磨矿分级自动化系统升级改造研究及应用

朱淼斌，柯圣钊

（江西铜业股份有限公司武山铜矿，江西 瑞昌 332204）

1 引言

选矿自动化能提高劳动生产率、稳定生产指标，还能降低生产成本，有效解决了传统选矿厂生产操作偏差大、劳动强度高、管理低效、生产指标不稳定等诸多问题［1-2］。随着科学技术的快速发展，可通过计算机技术来监测和控制选矿过程的技术参数。因此，选矿自动化已经成为现代选矿必不可少的技术手段之一［3］。磨矿分级是选矿厂耗费能量最大、运行成本最高的作业环节，将直接影响到后续选别工段的产品质量和产量。因此，磨矿分级系统的自动化显得格外重要。磨矿分级自动化控制系统采用先进的控制方式，综合分析判断磨机负荷和矿物性质等因素，控制磨机给矿、磨矿浓度、分级溢流浓度和粒度。此外，自动化系统还将实现磨矿分级作业参数的实时检测、显示和故障的及时报警，从而使得磨矿分级作业能一直保持最佳的运行状态。

武山铜矿自投产以来，磨矿分级系统历经了多次自动化改造。通过提升磨矿生产流程自动化水平和加强设备运维管理，在提高生产指标和降低生产费用方面，系统自动化在选矿生产中发挥了重要作用［4-5］。然而，为了实现选矿厂节能降耗、降本增效的目标，磨矿分级系统的自动化水平仍有待提高。因此，本文在分析了武山铜矿磨矿分级系统现有问题的基础上，提出了三种自动化升级改造控制方法并考察了其实际生产应用效果。

2 磨矿流程生产现状

磨矿流程通常包括一段磨矿、两段或多段磨矿，一段磨矿的优点是分级设备数量少、投资较低；生产操作简单易行，调节方便；设备配置简单，因设备间故障相互影响导致的停工损失小等。一段磨矿流程的缺点是给矿粒度范围宽，导致装球困难、磨矿效率低；溢流细度不够，难以得到细粒级产物；产品粒度分布不均导致后续选别困难等。相比于一段磨矿，两段或多段磨矿能在不同的磨矿段分别进行矿石的粗磨和细磨，磨矿产物的粒度分布较均匀，过粉碎现象较少，能够提高后续选别作业指标。

武山铜矿选厂的磨矿工艺流程如图1所示。一段为半自磨机开路磨矿，二段为球磨机闭路磨矿。二段球磨作业所得矿浆被输送到一组水力旋流器进行分级，沉砂返回至二段球磨机的给矿口，进行闭路循环再磨，溢流至浮选工序进行分离作业。2019年通过自主创新，选厂完成了半自磨机磨矿浓度自动控制改造项目，实现了半自磨机磨矿浓度自动控制，改善了一段磨矿的磨矿效果。为满足实际生产需求，后期进行了多次改造，但自动化成效仍显不足，难以提高生产效率，无法满足严格管控成本的生产要求［6］。

图1 两段一闭路磨矿工艺流程

在实际生产中，现有磨矿工艺主要存在以下问题：

（1）磨矿工艺自动化程度落后，原矿分级压力无显示，泵池量的波动较大。当半自磨机“涨肚”时，需要人员及时调整，若未及时发现，将影响磨矿指标和处理量，“精细控制、精准操作”目标难以实现。此外，原电气设备故障率高，影响磨矿生产的稳定性和处理量；检测仪表、执行机构损坏或失灵，缺少必要的生产过程参数的检测。

（2）半自磨机给矿水、排矿水、返砂水等都是靠人工手动调节，原矿溢流波动影响依然存在，且浓度偏高、细度偏低，粒度组成仍有提升空间。

（3）二段球磨系统自动化尚未实现，磨矿作业时需要人为调整磨矿的补加水量。然而，人工操作容易导致磨矿效率低下、生产不稳定、磨矿产品细度波动大和分级溢流“跑粗”等现象。

