JKSimMet軟件在半自磨機選型上的應用

鄒毅仁， 羅良烽

(中國恩菲工程技術有限公司 礦山事業部， 北京 100038)

JKSimMet軟件在半自磨機選型上的應用

鄒毅仁， 羅良烽

(中國恩菲工程技術有限公司 礦山事業部， 北京 100038)

JKSimMet屬于碎磨流程模擬軟件，是選礦工藝設計和優化的重要工具。介紹了JKSimMet軟件的發展過程，理論知識，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化案例，探討了JKSimMet在選礦工藝優化中的作用以及應用前景。

流程模擬; 半自磨機

0 前言

流程模擬軟件是選礦工程師研究、設計及優化工藝流程的重要工具，其應用可貫穿于一個具體項目的整個生命周期。流程模擬軟件的發展趨勢有兩個方向，一是強調軟件的通用性和整體綜合性能，集各種工藝流程和作業單元于一體，例如USIM PAC、Metsim、SysCAD等軟件；二是針對特定應用領域，注重單一作業單元的精細化和專業化，例如CEET和JKTech系列軟件等[1]。

本文將重點介紹選礦工藝上應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化中的應用。

1 JKSimMet簡介

JKSimMet是澳大利亞昆士蘭大學所屬研究機構JKMRC(Julius Kruttschnitt Mineral Research Centre)推出的碎磨流程模擬軟件。1986年，JKMRC成立了JKTech公司來負責軟件的商業化運作；1987年，JKTech成功推出了第一個JKSimMet版本，實現了在DOS環境下模擬計算和模型參數擬合的雙重功能；1988年進一步改進，新增了數據協調處理的功能；1999年，JKTech推出了全新的JKSimMetV5.0，完成了運行環境和人機界面從DOS平臺向Windows平臺的轉換；2012年再次完成重大升級，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數學模型研究方面取得的最新成果，并優化了軟件界面；2014年，中文版JKSimMetV6.1問世，加速了JKTech軟件在中國市場上的推廣應用。

JKSimMet是目前世界上應用最廣泛的磨礦分級回路模擬軟件，軟件包中內置了眾多的單元作業模型，有支流源(給料機、加水器)、破碎機(旋回破碎機、顎式破碎機、圓錐破碎機、對輥破碎機及高壓輥磨機等)、磨機(球磨機、棒磨機、自磨機等)、分離器、篩分機(圓筒篩、單層篩、重介質篩等)、分級機(螺旋分級機、水力旋流器等)、分選機(浮選機、浮選柱等)、貯存輸送類、簡單的粉碎模型(粒度分布變化)和簡單的分級效率曲線等，能滿足所有已知的磨礦分級回路流程的模擬。在最新的JKSimMetV6中，每個單元設備模型可與多達50個支流連接，用戶雙擊“支流”，即可直接輸入或查看其數據。目前世界各地的JKSimMet用戶已達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。在國內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作業單元之間的相互聯系，分析各種參數對流程整體性能的影響。JKSimMet軟件主要有三大工程功能：數質量平衡、工藝流程設計與設備選型、生產流程的優化與改造。

2.1 數質量平衡

JKSimMet可用來對設計的工藝流程或生產考察的原始數據進行物料平衡協調，減少個別數據的測量偏差，或分析作業單元的物料變化，確定設備模型參數。在處理復雜工藝或多元素的數質量平衡上，相比于傳統的Excel，JKSimMet更體現其專業性與便捷性。

2.2 工藝流程設計與設備選型

JKSimMet用來將實驗室測定的礦石粉碎特性參數(落重試驗或SMC試驗)與設計參數或現場流程考察數據相結合，建立碎磨回路的過程模型，即可確定設備的規格型號及工作參數。

在項目咨詢階段，應用JKSimMet可對各種不同的碎磨工藝流程方案、設備組合方案或功率分配方案進行穩態數值模擬，并對流程中所有的單元設備和物料流進行詳細的計算，分析比較各方案的優劣。碎磨流程是選礦廠投資最大，生產消耗最多的環節，所以設計最優化的碎磨流程是非常必要的。在金屬工業項目的可行性研究報告中，經常參與比較的碎磨工藝方案通常有以下三類：

(1)常規碎磨工藝流程，以高能圓錐破碎機為核心，采用兩段或三段碎礦，并通過篩分作業控制最終破碎產品粒度，采用一段球磨機磨礦的常規流程，其中的三段一閉路碎磨流程是國內礦山應用最廣泛的常規工藝。

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

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

JKSimMet具有對上述碎磨工藝進行一體化分析的能力，是優化回路結構的有效方法，有利于提高回路的設計水平。

2.3 生產流程的優化與改造

通常，工業規模的生產研究受到諸多客觀因素的制約，且花費不菲，因此計算機軟件的過程模擬對于選礦生產過程的優化很有幫助，可以在昂貴的現場試驗之前就能模擬出多種優化方案，大幅度減少試驗探索的工作量，并拓寬試驗范圍，取得事半功倍的效果。

