礦山浮選智能化系統研發與應用

中圖分類號：TD679文獻標志碼：A

文章編號：1001-1277（2025）08-0029-06

doi：10.11792/hj20250806

引言

多年來，中國加速推進綠色與智能礦山建設，出臺了一系列政策，引導中國礦業轉型升級，綠色智能發展。礦山浮選工藝過程中的浮選泡沫質量判斷、浮選工藝調整還依賴于人工肉眼實時監控及操作人員的經驗和手動操作，其效率和精確度都不高。為落實國家綠色發展戰略，加快智能化礦山建設，實現地面和井下作業人員大幅減少、礦山安全風險大幅降低的目標，在智能化設備迭代升級的技術背景下，礦山浮選工藝智能化是智慧礦山建設的重要一步[1-4]。本文以某礦山浮選智能化系統建設為例，介紹了一套真正能夠長期投入使用，為生成指標穩定提高帶來實質性幫助的浮選智能化系統，以期為同類型礦山浮選智能化建設提供參考。

1 礦山浮選工藝及自動化現狀

1.1 礦山泡沫浮選概述

泡沫浮選是一種可實現礦物分選的篩選、分離、凈化技術，廣泛應用于選礦領域。一般的礦物顆粒使用常規方法不容易分離，加入浮選藥劑能夠改變礦物顆粒物化性質，在礦物憎水性提高和礦物與氣泡黏附力增加的情況下，礦物的浮選性大幅提升，實現了礦物的富集。泡沫浮選采用起泡劑在一定的注氣速度下形成泡沫后在浮力、表面張力等作用力下對礦物進行分離。

泡沫浮選是一個復雜的過程，操作人員根據泡沫顏色、氣泡大小、氣泡形狀、紋理等狀態信息調整藥劑的投加量，將浮選狀態控制在特定范圍內。泡沫的狀態是礦物的物理化學性質、浮選藥劑、機械和操作條件等因素的綜合反映，泡沫尺寸的分布情況是觀察充氣量 ??^pH 變動、浮選藥劑添加量及表面泡沫附著量等因素的可視化指標，泡沫的顏色能反映出泡沫里礦物的種類和濃縮的信息，泡沫的表面紋理特征變化反映了浮選工況的變化過程，都與生產指標關系密切[5-7]。

1. 2 基礎自動化現狀

目前，浮選藥劑已經實現遠程添加控制，且控制精度較高；浮選液位控制硬件為浮選機配套閥門執行機構、浮球，具備PLC控制系統，已實現模糊液位控制。

2 浮選智能化系統研發

浮選智能化系統主要包括泡沫影像系統、浮選專家系統、浮選進氣精細化控制系統（包含浮選進氣V型控制閥成套設備）等。浮選智能化系統結構如圖1所示。

1）泡沫影像系統。配套泡沫影像系統設備包含粗掃選泡沫影像單元，24口赫茲曼交換機，以及配套的光纖網絡通信設備。

2）浮選專家系統。浮選進氣、液位、部分藥劑的智能化控制系統定制與現場調試，并包含品位分析儀參與智能化控制邏輯基礎編程。

圖1浮選智能化系統結構

Fig.1 Structure of the intelligent flotation system

3）浮選進氣精細化控制系統。依照現場工藝控制特點定制高精度浮選進氣精細化控制V型球閥、一體式執行機構、定位器。4）浮選智能化調試。控制邏輯編程、系統現場定制、現場工藝調試，直至生產指標滿足要求。5）浮選流程主要設備運行聯鎖和信號接入。主要設備的遠程運行監控和聯鎖報警功能。6浮選智能化控制預留。系統界面需要對浮選精選流程、品位分析儀介入進行提前預留，整體浮選智能化界面需要包含控制流程界面。

