李海斌,譚志勇,管孝強,周仕慶,李騰飛,王 超,張 煒

(1.中鋁科學技術研究院有限公司,北京,102209;2.昆明冶金研究院有限公司北京分公司,北京,102209;3.中鋁智能銅創(chuàng)科技(云南)有限公司,昆明,650051;4.云南銅業(yè)股份有限公司,昆明,650051)

浮選占據(jù)選礦工業(yè)的核心地位已經(jīng)超過了100年,從20世紀初解決了硫化物的選別問題至今,仍是選礦工業(yè)的最重要的工藝之一。多年來,由于浮選技術和設備的發(fā)展,其工業(yè)應用發(fā)生了許多重大的變化。選礦工業(yè)界專家逐漸傾向于認為,浮選設備的智能化將能夠更有力的改善選礦生產(chǎn)效能;選礦領域的重點發(fā)展方向之一,由此逐漸從浮選設備的“大型化”向浮選設備更具“智能化”偏移[1-3]。近年來,將世界上先進的浮選理論基礎研究引入,以及推動選礦工業(yè)的數(shù)字化和智能化,成為國內(nèi)外相關科技攻關和工業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的方向。隨著計算機性能的加速迭代和算法時代的到來,在浮選領域智能化的諸多研究方向中,一條新的主線逐步受到重視,即通過研發(fā)和創(chuàng)建新一代浮選領域傳感器技術,實時抓取和測量浮選流體動力學核心信息以及變量,以便于優(yōu)化選礦流程運行策略,推動浮選效能提升至一個新高度。

近十年來,國際上一些大的浮選裝備公司,例如芬蘭Outotec、美國Flottec、Metso、Wemco等公司都在進行浮選傳感器技術的研究,但他們的研究相對局限在泡沫表層的照相系統(tǒng)和圖像收集研究的初、中級階段[4-6]。澳大利亞JKMRC研究院與加拿大McGill大學于上世紀90年代率先就氣體擴散與浮選流體動力學展開了全方位的研究,將氣泡表面積通量(Sb,s-1)與浮選動力學常數(shù)(k,s-1)鏈接起來,從而圍繞氣泡尺寸、氣體速率與選礦回收率建立了經(jīng)典量化模型,并成功運用該成果打造了第一代浮選流體動力學傳感器裝置[7-8]。國內(nèi)在浮選流體動力學方面研究起步較晚,研究力度有待進一步加強。

第一代浮選流體動力學傳感器裝置主要關注浮選流程中表觀氣體速度、平均氣泡尺寸、氣泡表面積通量以及持氣率四個動力學關鍵參數(shù)[9]。其中:表觀氣體速度(Jg,cm/s)表示每單位時間內(nèi);以浮選設備單位橫截面積 (Acell,m2)為計算基礎,離開礦漿的氣體體積流量(Qg,m3/s);平均氣泡尺寸(D32,mm)是氣泡尺寸分布(BSD)的量化指標,用于計算氣泡表面積通量(Sb);氣泡表面積通量是指每單位時間內(nèi),以浮選設備單位橫截面積為計算基礎,其所包含的全部氣泡的總表面積。這些參數(shù)通過以下數(shù)學關系相互銜接:

(1)

(2)

(3)

持氣率(Eg)表示為分數(shù)或%,也構成一個氣體分散度量,并將浮選槽/柱內(nèi)氣體體積(Vg,m3)與浮選槽/柱的有效容積(Vcell,m3)聯(lián)系起來:

(4)

k=PSbRf

(5)

式中:k為總浮選速率常數(shù)(礦漿和泡沫),P為擬浮出的礦物顆粒的可浮性參數(shù),Rf為泡沫相礦物顆粒的回收系數(shù)。

通過公式(3)觀察到Sb與D32成反比;結合公式(1)和(5),可見表觀氣體速度和金屬回收率與氣泡尺寸成反比,與氣體體積流量Qg成正比。因此,浮選性能的研究需要至少準確測量Jg和D32兩個參數(shù),以便計算Sb[10]。

包含表面氣體速度Jg、平均氣泡尺寸D32、氣泡表面積通量Sb與持氣率Eg在內(nèi)的浮選流體動力學參數(shù)之間的關聯(lián)性可參考圖1。

圖1 浮選參數(shù)關聯(lián)

圖2 選廠大型浮選設備中架設新一代傳感器智能系統(tǒng)并進行相關參數(shù)測量的剖面全景

1 新一代浮選流體動力學傳感器裝備研發(fā)概況

盡管加拿大McGill大學和澳大利亞JKMRC研究院團隊均基于流體動力學和表面化學的理論突破,已完成第一代測量傳感器的研發(fā)[11],但受限于傳感器設備的單一性,流體動力學參數(shù)對浮選效能的量化影響、浮選藥劑鍵能與氣泡載體之間的協(xié)同效應、浮選速率常數(shù)與金屬回收率之間的量化關系等還無法通過成熟技術及配套設備予以精準定義和測量[12]。近兩年以來,通過引進吸收McGill大學浮選流體動力學領域的相關研發(fā)成果,中鋁科學技術研究院先進選礦團隊強化對浮選設備性能指標以及浮選工藝大數(shù)據(jù)的收集與研究,初步搭建了一整套浮選流體動力學大數(shù)據(jù)高端裝備的設計理論基礎和軟硬件產(chǎn)品,并取得了工業(yè)應用實踐方面的相關經(jīng)驗。在第一代單體傳感器的基礎上,新一代浮選流體動力學智能傳感器系統(tǒng)主要由三套各自獨立的專用儀器設備組成,同時新的設計也改善了傳感器的物理結構與軟件配套,可實現(xiàn)Jg、D32和Eg等不同流體動力學物理參數(shù)的獨立測量及數(shù)據(jù)的自動交互比對,具體包括。

