段偉杰 ，李顯杰，江 帆 ，劉 鵬，李曉剛，陳志華，徐 寧

（1.江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 城門(mén)山銅礦，江西 九江 332000；2.北礦智云科技（北京）有限公司，北京 100070）

1 引言

1.1 半自磨工藝

隨著自磨、半自磨機(jī)在全世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，用半自磨（SABC）流程替代常規(guī)碎磨流程成為一種趨勢(shì)，越來(lái)越多的新礦山或擴(kuò)能擴(kuò)產(chǎn)礦山項(xiàng)目采用已日趨成熟的自磨、半自磨流程［1］。半自磨機(jī)優(yōu)勢(shì)明顯，缺點(diǎn)也同樣突出，在實(shí)際生產(chǎn)中，其給料通常是旋回破碎機(jī)粗碎后的排料產(chǎn)品，粒度達(dá)到300mm，隨著給料粒度的增大，控制不好容易出現(xiàn)漲肚、襯板斷裂等一系列問(wèn)題［2］。半自磨機(jī)是在自磨機(jī)的基礎(chǔ)上加入少量的鋼球，集合了自磨機(jī)與球磨機(jī)的特點(diǎn)，其內(nèi)部既有大塊礦石與鋼球的拋落破碎作用，又有中小塊礦石和鋼球的研磨作用［3］。半自磨機(jī)和球磨機(jī)構(gòu)成的SABC磨礦工藝流程，相對(duì)于傳統(tǒng)的兩段或三段“破碎”工藝和閉路球磨磨礦工藝，生產(chǎn)工藝流程短、設(shè)備數(shù)量少、人工成本低、便于管理運(yùn)維等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外選礦廠得到普遍的推廣應(yīng)用。

比較經(jīng)典的SABC磨礦工藝流程如圖1所示，是由兩個(gè)環(huán)節(jié)組成，第一個(gè)是由半自磨機(jī)、分級(jí)振動(dòng)篩、圓錐破碎機(jī)構(gòu)成的“碎礦”環(huán)節(jié)，第二個(gè)環(huán)節(jié)是由泵池、渣漿泵、分級(jí)旋流器和球磨機(jī)構(gòu)成的“磨礦”環(huán)節(jié)?！八榈V”環(huán)節(jié)的物料流向是：礦石給入半自磨機(jī)進(jìn)行破碎，半自磨機(jī)的排礦產(chǎn)品進(jìn)入振動(dòng)篩進(jìn)行篩選。振動(dòng)篩的篩下產(chǎn)品為半自磨機(jī)合格粒級(jí)產(chǎn)品、直接送入泵池后進(jìn)入第二個(gè)閉路“磨礦”環(huán)節(jié)；振動(dòng)篩的篩上大顆粒產(chǎn)品為半自磨機(jī)的粒級(jí)不合格產(chǎn)品，稱(chēng)為“頑石”，頑石通過(guò)皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)至頑石倉(cāng)，通過(guò)給礦機(jī)將頑石送入圓錐破碎機(jī)破碎后，通過(guò)皮帶運(yùn)輸機(jī)返回到半自磨機(jī)給料皮帶，與新礦石一起進(jìn)入半自磨機(jī)再次破碎。“磨礦”環(huán)節(jié)的物料流向是：泵池將礦漿打入到水力旋流器進(jìn)行分級(jí)，水力旋流器的溢流產(chǎn)品為最終磨礦產(chǎn)品；水力旋流器的底流產(chǎn)品，即產(chǎn)品粒級(jí)不合格的產(chǎn)品返回到球磨機(jī)進(jìn)行細(xì)磨；球磨機(jī)的排礦產(chǎn)品進(jìn)入泵池循環(huán)分級(jí)。

圖 1 經(jīng)典SABC工藝流程圖

圖 2 SAB磨礦工藝流程圖

城門(mén)山銅礦有一選廠和二選廠，均采用了與圖1不一樣的半自磨磨礦工藝，簡(jiǎn)稱(chēng)為SAB磨礦工藝，其工藝流程如圖2所示。兩者的區(qū)別在于城門(mén)山銅礦第一個(gè)環(huán)節(jié)是半自磨機(jī)“開(kāi)路”碎礦，半自磨機(jī)排礦產(chǎn)品沒(méi)有經(jīng)過(guò)對(duì)顆粒粗細(xì)的分級(jí)、全部給入了第二個(gè)磨礦閉路。這兩種磨礦工藝的差異導(dǎo)致了兩個(gè)環(huán)節(jié)之間的負(fù)荷匹配關(guān)系產(chǎn)生了很大的不同。半自磨回路和球磨回路之間的負(fù)荷分配對(duì)于系統(tǒng)的運(yùn)行狀況和系統(tǒng)可調(diào)整富裕度有著重要的影響，其中半自磨產(chǎn)品傳遞粒度對(duì)負(fù)荷分配有著直接且重要的影響［4］。

