基于 JKSimMet 的半自磨機—圓筒篩回路仿真試驗研究

蘭 川，董宏軍，劉佳鵬，徐敬元，金永新，田全寶，陳天浩

北方礦業(yè)有限責任公司 北京 100053

J KSimMet 是澳大利亞昆士蘭大學 JKMRC 礦物研究中心基于 60 多年的研究基礎開發(fā)的一款選礦廠碎磨回路穩(wěn)態(tài)模擬軟件，主要應用于選礦流程計算、碎磨設備選型和碎磨流程優(yōu)化領(lǐng)域。選礦流程計算功能是一個獨立的軟件，整合到 JKSimMet 和 JKSimFloat中，用來調(diào)整選礦試驗和選礦廠流程考察的數(shù)據(jù)。碎磨設備選型是 JKSimMet 應用最多的地方，在設備選型過程中調(diào)用了 JKSimMet 的仿真引擎，通過對不同的流程結(jié)構(gòu)[1-2]或不同的磨機直徑和長度進行仿真運算[3-4]，從而選擇最佳的流程結(jié)構(gòu)和設備規(guī)格。然而，新建項目在設備選型階段，礦石碎磨性質(zhì)參數(shù)、設備參數(shù)和工藝操作參數(shù)不詳盡，但為了設備選型，通常會采用附近礦山或性質(zhì)相似礦山的技術(shù)指標，或者采用軟件的預設值。對于在產(chǎn)選礦廠的仿真優(yōu)化而言，這種處理無法通過有效的模型擬合來發(fā)揮仿真軟件的預測功能，不能對優(yōu)化措施提供量化指導。

筆者在對某 S AB 流程詳細考察和落重試驗的基礎上[5]，用 JKSimMet 軟件對剛果(金)某大型銅鈷礦D6400×L3500 半自磨機—圓筒篩回路進行了模型擬合；對裝球率、處理量、礦石硬度、頑石口尺寸和數(shù)量等因素進行了仿真試驗；并制作了一套頑石口孔隙為 60 mm 的格子板，逐步替換 30 mm 的格子板，驗證了相關(guān)仿真試驗的結(jié)論。

1 研究方法

JKSimMet 軟件以運行中的選礦廠作為研究對象，通過流程考察全面了解現(xiàn)有選廠的運行狀況，在此基礎上選擇合適的模型和參數(shù)，通過模型擬合使軟件再現(xiàn)生產(chǎn)廠實際運行狀況，然后改變操作參數(shù)、設備參數(shù)，預測回路的運行指標。作為仿真工具使用時，按照畫流程圖、平衡數(shù)據(jù)、模型選擇和數(shù)據(jù)輸入、模型擬合和模擬試驗 5 個過程開展研究，具體工作流程如圖1 所示。

圖1 JKSimMet 軟件模擬仿真流程Fig.1 Simulation process of JKSimMet software

1.1 工藝流程

SAB 碎磨工藝流程為破碎—半自磨—球磨—旋流器分級。破碎合格的礦石經(jīng)礦倉給入半自磨機，半自磨機排礦經(jīng)圓筒篩分級，篩上物由返料輸送帶返回半自磨機，篩下物由泵送至旋流器進行分級，旋流器底流作為球磨機給料，溢流作為磨礦分級最終產(chǎn)品送至下游濕法工序。球磨機出料和半自磨機篩下物料共同匯入泵池，由泵給入旋流器進行分級，形成磨礦和檢查分級閉路流程[5]。半自磨機—圓筒篩回路設計工藝流程如圖2 所示。主要設備為半自磨機和圓筒篩，輔助設備為礦倉、給礦水設備、返料輸送帶，料流以帶箭頭的線條表示。

圖2 半自磨機—圓筒篩回路工藝流程Fig.2 Process flow of circuit of SAG mill with trommel

1.2 質(zhì)量平衡

質(zhì)量平衡是將流程考察中獲得的原始數(shù)據(jù)輸入軟件，根據(jù)質(zhì)量平衡原理對試驗數(shù)據(jù)進行調(diào)整的過程。JKSimMet 軟件把料流數(shù)據(jù)分為試驗數(shù)據(jù)(標記為Exp)、平衡數(shù)據(jù)(標記為 Bal)、仿真數(shù)據(jù)(標記為 Sim)3 種類型。

