.1 智能化

隨著新的控制技術(shù)的發(fā)展，加球設(shè)備的智能化水平的提高逐漸成為可能。 近年來，對于加球設(shè)備智能化的研究方向主要集中于3 點：

a. 引入新型控制方法。 由于磨礦運行過程的高度復(fù)雜性、 非線性和許多外部因素的影響，建立表征動態(tài)設(shè)定關(guān)系的精確數(shù)學模型非常困難。文獻［31］提出利用模糊控制來解決磨礦控制問題最常用的過程控制方法，即用總結(jié)歸納好的專家知識和經(jīng)驗為基礎(chǔ)的人工智能控制系統(tǒng)模擬選礦專家的決策過程，實現(xiàn)對磨礦生產(chǎn)這種時變與非線性系統(tǒng)的控制。

b. 結(jié)合球磨機運行參數(shù)制定加球方案。 現(xiàn)有自動加球設(shè)備雖然已具備鋼球計數(shù)、物位檢測等功能，但這些數(shù)據(jù)不能反映球磨機本身的運行狀態(tài)，因此也無法自主計算加球量，設(shè)備還是得依賴工人現(xiàn)場設(shè)置加球參數(shù)。 考慮到鋼球互相運動的復(fù)雜性［32］，已有的理論模型并不能準確預(yù)測球磨機內(nèi)部鋼球充填率的變化，仍需要根據(jù)實際情況選擇添補球時機，并制定添補球方案。 然而，球磨機本身自帶“黑盒”屬性，難以在生產(chǎn)過程中對其內(nèi)部的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，所以傾向于對球磨機外部參數(shù)進行采集和分析，如研究發(fā)現(xiàn)機內(nèi)料球比和介質(zhì)充填率的變化會反映在總聲響和頻譜分布的變化上［33］，將聲學分析的噪聲頻譜分布原理引入球磨機生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，就可以較為精準地獲得球磨機內(nèi)鋼介質(zhì)充填率的實時數(shù)據(jù)，并根據(jù)充填率變化量及時補充對應(yīng)數(shù)量的鋼球［34］。

c. 優(yōu)化數(shù)據(jù)監(jiān)測方式。 盡管用于加球數(shù)量統(tǒng)計的光電檢測開關(guān)本身足夠可靠，但球倉壁可能會因鋼球擠壓而產(chǎn)生輕微形變，導(dǎo)致紅外線發(fā)射/反射的路徑發(fā)生偏斜；而且，球磨機廠房的粉塵也會改變紅外光反射強度，使得檢測開關(guān)輸出錯誤的電流值， 影響系統(tǒng)對球倉物位狀況的判斷。由于球倉倉壁形變程度和鋼球分布密度均不會改變其總重量大小，一種思路是通過測量鋼球數(shù)量來判斷球倉整體的物位情況，即以重量傳感器測量得到的重量數(shù)據(jù)再扣除球倉重量，除以單個標準鋼球質(zhì)量得到大致的鋼球數(shù)量，若鋼球數(shù)量在閾值以上，則系統(tǒng)正常運行；反之，則發(fā)出對應(yīng)空倉報警。

5.2 不規(guī)則介質(zhì)的自動補加

現(xiàn)有加球設(shè)備主要為鑄造鋼球這種規(guī)則的球型研磨體設(shè)計。 文獻［35］的實驗表明，在不降低處理量，維持磨礦細度-0.007 4 mm 的情況下，將鋼段作為磨礦介質(zhì)時的中間可選粒級比鋼球介質(zhì)要高，因此為擴展用途，有必要改進傳統(tǒng)加球設(shè)備無法適應(yīng)不規(guī)則工件添加的缺點。 由于電磁鐵對于元件形狀適配性較好， 如圖9 所示，文獻［36］設(shè)計了一套電磁鐵抓取裝置，吸取控制系統(tǒng)操縱電磁鐵和電動直線減速器移動到儲料倉上方，經(jīng)過傳感器定位，控制器根據(jù)儲料倉傳感器得到的物料深度，控制電動直線減速器將電磁鐵伸入儲料倉，最后控制電磁鐵通斷，放下研磨體。

圖9 磁吸式加介質(zhì)設(shè)備結(jié)構(gòu)

5.3 多目標加球技術(shù)

為了盡可能地減少加球設(shè)備的數(shù)量，減少加球設(shè)備占用寶貴的磨礦車間場地， 理想狀態(tài)下，同一臺加球機不做任何設(shè)備上的調(diào)整（如更換加球滾筒等）就可以實現(xiàn)對不同研磨料的分類和添加工作。 文獻［37］提出如圖10 所示的可變道多目標加球裝置，可以通過共用一套加球設(shè)備為多臺球磨機加球， 控制系統(tǒng)以控制指針為依據(jù)，根據(jù)變道裝置控制表對變道裝置的導(dǎo)向進行切換，從而控制各個球道內(nèi)鋼球的滾動走向，將其導(dǎo)向目標球磨機， 當鋼球補加量達到要求后暫停加球，直到下一輪加球開始。

圖10 可變道多目標加球裝置流程

6 自動加球技術(shù)的未來發(fā)展方向

自動加球設(shè)備可以使球磨機在運轉(zhuǎn)過程中保證鋼球填充率相對穩(wěn)定，在提高研磨效率的同時，磨機能量利用率、磨礦細度等指標都得到極大提升，可有效提升選礦企業(yè)的生產(chǎn)效益。 這一點已經(jīng)被越來越多選礦企業(yè)認可。

隨著技術(shù)的進步和學科交叉的深入，更多鋼球添加方法被提出，越來越多的檢測技術(shù)和控制方法被應(yīng)用于自動加球設(shè)備的研究中。 然而，實際生產(chǎn)經(jīng)驗缺乏難有專家經(jīng)驗應(yīng)用于完善自動加球設(shè)備的改進工作中，而專業(yè)性和復(fù)雜性在實現(xiàn)自動加球設(shè)備性能提升外，也無形中增加了選礦企業(yè)對自動加球設(shè)備的使用門檻，尤其是對一些老舊的選礦生產(chǎn)企業(yè)，和規(guī)模上無法承擔大規(guī)?；蜉^高成本改建的中小型選礦廠，也難以投用自動加球設(shè)備。

為了促進自動加球設(shè)備的推廣使用，在未來應(yīng)著重于解決設(shè)備對復(fù)雜工作環(huán)境和條件的適應(yīng)能力，加球設(shè)備也盡可能不做過多的改造就能投入生產(chǎn)。 同時，需進一步完善加球機的自動化程度，如添加自動聯(lián)鎖、電子防盜報警及過載保護等功能，實現(xiàn)全廠設(shè)備聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)共享等。 總之，自動加球設(shè)備發(fā)展關(guān)鍵在于結(jié)合選礦廠自身需求，提升可靠性，并且實現(xiàn)對加球系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，真正做到選礦廠生產(chǎn)的無人值守。