相對(duì)于圖1而言，該流程使得半自磨機(jī)產(chǎn)品的粒級(jí)范圍更寬、對(duì)球磨機(jī)“磨礦”工藝的干擾更大。同時(shí)，城門(mén)山銅礦之所以選擇半自磨機(jī)開(kāi)路，主要是因?yàn)槠淙肽サV石的塊度分布、礦石硬度、可磨性等條件變化太大，頑石產(chǎn)量和粒度分布及其不穩(wěn)定；閉路一方面增加設(shè)備和運(yùn)維成本；一方面可能會(huì)成為完成處理量的瓶頸。國(guó)內(nèi)其他礦山的一些工業(yè)實(shí)踐表明：SAB 流程的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率主要取決于半自磨機(jī)，而半自磨機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率主要取決于襯板使用壽命［5］。

1.2 磨礦裝備

城門(mén)山銅礦二選廠設(shè)計(jì)處理礦石能力是5000t/d，目前實(shí)際的礦石處理能力已經(jīng)達(dá)到5800t/d左右，其一段磨礦工藝的設(shè)備配置情況是：MZS-6433半自磨機(jī)1臺(tái)、裝機(jī)功率2000kW、供電電壓6kV；MQY-4870球磨機(jī)1臺(tái)、裝機(jī)功率2500kW、供電電壓10kV；一段磨礦分級(jí)設(shè)備為FX660-GT-7水力旋流器；一段分級(jí)渣漿泵2臺(tái)、一用一備，裝機(jī)功率均為315kW。

城門(mén)山銅礦自2018年開(kāi)始對(duì)二選廠磨礦工藝流程進(jìn)行了自動(dòng)化升級(jí)，包括：

（1）對(duì)半自磨機(jī)進(jìn)行了變頻改造，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)DCS系統(tǒng)對(duì)半自磨機(jī)筒體轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

（2）增加了半自磨機(jī)和球磨機(jī)的自動(dòng)加球裝置，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)DCS系統(tǒng)對(duì)加球量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

（3）對(duì)渣漿泵進(jìn)行了變頻改造，原調(diào)速裝置為液力耦合器，現(xiàn)在已經(jīng)改造成變頻調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)DCS對(duì)渣漿泵轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

1.3 控制目標(biāo)

城門(mén)山銅礦入選礦石性質(zhì)復(fù)雜、其中含銅礦物10余種，硫礦物以含銅黃鐵礦為主，氧化－混合礦石中則以次生硫化銅礦物為主，礦石構(gòu)造以塊狀、浸染狀、細(xì)脈浸染狀為主。由于礦石性質(zhì)復(fù)雜、變化范圍較寬，因此磨礦操作難度大、生產(chǎn)穩(wěn)定性差、選礦指標(biāo)不夠理想。一段磨礦溢流礦漿產(chǎn)品的粒級(jí)要求為-200目占65%。2017年8月29日到2017年11月29日32個(gè)原礦粒度取樣篩分?jǐn)?shù)據(jù)，+80目均值11.30%、1δ標(biāo)準(zhǔn)方差3.7%；-200目均值55.78%、1δ標(biāo)準(zhǔn)方差5.93%，溢流礦漿產(chǎn)品質(zhì)量距離設(shè)計(jì)指標(biāo)有較大的提升空間。

SAB磨礦控制研究的目的是提高合格粒級(jí)產(chǎn)品的產(chǎn)率，并且進(jìn)一步穩(wěn)定磨礦工藝過(guò)程、合理利用襯板、鋼球、補(bǔ)加水等物耗條件，探索提高一段磨礦技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的方法和策略。

2 系統(tǒng)組成

SAB磨礦控制由基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)、磨礦優(yōu)化系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)構(gòu)成。

CT增強(qiáng)掃描：醫(yī)護(hù)人員在CT檢查前應(yīng)叮囑患者身上不得放置金銀首飾，處于空腹?fàn)顟B(tài)，并指導(dǎo)患者做好呼吸運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，以維持良好的呼吸頻率與深度，需要注意的是，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定進(jìn)行碘過(guò)敏試驗(yàn)。之后借助CT掃描機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描，向肘靜脈內(nèi)注入碘帕醇注射液，注入速度控制在3.0mL/s，注入劑量控制在65mL，注射對(duì)比劑后掃描時(shí)間選擇為：20s、80s、140s、200s、260s，掃描范圍主要包括腫塊及其周?chē)?mm范圍內(nèi)，同時(shí)統(tǒng)計(jì)計(jì)算灌注參數(shù)，主要包括血流量、血容量、通過(guò)時(shí)間以及表面滲透性。

2.1 基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)

