基于SAB磨礦智能系統的旋流器結構優化與運用

何澤平，李顯杰，江 帆，詹 濤，張偉明，周 坤

（江西銅業股份有限公司城門山銅礦，江西 九江 332100）

1 引言

城門山銅礦二期選廠是礦山主力選廠，日處理能力為5000t，一段磨礦采用半自磨機開路、球磨機+旋流器閉路的SAB流程磨礦工藝，由2臺1200×6048重板給料機、1臺5#皮帶運輸機、1臺MZS-6433半自磨機、1臺MQY-4870球磨機、2組FX660-GT-7水力旋流器和2臺粗砂泵組成。作為露天開采礦山，受原礦性質多變、粒度不均等因素影響，磨礦產品質量不穩定，產品粒級分布存在兩極分化現象。在智能化礦山建設中，開發并投用SAB磨礦智能控制系統［1］，通過磨礦智能化控制系統對SAB工藝流程的磨礦設備、過程儀表、分析儀器數據進行了集成，智能系統對采集的綜合數據進行分析，實現磨礦工藝操作自動控制。

2 SAB磨礦智能控制系統開發與運用

在SAB磨礦智能控制系統開發與運用中，通過對磨礦溢流礦漿產品多粒級建模研究，建立了磨礦溢流礦漿產品在線分析模型，并進行生產數據檢測。基于磨礦產品質量的數據分析，根據磨礦優化策略，系統自動調控磨礦濃度、加球量、磨機轉速等變量，達到了穩定磨礦產品質量、節能降耗的目的，建立了綜合管控平臺。同時，與自動控制系統有機組合，對磨礦優化系統進行監控和在線調整，實現磨礦效益最大化。

2.1 磨礦智能控制系統的開發

傳統的智能控制系統是作為DCS系統［2］的后臺或同級獨立運行的，但是由于缺少與生產指標動態監控系統的結合，設備條件或者工藝條件發生改變后，智能控制策略難以適應生產。為保持磨礦控制系統與生產高度契合，對磨礦智能控制系統進一步開發，主要內容為前臺系統和后臺系統兩部分。

前臺系統取代DCS系統的磨礦監控系統，面向操作工和調度人員，能夠實現無人化控制、單回路自動控制和手動操作。后臺系統主要是生產數據應用管理平臺，用于采集工藝設計指標、設備技術參數、設備運維過程數據、能源監控數據、生產KPI指標系統和控制建模仿真系統。后臺系統作為前臺系統的校準器，當設備條件、工藝條件發生變化時，及時修正前臺系統的控制策略，從而保證前臺系統持續有效。

2.2 磨礦產品多粒級建模研究

在多粒級建模研究中，主要是對礦物嵌布粒度和解離度的測定，建立在線粒度分析系統對磨礦產品進行取樣、樣品測量、數據建模等環節。衡量礦物解離是否充分的指標稱為解離度［3］，即該礦物單體解離粒子的顆粒數與含有該礦物的連生粒子顆粒數和該礦物的單體解離粒子數之和的百分比，用Fa表示，則如式（1）所示：

其中，fa是礦物的單體解離粒子的顆粒數；La是礦物的連生粒子顆粒數。

解離度的測定、評價以及預測是十分復雜的，主要是通過三種途徑來實現：數學模型，圖像轉換，重液分析。在磨礦智能控制系統開發中,我們通過引進礦漿在線粒度分析系統［4］實時監測測量礦漿粒度，建立、健全粒級數據模型，提供穩定可靠的產品粒級數據。

建立在線粒度分析系統后，可以精確分析磨礦產品粒級和原礦有用礦物單體解離度的實時數據。通過對數據進行集成并反饋到后臺系統，及時調整前臺控制策略，可以穩定產品粒級，為浮選提供更優的作業條件。原礦中有用礦物Cu、S礦物解離度特征表如表1、表2所示。

表1 原礦中Cu礦物解離度特征表

表2 原礦中S礦物解離度特征表

2.3 SAB磨礦優化控制的應用

SAB磨礦優化的控制策略以半自磨機襯板的使用周期作為控制策略的時間階段限定的依據，襯板使用周期分為前、中、后三個時期。其中自動調整的判斷依據分為半自磨機的負荷、半自磨機功率的增長速度、磨礦產品的粒級。其控制策略優先根據半磨機負荷、半自磨機功率的增長速度和磨礦產品的粒級進行往復執行。其SAB磨礦優化控制保持磨機最佳狀態，較好地發揮半自磨機的破碎效果和研磨效果，間接減少磨機襯板的磨損，降低磨機的功耗和物耗，使其生產更穩定、更高效。

