蔡國良

(紫金礦業(yè)集團股份有限公司，福建 廈門 361000)

我國氧化鋁工業(yè)大部分以高鋁、高硅、低鐵、難溶出的一水硬鋁石為原料，與國外普遍采用三水軟鋁石為原料的拜耳法工藝相比，對磨礦過程的指標要求更加嚴格[1]。傳統(tǒng)磨礦生產過程受原料變化、設備條件、工藝流程以及操作因素的影響較大，難以滿足拜耳法氧化鋁生產過程的后續(xù)工藝，直接影響氧化鋁生產的溶出效率，因此必須采用磨礦優(yōu)化控制來提高磨礦過程的產品指標，進而提升氧化鋁生產的溶出效率。磨礦優(yōu)化控制系統(tǒng)的引入，可以有效保證后續(xù)工藝的穩(wěn)定運行，可在不中斷生產運行的情況下，穩(wěn)定生產指標、改善生產運行效率，給企業(yè)帶來效益的提升，還可節(jié)約能源損耗、減少異常工況的發(fā)生頻次、降低操作人員操作強度等益處[2，3]。本文以某鋁廠氧化鋁磨礦生產為例，重點開展該鋁廠在磨礦過程建立磨礦智能優(yōu)化平臺后的系統(tǒng)優(yōu)化控制研究。

1 工藝描述及系統(tǒng)現狀

1.1 工藝描述

原礦漿磨制采用兩段磨礦方式，具體為磨頭鋁礦倉、石灰倉的鋁礦和石灰通過定量給料機和溶出自壓送來的循環(huán)母液一起經入磨溜管加入到棒磨機內，控制一定的循環(huán)母液和礦石石灰配比，在棒磨機內經過粗磨制成的礦漿從出口流到中間泵池，與球磨磨制礦漿、補加循環(huán)母液匯合，通過中間泵打到水力旋流器進行分級，水旋器的溢流礦漿(合格產品)經回轉篩流入脫硅槽，供溶出工序使用；旋流器底流礦漿(不合格產品)進入球磨機內進行細磨后，返回中間泵池送旋流器分級循環(huán)。溶出返砂回來的料漿進入中間泵池，經旋流器分級后，底流粗砂返回球磨機細磨。具體工藝流程圖圖1所示。

圖1 氧化鋁原料磨礦工藝流程Fig.1 Flowsheet of alumina raw material grinding processing

1.2 設備及自動化系統(tǒng)存在的問題

原礦漿磨制采用兩段磨礦方式，共三組，其中棒磨三臺、球磨三臺，旋流器三臺。生產過程、設備的數據采集齊全，電氣設備全部受控，高壓設備連鎖保護、生產順控、PID生產調節(jié)都已具備，并在中控室實現了全廠各個工序的工藝、電氣設備全廠集中監(jiān)控，同時通過MES系統(tǒng)將質量、電量、電力、ERP系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)實現數據集中采集和統(tǒng)一管理。該廠主要設備及規(guī)格分別為：1)給料機，規(guī)格型號為JGC-40-1250-12002；2)溢流型棒磨，規(guī)格Φ3.2 m×4.5 m；3)球磨機，規(guī)格為Φ3.6 m×8.5 m；4)中間泵池，規(guī)格為2.5 m×3.0 m×2 m；5)旋流器，規(guī)格為RD-500 mm。主要工藝參數及條件為：入磨鋁礦粒度≤20 mm；石灰添加量以100% CaO計為干礦石重量的8%～11%，折合灰量8%～13%；循環(huán)母液：Nk=240～250 g/L；礦漿溫度80磨礦智能優(yōu)化平臺90 ℃；原礦漿：固體含量 335磨礦智能優(yōu)化平臺415 g/L；-500 μm的粒級分布100%，-315 μm的粒級分布≥98.5%，-63 μm的粒級分布≥73%；磨機下料量：130～180 t/h；磨機電流：棒磨38～43 A，球磨90～98 A；磨機耗電量：棒磨400～450 kW·h，球磨1 300～1 450 kW·h；磨機加球：人工手動加球0.67 t/h；棒磨機添加介質：4.3 m×115 mm和4.4 m×100 mm兩種棒；襯板材質為鋼襯板；球磨機添加介質：Φ60 mm和Φ30 mm兩種球。