JKSimMet軟件應用數值模擬的方法分析流程和考察數據，模擬出實際工業生產情況，即可在電腦上對生產流程運行狀態進行診斷，識別并分析存在的問題，制定優化方案，或可提高產能，或可提高碎磨產品質量，滿足后續分選作業的要求。

一旦建立了工業生產的數值模擬，即可根據采礦出礦礦石性質的變化，提前制定選廠可靠的生產計劃，或者有針對性地調節工藝參數，使生產流程提前適用礦石性質的變化。

3 JKSimMet的使用

3.1 獲取試驗核心參數

目前用于半自磨工藝設計選型的試驗方案主要有：芬蘭Metso的批次試驗、澳大利亞昆士蘭大學JK落重試驗，SMCC公司的SMC試驗，加拿大MinnovEX的SPI試驗，美國MacPherson可磨性試驗等。幾乎每份試驗報告中都強調其結果只對試驗礦樣負責。因此，“代表性礦樣”的概念對工藝流程、產品方案、設計指標的制定具有越來越重要的意義。如果條件允許的話，最為科學的方法是對礦床進行大量的勘探取樣，分析出礦石性質的變化趨勢以及品位的分布情況，但這無疑對試驗的可操作性和經濟性提出了挑戰。

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

ta屬于低能量研磨函數，對應半自磨機中鋼球與礦石、礦石與礦石之間的磨剝破碎機理。ta數值越小，表示礦石抗研磨能力越強。A和b的數值函數關系見公式(1)[2-3]：

t10=A×(1-e-b×Ecs)

(1)

式中Ecs—落重試驗時所設定的能級，kW·h/t；t10—礦石在特定能量下破碎后的粒度分布函數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，所能達到的最細的細度，A越大，表示礦石在同樣能級下產生的細粒級越多；

b—礦石在某一能量破碎過程中,達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這兩個高能量破磨函數都不能單獨用于礦石類型的比較，而是用A與b的乘積(A×b)來評價礦石的可破碎性，可用于體現磨機中鋼球對礦石、礦石對礦石的沖擊破碎機理。A×b的數值越小，表示礦石的抗沖擊破碎能力越強，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據，包括流程圖窗口、設備與結點數據窗口、繪圖窗口、數據概述窗口、報告窗口等。使用軟件的基本步驟為：

(1)建立項目，繪制工藝流程圖。軟件包中內置V5和V6兩種版本的設備圖標供選擇。

(2)輸入工藝數據。包括定義系統和設備屬性，輸入支流數據。

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

(3)物料平衡及過程模擬。

(4)結果顯示與輸出。系統中的物流數據都可以輸出至Excel中，以報告的形式顯示。

一個完整的JKSimMet模擬報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)，以及設備參數(磨機功率、臨界轉數等)。

模擬過程中，一般用三個重要的指標來衡量一個新的碎磨流程是否模擬完成：一是產品細度達到工藝要求；二是半自磨機充填率在25%±0.3；三是球磨分級回路循環負荷約為250%。當然，這些指標數值僅是JKMRC的推薦值，用戶亦可根據項目的實際情況和工程經驗來綜合考慮。

3.3 偏差來源分析

JKSimMet是一個工程師軟件，同其他工具一樣，所得到結果的質量直接依賴于使用者的經驗和技能。軟件的設計理念就是根據已知的礦石性質模擬輸出最優化的設計流程，最優化就是指在技術和經濟上更趨于合理化，這將是一個不斷探索的過程。選礦工藝流程的制定及設備選型，沒有具體的標準值，工業實踐才是檢驗其準確度的唯一標準。

在試驗基礎數據及工藝流程一致的情況下，選型結果的差異主要來源于參數的選取，包括處理量及波動系數、給礦和產品粒度分布、作業濃度及充填率、鋼球直徑及裝球率、臨界轉數率、篩孔尺寸、格子板大小及開孔率、循環負荷、服務系數與修正系數等，另外，軟件內置的設備模型選擇也可能影響選型結果。

3.4 存在的問題

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

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

(3)模型參數眾多，特定參數對模擬結果的邏輯關系不甚明確。在計算過程中常會發生錯誤，但軟件界面的錯誤提示信息過于簡單，這就需要操作者擁有豐富的工藝專業知識以及軟件運行經驗。

(4)軟件的后退功能有待優化，對模型參數及信息欄屬性的修改都是不能后退返回的。因工藝模擬計算復雜，易造成過程本身不可逆，一旦出錯很可能需要花費很大的工作量去調整。在實際操作中，暫時的解決方法是不斷地復制備份，但這將拖慢電腦系統的運行速度。

(5)軟件雖然沒有限制流程數量或支流添加數量，模擬過程最多能識別50個支流,但每次只能打開一個項目文件，也不能實現多標題欄顯示。界面顯示的設備參數的數量過少，且信息欄無法自定義。

