磨礦分級自動化系統升級改造研究及應用

朱淼斌，柯圣釗

（江西銅業股份有限公司武山銅礦，江西 瑞昌 332204）

1 引言

選礦自動化能提高勞動生產率、穩定生產指標，還能降低生產成本，有效解決了傳統選礦廠生產操作偏差大、勞動強度高、管理低效、生產指標不穩定等諸多問題［1-2］。隨著科學技術的快速發展，可通過計算機技術來監測和控制選礦過程的技術參數。因此，選礦自動化已經成為現代選礦必不可少的技術手段之一［3］。磨礦分級是選礦廠耗費能量最大、運行成本最高的作業環節，將直接影響到后續選別工段的產品質量和產量。因此，磨礦分級系統的自動化顯得格外重要。磨礦分級自動化控制系統采用先進的控制方式，綜合分析判斷磨機負荷和礦物性質等因素，控制磨機給礦、磨礦濃度、分級溢流濃度和粒度。此外，自動化系統還將實現磨礦分級作業參數的實時檢測、顯示和故障的及時報警，從而使得磨礦分級作業能一直保持最佳的運行狀態。

武山銅礦自投產以來，磨礦分級系統歷經了多次自動化改造。通過提升磨礦生產流程自動化水平和加強設備運維管理，在提高生產指標和降低生產費用方面，系統自動化在選礦生產中發揮了重要作用［4-5］。然而，為了實現選礦廠節能降耗、降本增效的目標，磨礦分級系統的自動化水平仍有待提高。因此，本文在分析了武山銅礦磨礦分級系統現有問題的基礎上，提出了三種自動化升級改造控制方法并考察了其實際生產應用效果。

2 磨礦流程生產現狀

磨礦流程通常包括一段磨礦、兩段或多段磨礦，一段磨礦的優點是分級設備數量少、投資較低；生產操作簡單易行，調節方便；設備配置簡單，因設備間故障相互影響導致的停工損失小等。一段磨礦流程的缺點是給礦粒度范圍寬，導致裝球困難、磨礦效率低；溢流細度不夠，難以得到細粒級產物；產品粒度分布不均導致后續選別困難等。相比于一段磨礦，兩段或多段磨礦能在不同的磨礦段分別進行礦石的粗磨和細磨，磨礦產物的粒度分布較均勻，過粉碎現象較少，能夠提高后續選別作業指標。

武山銅礦選廠的磨礦工藝流程如圖1所示。一段為半自磨機開路磨礦，二段為球磨機閉路磨礦。二段球磨作業所得礦漿被輸送到一組水力旋流器進行分級，沉砂返回至二段球磨機的給礦口，進行閉路循環再磨，溢流至浮選工序進行分離作業。2019年通過自主創新，選廠完成了半自磨機磨礦濃度自動控制改造項目，實現了半自磨機磨礦濃度自動控制，改善了一段磨礦的磨礦效果。為滿足實際生產需求，后期進行了多次改造，但自動化成效仍顯不足，難以提高生產效率，無法滿足嚴格管控成本的生產要求［6］。

圖1 兩段一閉路磨礦工藝流程

在實際生產中，現有磨礦工藝主要存在以下問題：

（1）磨礦工藝自動化程度落后，原礦分級壓力無顯示，泵池量的波動較大。當半自磨機“漲肚”時，需要人員及時調整，若未及時發現，將影響磨礦指標和處理量，“精細控制、精準操作”目標難以實現。此外，原電氣設備故障率高，影響磨礦生產的穩定性和處理量；檢測儀表、執行機構損壞或失靈，缺少必要的生產過程參數的檢測。

（2）半自磨機給礦水、排礦水、返砂水等都是靠人工手動調節，原礦溢流波動影響依然存在，且濃度偏高、細度偏低，粒度組成仍有提升空間。

（3）二段球磨系統自動化尚未實現，磨礦作業時需要人為調整磨礦的補加水量。然而，人工操作容易導致磨礦效率低下、生產不穩定、磨礦產品細度波動大和分級溢流“跑粗”等現象。

