有色金属选矿生产运作管理分析与设想

2021-02-23郭振宇朱颖舟邹国斌刘继明

中国矿业 2021年2期

郭振宇，朱颖舟，邹国斌，刘继明

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.矿冶过程自动控制技术国家重点实验室，北京 100160；3.矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室，北京 100160；4.清华大学自动化系，北京 100084；5.安徽铜冠(庐江)矿业有限公司，安徽庐江 231500)

选矿是根据矿石矿物性质，采用有效的方法，将有用矿物与脉石矿物分开，并使各种共生的有用矿物尽可能相互分离，获得冶炼或其他工业所需原料的过程[1]，是矿产资源从矿石到金属制造过程的关键一环，也是有色金属企业管理的重点。有色金属矿山选矿(以下简称“选矿”)生产原料没有国家及行业标准，但出厂产品需符合国家及行业标准，且价格由市场决定，这就需要行业企业不断提升选矿生产效率，以应对市场波动与行业竞争。生产运作管理所追逐的目标是高效、灵活、准时、清洁地生产合格产品和(或)提供满意服务[2]。分析选矿生产运作管理现状，有利于发现生产管理中的问题和改进方法，这对提升生产效率，提高生产质量具有重要意义。CORDER等[3]阐述选矿可持续发展的运作理念与方法，但没有涉及生产过程；黄瑞强等[4]仅对选矿生产作业计划与控制方式进行分析；何学东等[5]从制度管理和现场管理两个方面阐述选矿厂的生产运作管理，覆盖不全。本文针对有色金属选矿生产类型和特点，结合现代生产运作管理方法[2,6]，对选矿生产运作管理现状进行全面分析，以信息技术进一步发展为背景，对未来选矿生产运作管理方式提出设想，为矿山企业的生产管理提供新思路，亦为其智能化建设提供参考。

1 选矿生产类型与生产特点分析

根据选矿定义[1]可知选矿过程是加工制造过程，从事选矿生产的企业不对外提供服务，故选矿生产是制造型生产系统。选矿过程由一系列连续作业组成，通常包括选矿前的矿石准备作业、选别作业和选后脱水作业[7]，生产过程连续，故选矿生产是流程型生产系统。有色金属资源一般经过采矿-选矿-冶炼-深加工生产系统后被加工成金属产品出售。国内有色金属矿山一般隶属于大型国营或民营矿业集团，矿业集团一般将采矿-选矿生产系统设立为独立矿业公司，冶炼生产系统设立为独立冶炼公司，矿山企业产品——精矿，是冶炼企业的原料。金属年产量由集团统一制定，矿业公司据此制定精矿生产计划，故选矿生产是备货型生产系统。选矿生产特点分析如下所述。

1) 流程连续，工艺复杂。选矿生产流程长并相互影响，生产连续，加工过程不可分割，存在物料返回与混合的情况。生产过程伴随物理化学反应，以及物质和能量转移，过程机理复杂。受加工原料性质变化影响，生产流程波动频繁。过程非线性，生产全流程优化并非局部单元优化的简单叠加。

2) 对原矿适应性差，产品品类少。生产工艺是针对特定性质的原矿加工和某(几)种特定金属的选别而设计。以铜陵有色集团下属庐江矿业选矿厂为例，原矿矿床属于斑岩铜矿，易碎难磨、品位低，磨矿流程针对性地采用半自磨-球磨-顽石破碎工艺，该厂产品只有铜精矿、铁精矿，无法生产其他金属产品。

3) 设备故障对企业影响大。以庐江矿业选矿厂为例，该厂年处理量为330 t，每天处理约1万t原矿，原矿铜品位约为0.5%，回收率约为90%。选矿核心设备为半自磨机，若因为故障停机1 d，则损失约45 t铜产量，铜价按4.8万元/t计算，损失约216万元。设备停车再启动需要调整几个小时才能将流程全线调稳，生产紊乱直接影响生产指标。

2 选矿生产运作管理分析

针对有色金属选矿的生产类型划分，以及生产特点带来的对于生产管理的挑战，行业企业不断探索有效的生产运作管理方式。选矿生产运作管理主要任务是对生产输入、过程、输出环节信息流的有效处理，保证物料流稳定、高效流通(图1)。