城門(mén)山銅礦二選廠原有一套由AB ControlLogix5000和WONDERWAR組態(tài)軟件構(gòu)成的DCS控制系統(tǒng)；2018年開(kāi)始進(jìn)行自動(dòng)化系統(tǒng)升級(jí)和設(shè)備系統(tǒng)升級(jí)的改造；于2019年8月份完成改造。DCS控制系統(tǒng)具備如下的控制功能：

（1） 對(duì)半自磨機(jī)的給礦控制實(shí)現(xiàn)了雙閉路控制，以半自磨機(jī)給料皮帶5#皮帶運(yùn)輸機(jī)的電子皮帶秤作為反饋信號(hào)，分別與1#和2#兩臺(tái)重板給料機(jī)構(gòu)成閉路控制；兩個(gè)回路為一用一備的工作機(jī)制。

（2）對(duì)半自磨機(jī)的前給水和后給水、球磨機(jī)的后給水實(shí)現(xiàn)了閉路調(diào)節(jié)。

（3）集成半自磨機(jī)和球磨機(jī)的自動(dòng)加球機(jī)，能夠?qū)忧驒C(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)路調(diào)節(jié)。

（4）集成半自磨機(jī)和球磨機(jī)的磨機(jī)負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、半自磨機(jī)的磨音檢測(cè)系統(tǒng)。

（5）集成兩組旋流器開(kāi)停閥門(mén)控制。

2.2 SAB磨礦優(yōu)化系統(tǒng)

根據(jù)大量的工業(yè)數(shù)據(jù)分析和探索，城門(mén)山銅礦將SAB磨礦優(yōu)化系統(tǒng)的重點(diǎn)放在半自磨機(jī)開(kāi)環(huán)磨礦回路上，主要是針對(duì)整個(gè)磨礦工藝的操作變量進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié)：①半自磨機(jī)給礦量調(diào)節(jié)；②半自磨機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；③磨礦總水調(diào)節(jié)；④半自磨機(jī)加球量。磨礦優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)置了相關(guān)規(guī)則和算法、對(duì)溢流產(chǎn)品粒級(jí)采用兩級(jí)目標(biāo)控制，一級(jí)目標(biāo)為-200目含量61%～65%；一級(jí)目標(biāo)為+80目5%～9%。協(xié)同控制系統(tǒng)根據(jù)在線粒度分析儀反饋的-200目和+80目的測(cè)量數(shù)據(jù)，按照一定的優(yōu)先級(jí)調(diào)整磨機(jī)轉(zhuǎn)速、水量或鋼球添加量，使得產(chǎn)品粒級(jí)恢復(fù)到控制范圍內(nèi)。

2.3 磨礦數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

磨礦優(yōu)化系統(tǒng)由于受礦石條件和設(shè)備條件的影響，系統(tǒng)的輸入輸出條件之間的相關(guān)性會(huì)發(fā)生變化；控制策略如果不能適應(yīng)礦石條件、設(shè)備條件的變化就會(huì)失效。此外；操作條件與磨礦技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之間的關(guān)系也是變化的，并不能簡(jiǎn)單的以一個(gè)階段的“好指標(biāo)”來(lái)證明整個(gè)優(yōu)化系統(tǒng)可以“長(zhǎng)期有效”。因此磨礦優(yōu)化系統(tǒng)的控制策略同樣需要構(gòu)建一個(gè)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

磨礦數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是在基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)和磨礦優(yōu)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一套對(duì)磨礦自動(dòng)化變量、生產(chǎn)巡檢、設(shè)備點(diǎn)檢、生產(chǎn)指標(biāo)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和可視化的一套系統(tǒng)，包括：

（2）單一變量的統(tǒng)計(jì)過(guò)程分析，雙變量的線性回歸分析，多變量的三維展示；方便自動(dòng)化工程師和工藝工程師及時(shí)分析生產(chǎn)過(guò)程變量之間的相關(guān)性分析，以便于及時(shí)修正控制策略。

（3）在線粒度分析系統(tǒng)的標(biāo)定樣本集合采集和粒度分析模型誤差的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

（4）基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和巡檢數(shù)據(jù)的交叉計(jì)算和指標(biāo)管理。

（5）生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的自定義，利用計(jì)算服務(wù)無(wú)需編程，生產(chǎn)報(bào)表自動(dòng)生成。

（6）所有數(shù)據(jù)、報(bào)表均可以在PC端和移動(dòng)端查看。

3 工業(yè)運(yùn)行情況

半自磨機(jī)和球磨機(jī)中的易磨損件除了鋼球外，就是各類(lèi)襯板。 襯板起著保護(hù)磨機(jī)筒體免受礦石沖擊、磨損和增加筒體強(qiáng)度的作用［6］。在整個(gè)磨礦控制系統(tǒng)的研究過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)半自磨機(jī)襯板的磨損程度直接對(duì)整個(gè)控制策略的影響很大，而且與礦石性質(zhì)、溢流礦漿產(chǎn)品質(zhì)量有著比較復(fù)雜的關(guān)系。