3 磨礦自動化改造方案和目標

通過提高磨礦生產過程的自動化水平，實現各個生產過程的精確控制，從而在保證生產運行的穩定性和可靠性的同時提高生產效率［7-8］。結合生產現狀和現有條件，擬從半自磨機的給礦量、磨機與原礦泵池補加水量、水力旋流器分級壓力數顯和原礦泵轉速建模四個方面對磨礦分級自動化方案進行優化改造（見圖2），努力實現以下設計目標：

（1）通過對半自磨機電流的數顯數據的統計與分析，建立模型讓自磨磨礦電流與鐵板機轉速聯鎖，實現半自磨機的按需給礦，降低磨機“漲肚”次數，減少因“漲肚”引起的流程波動。

（2）通過對自磨、球磨進料補加水，排礦補加水的數顯和遠程電動控制，以及通過給礦量準確計算出各點補加水量，將監測的液位信號反饋至自動控制系統，遠程控制泵的運行頻率，穩定控制原礦分級旋流器壓力，改善分級效果，達到穩定泵池液位，實現磨礦濃度的自動控制和改善磨礦細度的目的。

（3）通過對旋流器分級壓力數顯與原礦泵遠程電流數顯及調速，分級壓力與轉速建模，實現原礦分級泵的自動控制。避免原礦泵池液位過低、原礦泵打空泵、分級溢流濃度波動大、顆粒“跑粗”等現象的發生。

圖2 分級自動控制原理圖

4 磨礦自動化優化改造

綜合考慮磨礦分級作業現狀和磨礦分級自動化改造方案及目標，從完善現有系統控制路線和進一步完善現有系統設計，逐步推進磨礦分級自動化改造進程。

4.1 系統控制路線

4.1.1 鐵板機給礦控制路線

通過構建自磨機運行電流與鐵板機給礦頻率的函數關系，實時自動調整給礦量，降低自磨機負荷，減少“脹肚”頻次，穩定生產流程。

4.1.2 磨礦濃度控制路線

采集皮帶秤數值信號，經過程序濾波得到較為準確的實時處理量，根據處理量計算出對應的補加水總量。通過控制程序和設置好的參數比例，計算出半自磨機、球磨機所需的補加水量，然后通過流量計反饋的信號來控制氣動閥門開度，精準、穩定控制磨礦補加水量，實現原礦旋流器分級溢流濃度的自動控制。

4.1.3 分級控制路線

設定適宜偏差系數，通過原礦泵變頻運行實現泵池液位自動控制，避免泵池液位高造成的金屬流失或泵池液位低而引發的分級不穩定等現象。

4.1.4 異常故障停車和“漲肚”等現象控制路線

針對異常故障停車及“漲肚”等現象，系統設置了“一鍵調節”功能。當異常情況發生時，啟動一鍵調節功能后半自磨機進料、出料補加水，球磨機進料、出料補加水按照設置的比例給水，且不受給礦量變化的影響，減少異常情況對流程穩定性造成的影響。

4.2 系統改造設計

4.2.1 檢測儀表設計

通過完善檢測儀表，實現生產過程中關鍵參數的檢測：（1）通過皮帶秤統計給礦量，信息反饋至控制系統；（2）選用可靠流量檢測儀表對各補加水流量進行監測，便于及時發現系統異常情況，采用YT-1000氣動執行機構，根據反饋信號調整補加水閥門開度，保證自動控制的有效實施；（3）對原礦分級旋流器的分級壓力進行檢測，保證分級效果；（4）增設原礦泵池液位計，收集液位高度信號；（5）監測自磨機電流與給礦量構成閉環控制，通過閉環控制實現減少礦量或停礦等措施，保證自磨機處于正常工作狀態，獲得較優的經濟指標。

