石自信, 周 成，莫雪磊，陸 博，趙以波

（1.山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司 三山島金礦，山東 萊州 261400；2.北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160；3.礦冶過程自動控制技術(shù)國家重點實驗室，北京 100160；4.礦冶過程自動控制技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100160）

1 引言

旋流器溢流礦漿顆粒大小和濃度不僅能夠反映出旋流器、磨機的工況，更影響著后續(xù)流程浮選機的浮選效果，也可反映出磨機能耗是否處于合理的范圍。因此對旋流器溢流礦漿粒度和濃度的監(jiān)測是選礦廠必不可少的一個環(huán)節(jié)，它能指導(dǎo)技術(shù)管理人員更好地調(diào)控整個流程的運轉(zhuǎn)。過粗或過細(xì)的粒度、過高或過低的濃度都不利于磨浮流程的高效運行［1-3］，對粒度、濃度的在線監(jiān)測為選礦自動化過程控制提供反饋參數(shù)，進(jìn)而將其控制在最優(yōu)值附近，有助于實現(xiàn)磨礦效率和選別指標(biāo)的提高［1-3］。

礦漿粒度的在線檢測主要有超聲波、激光、直接測量法等，具有代表性的產(chǎn)品是北京礦冶科技集團有限公司的BPSM 系列、奧圖泰的PSI 系列、俄羅斯有色金屬自動化聯(lián)合公司的P-074、東方測控技術(shù)有限公司的DF-PSM 型粒度分析儀。礦漿濃度的在線檢測, 應(yīng)用最多的是射線濃度計, 也有采用超聲波、激光、差壓法、稱重濃度計等產(chǎn)品［4-6］。綜合比較多種在線檢測儀器儀表，各有優(yōu)缺點，選擇符合現(xiàn)場實際情況、滿足實際需求的產(chǎn)品是最優(yōu)的選擇。

山東黃金礦業(yè)（萊州）有限公司三山島金礦新立選礦車間磨浮廠房原有TMC 管道取樣器+M11616 分樣器+BPSM 粒度分析儀的在線粒度儀分析系統(tǒng)進(jìn)行旋流器溢流礦漿粒度測量，并裝有射線濃度計進(jìn)行礦漿濃度的檢測。由于車間坐落在海邊，工業(yè)用水為海水，以及工況的原因，系統(tǒng)在實際運行過程中存在一些問題。另外，由于國家對放射性產(chǎn)品的管制，本著綠色、安全的理念，淘汰射線濃度計是種趨勢。

本文針對在線系統(tǒng)運行過程中遇到的取樣、粒度測量、濃度測量等問題，貼合實際情況，進(jìn)行了取樣器和粒度儀系統(tǒng)優(yōu)化和改進(jìn)，并將稱重法濃度測量模塊整合到粒度儀形成一體式粒度濃度分析儀替代原有的射線濃度計。系統(tǒng)優(yōu)化解決了遇到的問題，達(dá)到了預(yù)期效果，并創(chuàng)造了直接和間接經(jīng)濟效益。

2 現(xiàn)狀及問題

2.1 原有在線粒度測量系統(tǒng)配置

三山島金礦新立選礦車間磨浮廠房原有在線粒度分析系統(tǒng)采用北京礦冶科技集團生產(chǎn)的TMC20一次取樣器+M11616 分樣器組成的取樣系統(tǒng)，如圖1 所示，以及BPSM-III 在線粒度分析儀，如圖2 所示。

