選礦工業大數據關鍵裝備的研發與工程化實踐
——以浮選流體動力學特征閾值傳感器系統為例

管孝強 譚志勇 李海斌 周仕慶 李騰飛 王 超 張 煒

（1.中鋁科學技術研究院有限公司；2.昆明冶金研究院有限公司北京分公司；3.中鋁智能銅創科技（云南）有限公司；4.云南銅業股份有限公司）

浮選從20世紀初以有效解決硫化礦的選別問題為發端，至今已百年，目前仍是重要選礦工藝技術。

多年來，由于浮選技術和設備的發展，其工業應用發生了許多重大的變化。選礦界逐漸傾向于認為，浮選設備的智能化能夠更有力地改善選礦生產效能。因此，浮選設備的智能化就成了選礦領域的重點發展方向之一［1-3］。

近年來，隨著計算機性能的加速迭代和算法時代的到來，在浮選領域智能化的諸多研究方向中，一條新的主線逐步受到重視，即通過研發和創建新一代浮選領域傳感器技術，實時抓取和測量浮選流體動力學核心信息以及變量，以便優化選礦流程運行策略，推動浮選效能提升至一個新高度。

近10 a以來，國際上一些大的浮選裝備公司，如Outotec、Flottec、Metso和Wemco等公司都在進行浮選傳感器技術的研究，但他們的研究相對局限在泡沫表層的照相系統和圖像收集研究階段［4-6］。澳大利亞JKMRC研究院與加拿大McGill大學于20世紀90年代率先就氣體擴散與浮選流體動力學展開了全方位的研究，將氣泡表面積通量Sb（單位：s-1，下同）與浮選動力學常數k（s-1）鏈接起來，從而圍繞氣泡尺寸、氣體速率與選礦回收率建立了經典量化模型，并成功運用該成果打造了第一代浮選流體動力學傳感器裝置［7-8］。國內在浮選流體動力學方面研究起步較晚，研究力度有待進一步加強。

1 第一代浮選流體動力學傳感器裝置主要關注的浮選動力學參數

第一代浮選流體動力學傳感器裝置主要關注浮選流程中的4個動力學關鍵參數，即表觀氣體速度、平均氣泡尺寸、氣泡表面積通量以及持氣率［9］。表觀氣體速度Jg（cm/s）表示單位時間內以浮選設備單位橫截面積Acell（m2）為基礎計算的離開礦漿的氣體體積流量Qg（m3/s）；平均氣泡尺寸D32（mm）是氣泡尺寸分布BSD的量化指標，用于計算氣泡表面積通量Sb；氣泡表面積通量是指單位時間內以浮選設備單位橫截面積為計算基礎的所包含的全部氣泡的總表面積；持氣率Eg（%）也構成一個氣體分散度量，并將浮選槽或浮選柱內氣體體積Vg（m3）與浮選槽或浮選柱的有效容積Vcell（m3）聯系起來。根據各參數的數學關系可知，表觀氣體速度和金屬回收率與氣泡尺寸成反比、與氣體體積流量Qg成正比。因此，浮選性能的研究需要至少準確測量參數Jg和D32，以便計算Sb［10］。

浮選流體動力學參數表面氣體速度Jg、平均氣泡尺寸Db、氣泡表面積通量Sb與持氣率Eg的關聯性見圖1。

2 新一代浮選流體動力學傳感器裝備研發概況

基于流體動力學和表面化學的理論，加拿大Mc-Gill大學和澳大利亞JKMRC研究院的相關團隊均完成了第一代測量傳感器的研發［11］，但受限于傳感器設備的單一性，流體動力學參數對浮選效能的量化影響、浮選藥劑鍵能與氣泡載體之間的協同效應、浮選速率常數與金屬回收率之間的量化關系等還無法通過成熟技術及配套設備予以精準定義和測量［12］。近年來，通過引進吸收McGill大學浮選流體動力學領域的相關研發成果，中鋁科學技術研究院先進選礦團隊強化對浮選設備性能指標以及浮選工藝大數據的收集與研究，初步搭建了一整套浮選流體動力學大數據高端裝備的設計理論基礎和軟硬件產品，并取得了工業應用實踐方面的相關經驗。在第一代單體傳感器的基礎上，新一代浮選流體動力學智能傳感器系統主要由3套各自獨立的專用儀器設備組成，同時新的設計也改善了傳感器的物理結構與軟件配套，可實現Jg、D32和Eg等不同流體動力學物理參數的獨立測量及數據的自動交互比對。具體包括4部分。

