城門山銅礦半自磨優化控制系統

段偉杰 ，李顯杰，江 帆 ，劉 鵬，李曉剛，陳志華，徐 寧

（1.江西銅業集團有限公司 城門山銅礦，江西 九江 332000；2.北礦智云科技（北京）有限公司，北京 100070）

1 引言

1.1 半自磨工藝

隨著自磨、半自磨機在全世界范圍內的廣泛應用，用半自磨（SABC）流程替代常規碎磨流程成為一種趨勢，越來越多的新礦山或擴能擴產礦山項目采用已日趨成熟的自磨、半自磨流程［1］。半自磨機優勢明顯，缺點也同樣突出，在實際生產中，其給料通常是旋回破碎機粗碎后的排料產品，粒度達到300mm，隨著給料粒度的增大，控制不好容易出現漲肚、襯板斷裂等一系列問題［2］。半自磨機是在自磨機的基礎上加入少量的鋼球，集合了自磨機與球磨機的特點，其內部既有大塊礦石與鋼球的拋落破碎作用，又有中小塊礦石和鋼球的研磨作用［3］。半自磨機和球磨機構成的SABC磨礦工藝流程，相對于傳統的兩段或三段“破碎”工藝和閉路球磨磨礦工藝，生產工藝流程短、設備數量少、人工成本低、便于管理運維等優點，已經在國內外選礦廠得到普遍的推廣應用。

比較經典的SABC磨礦工藝流程如圖1所示，是由兩個環節組成，第一個是由半自磨機、分級振動篩、圓錐破碎機構成的“碎礦”環節，第二個環節是由泵池、渣漿泵、分級旋流器和球磨機構成的“磨礦”環節。“碎礦”環節的物料流向是：礦石給入半自磨機進行破碎，半自磨機的排礦產品進入振動篩進行篩選。振動篩的篩下產品為半自磨機合格粒級產品、直接送入泵池后進入第二個閉路“磨礦”環節；振動篩的篩上大顆粒產品為半自磨機的粒級不合格產品，稱為“頑石”，頑石通過皮帶運輸機運至頑石倉，通過給礦機將頑石送入圓錐破碎機破碎后，通過皮帶運輸機返回到半自磨機給料皮帶，與新礦石一起進入半自磨機再次破碎?！澳サV”環節的物料流向是：泵池將礦漿打入到水力旋流器進行分級，水力旋流器的溢流產品為最終磨礦產品；水力旋流器的底流產品，即產品粒級不合格的產品返回到球磨機進行細磨；球磨機的排礦產品進入泵池循環分級。

圖 1 經典SABC工藝流程圖

圖 2 SAB磨礦工藝流程圖

城門山銅礦有一選廠和二選廠，均采用了與圖1不一樣的半自磨磨礦工藝，簡稱為SAB磨礦工藝，其工藝流程如圖2所示。兩者的區別在于城門山銅礦第一個環節是半自磨機“開路”碎礦，半自磨機排礦產品沒有經過對顆粒粗細的分級、全部給入了第二個磨礦閉路。這兩種磨礦工藝的差異導致了兩個環節之間的負荷匹配關系產生了很大的不同。半自磨回路和球磨回路之間的負荷分配對于系統的運行狀況和系統可調整富裕度有著重要的影響，其中半自磨產品傳遞粒度對負荷分配有著直接且重要的影響［4］。

相對于圖1而言，該流程使得半自磨機產品的粒級范圍更寬、對球磨機“磨礦”工藝的干擾更大。同時，城門山銅礦之所以選擇半自磨機開路，主要是因為其入磨礦石的塊度分布、礦石硬度、可磨性等條件變化太大，頑石產量和粒度分布及其不穩定；閉路一方面增加設備和運維成本；一方面可能會成為完成處理量的瓶頸。國內其他礦山的一些工業實踐表明：SAB 流程的設備運轉率主要取決于半自磨機，而半自磨機的運轉率主要取決于襯板使用壽命［5］。

1.2 磨礦裝備

城門山銅礦二選廠設計處理礦石能力是5000t/d，目前實際的礦石處理能力已經達到5800t/d左右，其一段磨礦工藝的設備配置情況是：MZS-6433半自磨機1臺、裝機功率2000kW、供電電壓6kV；MQY-4870球磨機1臺、裝機功率2500kW、供電電壓10kV；一段磨礦分級設備為FX660-GT-7水力旋流器；一段分級渣漿泵2臺、一用一備，裝機功率均為315kW。