圖1 TMC+M11616 旋流器溢流礦漿取樣系統(tǒng)圖

圖2 BPSM-III 在線粒度分析儀結(jié)構(gòu)圖

礦漿經(jīng)過一次取樣設(shè)備TMC20，通過刀口取出工藝礦漿流中的部分礦漿，進(jìn)入分樣器設(shè)備M11616，分流箱內(nèi)裝有擋板，氣缸控制擋板動作，氣缸不動作時一次樣品流通過分樣器旁路流走返回到浮選流程，一次樣品流為常流狀態(tài)。當(dāng)粒度儀處于取樣測量狀態(tài)時，控制分樣器氣缸動作，擋板開始擺向分樣器穩(wěn)流箱，礦漿流向粒度儀。通過檢測M11616 穩(wěn)流箱的音叉信號來控制分樣器的擋板擺動位置，從而控制穩(wěn)流箱液面。礦漿流至粒度儀后，粒度儀取樣氣缸動作，控制礦漿流向粒度儀穩(wěn)流箱，然后經(jīng)過粒度測量裝置測量粒度。粒度儀穩(wěn)流箱內(nèi)裝有音叉開關(guān)控制礦漿流向。當(dāng)粒度儀測量結(jié)束后，分樣器內(nèi)擋板擺向豎直位置，礦漿旁路至粗三浮選住。此時取樣機、粒度儀開始沖洗，為下次取樣做準(zhǔn)備。

2.2 存在的問題

2.2.1 一次取樣設(shè)備現(xiàn)狀及存在的問題

考慮到工藝管道中礦漿粒度分級產(chǎn)生的分層現(xiàn)象，為了使粒度分析儀能夠準(zhǔn)確地測量流程中礦漿，在一次取樣設(shè)備TMC20 內(nèi)豎直放置如圖3（左）所示的刀口，確保取樣代表性。

圖3 刀口示意圖(左)；磨損后的刀口(右)

在使用過程中發(fā)現(xiàn)：

（1）設(shè)計刀口未固定，依靠刀口和底座自重穩(wěn)定刀口。但在實際應(yīng)用中，由于本現(xiàn)場旋流器溢流礦漿沖擊力度較大，刀口位置容易發(fā)生變化，取樣礦漿代表性降低，多次出現(xiàn)刀口偏移距離太大，無礦漿流出的狀況。

（2）刀口帽固定螺栓裸露在外，在礦漿沖擊下，磨損嚴(yán)重，平均每個月維修1 次，從新更換螺絲。如圖3（右）磨損后的刀口。

（3）取樣刀口2013 年安裝，磨損較為嚴(yán)重，刀口帽變形，刀口帽上的保護聚氨酯層破損，礦漿取樣較多，雜質(zhì)較多，對測量流程有較大影響。

（4）由于一次取樣器取樣量不易控制，在一次取樣器與分流箱中間安裝手閘閥，通過手閘閥開度控制礦漿流量。手閘閥磨損嚴(yán)重，平均3 個月左右需更換1 次手閘閥，且手閘閥磨損期間粒度儀不能投用。

2.2.2 分樣器現(xiàn)狀及存在的問題

由于TMC20 一次取樣器為常流取樣，且工藝管道中礦漿量較大，一次樣品流流量無法控制，給分樣器運行帶來了如下問題：

（1）礦漿流量較大，音叉動作滯后，經(jīng)常出現(xiàn)分流箱箱蓋溢礦現(xiàn)象，污染工作環(huán)境，增加工人勞動量。

（2）當(dāng)粒度儀處于停止?fàn)顟B(tài)時，一次樣品流通過分樣器旁路流向粗三浮選柱。此段管路較長（70m），落差較低，經(jīng)常出現(xiàn)管路堵塞、磨損的情況。造成粒度儀停用，不能及時反映礦漿粒度變化情況，增加勞動量，增加生產(chǎn)成本。

（3）由于粗三浮選柱部分配件故障率高，當(dāng)粗三浮選柱停車維修時，取樣器必須停用，影響粒度測量。

（4）礦漿流量較大，擋板磨損嚴(yán)重，平均6 個月更換1 次擋板，每月對箱體進(jìn)行耐磨處理，每次耐磨成本在1000元左右，維護成本和人工成本較高。

2.2.3 粒度儀現(xiàn)狀及存在的問題

（1）粒度儀測量粒度的原理如圖4，根據(jù)探頭中動觸頭1 與靜觸頭2 動作后，礦漿中的礦粒大小屬性被傳感器5 測量出來并被傳送到控制器4 中進(jìn)行分析計算并與建立的數(shù)學(xué)模型分析得出粒度值。但是由于長時間的運作，動觸頭上的耐磨陶瓷會逐漸磨損從而影響測量結(jié)果，但是粒度儀不能夠完成手動校正，造成測量結(jié)果偏差越來越大，失去對流程的數(shù)據(jù)指導(dǎo)作用。

