基于SAB磨矿智能系统的旋流器结构优化与运用

2022-11-14何泽平李显杰张伟明

铜业工程 2022年5期

何泽平，李显杰，江帆，詹涛，张伟明，周坤

（江西铜业股份有限公司城门山铜矿，江西九江 332100）

1 引言

城门山铜矿二期选厂是矿山主力选厂，日处理能力为5000t，一段磨矿采用半自磨机开路、球磨机+旋流器闭路的SAB流程磨矿工艺，由2台1200×6048重板给料机、1台5#皮带运输机、1台MZS-6433半自磨机、1台MQY-4870球磨机、2组FX660-GT-7水力旋流器和2台粗砂泵组成。作为露天开采矿山，受原矿性质多变、粒度不均等因素影响，磨矿产品质量不稳定，产品粒级分布存在两极分化现象。在智能化矿山建设中，开发并投用SAB磨矿智能控制系统［1］，通过磨矿智能化控制系统对SAB工艺流程的磨矿设备、过程仪表、分析仪器数据进行了集成，智能系统对采集的综合数据进行分析，实现磨矿工艺操作自动控制。

2 SAB磨矿智能控制系统开发与运用

在SAB磨矿智能控制系统开发与运用中，通过对磨矿溢流矿浆产品多粒级建模研究，建立了磨矿溢流矿浆产品在线分析模型，并进行生产数据检测。基于磨矿产品质量的数据分析，根据磨矿优化策略，系统自动调控磨矿浓度、加球量、磨机转速等变量，达到了稳定磨矿产品质量、节能降耗的目的，建立了综合管控平台。同时，与自动控制系统有机组合，对磨矿优化系统进行监控和在线调整，实现磨矿效益最大化。

2.1 磨矿智能控制系统的开发

传统的智能控制系统是作为DCS系统［2］的后台或同级独立运行的，但是由于缺少与生产指标动态监控系统的结合，设备条件或者工艺条件发生改变后，智能控制策略难以适应生产。为保持磨矿控制系统与生产高度契合，对磨矿智能控制系统进一步开发，主要内容为前台系统和后台系统两部分。

前台系统取代DCS系统的磨矿监控系统，面向操作工和调度人员，能够实现无人化控制、单回路自动控制和手动操作。后台系统主要是生产数据应用管理平台，用于采集工艺设计指标、设备技术参数、设备运维过程数据、能源监控数据、生产KPI指标系统和控制建模仿真系统。后台系统作为前台系统的校准器，当设备条件、工艺条件发生变化时，及时修正前台系统的控制策略，从而保证前台系统持续有效。

2.2 磨矿产品多粒级建模研究

在多粒级建模研究中，主要是对矿物嵌布粒度和解离度的测定，建立在线粒度分析系统对磨矿产品进行取样、样品测量、数据建模等环节。衡量矿物解离是否充分的指标称为解离度［3］，即该矿物单体解离粒子的颗粒数与含有该矿物的连生粒子颗粒数和该矿物的单体解离粒子数之和的百分比，用Fa表示，则如式（1）所示：

其中，fa是矿物的单体解离粒子的颗粒数；La是矿物的连生粒子颗粒数。

解离度的测定、评价以及预测是十分复杂的，主要是通过三种途径来实现：数学模型，图像转换，重液分析。在磨矿智能控制系统开发中,我们通过引进矿浆在线粒度分析系统［4］实时监测测量矿浆粒度，建立、健全粒级数据模型，提供稳定可靠的产品粒级数据。

建立在线粒度分析系统后，可以精确分析磨矿产品粒级和原矿有用矿物单体解离度的实时数据。通过对数据进行集成并反馈到后台系统，及时调整前台控制策略，可以稳定产品粒级，为浮选提供更优的作业条件。原矿中有用矿物Cu、S矿物解离度特征表如表1、表2所示。

表1 原矿中Cu矿物解离度特征表

表2 原矿中S矿物解离度特征表

2.3 SAB磨矿优化控制的应用

SAB磨矿优化的控制策略以半自磨机衬板的使用周期作为控制策略的时间阶段限定的依据，衬板使用周期分为前、中、后三个时期。其中自动调整的判断依据分为半自磨机的负荷、半自磨机功率的增长速度、磨矿产品的粒级。其控制策略优先根据半磨机负荷、半自磨机功率的增长速度和磨矿产品的粒级进行往复执行。其SAB磨矿优化控制保持磨机最佳状态，较好地发挥半自磨机的破碎效果和研磨效果，间接减少磨机衬板的磨损，降低磨机的功耗和物耗，使其生产更稳定、更高效。