1.3 模型選擇和數(shù)據(jù)輸入

數(shù)學模型是計算機仿真的基礎，不同模型需要輸入的參數(shù)和能夠預測的參數(shù)也不一樣。JKSimMet 6.3 版的半自磨機有 4 個模型，分別是 V ariable r ates AG/SAG Mill、Semi-Autogenous Mill(Leung)、Ball Mill(Perfect Mixing)和 Size Convertor。后 2 個模型分別是球磨機和碎磨設備的通用模型，但在半自磨機仿真試驗中的作用有限，半自磨機選用 Variable rates AG/SAG Mill 模型(簡稱變速模型)。該模型以 Semi-Autogenous Mill(Leung)為基礎發(fā)展形成，允許合適的料流返回半自磨機，并拓展了磨機直徑的放大范圍，突破了原來 8～9 m 的上限。篩上物由返料輸送帶返回半自磨機，滿足變速模型的要求。

輸入的數(shù)據(jù)除磨機內(nèi)部尺寸、轉(zhuǎn)速、料位(裝球率和總充填率)、礦石的可磨性、進出料的粒度外，還包含排礦端格子板開孔的大小和位置。變速模型的磨機參數(shù)輸入窗口如圖3 所示。從上到下數(shù)據(jù)依次為：直徑(襯板間)，m；筒體長度(襯板間)，m；進料端中空軸直徑，m；進料端錐角(平頭=0)，(°)；出料端錐角(平頭=0)，(°)；格子孔尺寸-XG，mm；細粒尺寸 -XM，mm；格子板開口面積分數(shù)；頑石口占總開口面積分數(shù)；頑石口尺寸 -XP，mm；格子孔徑向平均相對位置。

圖3 半自磨機尺寸參數(shù)輸入窗口Fig.3 Size parameter input window for SAG mill

1.4 模型擬合

為半自磨機和圓筒篩選擇合適的模型，輸入流程考察得到的礦石參數(shù)、設備參數(shù)、料流參數(shù)，進行模型擬合。模型擬合是應用尋優(yōu)算法，尋找合適的參數(shù)值代替缺省值，使軟件預測的技術(shù)指標最大程度地再現(xiàn)流程考察條件下的技術(shù)指標。

半自磨機—圓筒篩回路的模型擬合結(jié)果如圖4所示。比較各料流的試驗值和擬合值，半自磨機的總充填率為 20.96%，與流程考察實測值 21% 基本符合；物料的總密度為 3.32 t/m3，與流程考察實測值3.27 t/m3比較接近；綜合比較回路中各產(chǎn)品的礦石流量、P80和磨機工作指標(功率、充填率)，模型預測指標與流程考察指標符合較好。結(jié)果表明，該模型擬合的參數(shù)較好地反映了設備工作狀況和礦石性質(zhì)，可以用于仿真試驗。

模型擬合得到半自磨機變速模型的破碎速率如圖5 所示。破碎速率可以理解為單位時間內(nèi)某粒級礦石經(jīng)歷的破碎事件的次數(shù)。從圖5 可以看出：0.1 mm 以下的細顆粒破碎速率幾乎為零，說明細粒級礦石幾乎不經(jīng)過破碎就直接排出；1～10 mm 之間的礦石破碎速率有一個峰值，說明這個區(qū)間的礦石最適合半自磨機破碎；破碎速率有一個波谷，這是頑石容易出現(xiàn)的粒度區(qū)間；60 m m 以上的礦石破碎速率快速增大，說明大塊礦石強度小，容易破碎。

圖5 半自磨機變速模型破碎速率Fig.5 Breakage rates of variable speed model of SAG mill

1.5 仿真模式

JKSimMet 軟件的過程仿真有兩種模式：一種是單一場景的仿真試驗，即改變一個或多個操作條件，預測全回路的各項指標；另一種是多因素-多水平的批量仿真試驗，允許改變的操作參數(shù)較多，如磨機轉(zhuǎn)速、裝球率、磨機尺寸、排礦格子板開孔的大小和位置、給礦量、給礦粒度、礦石硬度等。筆者分別進行了半自磨機裝球率仿真試驗，半自磨機裝球率、處理量兩因素-多水平仿真試驗和頑石口尺寸、數(shù)量與礦石硬度仿真試驗。

