陣列磁吸式鋼介質智能補加系統的研制

摘 要 針對球磨機鋼介質補加提出一種陣列磁吸式鋼介質智能補加技術，并進行了系統的設計開發。系統主要由陣列磁吸裝置、三維運動裝置、可變道輸送帶及控制柜等組成，適用于鋼球、鋼段及其他不規則鋼介質的補加，一套設備可以為多臺球磨機補加鋼介質。該系統具有控制精度高、適應性強及穩定性好等特點，在實際應用中展現出極高的現實意義和實用價值。

關鍵詞 鋼介質 陣列磁吸測量裝置 三維運動裝置 可變道輸送帶 智能補加

中圖分類號 TP23"" 文獻標志碼 A"" 文章編號 1000 3932（2025）01 0119 07

磨礦是選礦的關鍵作業過程［1］，通過磨礦使礦石中的有用礦物實現單體解離而為后續的有效回收提供有利條件。球磨機是選礦過程磨礦的主要設備［2］，球磨機依靠其內部鋼介質的運動進行礦石的研磨，由于鋼介質在研磨過程中不斷消耗，因此鋼介質補加是磨礦作業的一個重要環節。

球磨機的磨礦效率與鋼介質的充填率、鋼料比密切相關。合理的鋼介質充填率和鋼料比是確保球磨機高效運行的前提條件［3～6］。實踐證明，保持球磨機的鋼介質充填率和鋼料比始終處于合理狀態，可以顯著提高球磨機的處理量和磨礦產品的合格率，為后續選別作業指標的穩定和提高創造有利條件［7，8］。目前國內選礦廠的球磨機主要依靠人工定時定量補加鋼介質（鋼球或鋼段），為了減少勞動強度，往往是每班或每天補加一次鋼介質［9，10］，這種補加方式容易造成補加時鋼介質充填率過大，鋼耗量加大，研磨效率降低。隨著鋼介質的不斷磨損，到后來鋼介質充填率逐漸不足甚至過小，磨礦效率逐漸降低甚至過低，從而影響選礦廠的處理量和選別工藝指標。

為了保證球磨機的鋼介質充填率和鋼料比始終處于合理狀態，使磨礦生產顯著節能降耗，提高磨礦效率和磨礦產品的合格率，為后續選別作業創造良好的條件，需要研究設計更為先進的鋼介質智能化補加系統，為選礦企業獲得顯著的經濟效益和社會效益提供有利條件［11，12］。

1 現有加球設備存在的主要問題及創新性技術思路的提出

1.1 現有加球設備存在的主要問題

目前國內選礦廠鋼介質補加普遍為人工操作［13］，操作方式為：從料倉稱量好需要的鋼介質，通過電動行車吊運到球磨機的給礦口并加入球磨機，實現鋼介質的定時補加。有的磨礦車間雖然安裝了加球設備，但還需要通過人工將鋼球從料倉吊運到加球設備的球倉，以補充加球設備中不斷減少的鋼球，另外加球設備只能補加鋼球，而不能補加鋼段等不規則鋼介質。目前國內磨礦作業鋼介質補加基本屬于手動或半自動狀態［14］。雖然國內市場出現了多種類型的加球設備，但由于其基本原理沒有大的創新，實際應用時還存在一些難以克服的問題，因此影響著加球設備的推廣應用。現有加球設備存在問題主要表現在：

a. 加球設備主要分為爪鏈條式和筒轉動式兩種工作方式。爪鏈條式加球設備的主要缺點為：提升軌道容易變形而導致卡球，提升爪易變形［15］，經常抓不到鋼球。筒轉動式加球設備的主要缺點為：加球時需將球倉內大部分鋼球帶動翻轉，電機負荷大，鋼球在出球口容易卡死［16］。這兩種設備都還存在需要人工補充鋼球、效率低、故障率高及人工勞動強度大等不足。