3浮選智能化系統實現

該系統主要包含泡沫影像系統、浮選專家系統、浮選進氣精細化控制系統3部分。

3.1 泡沫影像系統

在每臺浮選機上方安裝泡沫影像單元，監控浮選泡沫質量，逐步代替人工巡視浮選現場。泡沫影像除了能夠讓操作人員遠程直觀查看各浮選機的出礦情況，還能夠實現泡沫質量監控，將原有感性的泡沫數據進行量化，將以往靠操作人員判斷的泡沫太黏、泡沫太脆、泡沫出礦慢、沉槽、滿槽等現象進行量化，及時發現各浮選槽的異常，并將量化數據提供給浮選智能化系統決策。泡沫影像分析數據界面如圖2所示。

浮選泡沫影像系統功能有：

1）浮選出礦速率監控。通過監控 x 方向出礦速率，連續調整進氣、液位、藥劑，保障每臺浮選機出礦速率在合理區間。在發現粗選溢流品位太低/回收率太低情況下，系統自動調整進氣、液位、藥劑，使浮選出礦速率根據生產指標自動調整。通過監控y方向發現浮選槽異常現象并進行控制。

2）浮選泡沫穩定性監控。泡沫穩定性分為新泡沫穩定性和泡沫流動穩定性，新泡沫穩定性是在視頻范圍內新的泡沫產生后立即破裂的比例，而泡沫流動穩定性是泡沫產生后并流動到出礦下礦口過程中產生破裂的比例。通過對不同的穩定性監控分析發現，這是泡沫層太厚、起泡劑不足、進氣量不足等引起的不同泡沫穩定性現象。針對性地調整浮選進氣、液位、藥劑（起泡劑等）。

3）浮選泡沫大小監控。監控浮選槽各槽的泡沫載礦量、泡沫變大現象。了解掃選一第二槽的泡沫載礦情況。供浮選智能化系統對出礦速率、泡沫層、掃選藥劑調整參考。根據掃選二的載礦情況及跑尾數據，對掃選藥劑進行調整。

4）浮選泡沫覆蓋率監控。監控浮選液面泡沫覆蓋現象，并根據現象調整工藝。在來礦波動時，也有可能出現掃選跑水情況。

5）泡沫溢流排礦監控。監控浮選溢流泡沫，通過溢流槽排礦情況，及時發現泡沫擁堵情況，供專家系統及時調整工藝。

3.2 浮選專家系統

浮選過程中礦物學變化、人選礦漿量較大變化、入選品位變化等多因素導致浮選現場工藝指標波動[8-11]。浮選智能化系統自帶智能化數據處理平臺，對各個浮選槽的變化進行分析監控，快速發現浮選機浮選泡沫出礦速率等指標變差、浮選機液位較快降低導致浮選出礦速率較快降低，實時監控各浮選機的泡沫變化趨勢，供浮選智能化系統及時做出控制決策。浮選專家系統操控界面如圖3所示。

圖2泡沫影像分析數據界面

浮選專家系統可實現的功能有：

圖3浮選專家系統操控界面

Fig.3Interface of theFlotationExpert System

1）浮選出礦速率控制。 ① 出礦穩定控制。實時根據每臺浮選機的出礦快慢變化，自動調整進氣、液位。維持出礦速率在某一區間，避免沉槽、粗選、掃選、精選出礦嚴重偏離。 ② 出礦速率綜合協同控制。浮選智能化系統根據品位分析儀分析數據，使用控制邏輯，自動決策對某一工藝段或多個工藝段進行聯動控制。系統自動根據控制邏輯調整粗選、掃選、精選，或者全流程協同控制，減少跑尾、產品品位過高等現象，維持生產指標穩定。

2）浮選泡沫穩定性控制。通常操作人員將浮選泡沫統稱為泡沫脆、黏，并未進行較好的量化。浮選智能化系統通過分析不同的泡沫穩定性，結合泡沫層厚度變化趨勢，能夠自動選擇調整進氣、藥劑或泡沫層，實現泡沫穩定性在合適范圍。通過收集泡沫穩定性數據、在線品位數據確定粗選各個浮選槽的穩定性控制目標值，并確定穩定性控制邏輯。系統持續跟進監控情況執行控制策略，維持各浮選槽的泡沫穩定性。

