李韋華 叢云龍 趙琪 朱頡斐

摘要：傳統(tǒng)尾礦深錐濃密過程中界面檢測和過程控制方面，人工檢測和人為介入控制占比較多。采用基于下潛式超聲波界面儀和PCS系統(tǒng)進行烏山銅鉬礦尾礦深錐濃密過程智能監(jiān)控，介紹了其安裝、數(shù)據(jù)處理及控制邏輯。該技術(shù)在烏山銅鉬礦的成功應用，進一步優(yōu)化了尾礦深錐濃密流程的工藝指標，避免了深錐跑渾、壓耙事故的發(fā)生，減少了絮凝劑干礦量消耗，月均節(jié)省絮凝劑干礦量1 831.2 kg，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

礦業(yè)工程黃 金GOLD2023年第3期/第44卷

2023年第3期/第44卷黃 金GOLD礦業(yè)工程

關(guān)鍵詞：尾礦；深錐濃密；下潛式超聲波界面儀；PCS系統(tǒng)；區(qū)間控制

中圖分類號：TD462+.5文章編號：1001-1277（2023）03-0034-04

文獻標志碼：Adoi：10.11792/hj20230308

引 言

中國黃金集團內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司烏努格吐山銅鉬礦（下稱“烏山銅鉬礦”）地處呼倫貝爾大草原，礦區(qū)面積9.8 km2，銅金屬儲量302萬t，鉬金屬儲量65萬t。設(shè)計日采選能力約7.5萬t。礦石處理采用粗碎、磨礦、浮選、精礦、尾礦工序流程。粗碎采用一段開路旋回破碎工藝，磨礦采用SAB即半自磨+球磨閉路循環(huán)工藝，浮選采用銅鉬混合浮選、銅鉬分離浮選工藝，精礦采用濃密、高能壓濾脫水工藝（銅精礦），尾礦采用深錐濃密膏體排放工藝。尾礦經(jīng)深錐濃密機脫水后，經(jīng)隔膜泵輸送至尾礦庫堆存，回水循環(huán)利用到生產(chǎn)工藝流程中。

為加強對尾礦深錐溢流回水的充分利用，避免發(fā)生濃密機跑渾和壓耙事故，烏山銅鉬礦基于下潛式超聲波界面儀實時監(jiān)測的界面數(shù)據(jù)，以及PCS系統(tǒng)對深錐濃密過程數(shù)據(jù)的分析及區(qū)間控制，實現(xiàn)了對尾礦深錐濃密工藝過程的智能監(jiān)控，提高了深錐濃密機溢流回水量和底流濃度，優(yōu)化了絮凝劑添加量，實現(xiàn)了降本增效。

1 工程概況

烏山銅鉬礦尾礦處理工序采用深錐濃密—隔膜泵輸送—尾礦膏體堆存工藝，回水循環(huán)利用。低濃度尾礦由長距離管道輸送至直徑40 m、高12 m的深錐濃密機（處理量約5萬m3/d），添加絮凝劑進行濃縮沉降^［1］。濃縮沉降過程中，深錐濃密機內(nèi)部界面從上至下分為清液層、沉降層、泥層、重泥層。深錐濃密機底流（高密度尾礦）由喂料泵、隔膜泵外排至尾礦庫，深錐溢流回水重新返回生產(chǎn)流程再利用，尾礦庫回水通過浮船回水泵和壩下回水泵長距離輸送返回生產(chǎn)流程。尾礦深錐濃密工藝流程見圖1。

尾礦深錐濃密監(jiān)控技術(shù)主要存在2個問題：一是對深錐濃密機內(nèi)部界面分層數(shù)據(jù)的實時精確檢測較難；二是傳統(tǒng)的PID單回路控制存在缺陷，造成界面監(jiān)控依靠人工檢測較多，過程控制中人為介入大幅調(diào)整的情況較頻繁。為加強對尾礦深錐溢流回水的充分利用，提高水資源利用率，烏山銅鉬礦對尾礦深錐濃密工藝控制過程進行改造。

2 工程應用

界面測量儀按照測量原理可以分為濁度、浮力、重力失重、超聲波界面測量儀4類，根據(jù)實際工況綜合考慮，確定采用下潛式超聲波界面儀進行深錐濃密過程的監(jiān)控。下潛式超聲波界面儀探頭自帶發(fā)射和反射超聲波裝置，通過下潛過程中不同分層固體含量對超聲波的衰減差異，探測界面分層。