城門山銅礦自2018年開始對二選廠磨礦工藝流程進行了自動化升級，包括：

（1）對半自磨機進行了變頻改造，實現了通過DCS系統對半自磨機筒體轉速的實時調節。

（2）增加了半自磨機和球磨機的自動加球裝置，實現了通過DCS系統對加球量的實時調節。

（3）對渣漿泵進行了變頻改造，原調速裝置為液力耦合器，現在已經改造成變頻調速控制，實現了通過DCS對渣漿泵轉速的實時調節。

1.3 控制目標

城門山銅礦入選礦石性質復雜、其中含銅礦物10余種，硫礦物以含銅黃鐵礦為主，氧化－混合礦石中則以次生硫化銅礦物為主，礦石構造以塊狀、浸染狀、細脈浸染狀為主。由于礦石性質復雜、變化范圍較寬，因此磨礦操作難度大、生產穩定性差、選礦指標不夠理想。一段磨礦溢流礦漿產品的粒級要求為-200目占65%。2017年8月29日到2017年11月29日32個原礦粒度取樣篩分數據，+80目均值11.30%、1δ標準方差3.7%；-200目均值55.78%、1δ標準方差5.93%，溢流礦漿產品質量距離設計指標有較大的提升空間。

SAB磨礦控制研究的目的是提高合格粒級產品的產率，并且進一步穩定磨礦工藝過程、合理利用襯板、鋼球、補加水等物耗條件，探索提高一段磨礦技術經濟指標的方法和策略。

2 系統組成

SAB磨礦控制由基礎自動化系統、磨礦優化系統和數據分析系統構成。

CT增強掃描：醫護人員在CT檢查前應叮囑患者身上不得放置金銀首飾，處于空腹狀態，并指導患者做好呼吸運動訓練，以維持良好的呼吸頻率與深度，需要注意的是，應嚴格按照相關規定進行碘過敏試驗。之后借助CT掃描機進行動態增強掃描，向肘靜脈內注入碘帕醇注射液，注入速度控制在3.0mL/s，注入劑量控制在65mL，注射對比劑后掃描時間選擇為：20s、80s、140s、200s、260s，掃描范圍主要包括腫塊及其周圍5mm范圍內，同時統計計算灌注參數，主要包括血流量、血容量、通過時間以及表面滲透性。

2.1 基礎自動化系統

城門山銅礦二選廠原有一套由AB ControlLogix5000和WONDERWAR組態軟件構成的DCS控制系統；2018年開始進行自動化系統升級和設備系統升級的改造；于2019年8月份完成改造。DCS控制系統具備如下的控制功能：

（1） 對半自磨機的給礦控制實現了雙閉路控制，以半自磨機給料皮帶5#皮帶運輸機的電子皮帶秤作為反饋信號，分別與1#和2#兩臺重板給料機構成閉路控制；兩個回路為一用一備的工作機制。

（2）對半自磨機的前給水和后給水、球磨機的后給水實現了閉路調節。

（3）集成半自磨機和球磨機的自動加球機，能夠對加球機進行遠程開路調節。

（4）集成半自磨機和球磨機的磨機負荷監測系統、半自磨機的磨音檢測系統。

（5）集成兩組旋流器開停閥門控制。

2.2 SAB磨礦優化系統

根據大量的工業數據分析和探索，城門山銅礦將SAB磨礦優化系統的重點放在半自磨機開環磨礦回路上，主要是針對整個磨礦工藝的操作變量進行監控和調節：①半自磨機給礦量調節；②半自磨機轉速調節；③磨礦總水調節；④半自磨機加球量。磨礦優化系統內置了相關規則和算法、對溢流產品粒級采用兩級目標控制，一級目標為-200目含量61%～65%；一級目標為+80目5%～9%。協同控制系統根據在線粒度分析儀反饋的-200目和+80目的測量數據，按照一定的優先級調整磨機轉速、水量或鋼球添加量，使得產品粒級恢復到控制范圍內。

2.3 磨礦數據分析系統

磨礦優化系統由于受礦石條件和設備條件的影響，系統的輸入輸出條件之間的相關性會發生變化；控制策略如果不能適應礦石條件、設備條件的變化就會失效。此外；操作條件與磨礦技術指標和經濟指標之間的關系也是變化的，并不能簡單的以一個階段的“好指標”來證明整個優化系統可以“長期有效”。因此磨礦優化系統的控制策略同樣需要構建一個動態的數據分析系統。