3 磨矿自动化改造方案和目标

通过提高磨矿生产过程的自动化水平，实现各个生产过程的精确控制，从而在保证生产运行的稳定性和可靠性的同时提高生产效率［7-8］。结合生产现状和现有条件，拟从半自磨机的给矿量、磨机与原矿泵池补加水量、水力旋流器分级压力数显和原矿泵转速建模四个方面对磨矿分级自动化方案进行优化改造（见图2），努力实现以下设计目标：

（1）通过对半自磨机电流的数显数据的统计与分析，建立模型让自磨磨矿电流与铁板机转速联锁，实现半自磨机的按需给矿，降低磨机“涨肚”次数，减少因“涨肚”引起的流程波动。

（2）通过对自磨、球磨进料补加水，排矿补加水的数显和远程电动控制，以及通过给矿量准确计算出各点补加水量，将监测的液位信号反馈至自动控制系统，远程控制泵的运行频率，稳定控制原矿分级旋流器压力，改善分级效果，达到稳定泵池液位，实现磨矿浓度的自动控制和改善磨矿细度的目的。

（3）通过对旋流器分级压力数显与原矿泵远程电流数显及调速，分级压力与转速建模，实现原矿分级泵的自动控制。避免原矿泵池液位过低、原矿泵打空泵、分级溢流浓度波动大、颗粒“跑粗”等现象的发生。

图2 分级自动控制原理图

4 磨矿自动化优化改造

综合考虑磨矿分级作业现状和磨矿分级自动化改造方案及目标，从完善现有系统控制路线和进一步完善现有系统设计，逐步推进磨矿分级自动化改造进程。

4.1 系统控制路线

4.1.1 铁板机给矿控制路线

通过构建自磨机运行电流与铁板机给矿频率的函数关系，实时自动调整给矿量，降低自磨机负荷，减少“胀肚”频次，稳定生产流程。

4.1.2 磨矿浓度控制路线

采集皮带秤数值信号，经过程序滤波得到较为准确的实时处理量，根据处理量计算出对应的补加水总量。通过控制程序和设置好的参数比例，计算出半自磨机、球磨机所需的补加水量，然后通过流量计反馈的信号来控制气动阀门开度，精准、稳定控制磨矿补加水量，实现原矿旋流器分级溢流浓度的自动控制。

4.1.3 分级控制路线

设定适宜偏差系数，通过原矿泵变频运行实现泵池液位自动控制，避免泵池液位高造成的金属流失或泵池液位低而引发的分级不稳定等现象。

4.1.4 异常故障停车和“涨肚”等现象控制路线

针对异常故障停车及“涨肚”等现象，系统设置了“一键调节”功能。当异常情况发生时，启动一键调节功能后半自磨机进料、出料补加水，球磨机进料、出料补加水按照设置的比例给水，且不受给矿量变化的影响，减少异常情况对流程稳定性造成的影响。

4.2 系统改造设计

4.2.1 检测仪表设计

通过完善检测仪表，实现生产过程中关键参数的检测：（1）通过皮带秤统计给矿量，信息反馈至控制系统；（2）选用可靠流量检测仪表对各补加水流量进行监测，便于及时发现系统异常情况，采用YT-1000气动执行机构，根据反馈信号调整补加水阀门开度，保证自动控制的有效实施；（3）对原矿分级旋流器的分级压力进行检测，保证分级效果；（4）增设原矿泵池液位计，收集液位高度信号；（5）监测自磨机电流与给矿量构成闭环控制，通过闭环控制实现减少矿量或停矿等措施，保证自磨机处于正常工作状态，获得较优的经济指标。

4.2.2 电气设备升级设计

由于铁板机、皮带输送机、渣浆泵等相关电气设备缺少必要的电流检测、远程调频等功能，需对电气回路进行重新设计。升级后电气设备具备以下功能：

（1）增加远程功能，可进行远程/就地无扰切换，将各电气设备集成到自动化系统，实现远程集中操控，大幅降低劳动强度；

（2）增加了故障报警、设备运行电流等信号，更加全面地反映设备的工作性能，便于及时发现设备故障；

（3）增设铁板机、皮带输送机、磨机、渣浆泵等设备联锁功能，电气设备运行更可靠，减少因电气故障影响正常生产的情况，通过升级改造，保证了自动化功能可靠稳定地实施和投用。

