国内选矿自动化技术应用及进展
孙云东，杨金艳
(长春黄金研究院)
摘要:介绍了国内选矿厂破碎、磨矿分级、选别等工艺流程的自动化控制技术应用现状，针对选矿自动化应用中存在的问题，提出了研究及发展的方向。
关键词:选矿;自动化;破碎;磨矿分级;浮选
中图分类号:TD 679 文献标识码:B 文章编号:1001 － 1277(2010)04 － 0035 － 04
0 、引言
随着矿产资源的不断减少和矿业市场竞争的日益激烈，如何充分有效地利用有限的资源，提高企业的市场竞争力，实现生产过程信息化、自动化是中国矿业深化改革、技术创新及生产管理上台阶的必由之路。近年来，国内许多大型选矿企业在技术改造中，大力推广电子信息技术应用与信息资源的开发，工业生产过程控制广泛采用了微电子与计算机技术。用新工艺、新技术、新方法开展了创新改造工作，使企业管理信息化、生产过程自动化、设备智能化的水平有了较大提高。很多大企业已从单项开发应用向集成化、综合化发展，向管－控一体化、现代集成制造系统( Contemporary Integrated Manufacturing Systems，CIMS)方向推进特别是大型选矿企业的整体自动化水平提高较快、绩效明显。
实现选矿生产过程自动化，可提高破碎机、磨矿机台时处理能力，降低生产成本，提高劳动生产率和产品质量，使能耗和原材料消耗显著降低，劳动强度大大地减轻。实现选矿生产过程自动化主要包括:破碎、磨矿分级、选别、脱水过滤及浓缩、尾矿输送等生产过程的自动控制。通过计算机网络系统实现在线优化生产调度和管理，使整个选矿生产过程处于最佳状态，最大限度地提高产量、精矿品位和金属回收率等技术经济指标，达到高产优质、节能降耗的目的。
1 破碎流程自动控制
近年来，新型破碎设备及其控制系统发展很快。国内外众多厂商从产品结构上对该类设备不断地进行改进、完善，取得了比较好的效果，并相继推出众多高效、可靠、节能的新产品。相比较而言，因受自动化发展水平的影响，国内在破碎机控制方面的研究相对落后。近十几年来，国外在一些产品上，装备了相应的检测仪表和自动控制装置，在设备保护、稳定操作、提高生产能力等方面起到了一定的作用。
对于国产圆锥破碎机，由于其排矿口尺寸不能动态调整，生产中采用固定排矿口，定期进行人工重新调整的方法来控制产品粒度。控制系统主要选取主传动电动机的功率( 或电流) 作为被控参数，控制策略一般采用恒功率或优化功率方式，动态调整给矿机给矿量的大小，使主机的负荷稳定在设定的要求之内;同时，检测破碎机润滑系统的温度、压力、流量等，具有完备的保护功能。
20 世纪90 年代以来，国内如鞍钢集团矿业公司齐大山铁矿选矿厂、武汉钢铁集团矿业有限责任公司程潮铁矿选矿厂、云南玉溪矿业有限公司大红山铜矿选矿厂等先后引进了多台芬兰METSO 公司的NordbergHP 系列破碎机。该机型破碎处理能力强，大大地提高了国内选矿厂破碎流程的生产效率。自动控制系统采用串级控制，极大地提高了系统的动态品质，充分发挥了破碎机的处理能力。此外，由于稳定了破碎工况，从而最终提高了与之相关的后续筛分、选别等相关工艺流程的整体运行效率。
马钢(集团)控股有限公司南山矿业公司在凹山选矿厂碎矿工艺流程改造中，在南山矿业公司、选矿调度室与碎矿车间建立了一个技术先进、安全可靠、扩展性强、维护方便的碎矿全流程计算机控制系统和视频监控系统，利用先进的工业以太光纤网络将粗碎、中碎、细碎、高压辊磨(超细碎)、筛分各控制分站的流程组态画面、工艺参数、设备状态、工作场景实况