4.2.2 電氣設備升級設計

由于鐵板機、皮帶輸送機、渣漿泵等相關電氣設備缺少必要的電流檢測、遠程調頻等功能，需對電氣回路進行重新設計。升級后電氣設備具備以下功能：

（1）增加遠程功能，可進行遠程/就地無擾切換，將各電氣設備集成到自動化系統，實現遠程集中操控，大幅降低勞動強度；

（2）增加了故障報警、設備運行電流等信號，更加全面地反映設備的工作性能，便于及時發現設備故障；

（3）增設鐵板機、皮帶輸送機、磨機、渣漿泵等設備聯鎖功能，電氣設備運行更可靠，減少因電氣故障影響正常生產的情況，通過升級改造，保證了自動化功能可靠穩定地實施和投用。

4.2.3 控制系統設計

控制室配置2名磨礦操作工對整個磨礦分級生產流程進行監控、操作、管理和分析。分布式IO站將所有設備狀態數據和過程數據采集到系統中。其中，皮帶秤、流量、分級壓力、泵池液位等測量儀表通過4～20 mA信號接入PLC的分布式IO中。通過升級控制器，保證了自動化系統的可靠性，同時也保持了良好的擴展性。

4.2.4 軟件功能設計

在控制功能上，通過對PLC系統的過程數據進行分析，并對控制功能（控制回路、順序控制）進行調試，自動化系統根據生產工藝要求實現了鐵板機給礦、給水、分級等自動控制，保證了磨礦分級過程處理量、磨礦濃度、細度等生產指標。

5 系統改造前后應用效果對比

為考察磨礦分級自動化系統升級效果，對比了系統優化前后半自磨機、球磨機排礦產品和旋流器分級溢流粒度分布情況。

由表1可知，磨礦分級系統改造前，1#和2#半自磨機磨礦平均濃度分別為77.85%、77.87%。由表1和圖3可知，系統改造后1#半自磨機磨礦產品中-0.038mm粒級含量下降了2.82個百分點，而2#半自磨機磨礦產品中-0.038mm粒級含量下降了2.9個百分點，有效緩解了過磨現象。

表1 系統優化改造前后半自磨排礦產品對比 %

表2 系統優化改造前后球磨排礦產品對比 %

圖3 系統優化改造前后半自磨排礦產品粒度分布

圖4 系統優化改造前后球磨排礦產品粒度分布

由表2可知，優化后的1#和2#球磨機磨礦濃度分別為73.74%、73.52%。與優化改造前相比，其磨礦濃度分別降低了5.32個百分點和6.54個百分點；由表2和圖4可知，優化后的1#和2#球磨機排礦細度（-0.074mm含量）分別提高了3.81個百分點和2.76個百分點，有效緩解了欠磨現象。

由表3可知，1#與2#旋流器給礦泵池液位自動控制改造后，原礦溢流濃度分別由43.87%和40.65%降低至37.43%和36.57%。原礦溢流中-0.038mm細粒級含量分別從改造前的46.97%和47.95%降至改造后的45.43%和44.37%。同時，+0.18mm粗粒級含量分別從改造前的12.89%和14.24%降至改造后的9.95%和8.34%。由此可見，過磨、跑粗含量占比進一步降低。相應地，原礦溢流平均細度（-0.074mm含量）分別由60.97%、61.21%提高到64.34%、65.36%，磨礦分級效果得到顯著改善，有利于后續作業的選別。

表3 系統優化改造前后原礦分級溢流考查結果 %

圖5 系統優化改造前后原礦分級溢流粒度分布

通過優化試驗，過磨和欠磨現象得到緩解，原礦溢流中間粒級含量大幅提高，半自磨機平均“漲肚”次數也由16.57次/d降至12.17次/d，說明優化后的磨礦分級效果有了明顯改善。

6 結論

（1）武山銅礦自動化系統優化應用后，閉路磨礦得到了有效的自動控制，磨礦效率也得到了進一步提高；處理量、補加水量、電流等重要工藝參數都實現了數顯，達到了“精細控制、精準操作”的目標，降低了人為因素對流程的干擾，“漲肚”次數進一步降低，流程穩定性得到較大提升。

（2）通過磨礦給水自動控制系統和原礦泵池液位與分級壓力自動控制系統組合，有效改善了半自磨、球磨濃度和細度，為后續浮選作業提供了良好條件。

（3）磨礦流程自動化程度進一步提高，降低了操作人員勞動強度。