阵列磁吸式钢介质智能补加系统的研制

摘 要 针对球磨机钢介质补加提出一种阵列磁吸式钢介质智能补加技术，并进行了系统的设计开发。系统主要由阵列磁吸装置、三维运动装置、可变道输送带及控制柜等组成，适用于钢球、钢段及其他不规则钢介质的补加，一套设备可以为多台球磨机补加钢介质。该系统具有控制精度高、适应性强及稳定性好等特点，在实际应用中展现出极高的现实意义和实用价值。

关键词 钢介质 阵列磁吸测量装置 三维运动装置 可变道输送带 智能补加

中图分类号 TP23"" 文献标志码 A"" 文章编号 1000 3932（2025）01 0119 07

磨矿是选矿的关键作业过程［1］，通过磨矿使矿石中的有用矿物实现单体解离而为后续的有效回收提供有利条件。球磨机是选矿过程磨矿的主要设备［2］，球磨机依靠其内部钢介质的运动进行矿石的研磨，由于钢介质在研磨过程中不断消耗，因此钢介质补加是磨矿作业的一个重要环节。

球磨机的磨矿效率与钢介质的充填率、钢料比密切相关。合理的钢介质充填率和钢料比是确保球磨机高效运行的前提条件［3～6］。实践证明，保持球磨机的钢介质充填率和钢料比始终处于合理状态，可以显著提高球磨机的处理量和磨矿产品的合格率，为后续选别作业指标的稳定和提高创造有利条件［7，8］。目前国内选矿厂的球磨机主要依靠人工定时定量补加钢介质（钢球或钢段），为了减少劳动强度，往往是每班或每天补加一次钢介质［9，10］，这种补加方式容易造成补加时钢介质充填率过大，钢耗量加大，研磨效率降低。随着钢介质的不断磨损，到后来钢介质充填率逐渐不足甚至过小，磨矿效率逐渐降低甚至过低，从而影响选矿厂的处理量和选别工艺指标。

为了保证球磨机的钢介质充填率和钢料比始终处于合理状态，使磨矿生产显著节能降耗，提高磨矿效率和磨矿产品的合格率，为后续选别作业创造良好的条件，需要研究设计更为先进的钢介质智能化补加系统，为选矿企业获得显著的经济效益和社会效益提供有利条件［11，12］。

1 现有加球设备存在的主要问题及创新性技术思路的提出

1.1 现有加球设备存在的主要问题

目前国内选矿厂钢介质补加普遍为人工操作［13］，操作方式为：从料仓称量好需要的钢介质，通过电动行车吊运到球磨机的给矿口并加入球磨机，实现钢介质的定时补加。有的磨矿车间虽然安装了加球设备，但还需要通过人工将钢球从料仓吊运到加球设备的球仓，以补充加球设备中不断减少的钢球，另外加球设备只能补加钢球，而不能补加钢段等不规则钢介质。目前国内磨矿作业钢介质补加基本属于手动或半自动状态［14］。虽然国内市场出现了多种类型的加球设备，但由于其基本原理没有大的创新，实际应用时还存在一些难以克服的问题，因此影响着加球设备的推广应用。现有加球设备存在问题主要表现在：

a. 加球设备主要分为爪链条式和筒转动式两种工作方式。爪链条式加球设备的主要缺点为：提升轨道容易变形而导致卡球，提升爪易变形［15］，经常抓不到钢球。筒转动式加球设备的主要缺点为：加球时需将球仓内大部分钢球带动翻转，电机负荷大，钢球在出球口容易卡死［16］。这两种设备都还存在需要人工补充钢球、效率低、故障率高及人工劳动强度大等不足。

b. 需要精确配比加球时，一种规格钢球要求配置一台加球设备，当需要补加几种规格的钢球时，往往因为占用场地过多而无法满足应用要求。

c. 有的磨矿车间采用一台加球设备补加多种钢球，各种钢球按比例装入加球设备，这种加球方式只能保证较长一段时间内各种钢球的总体配比，而无法满足球磨机实时按钢球配比补加，从而影响磨矿效率。

d. 要求将加球设备安装在球磨机的旁边，总体占用场地过大，现场安装困难，不便于现场操作和检修。

e. 要求由人工事先将钢球装入加球设备并不断补充，当出现钢球形状不规则或结疤时，经常发生堵球现象，需要人工进行疏通，不仅劳动强度大，而且影响正常的生产。

f. 采用光电方式进行加球量的检测，利用钢球通过时产生的光电脉冲计算通过的钢球量，由于现场粉尘严重，容易附着于光电传感器上，加上电磁干扰大，容易出现较大的检测误差。