等向中央监控主站进行传送。同时，中央监控系统主站将生产指令传送到粗碎、中碎、细碎以及高压辊磨各分站。对整个系统实现实时有效地监控。
然而，值得关注的是中国矿山现有破碎机以20世纪60—70 年代老设备居多，并一直在生产中发挥着重要的作用。若对这些老设备进行自动化改造，实现自动控制，具有良好的现实意义。
2 磨矿分级流程自动控制
在选矿工艺中，磨矿分级作业是一个必不可少的重要工艺环节，其工作状态的好坏对选矿工艺指标、能源消耗以及生产成本的影响至关重要，直接关系到选矿生产的处理能力、磨矿产品的质量，对后续作业的指标乃至整个选矿厂的经济技术指标有很大的影响。为了充分挖掘磨矿分级作业的内在潜力，寻求高效的有效途径，对磨矿分级自动控制的试验研究具有十分重要的意义。磨矿分级系统有4 个主要的技术指标:球磨机台时处理量、磨矿分极粒度、磨矿浓度和溢流浓度。影响这些技术指标除了原矿性质以外，还与排矿水量、返砂水量、磨机充填率等因素有关因此，有必要对磨矿分级系统实施自动控制，其目的是为了提高磨机效率，稳定分级溢流粒度，为选别作业提供合格的溢流产品。
磨矿分级作业是一个复杂的作业过程，参数的耦合性很强，仅靠单输入、单输出的PID 控制回路难以实现很好的控制效果，必须由一模糊控制器进行协调，以确保各控制回路的协调工作，实现控制系统的智能化控制。根据控制系统回路的特点，采用不同的控制策略。简单的回路采用智能PID 控制，复杂的回路采用串级控制、模糊控制等。各智能PID 控制回路的给定值由一个模糊控制器根据系统运行情况自动计算。当矿石硬度、粒度、磨机介质、负荷量等发生变化时，球磨机的最佳处理量将发生变化，这时磨矿分级作业的控制参数必须及时作出相应的调整。
南京银茂铅锌矿业有限公司选矿厂磨矿自动化控制系统设置了给矿量、电流检测、磨机电耳值、工艺流程、返砂水控制、排矿水控制、溢流浓度检测和报警信号等检测控制项目，通过这些项目控制磨矿阶段的各个工艺参数，综合分析判断磨机状态并指导控制，使系统运行稳定而可靠;模糊控制+ PID 调节的先进控制方式使控制效果达到最佳;可实现局部与全部系统的监控及手动、仪表盘手操器手动、现场人工操作等多种手动操作方式;先进的控制系统和高效可靠的仪表组合使系统使用更耐久;其人性化的组态画面使操作更加简单方便。给矿控制省事方便，当人工设定每小时的给矿量，系统便会自动根据矿量情况进行调节。给水控制也是简单易操作，当设定需要的值时，计算机系统便会根据浓度自动计算出所需要的给水量。
中国黄金集团内蒙古矿业有限公司乌努格吐山铜钼矿选矿厂磨矿控制系统，即自磨—筛分—细碎—__磨矿分级过程自动控制系统包括:自磨给矿量自动控制，磨矿浓度自动控制;细碎矿仓料位自动控制，给矿自动控制;一段旋流器泵池液位、给矿浓度、给矿压力、溢流粒度自动控制，实现智能给水、给矿及磨机工况的自动分析、故障判断、历史资料归档、事故报警、故障保护等。按照结构简单、运行可靠、操作方便的原则，对破碎控制系统、自磨—细碎—磨矿分级控制系统实施控制，并引入国外成熟的优化软件调节整个过程，协调系统稳定地运行。在磨矿闭路环节中引入“实验”模型，实现了功率、旋流器沉砂、原矿性质等多因素的综合分析判断，在磨矿分级作业中实现了先进的控制理论与矿山现场工业实践的结合，已成为国内领先、国际先进的选矿厂，实现了装备水平一流、管理水平一流、产品质量一流、经济效益一流。