3 一段磨矿分级优化

SAB磨矿优化控制系统应用到生产现场后，能较好地应对矿石性质、磨机设备本体特性变化，对稳定磨矿工艺流程和产品质量有积极作用。但磨矿产品粒级组成与旋流器分级特性有直接联系，旋流器结构［5］不同，特性会发生变化，其分级效率、溢流产品质量随之改变。基于SAB磨矿智能控制系统的开发和应用，为一段磨矿分级的优化分析提供了稳定的磨矿工艺参数。通过对磨矿产品粒级组成进行分析，以及对FX660-GT旋流器结构进行研究，我们通过优化旋流器结构工艺参数，提高了磨矿产品质量，创造了更佳的浮选作业条件。

3.1 溢流产品粒级分析

经现场取样和统计，旋流器溢流产品数据如表3所示。

表3 FX660-GT旋流器溢流产品数据

数据结果表明：旋流器溢流中-200目粒级含量偏低，溢流粒度较粗，分级效率［6］不佳，粗细粒级相互夹杂，分级效果不理想，磨矿分级作业返砂比较高，影响磨矿效率，不利于后续的选别作业。为了提高旋流器分级效率，改善旋流器溢流粒度组成，针对旋流器结构展开研究，进行实践应用。

3.2 旋流器进料方式的研究

为提高660旋流器分级效率，我们引进新型螺旋旋流器［7］组，并与传统旋流器组进行对比研究，两种旋流器进料体结构如图1所示。

图1 渐开线（左）、新型螺旋线（右）进料体结构图

我们对传统渐开线入料方式和新型螺旋线入料方式进行研究，对矿浆在两种不同入料方式下进行流速测定，其示意图如图2所示。

图2 渐开线（左）、新型螺旋线（右）入料方式矿浆内部流速示意图

根据以上测试分析，渐开线进料体存在局部速度过大区，该区会加重局部湍流程度，导致粗颗粒混入内旋流器和细颗粒混入外旋流器的概率增加；螺旋线进料体旋流器，进料速度均匀，没有局部速度过大区，因此较渐开线进料体内部流场平稳。同时对矿浆入料流体迹线进行模拟，其效果图如图3、4所示。

图3 新型螺旋线入料流体迹线图

图4 传统渐开线入料流体迹线图

两种不同旋流器入料流体迹线显示：在相同进料条件下，螺旋线进料体旋流器往沉砂方向的流体迹线延伸较长，可有效减少细粒物料在沉砂中的损失，降低沉砂夹细量、提高旋流器溢流细度及分级效率。减少细粒级物料在沉砂中的夹杂，降低细粒级物料在沉砂中的产量、提高旋流器溢流产品的质量及分级效率。

3.3 旋流器多锥变锥结构优化

在旋流器结构上，我们在旋流器锥体结构上进行优化，采用多锥体、变锥等方式，主要目的是增大旋流器内部分离空间，延长分离时间。在考察不同柱段长度时，我们对不同柱段旋流器内部静压分布进行测试，其测试图如图5所示。

图5 不同柱段长度旋流器内部静压分布图

由上图可以看出不同柱段长度条件下，流场内静压的最大值有很大区别，柱段长度越长的旋流器内部静压［8］最大值越小，这意味着同直径旋流器，柱段长度长的压力降低，可延长流体在分级设备内的停留时间。同时对不同段柱长度旋流器内部切线速度分布进行测试，测试图如图6所示。

图6 不同柱段长度旋流器内部切线速度分布图

由上图可以看出，不同柱段长度条件下，切向速度最大值有很大区别，柱段长度越长的旋流器切向速度最大值越小，分布范围也相应减小。这意味着同直径旋流器，柱段长度长的内部湍流强度［9］降低，因旋流器内部湍流强度降低，涡流损耗的旋流器内部流体的能量会减少，能效更高。旋流器结构优化后，在工况相同的条件下，我们对旋流器分级产品进行取样考察，试验数据如表4所示。