由于现有加球设备存在上述不足，容易造成球磨机自动加球困难，从而导致实际生产中出现磨机钢球充填率、钢料比不稳定，影响磨矿效率。

1.2 创新性技术思路的提出

为了克服现有人工操作和加球设备存在的补加不及时、劳动强度大、故障率高及控制精度差等不足，实现直接从磨矿厂房料仓对球磨机进行钢介质智能补加，达到采用一套设备即可为所有球磨机进行钢介质补加，不仅能补加钢球，也能补加钢段或其他钢介质的目的，笔者提出以下技术思路：

a. 采用电磁铁从料仓上部获取钢介质［17］，这样不仅可以吸取钢球，也可以吸取钢段或其他不规则钢介质，可避免传统加球设备因钢介质相互挤压而无法活动的问题。

b. 为了避免采用一个电磁铁存在吸取量不可控的问题，采用多个电磁铁进行钢介质吸取，并同时测量各个电磁铁所吸取钢介质的重量，根据目标球磨机对钢介质的实际需求量，对电磁铁进行最佳组合计算，释放不需要的钢介质，补加需要的钢介质。当一次吸取量不能满足要求时，进行多次吸取，直到达到球磨机需要的补加量。

c. 为了便于安装、测量和定位控制，构建由多个电磁铁、称重传感器和信号变送器组成的阵列磁吸测量装置，该装置作为一个整体进行移动和定位，而各个电磁铁可以单独控制。

d. 为了实现阵列磁吸测量装置的移动、定位和钢介质搬运，需要构建一个三维运动装置，以带动阵列磁吸测量装置。

e. 为了实现能够将钢介质直接从料仓输送到球磨机，需要采用输送带进行运输。由于料仓位置往往低于球磨机给矿口，采用水平式输送和提升式输送相结合的复合运输方式，同一个高度采用水平运输，不同高度采用提升运输。

f. 为了实现一套输送系统就可为多台球磨机补加钢介质，采用输送带和变道装置相结合的方式。首先将各料仓输出的钢介质汇集到一条输送带，在球磨机给矿口处的输送带上设置一个变道装置，通过变道装置改变钢介质的输出通道，从而实现将钢介质运输到多台球磨机。

g. 为了实现阵列磁吸测量装置的高效运行，需要实时测量料仓内各个区域钢介质的分布情况。目前对于物位检测主要有传感器测量法和图像测量法。笔者结合阵列磁吸测量装置的设计特点以及钢介质料仓的分布规律，通过对各个电磁铁吸取钢介质数据分析，判断阵列磁吸测量装置工作区域的钢介质物位情况，构建料仓钢介质动态分布图，为系统高效运作提供料仓各个区域的精确物位信息。

基于上述技术思路，笔者结合国内选矿厂磨矿作业设备和厂房布置的特点，创新性提出阵列磁吸式钢介质智能补加系统的技术方案，并进行设计开发。

2 阵列磁吸式钢介质智能补加系统的总体设计及其工作原理

2.1 系统总体设计

笔者提出的阵列磁吸式钢介质智能补加系统主体结构如图1所示，系统由阵列磁吸测量装置、三维运动装置、可变道输送装置及控制柜等组成。该系统不仅适用于钢球补加，也适用于钢段及其他不规则钢介质的补加；不仅适用于单台球磨机的钢介质补加，也适用多台球磨机的钢介质补加。该系统直接从料仓获取钢球、钢段等钢介质，通过输送带运送到球磨机，实现一套补加系统为多台球磨机补加钢介质，可以实现在磨矿过程中自动按量、配比将各种钢介质补加到各台球磨机，使球磨机的钢介质始终保持在合理状态，为提高球磨机的磨矿效率和降低磨矿单耗创造有利条件。

2.2 基本工作原理

阵列磁吸式钢介质智能补加系统的基本工作原理为：阵列磁吸测量装置在三维运动装置的带动下进行移动和定位，依靠阵列磁吸测量装置上的电磁铁吸取钢介质，同时通过称重传感器测量每个电磁铁吸取钢介质的重量，以目标球磨机的钢介质补加量为依据，结合每个电磁铁的实际吸取量进行最佳组合计算，断电释放不需要部分，通过控制电动行车和电动葫芦的运动，将需要的钢介质搬运到接料装置，钢介质由可变道输送带运送到目标球磨机。如果一次获取钢介质不足，则进行再次操作，直到满足目标球磨机对钢介质的补加要求。控制系统采用周期性循环补加的控制方式［18］，按顺序自动进行钢介质的循环补加，当一台球磨机补加完毕后自动进行下一台球磨机的补加，直到所有球磨机补加完毕。