1)氣泡觀察艙:以礦漿氣泡直接成像技術為基礎來監(jiān)測礦漿平均氣泡尺寸,通過與回收率等經(jīng)濟性指標類大數(shù)據(jù)進行關聯(lián),形成指導氣泡分布、給氣率及起泡劑用量等現(xiàn)場操作參數(shù)的優(yōu)化方案,從而提升浮選效能。

2)持氣率儀:持氣率作為浮選設備運行時映射氣泡狀態(tài)的最直觀的浮選流體動力學參數(shù)之一,儀器通過實時監(jiān)測瞬時電導率,對礦漿持氣率進行趨勢分析,形成最優(yōu)操作策略。

3)氣速儀:以壓差為基礎來實時監(jiān)測浮選設備的實際表面氣速以及礦漿密度,對浮選設備的工作狀態(tài)做出診斷;關聯(lián)DCS中控對操作參數(shù)進行調(diào)整,實現(xiàn)表面氣速最優(yōu)水平。

4)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)庫:根據(jù)新一代浮選流體動力學傳感器系統(tǒng)的實時測量數(shù)據(jù)和選廠具體工況條件的階段性監(jiān)測與分析,自動形成最優(yōu)選礦生產(chǎn)指標調(diào)整方案,并下達操作指令。

新一代浮選流體動力學智能傳感器系統(tǒng)通過精準定義和測量浮選機/柱的氣泡尺寸、充氣速率、氣體滯留量等氣體擴散關鍵參數(shù),從而實現(xiàn)浮選實際生產(chǎn)流程中固、液、氣三相流的即時狀態(tài)的表征分析,分析結果直接用于浮選藥劑化學特征、用量、鼓風量等生產(chǎn)數(shù)據(jù)、信息的優(yōu)化指導。半工業(yè)化實驗室測試顯示,能夠實現(xiàn)不同礦山條件下精礦品位和金屬回收率的雙向有效提升[13]。該技術成果擁有較為成熟的技術論證,有著大量的學術基礎,隨著工業(yè)4.0與物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的發(fā)展,該系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)庫為基礎,就選礦廠實時工況情況提出優(yōu)化方案并實現(xiàn)自動操作指令的下達,進一步提升了礦山選廠自動化、智能化水平,選礦效能得到有效激發(fā)。實施該項技術的核心路徑在于將浮選流體動力學基礎研究準確應用于實踐中,過程中通過提取工業(yè)化數(shù)據(jù)進而打造選礦物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

2 浮選流體動力學傳感器裝備的工程化實踐

新一代浮選流體動力學特征閾值傳感器系統(tǒng)通過逐步完善,以氣泡尺寸和其概率分布的實時測量,表面氣速、持氣率的持續(xù)監(jiān)測技術為核心的測試技術手段,以及測試-賦值-解析-優(yōu)化方案等各節(jié)點組成的一整套傳感器系統(tǒng)實地應用模式已日趨成熟,并在工業(yè)化驗證階段取得較優(yōu)成果。

近年來國內(nèi)外有色金屬礦山選礦領域普遍面臨資源品位下降、資源成分復雜、嵌布粒度過細等技術性難題。目前,國際范圍內(nèi)對于處理技術性難題和提升選礦效能,一般采用設備大型化、礦粒細磨、藥劑更迭等常規(guī)思路辦法,效果有限。中鋁科學技術研究院先進選礦團隊在引入世界上先進的浮選理論研究成果的基礎上,進一步擴大技術優(yōu)勢,以流體動力學智能傳感器系統(tǒng)的研發(fā)為獨特視角切入,實現(xiàn)選礦技術經(jīng)濟指標的最優(yōu)解。以普朗銅礦為例,通過引入新一代浮選流體動力學智能傳感器系統(tǒng)作為測試工具,在兩周時間內(nèi)通過連續(xù)測量和大數(shù)據(jù)交互比對分析,搭建經(jīng)驗模型,提出最優(yōu)化方案以精確指導不同環(huán)境下操作參數(shù)的選取,從而改變以往的以經(jīng)驗和假說為基礎的人工操作模式,實現(xiàn)了礦物回收率和品位的優(yōu)化效果,同時降低了人工和時間成本,選礦廠由此每月得到增收370萬元。

3 結 語

新一代浮選流體動力學特征閾值傳感器系統(tǒng)采用針對固液氣三相流的新型復合傳感器技術,多維度測量浮選設備參數(shù)和浮選回路參數(shù),通過采集到的數(shù)據(jù)進行建模分析,形成優(yōu)化方案并生成自動化操作指令,最終實現(xiàn)選礦技術經(jīng)濟指標的優(yōu)化提升效果。系統(tǒng)的成功應用,可有效提高礦山效益、降低生產(chǎn)成本。例如,根據(jù)過往經(jīng)驗,該系統(tǒng)的成功投運預計可提升礦山金屬回收率1%～5%,提高精礦品位 0.5%～3%。降低浮選成本5%～10%,降低選礦人工成本20%～40%。

該項目涉及技術和產(chǎn)品可成功填補國內(nèi)礦業(yè)領域此類設備研發(fā)的技術空白,為該行業(yè)工業(yè)4.0的實現(xiàn)創(chuàng)造了有利條件。