該廠基礎自動化情況是：礦石破碎及均化、磨頭礦石和石灰輸送和原礦漿磨制的控制信號取自硬接線、變頻電機和馬保分別通過Contrnet通訊、Devicenet通訊。目前DCS系統(tǒng)已經實現原料生產自動連鎖及保護控制、單回路的定值控制、主要工藝數據的采集等功能。DCS采用AB 的Contrologix 5000系統(tǒng)，控制回路包括：磨機給礦定值控制、石灰給料定值控制、磨機補加母液定值控制、泵池補加母液定值控制、旋流器給礦泵變頻定值控制、二段磨機入口母液定值控制(準備實施)等。生產過程存在的主要問題為：

1)現場鋁礦石采取分品位、分堆堆放，分堆取料，靠堆取料機橫鋪縱取然后輸送的方式。該方式造成入磨鋁礦石品位波動，導致對整個基礎自動化系統(tǒng)影響較大，人員手動控制難度較大；

2)原有DCS系統(tǒng)，雖然已具基礎自動化控制功能，但是受到操作人員的操作因素影響較大，不同班組之間的操作水平以及交接班過程對系統(tǒng)的影響較大，導致生產過程磨生產機效率較低、生產過程電能損耗較大、另外旋流器溢流原礦漿的粒度和濃度的波動較大，對后續(xù)工段產生不利影響；

3)原有系統(tǒng)生產效率低下、設備故障頻發(fā)、異常停車頻發(fā)、磨機漲肚、旋流器跑粗、拉稀等異常工況時有發(fā)生，導致現場生產效率低下。

2 系統(tǒng)優(yōu)化控制技術內容

2.1 系統(tǒng)功能確定

1)基于磨機負荷分析，實現磨機的自動控制，通過構建數據的分析以及規(guī)則學習，結合專家規(guī)則錄入、軟測量等手段，實現對磨機內部負荷預測分析，根據目前來料情況智能預判對磨機負荷的影響，提前調整磨機的給礦量，可以有效防止磨機脹肚和空砸襯板等情況的發(fā)生，在確保磨礦指標滿足要求的前提下，可以實現基于磨礦指標約束的卡邊控制，實現節(jié)能降耗或者提高磨機處理量的目的；

2)基于溢流粒度指標、溢流濃度、溢流流量、泵池液位為主要約束條件的旋流器給礦壓力和給礦濃度的智能調節(jié)，確保磨礦指標的合格率，同時保證流程的指標穩(wěn)定，對后續(xù)工藝起到積極作用；

3)實現二段磨機的濃度控制，使得磨機內的礦漿密度控制在工藝要求的范圍內，保證磨機的磨礦效率最大；

4)實現二段磨機自動加球控制，保證磨機的充填率在合理范圍內，使磨機的磨礦效率優(yōu)化在較高范圍內。

2.2 控制策略確定

2.2.1 磨機給礦量控制策略

棒磨機的給礦控制主要通過對磨機的功率、磨音等信號的采集、分析、處理，之后輸入磨機負荷模型，來判斷磨機的物料充填率[4]。將礦量設定值與物料充填率輸入控制器，系統(tǒng)通過調節(jié)磨機的給礦量，實現磨機的磨料充填率處于較優(yōu)狀態(tài)，使磨機的處理能力最優(yōu)化。

磨礦介質(鋼球)在磨礦機中是破碎作用的實施體。當其他因素不變時，物料充填率(料位)越高，磨礦介質從拋落點到底腳區(qū)的高差越小，說明提升磨礦介質所需的功耗越小；反之，磨礦介質從拋落點到底腳區(qū)的高差越大，提升磨礦介質所需的功耗越大。磨音、功率與磨機充填率之間的關系如圖2所示[5，6]。

圖2 磨音、功率與磨機充填率關系圖[5，6]Fig.2 Relationship between grinding sound，power and mill filling rate[5，6]