本文通过现代生产运作管理方法，对图1表征的信息流进行分解，对目前的管理方式进行总结，形成如图2所示的生产运作管理框架，并通过该框架对有色金属选矿当前的生产运作管理方式进行详细分析。

图1 选矿生产信息流与物料流

图2 选矿生产运作管理框架

2.1 需求与生产预测

有色金属需求与生产预测工作由集团公司开展，作为制定综合生产计划的依据。金属资源作为战略物资，众多因素会对需求与生产预测造成影响。金属价格是重要影响因素，其影响因子有供需基本面及宏观经济形势、货币政策、金融因素[8]。此外，矿产资源开发不仅是企业战略，更是国家战略，生产会受国家宏观调控影响。所以矿山企业需要综合考虑诸多因素才能开展该项工作，同时使用套期保值等金融工具对冲风险。选矿厂基本不开展需求与生产预测工作，而是根据集团下达的综合生产计划安排生产。

2.2 综合生产计划

选矿厂的综合生产计划主要包括原矿年处理量和金属年产量，每年滚动编制。选矿厂每年根据上一年原矿品位波动情况和实际生产能力初步制定年度生产计划上报集团，经集团综合统筹研究后批复下发，作为实际的综合生产计划。集团公司会同步下发生产质量要求，包括金属回收率(回收率低意味着金属流失、资源浪费)、精矿品位、精矿水分等。矿业公司接到集团的综合生产计划后编制生产计划表，将综合生产计划分解成月计划。

2.3 生产作业计划与控制

生产作业计划是根据综合生成计划制定的月生产计划，一般由矿业公司按月下发至选矿厂。选矿厂根据各项生产指标完成情况制作生产报表，以班、日、月为周期统计生产进度与指标数据。如果发现当前生产完成情况偏离计划或生产质量不达标，则及时调整生产或分析工艺，形成生产作业计划与控制管理闭环。很多选矿厂采用人工制作纸版的班、日报表的方式管理，效率低。选矿厂通过自动化系统实时监控生产，由中控人员集中操作自动化系统，并调度现场岗位人员。中控人员与现场人员一般通过电话、对讲机相互沟通。假如选矿厂没有自动化系统，只能通过人力巡检方式了解现场生产情况，耗时费力。

2.4 库存管理

选矿生产虽然是备货型生产系统，但生产的精矿产品会被直接运输至冶炼厂。选矿厂的精矿堆场可认为是库房，场地一般设计较小，仅做精矿的临时堆存。运输精矿的车辆出厂时在地磅系统称重，实时统计精矿出厂产量。精矿出厂产量反映作业计划完成情况，是生产进度控制依据。

2.5 生产资源管理

选矿厂生产资源主要包括两类：生产物料和能源介质。生产物料包括钢球、药剂以及备品备件等；能源介质包括生产用水、电、风、气等。

生产物料的管理包括需求计划与消耗统计。选矿厂每月初根据钢球、药剂等生产物料上月消耗情况以及本月生产计划制定需求计划，并将需求计划反馈供货厂商，厂商一般在2周内供货。选矿厂根据备品备件日常消耗情况、库存及使用经验制定需求计划，需求计划反馈集团公司，由集团统一采购。这种统一采购方式虽然降低了采购成本，却延长了供应周期，所以选矿厂备件需求计划需提前制定，提高需求量，往往导致备件库存积压。生产物料的使用情况通过每月制作消耗统计报表、盘点库存方式管理，需要投入一定的人工。能源介质管理的主要内容为消耗统计，以制作统计报表为管理手段，可反映生产成本。通过仪表计量水、电、风、气等能源介质消耗。选矿厂按工段、车间、全厂分别作为统计单元，制作各类能源介质消耗的班、日、月统计报表。对于磨机等高能耗设备，均会独立统计电能消耗，制作成关键设备能耗统计报表。

