宜春鉭鈮礦選礦自動化設計與實踐

曾令揮，賈布衣，宋曉梅

（1.宜春鉭鈮礦有限公司，江西 宜春 336000；2.北京礦冶科技集團有限公司，北京 102600；3.礦冶過程自動控制技術國家重點實驗室，北京 102600；4.礦冶過程自動控制技術北京市重點實驗室，北京 102600）

1 引言

選礦自動化是利用現代的信息檢測技術，對選礦各作業流程進行自動化管控的過程［1］。選礦自動化技術誕生于20世紀40年代初期，經過半個多世紀的發展，極大地改變了傳統選礦技術落后的情況。在傳統的選礦生產中，工人憑借生產經驗進行手動調節，對生產過程的控制既不精確又不及時，所以很難獲得較好的生產指標。選礦自動化控制能夠及時準確地指示選礦生產過程中各參數的變化，根據所測結果，準確、及時地對有關變量進行調節。選礦自動化提高了選礦指標，節約了能源消耗，改善了工作條件［2］。近年來，新發展起來的選礦自動化技術能夠綜合考慮選礦過程中各項影響因素，能夠隨著入選礦石性質的變化而自動改變對各變量的控制，使選礦指標達到最佳值。

選礦廠采用自動控制技術以后一般可顯著提高設備的生產能力和勞動生產率，并能有效降低生產成本，減少能源消耗，同時能顯著提高選礦回收率等生產指標。因此實現選礦工藝過程自動化、智能化控制，對發展我國國民經濟，提高工業生產技術水平，具有重要意義［3］。

2 鐘家市選廠流程和設備特點

宜春鉭鈮礦鐘家市選礦廠建于2013年， 設計日處理量為4500t，按功能分成破碎篩分段、磨礦重選段和綜合回收段三個部分。破碎篩分段包括粗碎車間、中碎車間、細碎車間、篩分車間和轉運車間，原礦倉內的礦石首先在粗碎車間被顎式破碎機破碎，粗碎后的粒度在40mm以下的合格礦石進入中碎圓錐破碎機進行中碎，中碎后粒度在10mm以下的合格礦石進入細碎圓錐破碎機進行細碎。然后礦石經過篩分和轉運，進入粉礦倉。

磨礦重選段主要有磨礦和重選兩大流程。其中，礦石從粉礦倉內經振動給料機和皮帶輸送機運至磨礦流程，磨礦流程采用棒磨加球磨兩段磨礦，然后經螺旋分級機分級后進入重選流程；重選流程利用螺旋溜槽和搖床進行三段重選，重選的產品是鉭鈮精礦，尾礦進入綜合回收段進行再次回收。

綜合回收段對磨礦重選段的尾礦進行回收利用，尾礦經變頻渣漿泵送至水力旋流器，利用水力旋流器和浮選機進行分級，并經過不同的帶式過濾機過濾，產生鋰云母、粗粒和細粒長石三種產品。

自動化系統實施前，現場工藝設備如振動給料機、螺旋分級機和磁選機等設備均沒有遠程控制接口，球磨機、圓錐破碎機等大型設備各子系統獨立運行，無統一集中監控。

3 建設目標和方案

選礦自動化系統建設的目標是在完善選礦關鍵工藝設備基礎上，對破碎、磨礦重選、及綜合回收過程中的關鍵工藝狀態及指標實現在線監測，建立選礦全流程KPI指標控制系統，使廠礦企業從單一設備、簡單流程的基礎自動化應用開發轉向智能化、信息化、管控一體、全流程綜合自動化方向推進。通過計算機網絡系統實現在線優化生產調度和管理,使整個選礦生產過程處于最佳狀態,最大限度地提高產量精礦品位和金屬回收率等技術經濟指標，達到高產優質、節能降耗的目的。

選礦全流程KPI指標控制系統可以為生產管理與決策人員提供輔助決策與分析工具，該系統主要分為兩層。上層為全流程綜合指標監控模塊，以穩定和提升選廠生產指標、降低生產能耗為目標。下層為選礦流程自動控制層，將全流程生產指標轉化為各工序的工藝指標目標，并對工藝生產指標與生產操作的實際值進行監視，為全流程協調優化和調整提供反饋信息。