由圖2可知，磨機的物料充填率與磨機的音頻信息以及功率信息有明顯關系，根據圖2信息，我們需要將功率控制在A1-C1，結合磨音的變化趨勢就可以有效對磨機負荷進行控制。

磨機的給礦控制核心是基于專家規(guī)則的模糊控制。作為先進控制的常用控制策略，模糊控制可以在控制對象機理模型不清晰的情況下，利用以往的專家控制經驗，結合規(guī)則自學的手段，建立磨礦控制專家規(guī)則庫，經過模糊推理給出礦量的建議值，系統(tǒng)會設置礦量輸出的看門狗機制，對輸出值進行限幅、預判保證輸出結果的安全，該方法可有有效解決磨機生產過程模型難以建立，礦石性質多變，滯后性嚴重等問題[7]。

磨機的給礦量控制框圖如圖3所示。將磨機的功率、磨音的信號輸入磨機負荷模型，判斷磨機的物料充填率。將礦量設定值與物料充填率輸入控制器，系統(tǒng)通過調節(jié)磨機的給礦量，實現磨機的磨料充填率處于較優(yōu)狀態(tài)，使磨機的處理能力最大化。

圖3 棒磨機的給礦量控制框圖Fig.3 Feed rate control block diagram of rod mill

2.2.2 磨礦濃度控制策略

綜合分析儀磨礦濃度設定值、入磨礦量和磨機負荷狀態(tài)等參數，通過優(yōu)化控制器計算出期望入磨母液量，促使磨礦濃度處于較優(yōu)狀態(tài)。系統(tǒng)通過旋流器給礦流量及濃度推算入旋流器的干礦量及母液量，通過進入磨礦分級系統(tǒng)的總干礦量及總母液量推算通過沉砂中的干礦量和母液量，進而推算磨礦濃度，并與磨礦濃度設定值進行比較，推算進入磨機中母液量。

根據磨機的負荷分析模塊，利用磨機的功率、磨音信息可對磨機生產狀況進行預判[8]。因此，可以根據磨機內部負荷情況的變化，及時有效地調整磨機的給礦濃度，如果此時預測磨機負荷上升趨勢明顯，并且伴有脹肚風險，為了保證處理量，可以減少磨機的磨礦濃度，使物料盡快排出磨機，避免磨機脹肚的發(fā)生。如果對磨機負荷預判有降低趨勢，同時分析磨機負荷欠載，此時要適當增加濃度，避免磨機內部空砸襯板的發(fā)生，這樣可以有效節(jié)省鋼耗。在正常生產工藝中應當通過濃度、礦量的調節(jié)，保持磨機負荷穩(wěn)定在最佳磨礦區(qū)域內。棒磨機的給礦濃度控制框圖見圖4。

圖4 棒磨機的給礦濃度控制框圖Fig.4 Feed concentration control block diagram of rod mill

2.2.3 旋流器溢流粒度控制策略

旋流器的溢流粒度控制主要是基于溢流粒度指標的檢測為前提，通過在線粒度儀對溢流的粒度信息進行實時檢測，同時構建粒度軟測量模型，實現對粒度儀的校正和當粒度儀出現故障時的替代，利用旋流器的優(yōu)化控制模塊實現旋流器的工作組數、渣漿泵頻率、泵池補加母液的自動調節(jié)，在確保旋流器溢流粒度的合格率前提下，實現溢流流量和溢流濃度的穩(wěn)定。

1)調節(jié)給礦濃度

當增大給礦濃度時，礦漿的黏度增大，礦漿的牽引力增大，零速包絡面向旋流器壁外擴。由旋流器的分級原理可知：更多的顆粒所受的“離心力<礦漿的牽引力”，使其向水力旋流器中心靠近，由于零速包絡面的擴大，原本在包絡面外部的顆粒，出現在包絡面的內部，從而被向上的內旋流帶到溢流中。因此，此時溢流口排出的顆粒變粗[9，10]。