（2）粒度儀本身缺少歷史數(shù)據(jù)查詢功能，只能實時顯示，不能對長時間的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢對比。

（3）缺少班組之間的數(shù)據(jù)對比。

圖4 粒度測量原理

2.2.4 分析系統(tǒng)控制中存在的問題

原設(shè)計中取樣系統(tǒng)和粒度儀由2 個控制箱、2套控制系統(tǒng)分別單獨控制，2 套控制系統(tǒng)通過DP線完成通訊，控制比較復(fù)雜，粒度儀控制系統(tǒng)中冗余控制點較多，完全可以直接控制取樣分流系統(tǒng)，造成設(shè)備浪費。

3 系統(tǒng)優(yōu)化

鑒于取樣器、粒度儀利用率較低，故障率較高，成本費用較高，不能及時準(zhǔn)確地為生產(chǎn)提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)等問題，從硬件上進(jìn)行改造，從軟件上進(jìn)行編程優(yōu)化。

3.1 取樣系統(tǒng)優(yōu)化

為了徹底解決取樣器在使用中遇到的上述問題，車間與北京礦冶科技集團有限公司積極溝通合作，對取樣系統(tǒng)硬件進(jìn)行了優(yōu)化改造，改造后TMC20 取樣器如圖5 所示。

拆除舊取樣刀口，更換為新刀口，解決刀口變形，雜質(zhì)較多的問題。并且在刀口頂端安裝固定壓板和固定螺栓，保證刀口位置固定，取樣穩(wěn)定。刀口升級改造示圖及裝配如圖6。

圖5 改造后TMC20 取樣器結(jié)構(gòu)

圖6 刀口升級改造后示圖及裝配圖

刀口安裝過程中，為避免刀口帽固定螺絲磨損嚴(yán)重等問題，在固定螺絲后在外側(cè)涂抹金剛砂進(jìn)行耐磨處理，如圖7 所示。從而避免礦漿沖擊螺絲，造成頻繁維修。刀口改造完成后，運行良好，多次檢查，未發(fā)生原刀口存在的諸多問題。

升級改造后去掉M11616 分樣器設(shè)備，分樣器設(shè)備通過氣動膠管閥動作控制礦漿流量，并且二次取樣設(shè)備下端增加管路變徑，減少了礦漿流量。當(dāng)取樣開始時，上下沖洗氣控水閥動作，沖洗水沖洗管路；之后氣動膠管閥打開取樣；取樣結(jié)束后，氣動膠管閥關(guān)閉，下沖洗水氣控水閥動作，沖洗管路。不測量時，取樣閥門關(guān)閉，且取樣間歇期間，上沖洗水閥定期開啟反沖洗，避免取樣刀口堵塞。閉路控制，避免了礦漿外溢；無旁路控制，減少磨損，降低成本。

圖7 耐磨處理后的刀口

保留手動刀閘閥，但是不作流量控制，僅作取樣設(shè)備維修時的開關(guān)閥門。增加手動膠管閥，控制礦漿流量，避免流量過大，造成后續(xù)流程溢礦，污染環(huán)境。膠管閥耐磨性能較好，膠管閥安裝完成至今，運行良好，磨損較輕，效果較好。保留手動刀閘閥，在手動膠管閥或下游設(shè)備損壞的情況下，關(guān)閉刀閘閥，能夠及時維修設(shè)備，保證設(shè)備運轉(zhuǎn)率。

3.2 粒度儀優(yōu)化

為了給生產(chǎn)提供可靠的粒度、濃度數(shù)據(jù)，在原有粒度儀的基礎(chǔ)上，根據(jù)濃度壺原理，增加如圖8所示的溢流稱重濃度測量裝置，替代原有的射線濃度計。