2.1 儀器安裝

深錐濃密機半徑20 m，將下潛式超聲波界面儀安裝在其上部過橋，距離耙中心7 m處。設(shè)備距離液面1.3 m，探頭最大下潛深度11.8 m（見圖2）。為防止探頭下潛過程中與耙架發(fā)生碰撞，提高儀表使用的安全性，除了安裝界面儀主體設(shè)備外，還加裝了耙機旋轉(zhuǎn)檢測裝置。同時，加裝了探頭自清洗裝置及探頭酸洗罐，每次檢測完后，電磁閥自動控制清水對探頭進行沖洗，酸洗罐定期對探頭進行酸洗，避免了結(jié)垢對探頭檢測的影響，提高數(shù)據(jù)連續(xù)性。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 數(shù)據(jù)輸出

下潛式超聲波界面儀最終會輸出深錐內(nèi)從上至下分布的各個分層的厚度值，清液層、沉降層、泥層、重泥層的固體含量依次增加，探頭檢測不同界面的臨界深度。重泥層由探頭自然下落觸底失重時的繩長來檢測。下潛式超聲波界面儀還可輸出探頭每次下潛過程中的實時深度、分貝值（衰減后的聲壓級）及溢流堰下2 m處的濁度。所有數(shù)據(jù)在深錐耙機每轉(zhuǎn)半圈時測量一次。深錐槽體內(nèi)界面分布監(jiān)測圖見圖3，“探頭50”為探頭實時檢測的超聲波衰減度分貝值；“SG 1.116”為探頭檢測到的深錐槽內(nèi)不同層級液體的比重（一定環(huán)境下液體密度與純水密度的比值）；“沉降層3.45”為探頭下落深錐槽，距離水面3.45 m處為沉降層界面；“泥層6.1”為探頭下落深錐槽，距離水面6.1 m處為泥層界面。

由圖3可知：通過探頭下潛失重時的繩長來測量不同深度分貝值，確定分層數(shù)值。藍色趨勢線為測量的衰減分貝值；1號垂線為沉降層的觸發(fā)點（清液層和沉降層的分界面）；2號垂線為泥層的觸發(fā)點；3號垂線為重泥層觸發(fā)點，均為判斷失重獲得。紅色方框中的0表示深錐槽液面位置；10.5表示深錐槽底部深度，即下潛式超聲波界面儀量程為液面下10.5 m。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

1）數(shù)據(jù)采集和存儲。深錐濃密過程相關(guān)的數(shù)據(jù)，均接入到PCS系統(tǒng)進行存儲。過程數(shù)據(jù)采集見圖4，過程數(shù)據(jù)存儲見表1。深錐濃密機入料管道的濃度計、流量計采集入料濃度和流量數(shù)據(jù)，下潛式超聲波界面儀采集深錐槽內(nèi)分層數(shù)據(jù)，深錐驅(qū)動液壓馬達輸出壓力表采集轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)，絮凝劑制備輸送系統(tǒng)采集絮凝劑添加量和濃度數(shù)據(jù)，pH計采集深錐溢流水pH，底流流量計、濃度計采集底流流量和濃度數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)接入PCS系統(tǒng)，分析處理后，由PCS系統(tǒng)輸出指令，控制絮凝劑輸送泵和底流排放泵，同時PCS系統(tǒng)根據(jù)點位表（見表1）將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至服務器，作為后續(xù)查詢分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)預處理。異常情況數(shù)據(jù)清理，以入料流量異常數(shù)據(jù)清理為例，導出歷史數(shù)據(jù)，去除超出正態(tài)分布±3倍方差的異常樣本值，再去除業(yè)務上導致數(shù)據(jù)源波動過大的樣本值，如停車、MES應用系統(tǒng)維護、網(wǎng)絡中斷和儀表故障等^［2］。

3）數(shù)據(jù)趨勢分析。以清液層、底流濃度為主要過程變量，其他數(shù)據(jù)為輔助反饋，絮凝劑添加量和底流外排量為控制因素^［3］。在輔助反饋數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定的情況下，分析控制因素對過程變量的生效時間和影響幅度，用于后續(xù)控制^［4-5］。