當降低給礦濃度時，礦漿的黏度降低，礦漿的牽引力減小，零速包絡面向旋流器中心內縮。更多的顆粒所受的“離心力>礦漿的牽引力”，使其向水力旋流器器壁靠近，由于零速包絡面的減小，原本在包絡面內部的顆粒，出現在包絡面的外部，從而進入到沉砂中。因此，由溢流口排出的顆粒變細。

2)調節(jié)給礦壓力

當增大給礦壓力時，離心力場增大，離心力增大，零速包絡面向旋流器中心內縮。更多的顆粒所受的“離心力>礦漿的牽引力”，使其向水力旋流器器壁靠近，由于零速包絡面的減小，原本在包絡面內部的顆粒，出現在包絡面的外部，從而進入到沉砂中。因此，由溢流口排出的顆粒變細[11]。如果壓力過大，大量顆粒堵塞在沉沙嘴處。由于沉砂口出口面積有限，又有空氣從沉砂口進入溢流口，就會將一些粗粒被空氣柱卷入，短路帶入溢流中。

當降低給礦壓力時，離心力場降低，離心力減小，零速包絡面向旋流器壁外擴。更多的顆粒所受的“離心力<礦漿的牽引力”，使其向水力旋流器中心靠近，由于零速包絡面的擴大，原本在包絡面外部的顆粒，現在包絡面的內部，從而被向上的內旋流帶到溢流中。因此，此時的溢流口排出的顆粒變粗。

3)調節(jié)泵池液位

磨機的排礦進入泵池后，有一個沉降過程。泵池液位的高低會影響礦漿沉降過程的效果。當泵池液位高時，泵池內部的礦漿沉降時間長，礦石顆粒分布均勻，給入旋流器的分級顆粒的粗細均勻，旋流器分級過程較為穩(wěn)定。當泵池液位低時，泵池內部的礦漿沉降時間短，礦石顆粒分布不均，給入旋流器的分級顆粒的分布粗細不均，旋流器分級過程不穩(wěn)定，溢流粒度也不穩(wěn)定。當泵池液位過低時，泵池出現“抽空”現象，旋流器的給礦壓力會瞬間減小到零，旋流器的內部離心力場會遭到破壞，此時旋流器已經不能正常工作。因此，旋流器的正常工作需要一個較高穩(wěn)定的泵池液位。

采用在線粒度分析儀連續(xù)檢測實際的粒度變化情況，將旋流器的工作組數、給礦壓力、給礦濃度、泵池液位與溢流粒度的信號輸入控制器，系統(tǒng)通過調節(jié)磨機的給礦量、磨礦濃度、旋流器的工作組數、渣漿泵頻率、泵池補加母液，實現提高旋流器的溢流粒度合格率與穩(wěn)定性的目的。

旋流器要分級出合格顆粒，就必須保障磨機產生足夠的合格顆粒，因此，控制磨機的磨礦效果是控制旋流器溢流合格率的關鍵，傳統(tǒng)的旋流器調節(jié)方法一般采用粒度儀對溢流粒度進行實時檢測，當粒度跑粗時，增加渣漿泵的給礦頻率或者降低給礦濃度，往往忽略磨礦效果的調節(jié)。本設計利用數據分析手段，確定粒度跑粗的原因，如果是磨礦效果導致的，就要及時調整磨礦策略，雖然有一定延時，但是對于整個磨礦過程是有積極作用的，可以從源頭上解決旋流器溢流粒度的控制問題。

2.2.4 二段磨機自動加球控制

二段磨機來料一般無法控制，二段磨機要根據來料變化自動調節(jié)磨機負荷情況，主要有磨機的自動加球和磨礦濃度兩種調節(jié)手段。其中磨機加球的自動控制對磨機負荷起到立竿見影的效果。通過對二段磨機的負荷分析，以及鋼球在磨機內的損耗分析，實現磨機鋼球的自動添加。

