城门山铜矿半自磨优化控制系统

段伟杰 ，李显杰，江 帆 ，刘 鹏，李晓刚，陈志华，徐 宁

（1.江西铜业集团有限公司 城门山铜矿，江西 九江 332000；2.北矿智云科技（北京）有限公司，北京 100070）

1 引言

1.1 半自磨工艺

随着自磨、半自磨机在全世界范围内的广泛应用，用半自磨（SABC）流程替代常规碎磨流程成为一种趋势，越来越多的新矿山或扩能扩产矿山项目采用已日趋成熟的自磨、半自磨流程［1］。半自磨机优势明显，缺点也同样突出，在实际生产中，其给料通常是旋回破碎机粗碎后的排料产品，粒度达到300mm，随着给料粒度的增大，控制不好容易出现涨肚、衬板断裂等一系列问题［2］。半自磨机是在自磨机的基础上加入少量的钢球，集合了自磨机与球磨机的特点，其内部既有大块矿石与钢球的抛落破碎作用，又有中小块矿石和钢球的研磨作用［3］。半自磨机和球磨机构成的SABC磨矿工艺流程，相对于传统的两段或三段“破碎”工艺和闭路球磨磨矿工艺，生产工艺流程短、设备数量少、人工成本低、便于管理运维等优点，已经在国内外选矿厂得到普遍的推广应用。

比较经典的SABC磨矿工艺流程如图1所示，是由两个环节组成，第一个是由半自磨机、分级振动筛、圆锥破碎机构成的“碎矿”环节，第二个环节是由泵池、渣浆泵、分级旋流器和球磨机构成的“磨矿”环节。“碎矿”环节的物料流向是：矿石给入半自磨机进行破碎，半自磨机的排矿产品进入振动筛进行筛选。振动筛的筛下产品为半自磨机合格粒级产品、直接送入泵池后进入第二个闭路“磨矿”环节；振动筛的筛上大颗粒产品为半自磨机的粒级不合格产品，称为“顽石”，顽石通过皮带运输机运至顽石仓，通过给矿机将顽石送入圆锥破碎机破碎后，通过皮带运输机返回到半自磨机给料皮带，与新矿石一起进入半自磨机再次破碎。“磨矿”环节的物料流向是：泵池将矿浆打入到水力旋流器进行分级，水力旋流器的溢流产品为最终磨矿产品；水力旋流器的底流产品，即产品粒级不合格的产品返回到球磨机进行细磨；球磨机的排矿产品进入泵池循环分级。

图 1 经典SABC工艺流程图

图 2 SAB磨矿工艺流程图

城门山铜矿有一选厂和二选厂，均采用了与图1不一样的半自磨磨矿工艺，简称为SAB磨矿工艺，其工艺流程如图2所示。两者的区别在于城门山铜矿第一个环节是半自磨机“开路”碎矿，半自磨机排矿产品没有经过对颗粒粗细的分级、全部给入了第二个磨矿闭路。这两种磨矿工艺的差异导致了两个环节之间的负荷匹配关系产生了很大的不同。半自磨回路和球磨回路之间的负荷分配对于系统的运行状况和系统可调整富裕度有着重要的影响，其中半自磨产品传递粒度对负荷分配有着直接且重要的影响［4］。

相对于图1而言，该流程使得半自磨机产品的粒级范围更宽、对球磨机“磨矿”工艺的干扰更大。同时，城门山铜矿之所以选择半自磨机开路，主要是因为其入磨矿石的块度分布、矿石硬度、可磨性等条件变化太大，顽石产量和粒度分布及其不稳定；闭路一方面增加设备和运维成本；一方面可能会成为完成处理量的瓶颈。国内其他矿山的一些工业实践表明：SAB 流程的设备运转率主要取决于半自磨机，而半自磨机的运转率主要取决于衬板使用寿命［5］。

1.2 磨矿装备

城门山铜矿二选厂设计处理矿石能力是5000t/d，目前实际的矿石处理能力已经达到5800t/d左右，其一段磨矿工艺的设备配置情况是：MZS-6433半自磨机1台、装机功率2000kW、供电电压6kV；MQY-4870球磨机1台、装机功率2500kW、供电电压10kV；一段磨矿分级设备为FX660-GT-7水力旋流器；一段分级渣浆泵2台、一用一备，装机功率均为315kW。