b. 需要精確配比加球時，一種規格鋼球要求配置一臺加球設備，當需要補加幾種規格的鋼球時，往往因為占用場地過多而無法滿足應用要求。

c. 有的磨礦車間采用一臺加球設備補加多種鋼球，各種鋼球按比例裝入加球設備，這種加球方式只能保證較長一段時間內各種鋼球的總體配比，而無法滿足球磨機實時按鋼球配比補加，從而影響磨礦效率。

d. 要求將加球設備安裝在球磨機的旁邊，總體占用場地過大，現場安裝困難，不便于現場操作和檢修。

e. 要求由人工事先將鋼球裝入加球設備并不斷補充，當出現鋼球形狀不規則或結疤時，經常發生堵球現象，需要人工進行疏通，不僅勞動強度大，而且影響正常的生產。

f. 采用光電方式進行加球量的檢測，利用鋼球通過時產生的光電脈沖計算通過的鋼球量，由于現場粉塵嚴重，容易附著于光電傳感器上，加上電磁干擾大，容易出現較大的檢測誤差。

由于現有加球設備存在上述不足，容易造成球磨機自動加球困難，從而導致實際生產中出現磨機鋼球充填率、鋼料比不穩定，影響磨礦效率。

1.2 創新性技術思路的提出

為了克服現有人工操作和加球設備存在的補加不及時、勞動強度大、故障率高及控制精度差等不足，實現直接從磨礦廠房料倉對球磨機進行鋼介質智能補加，達到采用一套設備即可為所有球磨機進行鋼介質補加，不僅能補加鋼球，也能補加鋼段或其他鋼介質的目的，筆者提出以下技術思路：

a. 采用電磁鐵從料倉上部獲取鋼介質［17］，這樣不僅可以吸取鋼球，也可以吸取鋼段或其他不規則鋼介質，可避免傳統加球設備因鋼介質相互擠壓而無法活動的問題。

b. 為了避免采用一個電磁鐵存在吸取量不可控的問題，采用多個電磁鐵進行鋼介質吸取，并同時測量各個電磁鐵所吸取鋼介質的重量，根據目標球磨機對鋼介質的實際需求量，對電磁鐵進行最佳組合計算，釋放不需要的鋼介質，補加需要的鋼介質。當一次吸取量不能滿足要求時，進行多次吸取，直到達到球磨機需要的補加量。

c. 為了便于安裝、測量和定位控制，構建由多個電磁鐵、稱重傳感器和信號變送器組成的陣列磁吸測量裝置，該裝置作為一個整體進行移動和定位，而各個電磁鐵可以單獨控制。

d. 為了實現陣列磁吸測量裝置的移動、定位和鋼介質搬運，需要構建一個三維運動裝置，以帶動陣列磁吸測量裝置。

e. 為了實現能夠將鋼介質直接從料倉輸送到球磨機，需要采用輸送帶進行運輸。由于料倉位置往往低于球磨機給礦口，采用水平式輸送和提升式輸送相結合的復合運輸方式，同一個高度采用水平運輸，不同高度采用提升運輸。

f. 為了實現一套輸送系統就可為多臺球磨機補加鋼介質，采用輸送帶和變道裝置相結合的方式。首先將各料倉輸出的鋼介質匯集到一條輸送帶，在球磨機給礦口處的輸送帶上設置一個變道裝置，通過變道裝置改變鋼介質的輸出通道，從而實現將鋼介質運輸到多臺球磨機。

g. 為了實現陣列磁吸測量裝置的高效運行，需要實時測量料倉內各個區域鋼介質的分布情況。目前對于物位檢測主要有傳感器測量法和圖像測量法。筆者結合陣列磁吸測量裝置的設計特點以及鋼介質料倉的分布規律，通過對各個電磁鐵吸取鋼介質數據分析，判斷陣列磁吸測量裝置工作區域的鋼介質物位情況，構建料倉鋼介質動態分布圖，為系統高效運作提供料倉各個區域的精確物位信息。