磨機內部的球荷球比是影響磨機的重要因素，并不是磨機內部的鋼球越多越好，如果磨機內鋼球過多，磨礦效率反而下降，能耗消耗過大。相反，如果磨機內鋼球的充填率過低，由于沒有足夠的鋼球對礦石進行磨碎，導致磨機磨礦效果不好，同時磨機的生產效率也會下降，因此能否保證鋼球在磨機內部有合適的充填率對磨機的生產至關重要。本文主要借助磨機負荷分析模塊以及噸原礦鋼球消耗、鋼球磨損預估模型等手段實現二段磨機的自動加球控制，確保磨機內部鋼球的充填率在適當范圍[12]。

2.2.5 二段磨機磨礦濃度控制

系統(tǒng)通過旋流器給礦流量及濃度推算入旋流器的干礦量及母液量，通過進入磨礦分級系統(tǒng)的總干礦量及總母液量推算通過沉砂中的干礦量和母液量，進而推算磨礦濃度，并與磨礦濃度設定值進行比較，推算進入磨機中母液量。

圖5 球磨機給礦濃度控制框圖Fig.5 Feed concentration control block diagram of ball mill

2.3 通訊方式確定

優(yōu)化系統(tǒng)通過OPC方式從AB控制系統(tǒng)讀取/發(fā)送數據，主要信號列表見表1。

表1 優(yōu)化系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)通訊表Table 1 Communication table between optimization system and DCS system

本系統(tǒng)與基礎自動化系統(tǒng)之間相互隔離，磨礦優(yōu)化控制系統(tǒng)單獨部署、單獨運行，原則上不干預原有底層DCS系統(tǒng)的正常運行，優(yōu)化控制系統(tǒng)與DCS的交互模式基于以下內容：

1)通訊方式采用專家系統(tǒng)利用以太網接口，采用OPC協議實現優(yōu)化控制系統(tǒng)與底層DCS或者PLC系統(tǒng)的數據交互。

2)輸出看門狗機制，優(yōu)化系統(tǒng)的輸出。由于直接與DCS系統(tǒng)的設定值關聯，直接影響現場生產，優(yōu)化控制系統(tǒng)要設置輸出的檢查預判機制，對輸出結果進行評估，確保寫入DCS系統(tǒng)數據安全可靠，同時對操作過程要形成相關日志，可以最終生產過程的因素，在發(fā)生問題時能夠實現有理可查。

3)具備在線診斷功能，本優(yōu)化控制系統(tǒng)可以在不投運的情況下，實時運行，分析實時生產過程信息，給出生產過程調整的合理化建議，供現場操作人員參考使用。

4)具備離線分析功能，本優(yōu)化控制系統(tǒng)可以實現對離線數據的實時分析，可以實時分析現場的離線數據，從歷史數據中提取生產工藝相關的有效信息。

2.4 應用效果

該優(yōu)化系統(tǒng)對原有的DCS控制邏輯及安全保護聯鎖不做任何改動，以確保優(yōu)化系統(tǒng)不改變操作人員的操作習慣，確保安全。實現實時磨機給礦量控制、磨機負荷判斷、棒磨磨礦濃度控制、旋流器溢流粒度控制、二段球磨自動加Φ60鋼球功能。該優(yōu)化系統(tǒng)投運以來運行良好，投運率達到95%以上，在工藝負荷匹配及生產允許的情況下，穩(wěn)定旋流器溢流濃度、粒度指標(-63 μm≥73%合格率達到95%及以上，固體含量335～415 g/L合格率達到90%及以上)，臺時處理量提高臺時2%～5%。

3 結論

在氧化鋁生產的前段生產過程，即原礦磨礦環(huán)節(jié)，構建了一套優(yōu)化控制系統(tǒng)，通過構建磨礦智能優(yōu)化平臺、集成數據采集與分析、優(yōu)化控制推理分析以及實施優(yōu)化控制于一體，對整個氧化鋁生產過程的磨礦過程進行優(yōu)化控制，可在有效保證工藝穩(wěn)定運行以及各工段生產質量指標合格的前提下，有效提高流程的工作效率、節(jié)約能源損耗、減少操作人員數量和工作強度，減少現場異常停車、磨機漲肚、旋流器跑粗、拉稀等異常工況的發(fā)生。