2 仿真試驗

2.1 半自磨機裝球率仿真試驗

該試驗為單因素-多水平仿真試驗，給礦量設定為 200 t/h，考察半自磨機的裝球率 5%～15% 時，設備參數(shù)(半自磨機功率、總充填率)和料流參數(shù)(圓筒篩篩上物料、篩下物料)的情況。仿真試驗結(jié)果如表1 所列。

表1 半自磨機裝球率仿真試驗結(jié)果Tab.1 Simulation experiment results of ball loading rate of SAG mill

由表1 可知，增加鋼球充填率，磨機功率增加，總充填率逐步降低，產(chǎn)品粒度變細，返砂量減少，返砂粒度稍微減小；裝球率為 5% 時，半自磨機總充填率達 29.3%，超過 J KSimMet 軟件平均總充填率為25% 的限定條件[6]，可能會導致磨機“脹肚”；當返砂量為 48.92 t/h，也同樣超過設計限值；增加鋼球充填率，產(chǎn)品粒度緩慢變細，但磨機功率增加較快，生產(chǎn)運營的經(jīng)濟性差。推薦的半自磨機鋼球充填率為7%～8%，總充填率在 23%～25% 之間，生產(chǎn)運營經(jīng)濟性相對較好。

2.2 半自磨機裝球率、處理量兩因素-多水平仿真試驗

為了探索通過增加半自磨機裝球率提高半自磨機處理量的可能性，進行了 4 個裝球率和 5 個處理量組合的 20 個仿真試驗。裝球率是鋼球體積占磨機容積的百分比；處理量百分比是以生產(chǎn)回路的處理量(200 t/h)為基點進行變化的百分比；回路的實際處理量是圓筒篩篩下的礦量。試驗考察了半自磨機的功率和總充填率、圓筒篩篩下物料的粒度和流量、圓筒篩篩上物料的粒度和流量等 6 個參數(shù)，結(jié)果如表2 所列。

設立適當?shù)臉藴剩袛喾抡嬖囼灥奶幚砹渴欠駥崿F(xiàn)。首要限定條件為 25% 的總充填率；另一判定條件為返砂量，一般按新給礦量的 20%～30% 選擇返砂輸送帶和頑石破碎機。該試驗中，返砂輸送帶是按新給礦量的 20% 設計，即返砂量需低于 40 t/h。由表2 可知：依據(jù) 2 個判定條件，在 8% 的裝球率下，合理的處理量為 220 t/h(仿真試驗 12)；在 10% 的裝球率下，合理的處理量為 260 t/h(仿真試驗 19)；在12% 的裝球率下，合理的處理量為 300 t/h(仿真試驗26)；裝球率為 15% 時，處理量可以達到 360 t/h(仿真試驗 31)，此時半自磨機的功率為 2 035 k W，接近電動機的額定功率 2 100 kW。

2.3 頑石口尺寸、數(shù)量與礦石硬度仿真試驗

格子板是半自磨機的排礦通道。格子板上開孔的大小、數(shù)量和徑向位置會影響半自磨機的排礦粒度和排礦速度。格子板的開孔量為開孔面積與磨機橫截面積的比值，開孔位置用格子孔至磨機軸心的距離與磨機半徑之比的加權(quán)平均值表示。磨機格子板開孔量為9.38%，徑向平均位置 0.74，格子孔為長方形，兩端呈半圓形，孔寬為 30 mm。