3.1 全流程綜合指標監控層建設

全流程綜合指標監控系統，以生產實時/歷史數據庫服務器為中心，采集生產過程數據，并存儲生產手工錄入數據如化檢驗數據，為生產管理系統及時提供真實的生產數據。實現選礦生產過程基礎生產數據的自動采集、統計、存儲，并進行多時間尺度（時、日、月等）運算、統計、存儲以及Web瀏覽，同時可對化檢驗等數據進行人工錄入［4］。全流程綜合指標監控層包括如下子系統：

自動化計量統計系統可對生產管理與控制系統的無縫集成。該系統可自主性的對生產過程中的海量過程數據進行定時處理，自動統計礦、水、電、設備運時、關鍵工藝參數、生產材料消耗等。

工藝參數計量統計模塊對破碎、磨浮等各工段的關鍵過程參數進行計量統計，包括品位、流量、功率、粒度、濃度、壓力、液位、料位等，可以監測各工序的關鍵生產指標是否穩定平衡，也是流程進一步優化的數據基礎。

電能計量統計模塊對各工段的主要耗電設備進行統計，如粗碎、中細碎、球磨水泵等用電統計。包括班、日、月等不同時間段內的電量統計，形成了電能消耗與節能分析的數據基礎。

生產材料統計模塊對浮選藥劑消耗進行統計，可及時監視藥劑單耗是否均衡。

設備運行統計模塊對各工段主體生產設備與輔助設備的運行時間進行統計，主要是對關鍵生產設備如圓錐破碎機、球磨機、浮選機等的運行時間或帶負荷運行時間進行統計，并監視設備的累計運轉率。

3.2 選礦流程自動控制層建設

全流程自動控制層涵蓋了所有選礦過程，實現對關鍵工藝點及設備的在線檢測；在此基礎上建立全廠DCS系統和生產視頻監控系統，實現選礦生產過程的遠程監視與控制。

圖1 全流程綜合指標監控層電能計量子系統

為實現上述功能，通過安裝物位計、流量計、濃度計、皮帶秤等檢測儀表實現生產數據的實時采集，為實現“數據不落地”，建立了全廠范圍的數據采集中心，該系統采用西門子冗余控制系統同時配置了數據存儲服務器等，采用經典的3+2網絡結構［5］，能夠快速實現過程數據的處理、存儲等功能，并對異常的數據及時發出報警。系統結構如圖2所示。

圖2 DCS系統架構圖

DCS系統的建立能夠使操作人員、管理人員全面掌握生產情況，實現了集中控制，通過連鎖保護程序、回路控制等手段，有效降低了現場生產事故，穩定工藝指標，建設的DCS畫面如圖3所示。

圖3 DCS工藝流程圖

工業視頻監控系統是生產管理和安全的一個補充手段，其作為選礦全流程自動控制系統的一個輔助手段，可為控制系統功能的發揮起到重要作用。因此，為了更直觀的掌握現場情況，本項目建立了覆蓋全流程的視頻監控系統。

圖4 視頻系統架構圖

4 控制功能設計

4.1 破碎過程控制

破碎過程的特點是工藝設備較多且非常分散，人工操作和設備管理的難度較大。故控制目標是在保證設備和流程安全的基礎上，提高破碎效率，降低單位礦石破碎能耗。

（1）連鎖與保護控制。在實施控制過程中，為實現碎礦流程的逆序開車，順序停車，首先集成振動放礦機、皮帶、圓錐破碎機、除塵器、振動篩等設備的運行信號和控制信號，在操作界面上進行集中監控、管理和啟停；其次實現一鍵連鎖起停，故障連鎖停車等功能。

（2）圓錐破碎機擠滿給料控制。圓錐破碎機在正常生產時要求擠滿給礦，即機腔料位要高出分料頭300mm左右，此時破碎機處理量最大，處于最佳工作狀態。

給礦控制的目標就是要保證擠滿給礦率，即破碎機擠滿給礦運行時間與總運行時間之比應在80%以上。為此，采用料位計檢測料腔料位，同時檢測圓錐破碎機的運行功率，對圓錐破碎機的給礦實行分段控制原則，實現擠滿給料，具體來說就是當破碎機的料腔料位在正常的范圍之內時，采用破碎機的功率對給礦進行精細調節，保證圓錐破碎機功率的恒定，當料腔料位超出正常范圍時，通過料位對給礦進行粗放式調節，使料腔料位回歸到正常的工作范圍內。通過擠滿給礦，從而可以極大的發揮圓錐破碎機的效能，也減少電能的損耗。