3 浮选流程自动控制
泡沫浮选法是世界上选别矿物原料最主要的方法，泡沫浮选作为一种工业规模的选矿技术至今已有100 多年的历史，相对成熟的磨矿分级智能控制技术，浮选自动控制发展相对滞后，基本采用闸板阀和锥阀现场调节液位，没有建立自动控制系统。随着近几年浮选设备大型化，自动控制技术、检测技术、执行机构的快速发展，浮选机的自动控制得到创新和
发展。
3. 1 加药自动化控制
浮选自动加药控制系统是一种可远距离自动控制及调节的准确定量、定时加液装置，采用程控加药机进行自动给药，可同时控制多个药点的给药量。
药剂添加控制系统主要分为控制部分和执行机构，其中工业中多采用PLC 进行控制;执行机构主要有电磁阀式和加药泵式两种。由于电磁阀成本较低，维护方便，现场应用最多的是电磁阀式控制。
3. 2 矿浆液位自动化控制
在浮选作业中，对浮选槽液位和气泡厚度检测非常重要，对浮选槽的液位和充气量进行控制一直是个难题。近年来在浮选槽检测矿浆液位时，采用浮子式液位变送器的较多，采用超声波测量浮球位移的浮选槽液位计在南非、加拿大、美国等已被应用，国内在铜陵有色金属集团股份有限公司冬瓜山铜矿选矿厂也有应用。
国内某大型铜选厂选用
3. 3 浮选柱自动控制系统
浮选柱与传统的浮选机不同，它不使用机械搅拌装置，没有了剧烈的搅拌，有助于提高选择性及微细粒级矿物的回收率。给入矿浆进入浮选柱，与气体分散系统产生的微小气泡所形成的上升气泡区的方向相反而逆向下降。与气泡碰撞并附着在气泡上的矿物升到浮选柱的顶部，最终达到矿浆( 捕集区) 与泡沫(精选区)的界面。通过调节浮选柱尾矿管阀的一个自动控制回路，将这个界面控制稳定。浮选柱一般采用3 个自动化控制系统来控制:浮选柱界面高度控制系统、冲洗水流量控制系统以及分散器空气流量控制系统。
泡沫与矿浆的界面位置是通过球形浮子和超声波探测器或压力传感器进行测定的。这两个系统发出一个与泡沫和矿浆的界面位置成正比的信号，由PID 控制器( 或DCS，或PLC) 调节浮选柱底流管路上的自控夹管阀控制。在有些浮选柱中采用U 型管原理，将尾矿通过一个U 型管接到一个与受控液位等高的尾矿槽中，调节尾矿槽的溢流口的高度便可调节浮选柱的液位。另一种是调节尾矿泵或阀来改变尾矿排出量以稳定液位。
冲洗水的流量一般是通过流量计进行测定并通过流量控制阀进行自动控制。流量的缓慢变化是允许的，但是平稳地控制流量会得到更好的运行效果。额定的冲洗水量是估算的，应进行调节以产生适当的偏流率。流量取决于给料速率、给料品位、预计的浮选柱溢流的质量回收率。
空气流量的控制是保持浮选柱良好运行的最重要的参数。空气流量是通过流量计进行测定并通过球形阀自动控制。分散器集气管内的压力起到的作用是:SlamJet 控制设定、分散器空气流率、界区供气压力。准确数值要在运行状态下进行测定。低于最小气体流率会使泡沫变得不稳定，而高于最大气流率则在气泡开始聚结时，溢流中的固体颗粒回收率就会降低。这两个值都会随着界面液位、药剂投放量、给料吨位、品位以及固体颗粒百分比的变化而改变。
4 选矿自动化现存问题及发展趋势
4. 1 选矿自动化应用存在的问题