3 一段磨礦分級優化

SAB磨礦優化控制系統應用到生產現場后，能較好地應對礦石性質、磨機設備本體特性變化，對穩定磨礦工藝流程和產品質量有積極作用。但磨礦產品粒級組成與旋流器分級特性有直接聯系，旋流器結構［5］不同，特性會發生變化，其分級效率、溢流產品質量隨之改變。基于SAB磨礦智能控制系統的開發和應用，為一段磨礦分級的優化分析提供了穩定的磨礦工藝參數。通過對磨礦產品粒級組成進行分析，以及對FX660-GT旋流器結構進行研究，我們通過優化旋流器結構工藝參數，提高了磨礦產品質量，創造了更佳的浮選作業條件。

3.1 溢流產品粒級分析

經現場取樣和統計，旋流器溢流產品數據如表3所示。

表3 FX660-GT旋流器溢流產品數據

數據結果表明：旋流器溢流中-200目粒級含量偏低，溢流粒度較粗，分級效率［6］不佳，粗細粒級相互夾雜，分級效果不理想，磨礦分級作業返砂比較高，影響磨礦效率，不利于后續的選別作業。為了提高旋流器分級效率，改善旋流器溢流粒度組成，針對旋流器結構展開研究，進行實踐應用。

3.2 旋流器進料方式的研究

為提高660旋流器分級效率，我們引進新型螺旋旋流器［7］組，并與傳統旋流器組進行對比研究，兩種旋流器進料體結構如圖1所示。

圖1 漸開線（左）、新型螺旋線（右）進料體結構圖

我們對傳統漸開線入料方式和新型螺旋線入料方式進行研究，對礦漿在兩種不同入料方式下進行流速測定，其示意圖如圖2所示。

圖2 漸開線（左）、新型螺旋線（右）入料方式礦漿內部流速示意圖

根據以上測試分析，漸開線進料體存在局部速度過大區，該區會加重局部湍流程度，導致粗顆粒混入內旋流器和細顆粒混入外旋流器的概率增加；螺旋線進料體旋流器，進料速度均勻，沒有局部速度過大區，因此較漸開線進料體內部流場平穩。同時對礦漿入料流體跡線進行模擬，其效果圖如圖3、4所示。

圖3 新型螺旋線入料流體跡線圖

圖4 傳統漸開線入料流體跡線圖

兩種不同旋流器入料流體跡線顯示：在相同進料條件下，螺旋線進料體旋流器往沉砂方向的流體跡線延伸較長，可有效減少細粒物料在沉砂中的損失，降低沉砂夾細量、提高旋流器溢流細度及分級效率。減少細粒級物料在沉砂中的夾雜，降低細粒級物料在沉砂中的產量、提高旋流器溢流產品的質量及分級效率。

3.3 旋流器多錐變錐結構優化

在旋流器結構上，我們在旋流器錐體結構上進行優化，采用多錐體、變錐等方式，主要目的是增大旋流器內部分離空間，延長分離時間。在考察不同柱段長度時，我們對不同柱段旋流器內部靜壓分布進行測試，其測試圖如圖5所示。

圖5 不同柱段長度旋流器內部靜壓分布圖

由上圖可以看出不同柱段長度條件下，流場內靜壓的最大值有很大區別，柱段長度越長的旋流器內部靜壓［8］最大值越小，這意味著同直徑旋流器，柱段長度長的壓力降低，可延長流體在分級設備內的停留時間。同時對不同段柱長度旋流器內部切線速度分布進行測試，測試圖如圖6所示。

圖6 不同柱段長度旋流器內部切線速度分布圖

由上圖可以看出，不同柱段長度條件下，切向速度最大值有很大區別，柱段長度越長的旋流器切向速度最大值越小，分布范圍也相應減小。這意味著同直徑旋流器，柱段長度長的內部湍流強度［9］降低，因旋流器內部湍流強度降低，渦流損耗的旋流器內部流體的能量會減少，能效更高。旋流器結構優化后，在工況相同的條件下，我們對旋流器分級產品進行取樣考察，試驗數據如表4所示。

表4 FX660-GT旋流器溢流產品數據

通過對比旋流器優化前后溢流產品數據得出：旋流器結構進行優化后，采用螺旋進料體和多錐變錐方式，旋流器的分級效率［10］得到提升，溢流產品質量提高2.1%，可選粒級分布得到改善。

4 結語

（1）SAB磨礦智能控制系統開發與投用，建立、健全綜合管控平臺，與自動控制系統有機組合，實現對磨礦優化系統的監控和在線調整，對磨礦產品質量控制意義重大。

（2）基于磨礦產品粒級分布特征為被控目標的磨礦智能化控制系統，通過自動調控磨礦濃度、加球量、磨機轉速等變量，達到了穩定磨礦產品質量、節能降耗的目的，在礦山降本增效上具有借鑒價值。

（3）新型螺旋旋流器組，因其入料方式的改變，可有效減少細粒物料在沉砂中的損失，降低沉砂夾細量，對旋流器結構優化有指導意義。

（4）旋流器多錐、變錐的應用，可改變旋流器內部靜壓值，延長流體在分級設備內的停留時間，對旋流器分級效率提升有積極作用。