3 控制系统设计开发

3.1 控制系统总体架构

控制系统采用集散控制系统的结构模式，可编程逻辑控制器（PLC）作为下位主机，负责实时控制；人机界面计算机（HMI）作为上位主机，负责监控管理［19，20］。为了便于现场应用，控制系统进行模块化的结构模式设计，每种钢介质配置一个钢介质控制装置，提供大球、中球、小球和钢段4种钢介质的控制装置，可根据实际需要选择和组合使用。由于进行了标准化设计，应用时只需根据实际需要选择对应的钢介质控制装置，进行对应的安装接线即可。控制系统总体架构如图2所示。

3.2 钢介质控制装置设计

钢介质控制装置主要由三维运动装置、阵列磁吸测量装置组成。钢介质控制装置安装在料仓上，应用时需要每一个料仓配置一台。三维运动装置主要由左电动行车、电动葫芦、左纵轨、横轨、左限位开关、定滑轮、横向行车、上限位开关、牵引钢绳、接料斗、横向拉线式位置传感器、右限位开关、纵向拉线式位置传感器、右电动行车、右纵轨、料仓机架及自动收线装置等组成。阵列磁吸测量装置主要由阵列机架、信号放大调理器、力传感器、细钢绳、电磁铁及软电缆等组成。

钢介质控制装置在控制系统的控制下进行工作，通过行车的运动，进行阵列磁吸测量装置的水平平面定位；通过电动葫芦牵引钢绳做升降运动，进行阵列磁吸测量装置的垂直定位，从而将阵列磁吸测量装置定位在需要的位置；通过控制电磁铁的通电、断电，进行钢介质的吸取和释放；通过力传感器的测量、信号放大调理器进行信号放大和调理，经过PLC计算，从而得到每个电磁铁吸取钢介质的重量。

3.3 可变道输送带的设计

为了实现利用一套补加设备可为多台球磨机补加钢介质，设计了由输送带、变道装置及输出溜槽等组成的可变道输送带。控制装置输出的钢介质通过接料装置进入输送带，由输送带进行输送，当球磨机多于一台时，需要在前面的球磨机给矿口处设置变道装置，通过变道装置改变钢介质的运动方向，使钢介质向目标球磨机运动，最后经输出溜槽进入球磨机。输送带根据需要安装成水平式、斜坡式。同一个平台的钢介质运输采用水平式安装；当料仓与球磨机给矿口之间高度差较小时，并且有足够的安装空间，可进行斜坡式安装；当料仓与球磨机给矿口之间的高度差较大时，需要安装提升装置。

可变道装置主要由电动头、槽板、牵引杆组成，槽板受电动推杆的牵引进行升、降运动，通过调节槽板位置改变钢介质的运动方向。当槽板提升时，两条输送带中间出现空隙，钢介质从空隙落入输出溜槽并滑入目标球磨机；当槽板下降时，两条输送带通过槽板连接，钢介质由槽板进下一条输送带。

3.4 监控系统设计

监控系统有多个监控界面，主要有操控面板、系统校准、料仓钢介质动态分布图、历史数据显示、设备动态模拟图和操作帮助。操控面板是阵列磁吸式钢介质智能补加系统的核心界面，控制系统主要的操作和监控大多在该界面进行。料仓钢介质动态分布图是监控系统对控制系统的料仓钢介质分布测量结果的图形显示，有助于实时监控和系统调试；系统校准界面是控制系统投运前和使用过程中进行各参数调试和校准的主要界面。笔者设计开发的控制系统提供大球、中球、小球和钢段4种钢介质的组合监控界面，每种钢介质的操作界面形式基本相同，限于篇幅，这里仅展示小球、中球、大球的补加控制系统监控界面。主要界面如图3、4所示。

4 智能化检测与控制

4.1 料仓物料分布的智能软测量

要实现三维运动装置的高效运行，需要实时掌握料仓物料的分布情况。目前对于料仓物料的分布测量主要有传感器法和图像法［21］。选矿厂现场钢介质料仓比较大，并且表面不平整，采用传感器法不仅需要多个传感器，投资大，而且检测不准确；采用图像法存在摄像头的安装位置和图像处理问题，摄像头只能安装在料仓上部，检测的结果主要是各个位置钢介质的有无，无法精确测量钢介质的高度，并且图像处理算法复杂，需要配备服务器计算机进行大量的数据计算。

为了解决传感器法和图像法对钢介质料仓物位检测存在的问题，笔者利用各个电磁铁吸取钢介质的实时测量数据以及阵列磁吸装置的运行数据序列，通过对电磁铁吸取钢介质的重量数据分析，并结合实际生产过程中料仓钢介质的分布变化特点，进行料仓钢介质分布情况的软测量。根据控制的实际需要，将料仓分为m×n个区域（m为行，一般取3～5；n为列，一般取5～10），每个区域的钢介质相对量为0～L（L取10～20），0为空，最大值为满，当料仓补充钢介质后，各个区域料位自动恢复到满状态。也就是当在某个区域吸不到钢介质，或者吸取的钢介质低于下限时，就认为该区域钢介质为空；当料仓补充钢介质时，就认为各个区域的钢介质达到满状态；每吸取一次钢介质，对应区域钢介质相对量减少，并对各个区域的钢介质相对量进行标记。