3）浮選泡沫層厚度控制。浮選泡沫層厚度實現動態調整，自動設定泡沫層厚度目標值，保障浮選出礦穩定。浮選給礦礦漿流波動較大的現場，浮選智能化系統可以根據供礦礦漿的波動趨勢，實時動態調整礦漿閥的開度，根據給礦趨勢，閥門開度提前開啟，以降低給礦波動導致的液位較大波動。

4）浮選液位控制。浮選智能化控制結合浮選出礦速率快慢變化趨勢，自動設定浮選液位單次回調量。根據液位波動趨勢和變化快慢，自動調整閥門PID設置參數值，系統可以根據品位分析儀數據、出礦快慢，自動設定液位上下限，調整頻率。同時，根據上游液位波動趨勢，自動聯鎖調整下游液位，實現液位平穩過渡，最終實現真正意義上的系統自動設定控制參數。

5）藥劑智能化添加。浮選智能化系統可以根據不同的泡沫狀態、穩定性分析，在某些特殊泡沫穩定性異常情況下，自動選擇連續調整起泡劑等參數，根據現場情況判斷是否投入。

6浮選泡沫防堵塞邏輯。根據泡沫影像監控浮選溢流堵礦情況，及時調整浮選機閥門開關，減少浮選過程泡沫溢出浮選機這一生產異常。

7）智能化系統控制顯示記錄功能。浮選智能化系統設計為開放邏輯、開放系統調試動作，操作人員與系統開放式交流。操作人員可以實時監控和評價系統執行情況，選礦人員可以根據系統的實時情況及時分析工藝異常根源并及時調整修正，管理人員可以通過系統歷史數據分析，對比不同操作班組智能化系統使用的優劣，及時督促現場充分利用浮選智能化系統。

8）浮選全流程頂層控制邏輯預留。雖然本次為粗、掃選智能化系統，系統架構和控制邏輯預留依然需要考慮精選智能化控制系統需要。在粗、掃選智能化完成后，系統可以根據在線品位分析儀數據，自動按照控制邏輯先后順序，實現浮選現場進氣、液位、加藥智能調整，保障浮選泡沫質量管理，保障浮選各工藝段生產指標的穩定。

9全浮選流程PID監控。浮選智能化系統能夠對浮選工藝流程PID等進行監控，確保浮選智能化實施基于基礎自動化的穩定運行。在基礎自動化異常時，系統自動限制部分工藝的智能化投入。

10）智能化系統動作評估。其能夠很好地判斷浮選智能化系統是以“專家”水平進行控制，還是以“普通操作工\"水平進行控制。及時發現各個工藝段的系統投人率，各個工藝段智能化系統對工藝的幫助效果如何。管理人員能夠根據統計數據及時調整控制邏輯庫。

11）智能化數據處理平臺。智能化數據處理平臺是智能化系統的大腦，快速大量的數據處理、過濾與分析是專家系統進行正確決策的前提。該軟件具備了數據存儲、數據分析、數據顯示、數據趨勢跟蹤、多因素對比功能。獨立的智能化數據處理平臺，不占用DCS原有資源。

12）數據導出分析功能。浮選智能化系統需要具備所有通信數據，導出功能，以便對特定參數進行分析。

13）智能化系統投入率跟蹤功能。浮選智能化系統能夠自動統計各個班組智能化系統的投入和使用情況并提供每日報表。

3.3 浮選進氣精細化控制系統

根據智能化系統在每個工藝段的調整精度需求，工藝特性，定制高精度V型球閥、進口氣動執行機構，增加ABB定位器，并將相關信號上傳回PLC，最終實現浮選進氣的精細化控制。

