尼尔森选矿机断带保护技术及应用

徐根全 张云鹏 姜旭 吴杰 吴平坤

摘要：采用尼尔森选矿机等重力选矿方式配合浮选作业，已是贵金属选矿厂的重要生产工艺模式。某矿山在实际使用尼尔森选矿机时传动皮带经常断裂，造成溢浆现象，导致贵金属流失，造成经济损失，且容易引发环保事故。通过研究尼尔森选矿机的工艺特性，找出传动皮带频繁断裂的原因，研发了尼尔森选矿机断带保护技术。通过在尼尔森选矿机启动电路中加装变频器将电动机直启变为软启，缓解了因设备启停频繁对传动皮带造成的冲击;根据传动皮带断裂后的电流异常特性，编写了电流保护程序，利用自动化控制系统对尼尔森选矿机电流进行监测，可及时发现传动皮带断裂故障。该技术应用后，每年可减少贵金属流失损失20多万元。

关键词：尼尔森选矿机;断带保护;自动化控制;电流监测;变频器

中图分类号：TD455

文章编号：1001-1277（2022）06-0048-05

文献标志码：Adoi：10.11792/hj20220611

引 言

尼尔森选矿机是一种高效选别金、银和铂族贵金属的离心设备，作为重力选矿主要设备之一，具有无环境污染、适用面广的特点[1]。该设备利用离心力产生高倍“强化重力”的特性，进一步提高了重力选礦效率。实践证明，尼尔森选矿机能很好地适用于贵金属选矿和许多其他矿物的选别，如从矿石及其他固体物料中回收金、银和铂族等贵金属，是一种高效的重力离心选矿设备，已成为各种规模黄金、有贵金属伴生的有色金属选矿厂选用的重力选矿设备[2-3]。

随着国内对环保问题的重视和要求的提高，采用尼尔森选矿机等绿色高效的重力选矿方式配合浮选作业已经是贵金属选矿厂的重要生产工艺模式。但是，由于该设备的特殊运行模式，容易出现传动皮带断裂故障，如果不能及时发现并处理，会导致金属流失和环保安全隐患。因此，研发尼尔森选矿机断带保护技术，保障尼尔森选矿机的正常稳定运行，对提高选矿作业金回收指标、提高环保安全系数极为重要。

1 工程背景

某矿山主要产品为金精矿及合质金（矿金）。为适应新形势下的经济发展需要，该矿山积极推进3 000 t/d改扩建工程，将生产方式落后的矿山改建为拥有高新技术的高度自动化现代化矿山，原处理矿石2 000 t/d的生产规模提升到3 000 t/d，进一步把资源优势转化为经济优势，于2018年完成改扩建工程并投入生产运营。该矿山开采方式为地下开采，开拓方式主要为平硐开拓和平硐斜井联合开拓，采矿方法以中深孔房柱采矿法为主。破碎工艺采用两段一闭路，颚式破碎为粗碎，圆锥破碎为中细碎，磨矿作业采用溢流型球磨机磨矿和旋流器分级，选矿方式为浮选加重选选矿工艺，尾矿由砂泵输送到尾矿库。

重选设备选用2台KC-QS40间断排矿型尼尔森选矿机，平均产金量为1 600 g/d。在磨浮选别作业中加入了重选工艺流程，可以实现颗粒金的预选回收，弥补了浮选无法捕收粗粒金的短板，避免粗粒金在浮选流程中进入尾矿直接排放，造成金属流失。因此，2台尼尔森选矿机在选别作业中对提高金回收率起到极其重要的作用。但是，在使用过程中尼尔森选矿机经常发生传动皮带断裂故障，为此

运用变频技术解决尼尔森选矿机因频繁启停造成的传动皮带断裂问题及断带后带来的不利影响[4-6]。同时，根据传动皮带断裂后电动机电流突然发生变化的现象，利用电流监测技术实现控制系统自动识别故障，及时发现故障，自动关闭进浆阀并给出报警动作，可以避免金属流失和环保安全隐患。