基于上述技術思路，筆者結合國內選礦廠磨礦作業設備和廠房布置的特點，創新性提出陣列磁吸式鋼介質智能補加系統的技術方案，并進行設計開發。

2 陣列磁吸式鋼介質智能補加系統的總體設計及其工作原理

2.1 系統總體設計

筆者提出的陣列磁吸式鋼介質智能補加系統主體結構如圖1所示，系統由陣列磁吸測量裝置、三維運動裝置、可變道輸送裝置及控制柜等組成。該系統不僅適用于鋼球補加，也適用于鋼段及其他不規則鋼介質的補加；不僅適用于單臺球磨機的鋼介質補加，也適用多臺球磨機的鋼介質補加。該系統直接從料倉獲取鋼球、鋼段等鋼介質，通過輸送帶運送到球磨機，實現一套補加系統為多臺球磨機補加鋼介質，可以實現在磨礦過程中自動按量、配比將各種鋼介質補加到各臺球磨機，使球磨機的鋼介質始終保持在合理狀態，為提高球磨機的磨礦效率和降低磨礦單耗創造有利條件。

2.2 基本工作原理

陣列磁吸式鋼介質智能補加系統的基本工作原理為：陣列磁吸測量裝置在三維運動裝置的帶動下進行移動和定位，依靠陣列磁吸測量裝置上的電磁鐵吸取鋼介質，同時通過稱重傳感器測量每個電磁鐵吸取鋼介質的重量，以目標球磨機的鋼介質補加量為依據，結合每個電磁鐵的實際吸取量進行最佳組合計算，斷電釋放不需要部分，通過控制電動行車和電動葫蘆的運動，將需要的鋼介質搬運到接料裝置，鋼介質由可變道輸送帶運送到目標球磨機。如果一次獲取鋼介質不足，則進行再次操作，直到滿足目標球磨機對鋼介質的補加要求?？刂葡到y采用周期性循環補加的控制方式［18］，按順序自動進行鋼介質的循環補加，當一臺球磨機補加完畢后自動進行下一臺球磨機的補加，直到所有球磨機補加完畢。

3 控制系統設計開發

3.1 控制系統總體架構

控制系統采用集散控制系統的結構模式，可編程邏輯控制器（PLC）作為下位主機，負責實時控制；人機界面計算機（HMI）作為上位主機，負責監控管理［19，20］。為了便于現場應用，控制系統進行模塊化的結構模式設計，每種鋼介質配置一個鋼介質控制裝置，提供大球、中球、小球和鋼段4種鋼介質的控制裝置，可根據實際需要選擇和組合使用。由于進行了標準化設計，應用時只需根據實際需要選擇對應的鋼介質控制裝置，進行對應的安裝接線即可?？刂葡到y總體架構如圖2所示。

3.2 鋼介質控制裝置設計

鋼介質控制裝置主要由三維運動裝置、陣列磁吸測量裝置組成。鋼介質控制裝置安裝在料倉上，應用時需要每一個料倉配置一臺。三維運動裝置主要由左電動行車、電動葫蘆、左縱軌、橫軌、左限位開關、定滑輪、橫向行車、上限位開關、牽引鋼繩、接料斗、橫向拉線式位置傳感器、右限位開關、縱向拉線式位置傳感器、右電動行車、右縱軌、料倉機架及自動收線裝置等組成。陣列磁吸測量裝置主要由陣列機架、信號放大調理器、力傳感器、細鋼繩、電磁鐵及軟電纜等組成。

鋼介質控制裝置在控制系統的控制下進行工作，通過行車的運動，進行陣列磁吸測量裝置的水平平面定位；通過電動葫蘆牽引鋼繩做升降運動，進行陣列磁吸測量裝置的垂直定位，從而將陣列磁吸測量裝置定位在需要的位置；通過控制電磁鐵的通電、斷電，進行鋼介質的吸取和釋放；通過力傳感器的測量、信號放大調理器進行信號放大和調理，經過PLC計算，從而得到每個電磁鐵吸取鋼介質的重量。