（1）氣泡觀察艙。氣泡觀察艙以礦漿氣泡直接成像技術為基礎來監測礦漿平均氣泡尺寸，通過與回收率等經濟性指標類大數據進行關聯，形成指導氣泡分布、給氣率及起泡劑用量等現場操作參數的優化方案，從而提升浮選效能。

（2）持氣率儀。持氣率儀持氣率作為浮選設備運行時映射氣泡狀態的最直觀的浮選流體動力學參數之一，儀器通過實時監測瞬時電導率，對礦漿持氣率進行趨勢分析，形成最優操作策略。

（3）氣速儀。氣速儀以壓差為基礎來實時監測浮選設備的實際表面氣速及礦漿密度，對浮選設備的工作狀態做出診斷；關聯DCS中控對操作參數進行調整，實現表面氣速最優水平。

（4）物聯網大數據庫。物聯網大數據庫根據新一代浮選流體動力學傳感器系統的實時測量數據和選廠具體工況的階段性監測與分析，自動形成最優選礦生產指標調整方案，并下達操作指令。

浮選設備中架設的新一代傳感器智能系統剖面全景見圖2。

新一代浮選流體動力學智能傳感器系統通過精準定義和測量浮選機或浮選柱的氣泡尺寸、充氣速率、氣體滯留量等氣體擴散關鍵參數，實現浮選生產流程中固、液、氣三相流的即時狀態表征與分析，分析結果直接用于浮選藥劑化學特征、用量、鼓風量等生產數據與信息的優化指導。半工業化實驗室測試顯示，系統能夠實現不同礦山條件下的精礦品位和回收率的雙向有效提升［13］。該技術成果擁有較成熟的技術論證，有著大量的學術基礎，隨著工業4.0與物聯網大數據的發展，該系統以物聯網大數據庫為基礎，就選礦廠實時工況情況提出優化方案，并實現自動操作指令的下達，進一步提升礦山選廠自動化和智能化水平，選礦效能得到有效激發。實施該技術的核心路徑在于將浮選流體動力學基礎研究準確應用于實踐，過程中通過提取工業化數據進而打造選礦物聯網大數據系統。

3 浮選流體動力學傳感器裝備的工程化實踐

新一代浮選流體動力學特征閾值傳感器系統通過逐步完善，以氣泡尺寸和概率分布的實時測量，表面氣速、持氣率的持續監測技術為核心技術手段，以及測試—賦值—解析—優化方案等各節點組成的一整套傳感器系統實地應用模式已日趨成熟，并在工業化驗證階段取得較優成果。

近年來，國內外有色金屬礦山選礦領域普遍面臨資源品位下降、資源成分復雜、嵌布粒度過細等技術性難題。目前，國際范圍內對于處理技術性難題和提升選礦效能，一般采用設備大型化、礦粒細磨、藥劑更迭等辦法，效果有限。中鋁科學技術研究院先進選礦團隊在引入世界先進的浮選理論研究成果的基礎上，進一步擴大了技術優勢，以流體動力學智能傳感器系統的研發為獨特視角切入，實現選礦技術經濟指標的最優解。

普朗銅礦通過引入新一代浮選流體動力學智能傳感器系統，通過對2周生產的連續測量和大數據交互比對與分析，搭建了經驗模型，提出了優化方案，精確指導了不同環境下操作參數的選取，從而改變了以往以經驗和假說為基礎的人工操作模式，實現了回收率和品位指標的同步優化，同時降低了人工和時間成本。

考察期間的生產指標表明，金屬回收率提高了1～5個百分點，精礦品位提高了0.5～3個百分點，浮選生產性成本降低了5%～10%，人工成本下降了20%～40%，選礦廠年增效4 440萬元。新一代浮選流體動力學傳感器系統在普朗銅礦的應用見圖3。

4 結語

（1）新一代浮選流體動力學特征閾值傳感器系統采用固、液、氣三相流新型復合傳感器技術，多維度測量浮選設備參數和浮選回路參數，通過采集到的數據進行建模分析，形成優化方案，并生成自動化操作指令，實現選礦技術經濟指標的優化提升。

（2）該系統在普朗銅礦的成功應用，提升了金屬回收率1～5個百分點，提高了精礦品位0.5～3個百分點，浮選生產性成本降低5%～10%，選礦人工成本下降20%～40%，選礦廠年增效4 440萬元。

（3）該項技術和產品成功填補了國內礦業領域的空白，為實現該行業的工業4.0做出了貢獻。