圖8 溢流稱重測量濃度示意圖

被測礦漿通過粒度儀穩(wěn)流箱分流進(jìn)入圖示的稱重穩(wěn)流箱，關(guān)閉穩(wěn)流箱出口膠管閥，稱重穩(wěn)流箱中的液位上升，到達(dá)音叉的液位，音叉給出信號到主控箱控制器，由主控箱控制器給出稱重穩(wěn)流箱進(jìn)礦延時信息，進(jìn)礦一定時間停止進(jìn)礦，液位到達(dá)溢流槽溢流靜置一定時間，由稱重傳感器測量一組數(shù)據(jù)傳回到變送器，進(jìn)而由控制器通過特定的數(shù)學(xué)模型分析出礦漿的濃度及密度信息。

3.3 控制系統(tǒng)優(yōu)化

3.3.1 取樣系統(tǒng)控制優(yōu)化

借助于改造升級后由北京礦冶科技集團有限公司定制開發(fā)的粒度濃度分析儀BPSM 控制器，進(jìn)行程序優(yōu)化。通過粒度濃度分析儀氣控箱備用電磁閥對上下沖洗水氣控水閥、氣動膠管閥進(jìn)行控制。BPSM 控制器直接輸出控制電磁閥動作，電磁閥控制氣閥通斷，從而達(dá)到控制設(shè)備的目的，電磁閥如圖9 所示。

當(dāng)粒度濃度分析儀開始取樣，發(fā)送取樣信號至BPSM 控制器，此時，上下沖洗水氣控水閥相對應(yīng)的電磁閥動作，氣路打開，在氣壓推動下，上下沖洗水氣控水閥打開（下沖洗水沖洗管路，上沖洗水保證礦漿不堵塞刀口），延時沖洗后，氣控水閥關(guān)閉，氣動膠管閥打開，礦漿流下，開始取樣。當(dāng)完成取樣后，氣動膠管閥關(guān)閉，下沖洗水閥打開，沖洗管路，以免殘留礦漿堵塞管路，延時沖洗后，氣動水閥關(guān)閉，等待下一個取樣周期。取樣間歇期，上沖洗水閥定時開啟進(jìn)行反沖洗，防止取樣間歇刀口被堵塞。

圖9 粒度濃度分析儀氣控箱電磁閥

3.3.2 增加粒度、濃度校正功能

為了保證測量效果，為生產(chǎn)提供準(zhǔn)確的粒度、濃度數(shù)據(jù)，根據(jù)粒度測量和濃度測量的不同原理，增加粒度、濃度校正功能。

（1）粒度校正。

設(shè)定粒級A 為-200 目，粒級B 為-400 目，其計算公式如下：

公式1，粒級 A = A0 + Aver × A1+ SD× A2 +A3÷ Aver

公式2，粒級 B = B0 + Aver × B1+ SD× B2 +B3÷ Aver

公式1 和2 中，Aver 為顆粒平均值，SD 為標(biāo)準(zhǔn)偏差。

粒級計算參數(shù)中的A0、A1、A2、A3、B0、B1、B2、B3 是根據(jù)標(biāo)定取樣篩析數(shù)據(jù)通過回歸分析計算出來的數(shù)據(jù)。

通過公式可以看出，人工取樣對粒度儀數(shù)據(jù)進(jìn)行校正時，僅對常數(shù)A0、B0 進(jìn)行修改即可，操作方便、簡單，不影響數(shù)據(jù)模型的建立。

（2）濃度校正。

濃度測量建立在濃度壺測量原理之上，在手動校正的過程中對濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行偏移校正即可，如圖10 為濃度校正界面。只要在相應(yīng)通道遷移值內(nèi)輸入手動測量與設(shè)備測量差值，然后確認(rèn)即可完成校正。

圖10 濃度校正界面

3.3.3 增加歷史、班組數(shù)據(jù)查詢功能

為了便于查看粒度、濃度變化趨勢及班組流程控制情況，增加實時數(shù)據(jù)查詢、班組數(shù)據(jù)查詢、粒度濃度歷史曲線查詢等功能，如圖11、12 所示。

同時，為了更好地了解粒度、濃度變化情況，指導(dǎo)生產(chǎn)，增加了數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，便于分析數(shù)據(jù)、總結(jié)經(jīng)驗，為磨礦浮選工藝流程優(yōu)化控制提供支持。