城门山铜矿自2018年开始对二选厂磨矿工艺流程进行了自动化升级，包括：

（1）对半自磨机进行了变频改造，实现了通过DCS系统对半自磨机筒体转速的实时调节。

（2）增加了半自磨机和球磨机的自动加球装置，实现了通过DCS系统对加球量的实时调节。

（3）对渣浆泵进行了变频改造，原调速装置为液力耦合器，现在已经改造成变频调速控制，实现了通过DCS对渣浆泵转速的实时调节。

1.3 控制目标

城门山铜矿入选矿石性质复杂、其中含铜矿物10余种，硫矿物以含铜黄铁矿为主，氧化－混合矿石中则以次生硫化铜矿物为主，矿石构造以块状、浸染状、细脉浸染状为主。由于矿石性质复杂、变化范围较宽，因此磨矿操作难度大、生产稳定性差、选矿指标不够理想。一段磨矿溢流矿浆产品的粒级要求为-200目占65%。2017年8月29日到2017年11月29日32个原矿粒度取样筛分数据，+80目均值11.30%、1δ标准方差3.7%；-200目均值55.78%、1δ标准方差5.93%，溢流矿浆产品质量距离设计指标有较大的提升空间。

SAB磨矿控制研究的目的是提高合格粒级产品的产率，并且进一步稳定磨矿工艺过程、合理利用衬板、钢球、补加水等物耗条件，探索提高一段磨矿技术经济指标的方法和策略。

2 系统组成

SAB磨矿控制由基础自动化系统、磨矿优化系统和数据分析系统构成。

CT增强扫描：医护人员在CT检查前应叮嘱患者身上不得放置金银首饰，处于空腹状态，并指导患者做好呼吸运动训练，以维持良好的呼吸频率与深度，需要注意的是，应严格按照相关规定进行碘过敏试验。之后借助CT扫描机进行动态增强扫描，向肘静脉内注入碘帕醇注射液，注入速度控制在3.0mL/s，注入剂量控制在65mL，注射对比剂后扫描时间选择为：20s、80s、140s、200s、260s，扫描范围主要包括肿块及其周围5mm范围内，同时统计计算灌注参数，主要包括血流量、血容量、通过时间以及表面渗透性。

2.1 基础自动化系统

城门山铜矿二选厂原有一套由AB ControlLogix5000和WONDERWAR组态软件构成的DCS控制系统；2018年开始进行自动化系统升级和设备系统升级的改造；于2019年8月份完成改造。DCS控制系统具备如下的控制功能：

（1） 对半自磨机的给矿控制实现了双闭路控制，以半自磨机给料皮带5#皮带运输机的电子皮带秤作为反馈信号，分别与1#和2#两台重板给料机构成闭路控制；两个回路为一用一备的工作机制。

（2）对半自磨机的前给水和后给水、球磨机的后给水实现了闭路调节。

（3）集成半自磨机和球磨机的自动加球机，能够对加球机进行远程开路调节。

（4）集成半自磨机和球磨机的磨机负荷监测系统、半自磨机的磨音检测系统。

（5）集成两组旋流器开停阀门控制。

2.2 SAB磨矿优化系统

根据大量的工业数据分析和探索，城门山铜矿将SAB磨矿优化系统的重点放在半自磨机开环磨矿回路上，主要是针对整个磨矿工艺的操作变量进行监控和调节：①半自磨机给矿量调节；②半自磨机转速调节；③磨矿总水调节；④半自磨机加球量。磨矿优化系统内置了相关规则和算法、对溢流产品粒级采用两级目标控制，一级目标为-200目含量61%～65%；一级目标为+80目5%～9%。协同控制系统根据在线粒度分析仪反馈的-200目和+80目的测量数据，按照一定的优先级调整磨机转速、水量或钢球添加量，使得产品粒级恢复到控制范围内。

2.3 磨矿数据分析系统

磨矿优化系统由于受矿石条件和设备条件的影响，系统的输入输出条件之间的相关性会发生变化；控制策略如果不能适应矿石条件、设备条件的变化就会失效。此外；操作条件与磨矿技术指标和经济指标之间的关系也是变化的，并不能简单的以一个阶段的“好指标”来证明整个优化系统可以“长期有效”。因此磨矿优化系统的控制策略同样需要构建一个动态的数据分析系统。