2.3 控制邏輯

2.3.1 控制目標

深錐濃密機優(yōu)化控制的3個目標：①預防異常停機。異常停機會導致短時間內(nèi)跑渾、壓耙，甚至選礦流程中斷。②清液層控制。通過控制清液層合適的厚度，確保提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的深錐回水。③穩(wěn)定易控的底流濃度。通過控制底流流量、絮凝劑添加量和深錐固體存量來實現(xiàn)目標濃度。

2.3.2 控制因素

控制絮凝劑輸送泵，改變絮凝劑添加量；控制深錐濃密機內(nèi)礦漿固液分離速度，實現(xiàn)深錐濃密機內(nèi)不同界面的厚度，確保合適的沉降效果。

控制底流排放泵，調(diào)節(jié)深錐濃密機內(nèi)總固體含量，確保底流流量和濃度。

2.3.3 區(qū)間控制

區(qū)間控制是根據(jù)目標所處區(qū)間，采用對應的回路步進控制、趨勢控制、異常情況控制及停機預警。清液層控制和底流控制可設(shè)置不同的優(yōu)先級，烏山銅鉬礦采用清液層控制較高優(yōu)先級，區(qū)間控制邏輯見圖5。

1）回路步進控制。

當清液層在低點和高點區(qū)間（不包含高點、低點）時，采用PID回路加步進控制。SP值為根據(jù)入料干礦量、對應的絮凝劑克噸比、絮凝劑配制濃度計算出的絮凝劑理論添加量；PV值為絮凝劑投加泵出口實際流量；OP值為絮凝劑投加泵的頻率控制值。當對清液層調(diào)整效果不佳時，SP設(shè)定值增加或減少0.1，但SP不能超過絮凝劑添加限值，每次變化等待15～20 min，觀察效果。

2）趨勢控制。當清液層小于等于低點且大于低限時，跳出PID回路，在原有OP值基礎(chǔ)上不斷小幅增加絮凝劑投加量，每次間隔15 min，觀察效果。當清液層小于低限時，在小幅增加絮凝劑的基礎(chǔ)上，減少固體存量，階段性加大底流外排量，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出的趨勢值，做出跑渾預警。當清液層大于高點且小于高限時，跳出PID回路，在原有OP值基礎(chǔ)上不斷小幅降低絮凝劑投加量，每次間隔15 min，觀察效果。當清液層大于高限時，在小幅降低絮凝劑投加量的基礎(chǔ)上，增加固體存量，階段性減小底流外排量。

3）異常情況控制。當經(jīng)過回路步進控制和趨勢控制流程處理后，絮凝劑添加量仍長時間較高，清液層厚度仍然長時間處于低限或繼續(xù)降低，此時需在短時間內(nèi)以較大速度外排底流，同時報警提示HMI操作員檢查來料pH是否偏低、來料泥化情況是否嚴重、絮凝劑制備水和稀釋水pH是否偏低。當轉(zhuǎn)矩達高限時，需要及時降低泥層厚度，防止設(shè)備損傷及壓耙。當耙機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電動機雖然運轉(zhuǎn)但轉(zhuǎn)矩異常偏低時，則需檢測耙機旋轉(zhuǎn)接近感應開關(guān)的間隔時間，判斷耙架實際旋轉(zhuǎn)情況，并提示HMI操作員現(xiàn)場檢查耙架。

4）停機預警。深錐濃密機依靠液壓馬達中心傳動，預防停機的控制包括：液壓馬達運行狀態(tài)信號預警、轉(zhuǎn)矩限值預警、固體存量限值預警、清液層變化低限預警、耙機旋轉(zhuǎn)位置檢測延時預警等。

5）底流濃度控制。底流濃度與固體沉降能力和固體停留時間相關(guān)。通過控制底流泵速以保持恒定的固體存量控制，然后添加底流密度作為反饋信息來修改固體存量設(shè)定值，在濃密機自身的限制范圍內(nèi)，實現(xiàn)穩(wěn)定的底流密度。

根據(jù)操作員設(shè)定的底流濃度值建立對應的穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)首先要實現(xiàn)固體存量基本恒定，干礦量差值在0附近小幅波動，清液層和泥層穩(wěn)定在正常區(qū)間，底流濃度圍繞目標值小幅波動。通過控制絮凝劑和固體存量，使?jié)饪s過程穩(wěn)定一致，達到最佳。