磨礦數據分析系統是在基礎自動化系統和磨礦優化系統的基礎上開發的一套對磨礦自動化變量、生產巡檢、設備點檢、生產指標等數據進行采集、分析和可視化的一套系統，包括：

（2）單一變量的統計過程分析，雙變量的線性回歸分析，多變量的三維展示；方便自動化工程師和工藝工程師及時分析生產過程變量之間的相關性分析，以便于及時修正控制策略。

（3）在線粒度分析系統的標定樣本集合采集和粒度分析模型誤差的動態監控。

（4）基于實時數據和巡檢數據的交叉計算和指標管理。

（5）生產技術指標和經濟指標的自定義，利用計算服務無需編程，生產報表自動生成。

（6）所有數據、報表均可以在PC端和移動端查看。

3 工業運行情況

半自磨機和球磨機中的易磨損件除了鋼球外，就是各類襯板。 襯板起著保護磨機筒體免受礦石沖擊、磨損和增加筒體強度的作用［6］。在整個磨礦控制系統的研究過程中，發現半自磨機襯板的磨損程度直接對整個控制策略的影響很大，而且與礦石性質、溢流礦漿產品質量有著比較復雜的關系。

3.1 開環工業試驗

2019年10月28日到11月13日將相關優化控制策略以離線調整的方式對磨礦生產控制；通過手動對磨機轉速、前給水和鋼球的添加來調節溢流產品粒度。此時的半自磨機襯板于10月14日更換、幾乎沒有磨損、提升效果好。如圖3所示（來自城門山銅礦數據中心），此時半自磨機工作頻率的最佳工作點是37～38Hz，筒體內物料的落點位置控制在“5～6點鐘”方向，基本聽不到“空砸”聲音；轉速最大值最高184r/min（相當于49Hz）、最小值134r/min（相當于35.7Hz）、均值為150.98r/min（相當于40.2Hz）。但是要保障這個最佳的工作點，還同時需要依靠磨礦濃度和鋼球補加的實時控制來抑制難磨礦石性質造成的溢流跑粗和磨機功率“飛升”現象。

圖 3 磨礦優化控制系統

如圖4所示，相對于 10月16-24日的+80目粒度數據（均值為10. 45、方差3.33%；），10月28日-11月2日的+80目，均值9.76、方差3.22；11月2-8日的+80目均值是7.64%?？偟脕碚f，控制策略能夠有效的改善粗粒級產品的產率。

圖 4 2019年10月28日-11月8日的+80目粒度曲線

3.2 閉環工業實驗

2020年4月15-23日SAB控制系統進行了白班8小時的連續運行試驗，試驗對比用的是一天當中人工手動操作的8h時間數據。表1優化系統投用和未投用得到的生產指標統計數據，其中優化系統運行時平均每噸礦石節省電耗0.18kW·h，鋼球單耗大約為手工操作50%；+80目平均值下降0.25%，波動范圍也在減小。

2020年5月18日至6月3日進行了12天、24小時連續運行試驗，此時半自磨機襯板處于中期， 提升效果變差。本次實驗是根據離線和8h連續試驗完善后的控制策略，指標對比的是2020年6月4-15日的手動控制指標。表2優化系統投用和未投用得到的生產指標統計數據，其中優化系統運行時平均每噸礦石節省電耗0.67kw.h，鋼球單耗比手動相比減少0.1kg/t，+80目平均值下降1.15%，波動范圍也在減小。

通過對不同襯板條件下的工業試驗，證明了SAB控制系統的優化控制策略能夠有效的改善溢流礦漿產品質量和達到節能降耗的目的。

表 1 優化系統8h連續試驗生產指標數據對比

表 2 優化系統24小時連續試驗生產指標數據對比

4 結論

SAB半自磨磨礦控制系統的研究和工業應用證明了對溢流礦漿產品的粒度進行在線調整是可行的，但是控制系統的可靠性和有效性受礦石性質、設備條件的影響，而且其中的作用機理復雜，后續仍然需要借鑒先進的磨礦變量采集及分析系統，通過大量的數據積累和深度的機器學習，才能獲取更為貼合其規律的控制策略。不斷推進生產指標閉環與生產過程閉環的結合，使專家控制系統更好的為礦山管理目標服務。