4.2 磨礦分級過程控制

磨礦分級流程是選礦的重點流程，也是選礦流程中的耗能大戶，磨礦分級流程如果生產指標不穩，將極大影響整個選礦生產指標、效率和成本［6］ 。磨礦分級是全流程自動化實施的重點也是難點。

（1）球磨機恒定給礦控制。球磨機的給礦量控制穩定、合理是保證球磨機正常運行最為重要的因素，同時它也是實現磨機優化給礦控制的基礎。基本原理是通過將皮帶秤測量的瞬時礦量與給礦量設定值構成閉環，自動調節給礦機頻率實現礦量對設定值的跟隨。下料口距離皮帶秤遠等因素給礦量控制帶來很多干擾因素，因此對控制算法的細節處理要求很高，控制策略中會綜合下料口的位置、皮帶速度、變頻器頻率升降速度等影響出料的參數，通過每個下料口控制參數的精細設置盡可能達到不空帶、不重疊的效果。在給礦設備工作正常的前提下，給礦控制精度可達到±4%以內。

（2）球磨機比例給水控制。合理的磨礦濃度是提高磨機磨礦效率的關鍵條件，根據球磨機給礦量實現給水量的比例控制方法是一種有效的控制手段。球磨機入口給水量控制通過電磁流量計、控制系統的PID回路、調節閥構成一個恒定給水閉環控制系統。由于磨機正常工作需要保證一定的濃度范圍，所以給水量必須與給礦量成比例，因此給水量的設定值需要受給礦量的控制。

（3）泵池液位/旋流器壓力控制。水力旋流器溢流礦漿是磨礦分級作業生產的最終產品，其最終產品粒度受水力旋流器進料礦漿壓力的影響極大，他的入口壓力的穩定，直接影響到旋流器的分級篩選效果。

生產工藝還對水力旋流器進料礦漿濃度的穩定有很高的要求。水力旋流器進料礦漿濃度過高，溢流礦漿粒度過粗，影響浮選指標；進料礦漿濃度過低，溢流礦漿粒度過細，出現過磨，降低了磨礦效率，同時旋流器溢流礦漿被泥化，影響浮選指標。在磨礦回路中，旋流器入口礦漿濃度要求維持在工藝要求的范圍內，這需要通過調節磨礦泵池的給水流量來實現。這些工藝參數之間又存在著相互關聯，相互制約的關系。

為了更好實現重要工藝參數的穩定，選取更能體現工藝現狀的技術參數來調節。我們選擇控制泵池液位的穩定來調節給水量，來配合砂漿泵的調節。

鑒于對于影響旋流器入口壓力穩定的擾動因素較多，并且各個擾動因素之間的關聯程度很高。為了滿足生產工藝對于工況穩定的需求，重點引入復雜控制算法。在穩定工況的前提下，盡量實現關鍵工藝指標的控制精度。控制器為泵池液位的控制設定值通過設定高低限位的方式設置了一個區間。當液位在此區間波動時，泵池的渣漿泵的跟隨旋流器入口壓力調整泵速，穩定旋流器入口壓力。當液位高于或者低于上下限值時，渣漿泵的泵速不做調整，以穩定泵池液位為主。此時，以泵池液位設定值為基準，通過PID算法調節磨礦泵池的給水流量，以穩定泵池液位。

5 總結

宜春鉭鈮礦鐘家市選礦廠自動化系統的實施實現了生產過程數據和統計指標的同步快速反饋，為生產管理與操作人員提供了生產過程量化數據和指標決策分析工具，提高了選礦生產操作的實時性和準確性，提高了處理能力和金屬回收率。依靠新一代信息技術，在生產、運營、維護、技術改造等方面實現信息化、自動化和智能化，有效解決選礦生產作業環境惡劣、成本高昂、能源利用率低等問題。真正從本質上提升選礦生產的核心競爭力，是在當前選礦成本高企的環境下，降低選礦成本，提高選礦效率，激發企業活力的必由之路。