3.1 開(kāi)環(huán)工業(yè)試驗(yàn)

2019年10月28日到11月13日將相關(guān)優(yōu)化控制策略以離線調(diào)整的方式對(duì)磨礦生產(chǎn)控制；通過(guò)手動(dòng)對(duì)磨機(jī)轉(zhuǎn)速、前給水和鋼球的添加來(lái)調(diào)節(jié)溢流產(chǎn)品粒度。此時(shí)的半自磨機(jī)襯板于10月14日更換、幾乎沒(méi)有磨損、提升效果好。如圖3所示（來(lái)自城門(mén)山銅礦數(shù)據(jù)中心），此時(shí)半自磨機(jī)工作頻率的最佳工作點(diǎn)是37～38Hz，筒體內(nèi)物料的落點(diǎn)位置控制在“5～6點(diǎn)鐘”方向，基本聽(tīng)不到“空砸”聲音；轉(zhuǎn)速最大值最高184r/min（相當(dāng)于49Hz）、最小值134r/min（相當(dāng)于35.7Hz）、均值為150.98r/min（相當(dāng)于40.2Hz）。但是要保障這個(gè)最佳的工作點(diǎn)，還同時(shí)需要依靠磨礦濃度和鋼球補(bǔ)加的實(shí)時(shí)控制來(lái)抑制難磨礦石性質(zhì)造成的溢流跑粗和磨機(jī)功率“飛升”現(xiàn)象。

圖 3 磨礦優(yōu)化控制系統(tǒng)

如圖4所示，相對(duì)于 10月16-24日的+80目粒度數(shù)據(jù)（均值為10. 45、方差3.33%；），10月28日-11月2日的+80目，均值9.76、方差3.22；11月2-8日的+80目均值是7.64%?？偟脕?lái)說(shuō)，控制策略能夠有效的改善粗粒級(jí)產(chǎn)品的產(chǎn)率。

圖 4 2019年10月28日-11月8日的+80目粒度曲線

3.2 閉環(huán)工業(yè)實(shí)驗(yàn)

2020年4月15-23日SAB控制系統(tǒng)進(jìn)行了白班8小時(shí)的連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)比用的是一天當(dāng)中人工手動(dòng)操作的8h時(shí)間數(shù)據(jù)。表1優(yōu)化系統(tǒng)投用和未投用得到的生產(chǎn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)平均每噸礦石節(jié)省電耗0.18kW·h，鋼球單耗大約為手工操作50%；+80目平均值下降0.25%，波動(dòng)范圍也在減小。

2020年5月18日至6月3日進(jìn)行了12天、24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，此時(shí)半自磨機(jī)襯板處于中期， 提升效果變差。本次實(shí)驗(yàn)是根據(jù)離線和8h連續(xù)試驗(yàn)完善后的控制策略，指標(biāo)對(duì)比的是2020年6月4-15日的手動(dòng)控制指標(biāo)。表2優(yōu)化系統(tǒng)投用和未投用得到的生產(chǎn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其中優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)平均每噸礦石節(jié)省電耗0.67kw.h，鋼球單耗比手動(dòng)相比減少0.1kg/t，+80目平均值下降1.15%，波動(dòng)范圍也在減小。

通過(guò)對(duì)不同襯板條件下的工業(yè)試驗(yàn)，證明了SAB控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略能夠有效的改善溢流礦漿產(chǎn)品質(zhì)量和達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

表 1 優(yōu)化系統(tǒng)8h連續(xù)試驗(yàn)生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比

表 2 優(yōu)化系統(tǒng)24小時(shí)連續(xù)試驗(yàn)生產(chǎn)指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

SAB半自磨磨礦控制系統(tǒng)的研究和工業(yè)應(yīng)用證明了對(duì)溢流礦漿產(chǎn)品的粒度進(jìn)行在線調(diào)整是可行的，但是控制系統(tǒng)的可靠性和有效性受礦石性質(zhì)、設(shè)備條件的影響，而且其中的作用機(jī)理復(fù)雜，后續(xù)仍然需要借鑒先進(jìn)的磨礦變量采集及分析系統(tǒng)，通過(guò)大量的數(shù)據(jù)積累和深度的機(jī)器學(xué)習(xí)，才能獲取更為貼合其規(guī)律的控制策略。不斷推進(jìn)生產(chǎn)指標(biāo)閉環(huán)與生產(chǎn)過(guò)程閉環(huán)的結(jié)合，使專(zhuān)家控制系統(tǒng)更好的為礦山管理目標(biāo)服務(wù)。