磨矿数据分析系统是在基础自动化系统和磨矿优化系统的基础上开发的一套对磨矿自动化变量、生产巡检、设备点检、生产指标等数据进行采集、分析和可视化的一套系统，包括：

（2）单一变量的统计过程分析，双变量的线性回归分析，多变量的三维展示；方便自动化工程师和工艺工程师及时分析生产过程变量之间的相关性分析，以便于及时修正控制策略。

（3）在线粒度分析系统的标定样本集合采集和粒度分析模型误差的动态监控。

（4）基于实时数据和巡检数据的交叉计算和指标管理。

（5）生产技术指标和经济指标的自定义，利用计算服务无需编程，生产报表自动生成。

（6）所有数据、报表均可以在PC端和移动端查看。

3 工业运行情况

半自磨机和球磨机中的易磨损件除了钢球外，就是各类衬板。 衬板起着保护磨机筒体免受矿石冲击、磨损和增加筒体强度的作用［6］。在整个磨矿控制系统的研究过程中，发现半自磨机衬板的磨损程度直接对整个控制策略的影响很大，而且与矿石性质、溢流矿浆产品质量有着比较复杂的关系。

3.1 开环工业试验

2019年10月28日到11月13日将相关优化控制策略以离线调整的方式对磨矿生产控制；通过手动对磨机转速、前给水和钢球的添加来调节溢流产品粒度。此时的半自磨机衬板于10月14日更换、几乎没有磨损、提升效果好。如图3所示（来自城门山铜矿数据中心），此时半自磨机工作频率的最佳工作点是37～38Hz，筒体内物料的落点位置控制在“5～6点钟”方向，基本听不到“空砸”声音；转速最大值最高184r/min（相当于49Hz）、最小值134r/min（相当于35.7Hz）、均值为150.98r/min（相当于40.2Hz）。但是要保障这个最佳的工作点，还同时需要依靠磨矿浓度和钢球补加的实时控制来抑制难磨矿石性质造成的溢流跑粗和磨机功率“飞升”现象。

图 3 磨矿优化控制系统

如图4所示，相对于 10月16-24日的+80目粒度数据（均值为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%。总得来说，控制策略能够有效的改善粗粒级产品的产率。

图 4 2019年10月28日-11月8日的+80目粒度曲线

3.2 闭环工业实验

2020年4月15-23日SAB控制系统进行了白班8小时的连续运行试验，试验对比用的是一天当中人工手动操作的8h时间数据。表1优化系统投用和未投用得到的生产指标统计数据，其中优化系统运行时平均每吨矿石节省电耗0.18kW·h，钢球单耗大约为手工操作50%；+80目平均值下降0.25%，波动范围也在减小。

2020年5月18日至6月3日进行了12天、24小时连续运行试验，此时半自磨机衬板处于中期， 提升效果变差。本次实验是根据离线和8h连续试验完善后的控制策略，指标对比的是2020年6月4-15日的手动控制指标。表2优化系统投用和未投用得到的生产指标统计数据，其中优化系统运行时平均每吨矿石节省电耗0.67kw.h，钢球单耗比手动相比减少0.1kg/t，+80目平均值下降1.15%，波动范围也在减小。

通过对不同衬板条件下的工业试验，证明了SAB控制系统的优化控制策略能够有效的改善溢流矿浆产品质量和达到节能降耗的目的。

表 1 优化系统8h连续试验生产指标数据对比

表 2 优化系统24小时连续试验生产指标数据对比

4 结论

SAB半自磨磨矿控制系统的研究和工业应用证明了对溢流矿浆产品的粒度进行在线调整是可行的，但是控制系统的可靠性和有效性受矿石性质、设备条件的影响，而且其中的作用机理复杂，后续仍然需要借鉴先进的磨矿变量采集及分析系统，通过大量的数据积累和深度的机器学习，才能获取更为贴合其规律的控制策略。不断推进生产指标闭环与生产过程闭环的结合，使专家控制系统更好的为矿山管理目标服务。