當?shù)琢鳚舛绕r，逐步降低底流泵速，減少干礦量差值，加大礦漿在深錐濃密機內(nèi)的停留時間，增強積聚效果，間隔10 min，觀察效果，直至正常；當?shù)琢鳚舛绕髸r，則反向操作。底流濃度控制優(yōu)先級小于清液層控制。底流控制同時兼顧清液層的控制，當清液層到達低點以下時，執(zhí)行清液層控制邏輯。

2.4 應用效果

利用深錐濃密過程優(yōu)化監(jiān)控技術(shù)，可以穩(wěn)定、可靠地測量深錐濃密機的清液層、沉降層、泥層和重泥層厚度等數(shù)據(jù)，提高尾礦深錐溢流回水質(zhì)量，優(yōu)化絮凝劑自動添加量，減少了絮凝劑干礦量消耗，對比優(yōu)化前，月均節(jié)省絮凝劑干礦量1 831.2 kg。

在符合生產(chǎn)要求的條件下，提供了更為穩(wěn)定的濃密機高濃度底流，實現(xiàn)濃密機跑渾預警，有效避免了濃密機跑渾和壓耙事故造成的減礦和停車檢修事故，對比應用之前曾經(jīng)發(fā)生過的壓耙事故，減少事故停車處理時間27.1 h，同時降低了作業(yè)人員勞動強度，提高了工作效率。

3 結(jié) 論

1）在尾礦深錐濃密機中使用下潛式超聲波界面儀，可以得到深錐濃密機更為準確的深錐界面分層數(shù)據(jù)，且可實時顯示。

2）利用數(shù)據(jù)清理和數(shù)據(jù)分析，探究不同參數(shù)之間的影響關(guān)系和作用時間。

3）結(jié)合各種工況形成區(qū)間控制策略，采用回路步進控制、趨勢控制、異常情況控制及停機預警結(jié)合的方法，實現(xiàn)控制改進。

4）深錐濃密過程優(yōu)化監(jiān)控技術(shù)，提高了尾礦深錐溢流回水量，獲得了穩(wěn)定的高濃度底流，降低了絮凝劑干礦消耗量，月均節(jié)省絮凝劑干礦量1 831.2 kg；實現(xiàn)了濃密機跑渾預警，有效避免濃密機跑渾和壓耙事故，減少事故停車處理時間27.1 h，同時降低了作業(yè)人員勞動強度，提高了工作效率，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

［參 考 文 獻］

［1］ 楊世亮，張徑橋，王越.高寒高緯度地區(qū)尾礦膏體生產(chǎn)排放實踐［J］.礦冶，2018，27（3）：41-44.

［2］ 王淑紅，李英龍，戈保梁，等.探索性數(shù)據(jù)分析在選礦中的應用［J］.金屬礦山，2002（7）：22-25.

［3］ 楊慧，陳述文.φ50 m大型濃密機的自動控制［J］.金屬礦山，2002（12）：38-40.

［4］ 張志偉.絮凝劑添加自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計［J］.煤炭加工與綜合利用，2015（5）：37-38，41.

［5］ 王勇，那慶.深錐濃密機底流質(zhì)量分數(shù)與停留時間關(guān)系研究［J］.黃金，2022，43（2）：33-36.

Application of smart monitoring technology for the tailings

deep cone thickening process in Wushan Copper-Molybdenum Mine

Li Weihua，Cong Yunlong，Zhao Qi，Zhu Jiefei

（Inner Mongolia Mining Co.，Ltd.，China National Gold Group Co.，Ltd.）

Abstract：Manual detection and man-intervened control account for much of the interface detection and process control in the conventional tailings deep cone thickening process.The submersible ultrasound interfacial device and PCS system are decided for the smart monitoring of the tailings deep cone thickening process in Wushan Copper-Molybdenum Mine.The installation，data processing，and control strategy are introduced.The technology is successfully applied in the Wushan Copper-Molybdenum Mine，which further optimizes the process index of the tailings deep cone thickening process，avoids the accidents of deep cone going cloudy and rake seizure，and lowers the flocculant consumption for unit dry ore，saving flocculant dry ore amount by 1 831.2 kg per month and achieving good economic and social benefits.

Keywords：tailings;deep cone thickening;submersible ultrasound interfacial device;PCS system;interval control