圖11 實時班組曲線

圖12 粒度歷史曲線

4 改造效果

4.1 系統(tǒng)性能提升

為驗證系統(tǒng)升級后的穩(wěn)定性，確保為生產(chǎn)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，每季度對在線分析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)驗證，記錄如表1 所示。

圖13 數(shù)據(jù)分析曲線圖

從圖13 數(shù)據(jù)分析可發(fā)現(xiàn)，粒度濃度分析儀測量數(shù)據(jù)與手動測量粒度、濃度變化趨勢相同，相差都在2%以內(nèi)，在誤差允許范圍之內(nèi)，說明粒度濃度取樣結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，取樣具有代表性，達(dá)到預(yù)期效果。同時，經(jīng)過一年多時間的運行，取樣器運行正常，刀口未發(fā)生損壞狀況，降低了故障率，提高了運轉(zhuǎn)率，為生產(chǎn)提供實時數(shù)據(jù)提供了保證。

項目改造完成后，設(shè)備使用良好，未發(fā)生管路堵塞等現(xiàn)象，設(shè)備故障率較低，磨損率較低，成本消耗較低，能夠及時為生產(chǎn)提供較好的數(shù)據(jù)支持，效果較好。

4.2 經(jīng)濟效益

改造后取消擋板結(jié)構(gòu)，每套擋板費用1000 元，改造前每年使用2 個，改造后每年節(jié)省擋板成本1000 元*2=2000 元；管路磨損成本：取樣機2013年安裝至2016 年底，取樣機至粗三浮選柱旁路管路更換4 次，每次成本及各種費用合計4 萬元，平均每年成本1 萬元；手閘閥成本費用：手閘閥每個3000 元，每年使用4 個，每年節(jié)省成本3000元*4=1.2 萬元；取樣器改造后，避免取樣穩(wěn)流箱每月耐磨處理，每次消耗成本1000 元左右，每年節(jié)省成本1.2 萬元；合計每年可節(jié)省成本費用為：0.2+1+1.2+1.2=3.6 萬元。

設(shè)備優(yōu)化完成后，2min 左右即更新1 次粒度、濃度數(shù)據(jù)，取樣點礦漿僅滯后球磨出口礦漿1.5min左右，可以及時為磨礦作業(yè)提供可靠的數(shù)據(jù)支持，及時調(diào)整礦量、前給水、后給水等，從而保證最佳磨礦效果，最優(yōu)浮選濃度，得到最好的精礦品位和最低的尾礦品位。項目2017 年6 月份改造完成投入使用，為生產(chǎn)提供精準(zhǔn)可靠的粒度、濃度數(shù)據(jù)，指導(dǎo)生產(chǎn)。在此前提下，2017 年選廠累計尾礦品位0.114g/t，較計劃降0.006g/t，較2016 年同期降0.003 g/t；尾礦品位：實際完成0.1134 g/t，較計劃降低0.0046g/t，較2017 年同期降0.0006g/t。尤其在2017 年下半年原礦品位降低的情況下，2017 年7-12月份選礦富集比24.99%，較2017 年1-6 月份提高3.53%；2018 年1-8 月份選礦富集比24.57%，較去年同期提高3.11%。對磨礦流程及時準(zhǔn)確地提供粒度、濃度數(shù)據(jù)，及時調(diào)整磨礦各參數(shù)，保證最優(yōu)的浮選濃度、粒度，取得較好的經(jīng)濟效益。

同時系統(tǒng)優(yōu)化改造后，避免了礦漿外溢和管路堵塞，替換了射線濃度計，有效地改善了工作環(huán)境，減輕了工人勞動，避免了射線對人造成的安全隱患。

表1 測量數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

通過對三山島金礦新立選礦車間磨浮廠房取樣系統(tǒng)、在線粒度分析系統(tǒng)、射線濃度計等檢測設(shè)備應(yīng)用問題的總結(jié)，貼合現(xiàn)場實際工況和需求，與北京礦冶科技集團有限公司積極合作對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行具有針對性的升級改造。改造后的工業(yè)應(yīng)用表明，達(dá)到了預(yù)期改造目標(biāo)和效果，節(jié)約了直接成本和人工成本，并產(chǎn)生了客觀的間接經(jīng)濟效益。