2 尼尔森选矿机断带保护技术

2.1 工作原理

尼尔森选矿机由分选机构和给矿管、排矿管、供水装置、驱动、自动控制系统和机架等组成。

其中，分选机构是一个内壁带有反冲水孔的双壁锥，由2个可一同旋转的立式同心锥构成，外锥与内锥之间构成一个密封水腔，内锥的内侧有数圈沟槽，称为富集锥，并有按一定设计排列的进水孔，称为流态化水孔。设备结构示意图如图1所示。

尼尔森选矿机是基于离心原理的强化重力选矿设备，通过设备的特殊结构设计，将矿浆输送至设备中带有沟槽的富集锥进行选别，电动机带动富集锥进行高速旋转，在高倍的强化重力场内，矿浆中密度大和密度小的矿物重力差被放大，在流态化水和干涉沉降的相互作用下，重矿物颗粒通过富集锥旋转产生的离心力向富集锥的沟槽中沉积，而轻矿物颗粒则无法沉积在沟槽中，在离心力作用下沿富集锥壁向上排出，作为尾矿处理，从而实现矿物颗粒按重力分选，达到对矿物选别的目的。

当选别作业持续一定时间时，选别层富集锥的沟槽内富矿越集越多，最终失去富集作用。因此，设备自动控制系统会设定一个富集时间，达到该设定时间后，将自动关闭进浆阀停止进浆，富集锥停止旋转，通过反冲水将沟槽内的富矿冲下，收集引入富矿收集箱，进行下一步工艺处理。

2.2 断带原因

1）在实际作业中，每完成一次冲洗、进浆、富集动作就必须启动一次富集锥，每排矿一次需停转一次富集锥，每47 min需直接启动富集锥主电动机，且尼尔森选矿机主电动机原为直启方式（主电路与控制回路控制原理如图2所示），传动皮带为齿形同步皮带，对传动皮带的负荷冲击是导致皮带断裂的主要原因。

2）应用尼尔森选矿机断带保护技术前，尼尔森选矿机只有水压及水流量监测和报警功能，没有电流监测和报警功能。当设备发生传动皮带断裂故障时，电流已经发生很大变化，但不能及时发现故障，无法给出报警信号，也无法给出相应的应急保护动作。同时，由于传动皮带安装在安全防护保护罩中，故障较隐蔽，操作人员无法及时发现，最终造成尼尔森选矿机发生断带故障，在富集锥停转状态下，未能及时停止供浆，最终导致矿浆外溢，造成停机停产。

2.3 断带保护措施

2.3.1 主电动机由直启变软启

利用变频器优良的软启功能，在原来的主电路中加入英威腾Goodrive200型变频器，在控制回路中，将主电路通电闭合信号采集作为变频器启动信号，原来直接启动电动机的信号，变为启动变频器的信号，再由变频器带动电动机，使原来直启方式变为变频器软启方式，解决了尼尔森选矿机容易断带的故障，改进后的尼尔森选矿机主电路和控制回路控制原理如图3所示。

由图3可知：变频器功能端子S1为启动端子，由电动机主电路接触器常开触点K1作为变频器启动信号，系统发出启动信号，主电路接触器常开触点K1闭合，变频器自启动，按加速时间加速，完成软启动。停机时，主电路接触器常开触点K1断开，变频器关闭，富集锥停转。

2.3.2 电流突变监测和保护

尼尔森选矿机发生断带故障时，主电动机因突然失去负荷，电流会突然下降，超出正常值。通过电流传感器采集主电动机电流模拟量信号，再将其传输到自动化控制系统中的可编程控制器中，由可编程控制器的模拟量模块将电流模拟量信号转化为数字信号，再将该数字信号发送到可编程控制器中的电流突变保护程序，程序对当前电流值进行实时比较和监测，判断当前主电动机电流值是否在正常范围内。如果设备在运行状态下，电流突然下降，超出正常值，程序则通过比较，判断设备出现断带故障，输出保护动作，控制进浆阀门关闭，同时给出报警信号，确保故障能及时处理，避免造成不利影响。

采用西门子S7-400可编程控制器作为自动化控制系统，西门子PC-S7作为编程软件，程序采用梯形图编程方式，电流保护程序梯形图如图4所示。由图4可知：程序段45为1号尼尔森选矿机断带保护程序，程序段46为2号尼尔森选矿机断带保护程序。在程序段中， CMP

程序段中，首先由M134.4和M134.6判断当前设备是否处于开机运行状态，如果未接通，表明设备处于停机状态，则不需要运行保护程序，程序段不再进行电流值比较计算。