4.2 三维运动装置智能控制

为了使阵列磁吸测量装置能够获取料仓内各个位置的钢介质并将钢介质搬运到可变道输送带，设计开发了智能化三维运动装置。阵列磁吸测量装置吊装在三维运动装置上，通过三维运动装置使阵列磁吸测量装置可以在料仓内移动和定位。三维运动装置在控制系统的控制下，根据执行的任务、阵列磁吸测量装置所处位置、料仓物料分布情况及钢介质吸取情况等信息，自主进行运动控制。为了消除三维运动装置运动过程中出现的累积误差以及限制三维运动装置的运动范围，设置了行程开关。同时利用两个行程开关之间距离不变的特点，自动校准位移测量参数。当运动部件触碰到行程开关或微动开关时，运动部件自动停止向前运动。

4.3 可变道传输带智能控制

阵列磁吸式钢介质智能补加系统通过三维运动装置和阵列磁吸测量装置实现钢介质的精确获取，通过可变道传输带实现由一套钢介质补加设备为多台球磨机补加钢介质。控制系统采用周期性循环补加的工作模式，当需要补加时，自主运行需要的输送带和变道装置，将变道装置输出切换到目标球磨机。为了实现给多台球磨机补加钢介质，需要在球磨机的给矿口处设置变道装置（最后一台球磨机除外）。工作时，变道装置自动指向目标球磨机，钢介质向目标球磨机输送。

5 典型应用设计方案及应用测试

5.1 典型应用设计方案

选矿厂磨矿车间的厂房和设备布置情况各种各样，需要根据实际情况进行本设备系统的合理化应用设计。下面提供一种用于两台球磨机补加4种钢介质的典型应用设计方案（图5），该设计方案也可以为其他应用提供参考。该方案的钢介质料仓平面低于球磨机给矿口平面，需要采用提升装置将钢介质从低平面提升到高平面。每个料仓设置一台钢介质控制装置，并且在料仓平面设置一条低位运输带，进行料仓钢介质的汇总输送，低位运输带输送的钢介质经提升装置提高到高位输送带，最后经变道装置和溜槽进入目标球磨机。

5.2 应用测试

完成了原型机的制造并进行了初步应用和测试，测试包括电测试、机械测试和运行测试，得到如下主要技术指标：

钢介质控制精度 ±0.5%

适用钢介质范围 钢球、钢段、不规则钢件

钢球直径范围 10～180 mm

钢段尺寸范围 直径 10～100 mm，长度10～

180 mm

单个电磁铁最大吸力 50、80、100、120、240 kg，

"""" 可选

适用料仓尺寸 长、宽、高的范围均为1.5～5 m

输送带规格 皮带宽200 mm，围挡高60 mm

输送带安装方式 水平式，斜坡式

供电电源 220 V（AC），380 V（AC）（输送带）

应用测试结果表明，本设备可适用于钢球、钢段以及不规则钢介质的补加，能适用于大型球磨机、半自磨机和中、小型球磨机的钢介质补加。

6 结束语

创新性地提出了阵列磁吸式钢介质智能补加系统的技术方案，并进行了设计与开发，完成了原型机的制造，进行了初步应用测试，达到了预期的目标。该系统不仅控制精度高、适应性强、可靠性高，而且适用于多种类型和规模的球磨机，其推广应用对于提高磨矿作业的磨矿效率，实现显著的增产、节能、降耗，在实际应用中展现出极高的现实意义和实用价值。

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（收稿日期：2024-05-28，修回日期：2024-11-10）

Development of the Intelligent Replenishment System for Array Magnetic Steel Mediums

ZHONG Ting tinga， HUANG Song weia， HE Li fangb， CHEN Yong chuna， GAO Xu huia，

WU Li pinga， HE Ji fana， CHENG Guan ruia， TANG Hao poa

（a. Faculty of Land and Resource Engineering； b. City College， Kunming University of Science and Technology）

Abstract" An intelligent technology for replenishing the ball mill with array magnetic steel mediums was proposed and the system thereof were developed. The system mainly composed of array magnetic absorption device， three dimensional movement device， track variable conveyor belt and control cabinet can suit adding steel balls， steel sections and other irregular steel medium. A set of equipment can add steel medium for multiple ball mills. The system has the characteristics of high control precision， strong adaptability and good stability and it has very good practical significance and practical value in practical application.

Key words""" steel medium， array magnetic measuring device， three dimensional motion devices， track variable conveyor belts， smart replenishment