3.3 可變道輸送帶的設計

為了實現利用一套補加設備可為多臺球磨機補加鋼介質，設計了由輸送帶、變道裝置及輸出溜槽等組成的可變道輸送帶?？刂蒲b置輸出的鋼介質通過接料裝置進入輸送帶，由輸送帶進行輸送，當球磨機多于一臺時，需要在前面的球磨機給礦口處設置變道裝置，通過變道裝置改變鋼介質的運動方向，使鋼介質向目標球磨機運動，最后經輸出溜槽進入球磨機。輸送帶根據需要安裝成水平式、斜坡式。同一個平臺的鋼介質運輸采用水平式安裝；當料倉與球磨機給礦口之間高度差較小時，并且有足夠的安裝空間，可進行斜坡式安裝；當料倉與球磨機給礦口之間的高度差較大時，需要安裝提升裝置。

可變道裝置主要由電動頭、槽板、牽引桿組成，槽板受電動推桿的牽引進行升、降運動，通過調節槽板位置改變鋼介質的運動方向。當槽板提升時，兩條輸送帶中間出現空隙，鋼介質從空隙落入輸出溜槽并滑入目標球磨機；當槽板下降時，兩條輸送帶通過槽板連接，鋼介質由槽板進下一條輸送帶。

3.4 監控系統設計

監控系統有多個監控界面，主要有操控面板、系統校準、料倉鋼介質動態分布圖、歷史數據顯示、設備動態模擬圖和操作幫助。操控面板是陣列磁吸式鋼介質智能補加系統的核心界面，控制系統主要的操作和監控大多在該界面進行。料倉鋼介質動態分布圖是監控系統對控制系統的料倉鋼介質分布測量結果的圖形顯示，有助于實時監控和系統調試；系統校準界面是控制系統投運前和使用過程中進行各參數調試和校準的主要界面。筆者設計開發的控制系統提供大球、中球、小球和鋼段4種鋼介質的組合監控界面，每種鋼介質的操作界面形式基本相同，限于篇幅，這里僅展示小球、中球、大球的補加控制系統監控界面。主要界面如圖3、4所示。

4 智能化檢測與控制

4.1 料倉物料分布的智能軟測量

要實現三維運動裝置的高效運行，需要實時掌握料倉物料的分布情況。目前對于料倉物料的分布測量主要有傳感器法和圖像法［21］。選礦廠現場鋼介質料倉比較大，并且表面不平整，采用傳感器法不僅需要多個傳感器，投資大，而且檢測不準確；采用圖像法存在攝像頭的安裝位置和圖像處理問題，攝像頭只能安裝在料倉上部，檢測的結果主要是各個位置鋼介質的有無，無法精確測量鋼介質的高度，并且圖像處理算法復雜，需要配備服務器計算機進行大量的數據計算。

為了解決傳感器法和圖像法對鋼介質料倉物位檢測存在的問題，筆者利用各個電磁鐵吸取鋼介質的實時測量數據以及陣列磁吸裝置的運行數據序列，通過對電磁鐵吸取鋼介質的重量數據分析，并結合實際生產過程中料倉鋼介質的分布變化特點，進行料倉鋼介質分布情況的軟測量。根據控制的實際需要，將料倉分為m×n個區域（m為行，一般取3～5；n為列，一般取5～10），每個區域的鋼介質相對量為0～L（L取10～20），0為空，最大值為滿，當料倉補充鋼介質后，各個區域料位自動恢復到滿狀態。也就是當在某個區域吸不到鋼介質，或者吸取的鋼介質低于下限時，就認為該區域鋼介質為空；當料倉補充鋼介質時，就認為各個區域的鋼介質達到滿狀態；每吸取一次鋼介質，對應區域鋼介質相對量減少，并對各個區域的鋼介質相對量進行標記。

4.2 三維運動裝置智能控制

為了使陣列磁吸測量裝置能夠獲取料倉內各個位置的鋼介質并將鋼介質搬運到可變道輸送帶，設計開發了智能化三維運動裝置。陣列磁吸測量裝置吊裝在三維運動裝置上，通過三維運動裝置使陣列磁吸測量裝置可以在料倉內移動和定位。三維運動裝置在控制系統的控制下，根據執行的任務、陣列磁吸測量裝置所處位置、料倉物料分布情況及鋼介質吸取情況等信息，自主進行運動控制。為了消除三維運動裝置運動過程中出現的累積誤差以及限制三維運動裝置的運動范圍，設置了行程開關。同時利用兩個行程開關之間距離不變的特點，自動校準位移測量參數。當運動部件觸碰到行程開關或微動開關時，運動部件自動停止向前運動。