如果M134.4和M134.6接通，表明设备处于开机运行状态，则说明需要投入保护状态，程序段需要运行保护程序，进行下一步比较工作，由CMP

3 应用效果

尼尔森选矿机从2018年12月正式投产，至2019年12月未应用尼尔森选矿机断带保护技术，2台尼尔森选矿机平均每2个月发生1次断带故障，由于故障隐蔽，都未能及时发现，只有第二天发现精矿溢出，通过检查才发现尼尔森选矿机传动皮带断裂故障。每次故障发生后最快要12 h才能发现，造成12 h的贵金属流失，按日均产金1 600 g，黄金价格340元/g计算，每次贵金属损失达20多万元。

2019年12月应用尼尔森选矿机断带保护技术后，一年内2台尼尔森选矿机只发生过1次断带故障，且由于应用了尼尔森选矿机断带保护技术，及时关闭了进浆阀，并给出报警信號，在第一时间发现了故障，并及时抢修更换，使设备恢复了正常生产，不仅保障了生产的顺利进行，同时也防范了安全环保事故。

4 结 论

1）利用变频器优良的软启功能，变尼尔森选矿机电动机直启为软启，解决了尼尔森选矿机因需要频繁启停导致的断带故障，增加了设备使用寿命，提高了设备生产效率。

2）尼尔森选矿机发生断带故障时，设备电流是最好的反映对象，通过编写电流保护程序，利用自动化控制系统对尼尔森选矿机的电流进行监测，能够在传动皮带断裂导致电流出现异常时，及时关闭设备的进浆阀并向中控室发出警报，有效防范了断带故障引起的停机停产、贵金属流失、溢浆等严重影响生产效益和安全环保的事故，提高了生产效率和安全环保系数。

[参 考 文 献]

[1] 孙玉波.重选设备的技术现状与发展前景[J].冶金矿山与冶金设备，1996（3）：7.

[2] 刘伟，井维和，张永贵，等.尼尔森选矿机在磨矿分级回路中的配置及应用[J].黄金，2015，36（8）：56-60.

[3] 王小生，陈贵民，张建，等.抱伦金矿尼尔森重选—浮选工艺研究与应用[J].黄金，2021，42（6）：69-73，77

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[4] 田忠喜，解少军，宋国荣.KC—CD型尼尔森重选设备在选厂生产中的应用及维修改造探讨[J].新疆有色金属，2010，33（6）：52-53.

[5] 吕小强.变频器在电机拖动及其控制领域的应用分析[J].山东工业技术，2019（9）：172.

[6] 陈小辉，宋洪旺.尼尔森选矿机在某金选厂重选改造中的应用[J].现代矿业，2018，34（4）：137-139，141.

Belt break protection technology and its application to Nelson concentrator

Xu Genquan，Zhang Yunpeng，Jiang Xu，Wu Jie，Wu Pingkun

（Jiangxi Jinshan Mining Industry Co.，Ltd.，China National Gold Group Co.，Ltd.）

Abstract：Gravity separation with Nelson concentrator assisted by flotation is an important production process pattern adopted in precious metals concentrators.The convey belt frequently breaks when a mine uses Nelson concentrator in actual production，causing pulp overflows and precious metal loss，probably leading to economic loss and environmental accidents.By studying the technical characteristics of Nelson concentrator and finding out the reasons of frequent conveyor belt break，belt break protection technology for Nelson concentrator is developed.The addition of frequency convertor to the starting circuit of Nelson concentrator converts direct start of electric motors to soft start，and alleviates the impact of frequent start to conveyor belt;based on the current anomaly characteristics after the belt break，current protection is programmed.Automated control system is used to monitor Nelson concentrator so that the belt break can be found in time.The application of the technology can reduce precious metal loss that is worth about 0.2 million yuan annually.

Keywords：Nelson concentrator;belt break protection;automated control;current monitor;frequency convertor

收稿日期：2021-10-22; 修回日期：2022-03-14

作者简介：徐根全（1970—），男，浙江巨县人，工程师，从事电气自动化设备管理工作;江西省德兴市花桥镇，中国黄金集团江西金山矿业有限公司，334213;E-mail：104522908@qq.com