4.2.3 控制系统设计

控制室配置2名磨矿操作工对整个磨矿分级生产流程进行监控、操作、管理和分析。分布式IO站将所有设备状态数据和过程数据采集到系统中。其中，皮带秤、流量、分级压力、泵池液位等测量仪表通过4～20 mA信号接入PLC的分布式IO中。通过升级控制器，保证了自动化系统的可靠性，同时也保持了良好的扩展性。

4.2.4 软件功能设计

在控制功能上，通过对PLC系统的过程数据进行分析，并对控制功能（控制回路、顺序控制）进行调试，自动化系统根据生产工艺要求实现了铁板机给矿、给水、分级等自动控制，保证了磨矿分级过程处理量、磨矿浓度、细度等生产指标。

5 系统改造前后应用效果对比

为考察磨矿分级自动化系统升级效果，对比了系统优化前后半自磨机、球磨机排矿产品和旋流器分级溢流粒度分布情况。

由表1可知，磨矿分级系统改造前，1#和2#半自磨机磨矿平均浓度分别为77.85%、77.87%。由表1和图3可知，系统改造后1#半自磨机磨矿产品中-0.038mm粒级含量下降了2.82个百分点，而2#半自磨机磨矿产品中-0.038mm粒级含量下降了2.9个百分点，有效缓解了过磨现象。

表1 系统优化改造前后半自磨排矿产品对比 %

表2 系统优化改造前后球磨排矿产品对比 %

图3 系统优化改造前后半自磨排矿产品粒度分布

图4 系统优化改造前后球磨排矿产品粒度分布

由表2可知，优化后的1#和2#球磨机磨矿浓度分别为73.74%、73.52%。与优化改造前相比，其磨矿浓度分别降低了5.32个百分点和6.54个百分点；由表2和图4可知，优化后的1#和2#球磨机排矿细度（-0.074mm含量）分别提高了3.81个百分点和2.76个百分点，有效缓解了欠磨现象。

由表3可知，1#与2#旋流器给矿泵池液位自动控制改造后，原矿溢流浓度分别由43.87%和40.65%降低至37.43%和36.57%。原矿溢流中-0.038mm细粒级含量分别从改造前的46.97%和47.95%降至改造后的45.43%和44.37%。同时，+0.18mm粗粒级含量分别从改造前的12.89%和14.24%降至改造后的9.95%和8.34%。由此可见，过磨、跑粗含量占比进一步降低。相应地，原矿溢流平均细度（-0.074mm含量）分别由60.97%、61.21%提高到64.34%、65.36%，磨矿分级效果得到显著改善，有利于后续作业的选别。

表3 系统优化改造前后原矿分级溢流考查结果 %

图5 系统优化改造前后原矿分级溢流粒度分布

通过优化试验，过磨和欠磨现象得到缓解，原矿溢流中间粒级含量大幅提高，半自磨机平均“涨肚”次数也由16.57次/d降至12.17次/d，说明优化后的磨矿分级效果有了明显改善。

6 结论

（1）武山铜矿自动化系统优化应用后，闭路磨矿得到了有效的自动控制，磨矿效率也得到了进一步提高；处理量、补加水量、电流等重要工艺参数都实现了数显，达到了“精细控制、精准操作”的目标，降低了人为因素对流程的干扰，“涨肚”次数进一步降低，流程稳定性得到较大提升。

（2）通过磨矿给水自动控制系统和原矿泵池液位与分级压力自动控制系统组合，有效改善了半自磨、球磨浓度和细度，为后续浮选作业提供了良好条件。

（3）磨矿流程自动化程度进一步提高，降低了操作人员劳动强度。