(1)选矿自动控制设计不合理、不完善。这是许多控制系统不能长期正常运行甚至无法运行的主要__原因。有的设计不切合实际，主要表现在控制过程的程序设计不合理;仪表选型不合理，不能充分发挥其性能，对仪表可能出现的问题没有充分估计。
(2)传感器设计缺乏创新性。传感器是选矿自
动化过程中的核心组件，一些选矿重要控制过程中的传感器仍然存在安装复杂、可靠性差、测量精度低等问题，直接影响到选矿自动化的推广应用和发展。另外由于选矿作业环境比较差，导致传感器使用寿命短，因此传感器的质量问题也是一大因素。
(3)选矿控制系统投入运行后需要大量的维护工作。许多选矿厂在对自动化系统的长期使用和维护方面缺乏必要的重视，没有长久的系统维护计划，或缺乏相关专业技术人员进行维护，无法自行解决系统可能出现的故障。一旦系统开发方的技术支持减弱，系统很可能因为设备故障、工况变化、人员变化等情况而难以正常运行。
4. 2 选矿自动化技术发展趋势
尽管目前国内选矿自动化技术应用还存在很多问题，但可以看到，中国选矿自动化还是取得了很大的进步。随着电子技术、控制技术、计算机技术等的不断发展，以及矿山对选矿自动化的重视，在激烈的矿业市场竞争压力作用下，中国选矿自动化技术将得到迅速的发展。
(1)矿山专用检测仪表的研究与开发。利用电子技术方面的一些最新成果，如新型传感器代替原有的检测方式;采用高分辨率、低噪声的半导体传感器及剥谱技术，研究开发新一代载流品位分析仪，解决相邻元素和低含量元素测定，提高仪器的使用性能，扩大仪器的应用范围。
(2)自动控制理论和方法的改进以及先进控制软件的开发。自动控制理论和方法的主要发展方向是人工智能技术。人工智能技术是神经元网络、模糊控制、专家系统及其相结合的智能控制系统，近年来在工业自动化中得到多方面应用。现在控制理论和人工智能几十年来的发展已为先进控制技术奠定了应用理论基础，控制计算机尤其是DCS 的普及与提高为先进控制(APC) 的应用提供了强有力的硬件和软件平台。人们不再停留在传统PID 控制策略，逐步发展了串级、比值、前馈、均匀、预测估计、专家系统、模糊控制及最优控制等复杂控制系统。这些控制方法在很大程度上满足了单变量控制系统的一些特殊控制要求，但并不能适用所有的过程和不同的要求。先进的控制理论和控制软件在选矿自动化的应用，必将大大推动选矿自动化的发展。模型预测控制(MPC)、智能控制( IC)、优化控制，这几种控制方法
将成为选矿过程控制的主要发展方向。
(3)向“数字化矿山”发展。随着计算机技术、网络技术和自动化技术的发展，矿山行业信息化应向综合化、智能化和多功能化方向发展。从行业实际出发，需要把以信息技术为核心的“数字矿山”作为行业信息化的目标和方向。矿山行业信息化的解决方案包括生产调度、安全生产监控、采矿地质、经营管理等;加大矿山企业管理信息化的试点和推广，实现精细化管理;加强统筹规划，逐步实现企业内各职能、各环节、各系统之间的信息流互联互通，有效解决“信息孤岛”问题;培育和完善矿山信息化产业链条，加大行业专用软件的研发力度，在行业内部加快培养和引进IT 专业人才。
5 结语
中国选矿自动化发展起步较晚，与国外矿业发达国家相比，还有很大的差距，因此，中国选矿工业必须积极采用信息技术、自动化技术和自动控制装备全面建设、改造企业，提高企业创新能力和生产过程自动化水平，这对中国选矿自动化技术的提高，增强矿山企业的综合实力，实现矿业的可持续发展，必将产生积极的作用。