半自磨機內(nèi)的頑石量與礦石硬度、粒度、裝球率、球徑、襯板外形、磨機轉(zhuǎn)速等多種因素相關(guān)，在襯板的一個生命周期內(nèi)，變化最大的是襯板外形和礦石硬度。因此，實際的頑石量是不斷變化且難以控制的。該試驗中，在礦山的整個生命周期內(nèi)，礦石硬度A×b為 43.0，屬于中偏硬礦石，有可能產(chǎn)生頑石；流程考察中，礦石硬度A×b為 61.2，屬于中軟礦石，返砂量實測為 8.34 t/h。對礦體不同深度礦石的可磨性測試表明，礦石硬度隨開采深度逐漸變大。為了應對未來可能的頑石量增多問題，設計了頑石外排方案，利用輸送帶返回半自磨機，并預留了頑石破碎機的安裝空間。

JKSimMet 軟件的變速模型包含了頑石口的尺寸、位置和數(shù)量，可以模擬頑石口尺寸和位置對磨礦指標的影響。試驗分別模擬頑石口為 40、50 和 60 mm 3 種情況，替換量為 16 組格子板的 1/4，頑石口在外圈和內(nèi)圈交叉配置，均勻排出頑石，如圖6 所示。

圖6 1/4 的格子板開設頑石口的布置方案Fig.6 Layout scheme for setting hard stone outlet on 1/4 grid plate

在裝球率為 8%、處理量為 200 t/h 條件下，3 種頑石口尺寸(40、50 和 60 mm)和 2 種礦石硬度(A×b=61.2，A×b=43.0)，共 6 種條件組合，對頑石量影響的試驗結(jié)果如圖7 所示。由圖7 可以看出，頑石口階梯變化時，頑石口每增大 10 mm，頑石量增加 10%左右；同時礦石硬度變大后，相對于每個頑石口，頑石量平均增加 66%，由此可知，礦石硬度對頑石量的影響更為顯著。

圖7 礦石硬度和頑石口尺寸對頑石量的影響Fig.7 Influence of ore hardness and size of hard stone outlet on amount of hard stone

2.4 仿真結(jié)果的初步驗證

JKSimMet 軟件模型是在大量實驗室試驗和工業(yè)生產(chǎn)指標統(tǒng)計的基礎上逐步形成的[7]，仿真結(jié)果的試驗驗證是增強預測結(jié)果的可信度和軟件持續(xù)更新的基礎。為了驗證引入頑石口對頑石量的預測結(jié)果，初步將 1 塊 30 mm 的外圈格子板替換成了 60 mm 的格子板(見圖8 中 1 點鐘位置)。測驗結(jié)果表明，返砂量由8.34 t/h 增加至 10.00 t/h，返砂P80也由 26.34 mm 增加至 33.48 mm，該變化趨勢與仿真試驗的預測一致。

圖8 裝有 1 塊 60 mm 格子板的 B 系列半自磨機排礦端Fig.8 Discharge end of B series SAG mill equipped with a 60 mm grid plate

3 結(jié)論

利用前期半自磨機—圓筒篩回路流程考察結(jié)果，對半自磨機—圓筒篩回路進行模型擬合，得到了相應的模型參數(shù)；運用 JKSimMet 軟件，進行了裝球率、處理量、頑石口和礦石硬度等參數(shù)的仿真試驗，得出以下結(jié)論。

(1)半自磨機功率隨裝球率的增加而增加。半自磨機可通過增加鋼球充填率提高處理量，在處理量為200 t/h 的目標下，鋼球充填率在 7%～8% 范圍內(nèi)，半自磨機可以穩(wěn)定運行，控制性良好。

(2)裝球率、處理量兩因素-多水平仿真試驗表明，在總充填率保持 25% 的限制條件下，裝球率為12% 時，處理量可達 300 t/h。此時，裝球率、處理量均提高 50%，而磨機功率只提高了 24.1%。這為提高磨機電能利用效率指明了方向。

(3)頑石口仿真試驗和工業(yè)實踐表明，頑石口的引入可以增加頑石排出量，但是礦石硬度對頑石產(chǎn)量的影響更大。隨著礦山采礦深度的增加，礦石硬度越來越大，當這種趨勢影響到預期的產(chǎn)量時，磨機內(nèi)會產(chǎn)生更多的頑石。因此，安裝更多的頑石口乃至頑石破很有必要，屆時可為驗證仿真結(jié)果提供更多的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。