浮選過程控制是氣體、液位、藥劑三者共同作用的結果，有經驗的操作工不僅會對泡沫層厚度進行調整，而且在不同工藝狀況下，粗選1槽、2槽的進氣會根據出礦效率進行調整。經過調試和驗證，浮選進氣的精細化控制效果明顯。因此，閥門的更換是浮選智能化項目進行的必要工作[12-19]

卡斯托閥門產品覆蓋了自動化過程控制所涉及的大部分閥門：球閥、蝶閥、調節閥、閘閥、截止閥、止回閥、過濾器，以及相關的電動、氣動控制機構。尖端的生產技術和嚴格的質量控制系統確保了產品的可靠性，而且能適應相關的國際標準。卡斯托閥門所有閥門產品在出廠前均采用氮氣或氮氣進行產品測試。同時，還可根據客戶要求在更加苛刻的條件下進行測試。

4浮選智能化系統應用

某礦山為特大型地下金屬礦山，礦石產量超過1000萬 ua ，每年可生產鐵成品礦約400萬t、銅成品礦約3萬t。根據礦山智能化和安全生產的需要，開發了浮選智能化系統，并成功應用。該礦山浮選智能化系統如圖4所示。

根據生產報表數據統計結果，在相同原礦品位前提下，泡沫速率穩定性相對增加了 30% 以上，回收率絕對值提高 1.01% ，浮選智能化系統投人前后粗選泡沫速率如表1、圖5所示。

浮選智能化系統通過對給礦金屬量變化及時做出調整，不再需要人工過多干預，生產流程更加穩定，現場崗位操作人員減少4人，實現減員增效，提高勞動生產率，關鍵工藝參數的閉環優化控制使生產效益達到最大化，班組間回收率波動也明顯減小，經濟效益顯著。該礦山成為地方乃至全國的綠色、智能化示范礦山，提高了智慧礦山建設的整體水平，取得了較好的社會和經濟效益。

表1某礦山浮選智能化系統投入前后粗選泡沫速率對比

Table1Comparison of roughingfrothvelocitybeforeand after application of the intelligent flotation system

圖4某礦山浮選智能化系統

5結語

浮選智能化系統實現了浮選進氣精細化控制、浮選液位、藥劑標準化操作，并及時對工藝進行調整。浮選智能化系統在應對給礦金屬量變化、及時調整方面展現了較大優勢，操作頻率、操作及時性均遠高于操作人員手動操作。浮選智能化系統實現了浮選工藝基礎自動化提升、浮選工藝控制標準化操作，最終實現生產穩定，工藝指標提高的目的。

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Development and application of an intelligent flotation control system for mines

Wu Hongmeil，Hu Yiduol，Lin Anchuan1，Cai Zhengpeng2 （1.Kunming Vocational and Technical Collegeof Industry;2.Yuxi Dahongshan Mining Co.，Ltd.）

Abstract： In response to the problems in flotation operations where froth quality assessment and process adjustments stillrelyheavilyonmanualreal-time monitoring andoperatorexperience，resulting inlow eficiencyandaccuracy， this studydevelopsan inteligentflotationcontrolsystem formines.Thesystem isdesignedtoberobustforlong-term deploymentandcapable of delivering substantial improvements in product quality and stability.Itaims to transform flotationoperationsintoadomesticallyleading，inteligent grinding-flotationcoordinatedcontrolsite that aligns with international standards.The intelligent flotation control systemutilizesa froth imaging system to capture flotation frothdata，whichareanalyzedandquantifiedthrough imagerecognition.AFlotationExpertSystem model is thenestablished for integrated analysis.Mineflotationrefinedair inflowcontrol system is developed.The paper presents the system'sarchitecture and functions.The intellgent control enablesreal-time monitoring，interaction，and precision controlofflotation data，enhancing operational efficiencyandrecovery rates in mineral processing，accelerating the constructionof intellgent mines，and providingavaluablereferencefor intelligentflotation system developmentin mining enterprises.

Keywords：flotation process;intelligentization;froth imaging system; Flotation Expert System; flotation air inflow control system; intelligent control