2.6 生产质量管理

安全生产是生产质量的重要方面，是生产运作管理的首要任务，选矿厂通过建立管理制度进行管理。例如，庐江矿业选矿厂采用“全员参与，落实到人，设置奖惩措施”等一系列管理制度，但无法实现定量管理。

生产指标直接表征生产质量，如磨矿流程的溢流粒度、浓度，浮选流程的精矿、回收率等指标。通过第1部分对选矿生产特点的分析，选矿流程易受原矿性质变化和设备异常影响而导致紊乱，直接影响生产进度与指标。假如出现生产紊乱或指标异常，需要生产人员及时分析，人工调整操作参数来纠偏，这对生产人员的个人能力和经验要求较高。

金属平衡通过分析实际回收率和理论回收率的关系考核金属流失情况，是生产质量管理的重要内容，主要参照国家颁布的金属平衡管理规范进行管理。选矿厂每月召集生产、质计等部门开金属平衡会，讨论分析金属平衡情况与改进措施。

对于流程行业，设备运转是否正常直接影响生产进度与质量，所以设备运转率、单位能耗，均代表生产质量。选矿厂建立过程监控、平日点检、周期运维制度进行设备管理。为降低设备单位能耗，采用“避峰就谷”方式操作设备：周期性运转设备规定在用电波谷时段生产；连续性生产设备启停在电波谷时段完成。

3 选矿生产运作管理设想

根据上述分析，目前选矿生产运作管理各方面手段较为粗放，很多环节由于缺少信息化辅助，生产数据统计周期长，管理信息流通不畅，若以图2框架为各管理环节设立独立的信息化系统，必须规划访问接口、管理主数据，给数据交互与治理带来不便；此外，现场生产决策主要靠人，集团公司无法实时了解生产情况，无法高效地实现产业链协同管理。在新的信息技术环境下，信息技术将推动制造业技术与管理的革新[9]，选矿厂应构建信息技术驱动的生产运作管理模式。结合选矿生产运作管理现状与新一代信息技术的应用，本文从三个视角对未来选矿生产运作管理方式提出设想。

3.1 以集团视角

按“云-边”架构(图3)建设信息化系统，通过对旗下企业提供各类信息化服务方式对生产数据全面集成，促进集团信息化集约化建设，可对各生产节点综合调度，总体寻优。集团云端企业资源计划(enterprise resource planning，ERP)服务与下属选矿厂等生产企业边缘侧的制造运行管理(manufacturing operations management，MOM)系统数据互通，有利于集团精准了解当前生产质量情况和资源用量与需求，能更为精准地制定并派发综合生产计划，选矿厂也能更为精确地制定生产作业计划并执行。该架构使矿业集团从产业价值链综合管理出发，根据市场变化，实现产、供、销的综合均衡，而不是拘泥于对下属各生产企业的单点管理。

图3 矿业集团“云-边”信息化建设架构

3.2 以选矿厂视角

由于选矿生产始终是流程型的生产类型，选矿生产运作管理重点仍是保证物料连续和每个生产环节稳定运行。选矿厂可采用生产智能操作系统[10]实现生成工艺流程智能控制。流程工业的设备运维稳定生产关键要素，设备智能运维系统[10]将最大限度提高设备健康运转率、节能降耗。生产运作管理上使用厂级边缘侧MOM服务提高管理效率，MOM提供生产作业计划与控制、生产资源管理、质量管理等多个服务(图4)。对比图2框架，图4框架将管理环节的信息交互转变为信息系统内部的数据交互，是对当前生产运作管理手段的全面信息化升级，可将从传统上的每班、每日统计数据，提高到实时统计，大幅提高决策效率。

图4 选矿生产运作管理框架设想

3.3 以生产工艺视角

生产技术手段及管理模式的革新，对生产的根本即工艺促进作用有限。选矿生产是选矿工艺的工业化实现，如果工艺老旧，即使有先进的工艺装备、信息化系统与生产管理模式，生产效率也不会高。选矿工艺的革新将促进生产运作管理效率的提升，故如何采用新技术推动选矿工艺研究才是生产的根本，需要包括矿物加工与信息科学等多学科融合去研发新工艺，基因矿物加工工程[11]是未来方向。