4.3 可變道傳輸帶智能控制

陣列磁吸式鋼介質智能補加系統通過三維運動裝置和陣列磁吸測量裝置實現鋼介質的精確獲取，通過可變道傳輸帶實現由一套鋼介質補加設備為多臺球磨機補加鋼介質?？刂葡到y采用周期性循環補加的工作模式，當需要補加時，自主運行需要的輸送帶和變道裝置，將變道裝置輸出切換到目標球磨機。為了實現給多臺球磨機補加鋼介質，需要在球磨機的給礦口處設置變道裝置（最后一臺球磨機除外）。工作時，變道裝置自動指向目標球磨機，鋼介質向目標球磨機輸送。

5 典型應用設計方案及應用測試

5.1 典型應用設計方案

選礦廠磨礦車間的廠房和設備布置情況各種各樣，需要根據實際情況進行本設備系統的合理化應用設計。下面提供一種用于兩臺球磨機補加4種鋼介質的典型應用設計方案（圖5），該設計方案也可以為其他應用提供參考。該方案的鋼介質料倉平面低于球磨機給礦口平面，需要采用提升裝置將鋼介質從低平面提升到高平面。每個料倉設置一臺鋼介質控制裝置，并且在料倉平面設置一條低位運輸帶，進行料倉鋼介質的匯總輸送，低位運輸帶輸送的鋼介質經提升裝置提高到高位輸送帶，最后經變道裝置和溜槽進入目標球磨機。

5.2 應用測試

完成了原型機的制造并進行了初步應用和測試，測試包括電測試、機械測試和運行測試，得到如下主要技術指標：

鋼介質控制精度 ±0.5%

適用鋼介質范圍 鋼球、鋼段、不規則鋼件

鋼球直徑范圍 10～180 mm

鋼段尺寸范圍 直徑 10～100 mm，長度10～

180 mm

單個電磁鐵最大吸力 50、80、100、120、240 kg，

"""" 可選

適用料倉尺寸 長、寬、高的范圍均為1.5～5 m

輸送帶規格 皮帶寬200 mm，圍擋高60 mm

輸送帶安裝方式 水平式，斜坡式

供電電源 220 V（AC），380 V（AC）（輸送帶）

應用測試結果表明，本設備可適用于鋼球、鋼段以及不規則鋼介質的補加，能適用于大型球磨機、半自磨機和中、小型球磨機的鋼介質補加。

6 結束語

創新性地提出了陣列磁吸式鋼介質智能補加系統的技術方案，并進行了設計與開發，完成了原型機的制造，進行了初步應用測試，達到了預期的目標。該系統不僅控制精度高、適應性強、可靠性高，而且適用于多種類型和規模的球磨機，其推廣應用對于提高磨礦作業的磨礦效率，實現顯著的增產、節能、降耗，在實際應用中展現出極高的現實意義和實用價值。

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（收稿日期：2024-05-28，修回日期：2024-11-10）

Development of the Intelligent Replenishment System for Array Magnetic Steel Mediums

ZHONG Ting tinga， HUANG Song weia， HE Li fangb， CHEN Yong chuna， GAO Xu huia，

WU Li pinga， HE Ji fana， CHENG Guan ruia， TANG Hao poa

（a. Faculty of Land and Resource Engineering； b. City College， Kunming University of Science and Technology）

Abstract" An intelligent technology for replenishing the ball mill with array magnetic steel mediums was proposed and the system thereof were developed. The system mainly composed of array magnetic absorption device， three dimensional movement device， track variable conveyor belt and control cabinet can suit adding steel balls， steel sections and other irregular steel medium. A set of equipment can add steel medium for multiple ball mills. The system has the characteristics of high control precision， strong adaptability and good stability and it has very good practical significance and practical value in practical application.

Key words""" steel medium， array magnetic measuring device， three dimensional motion devices， track variable conveyor belts， smart replenishment