4 JKSimMe應用案例

某銅礦選礦廠是我國率先采用半自磨機工藝的大型選礦廠，設計能力13000 t/d，所處理礦石為兩個獨立礦段的混合礦石。該選廠的成功投產對我國半自磨工藝的推廣起到了示范效益。

4.1 設計選型

選廠建設時委托SVEDALA公司對其中一個礦段的礦石進行了半自磨小型批次試驗，其試驗結果見表1[4]。

根據批次試驗的情況，采用功率法對碎磨回路進行了設備選型，選型結果見表2。

表1 半自磨批次試驗結果

表2 磨礦設備選型參數

4.2 生產現狀

從2004年投產至今，該選礦廠對半自磨工藝的生產進行了長時間的實踐探索，最終達產達標，并形成了較穩定的工藝參數。半自磨機生產參數見表3，其中半自磨機圓筒篩篩下產品粒度分析見圖1。

表3 半自磨機生產參數

圖1 半自磨機圓筒篩篩下產品粒度曲線

對比設計參數可知，半自磨生產現狀的特點：(1)電機功率接近滿負荷生產；(2)電機變頻低轉速運行；(3)圓筒篩篩下產品粒度較細；(4)添加的鋼球規格大，導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套半自磨機襯板。若改用小規格鋼球，則系統產能將受到限制。因此，該半自磨系統還有進一步優化的需求。

為獲得JKSimMet模擬的核心參數，針對選礦廠生產的礦石進行了JK落重試驗，試驗結果見表4。

結合已有的考察數據，可利用JKSimMet軟件模擬出生產現狀，模擬情況見圖2：

表4 JK落重試驗參數

注：樣品來源于半自磨機的給礦輸送機上。

圖2 半自磨機生產現狀模擬圖

4.3 JKSimMet優化方案

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

圖3 半自磨機優化方案一模擬圖

(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，發揮后續球磨機的潛能。

添加Φ125 mm鋼球的過程模擬可得到：半自磨機計算功率5278 kW(電機裝機功率約為5500 kW)，臨界轉數率75%，圓筒篩篩下產品T80=1607 μm，篩上頑石產率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，提高臨界轉速率，放粗圓筒篩篩下粒度，發揮后續球磨機的潛能。

添加Φ125mm鋼球的過程模擬可得到：半自磨機計算功率5216 kW(電機裝機功率約為5500 kW)，臨界轉數率78%，圓筒篩篩下產品T80=1634 μm，篩上頑石產率17.2%，充球率12%，總充填率28.6%，模擬流程見圖4。

圖4 半自磨機優化方案二模擬圖

4.4 建議

(1)生產實際表明半自磨機采用小規格鋼球，在現有裝機功率下，將制約產能，因此，在保持現有設備規格及配置的情況下來優化工藝，必須增加裝機功率。但改造電機后仍面臨兩個重要參數：鋼球充填率和臨界轉速率，都將對優化結果產生影響：

方案一中，減少了鋼球規格，將減輕鋼球對磨機襯板的沖擊；但同時增加了鋼球量，這對鋼球的消耗將產生負面影響。

方案二中，在保持充球率不變的情況下，增加臨界轉速率，這將會改變物料在磨機筒體內的運動軌跡，可能會改變鋼球的拋落區域。

上述兩種不確定性因素的影響程度都可在生產實踐中有針對性地研究探索，建議明確參數的影響程度后，再決定實施哪種優化方案。

(2)采用功耗法進行大型磨機選型時，應考慮磨機的空載功率。實驗室批次試驗機的規格為Φ1829 mm×305 mm，當試驗參數放大至生產中的大型磨機時，其自身消耗的功率將不可忽略。

5 結語

(1)半自磨機的選型方法多樣，利用JKSimMet數值模擬進行設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，其應用最為廣泛。

(2)JKSimMet是一個工程師軟件，需要專業的基礎知識，其所得到結果的質量直接依賴于使用者的經驗和技能。

(3)經過十多年的推廣，半自磨工藝逐漸成為國內大型選礦廠的主流工藝，實踐案例也越來越多。JKSimMet對生產過程的模擬與優化將是今后咨詢單位和生產企業研究的一個重點方向。

[1] 劉建遠.國外幾個礦物加工流程模擬軟件述評[J].國外金屬礦選礦，2008，45(1)：4-12.

[2] Morrison R D，Richardson J M. JKSimMet-a simulator for analysis,optimasation and design of comminution circuits[C]. Proc.Mineral Processing Plant Design, Practice and Control Conference, SME, Vancouver，2002：442-460.

[3] Morrell S. Power draw of wet tumbling mills and its relationship to charge dynamics—Part1:a continuum approach to mathematical modeling of mill power draw[J]. Trans Inst Min Metall，1996，105：43-53.

[4] 夏菊芳.冬瓜山銅選廠初步設計碎磨流程的選擇與計算[J].有色金屬(選礦部分)，2001，(2)：28-31.

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設計工作。

TP273

B

1003-8884(2015)01-0020-06