杜盼

（長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司）

礦石的碎磨過程是選礦廠生產(chǎn)中極為重要的部分，其主要作用是破碎研磨礦石使礦物與脈石充分解離，同時(shí)為后續(xù)工藝提供有利于選別的適宜粒度［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該工序的投資與能耗均在選礦廠生產(chǎn)工序中占比最多，礦石碎磨過程直接影響最終的精礦品位、金屬回收率等生產(chǎn)指標(biāo)［2］。通過選礦廠實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行研究需花費(fèi)大量的時(shí)間及費(fèi)用，且影響現(xiàn)場生產(chǎn)經(jīng)營，因而通過在METSIM 軟件中建立選礦碎磨工藝流程仿真模型進(jìn)行研究。

METSIM 軟件自帶有大量的工業(yè)物性數(shù)據(jù)庫以及200 多個(gè)單元操作模塊，可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬、動(dòng)態(tài)模擬、采礦、粒度分析、重力選礦、設(shè)備選型、操作成本建模，適用的工藝范圍包括粉碎、選礦、堆浸、濕法冶金、火法冶金、煤處理、無機(jī)化學(xué)及工業(yè)礦物處理等［3-5］，最早由澳大利亞開發(fā)用于模擬冶金過程，可以仿真模擬整個(gè)冶金過程的物料平衡和能量平衡，是目前使用最廣泛的冶金流程模擬軟件。王明等［6］早在2009年就引進(jìn)該軟件，用于冶金過程模擬系統(tǒng)，該軟件在冶金上的應(yīng)用不但提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，而且提高了設(shè)計(jì)效率，在工程設(shè)計(jì)中取得了很好的效果。

選礦過程中磨礦分級(jí)是極為重要的一環(huán)［7］，對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量有著決定性的作用。據(jù)研究，在整個(gè)采選流程所用能耗中，碎磨階段使用能耗占40%，因此降低磨礦能耗可使整個(gè)工業(yè)成本有效降低。鑒于METSIM 軟件在冶金工業(yè)中取得的良好結(jié)果，本研究將該軟件引用到選礦磨礦分級(jí)流程中，在軟件中構(gòu)建磨礦分級(jí)碎磨模型，通過模擬實(shí)際流程，幫助設(shè)備選型、確定設(shè)備參數(shù)，達(dá)到指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)、提高效率、降低成本、減少能耗的目的。

1 SABC碎磨工藝介紹

SABC 是指由半自磨+球磨+頑石破碎組成的破碎磨礦工藝，過去30 多年在國內(nèi)外許多大型礦山廣泛使用。事實(shí)證明該工藝具有以下特點(diǎn)［8］：①設(shè)備數(shù)量少，流程簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)于含泥量高的黏性礦物具有獨(dú)特優(yōu)勢，可避免常規(guī)碎磨流程中設(shè)備出現(xiàn)堵塞的現(xiàn)象，生產(chǎn)過程更加穩(wěn)定；②設(shè)備大型化，處理量大，可大幅減少人工，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；③運(yùn)轉(zhuǎn)率高，維修量小，具有較大的調(diào)整靈活性；④占地面積少，建筑費(fèi)用低，成本少，適用于硬度中等、可磨度中等、高含泥、含水的礦石碎磨，在大型選礦廠可得到廣泛應(yīng)用。

碎磨流程選用流程節(jié)點(diǎn)較少的經(jīng)典SABC流程，物料由礦堆給入半自磨機(jī)，出料經(jīng)滾筒篩分流為2股，一股是篩上的頑石送到圓錐破碎機(jī)粉碎后再回到半自磨機(jī)，形成半自磨機(jī)回路；一股是篩下的礦物與球磨機(jī)排出的礦物合并一起給入旋流器進(jìn)行再分離，形成球磨機(jī)閉合回路。該流程可消除半自磨機(jī)中較難磨礫石的累積，可改變半自磨機(jī)中的自磨介質(zhì)的原有粒度大小，為后續(xù)的選礦流程提供更加合適的物料粒度。為此，本文在METSIM 軟件中建立基于該流程的SABC碎磨流程進(jìn)行模擬計(jì)算研究。

2 SABC碎磨工藝過程建模

該項(xiàng)目設(shè)定的碎磨原料為黃銅礦，建立1 個(gè)處理量為2.25 萬t/d，出料磨礦細(xì)度-0.074 mm85%以上的SABC 碎磨流程。在Project 選項(xiàng)中的Title 欄輸入“COMMINUTION”作為磨礦過程仿真項(xiàng)目名稱，在軟件Model Parameters 中的Calc Parameters 選項(xiàng)下分別打開質(zhì)量平衡開關(guān)、粒度分析開關(guān)、多組分粒度分析開關(guān)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換開關(guān)，在Calc Parameters 選項(xiàng)中，將仿真時(shí)間和物料質(zhì)量單位設(shè)置為“KG/Hr”。在METSIM 組分里面選擇黃銅礦磨礦過程中涉及到的Cu、Fe、S、Si、C、Ca、H、O等元素，點(diǎn)擊“OK”，生成如圖1的化合物數(shù)據(jù)庫。

在圖1 中，依次選擇本次建模出現(xiàn)的固體物質(zhì)CaCO3、CuFeS2、SiO2及液體物質(zhì)H2O，并在Edit Components 中將CuFeS2作為1 號(hào)物質(zhì)、CaCO3作為2 號(hào)物質(zhì)、SiO2作為3 號(hào)物質(zhì)、H2O 作為4 號(hào)物質(zhì)，并將多余的物質(zhì)選中后刪除。

按照碎磨工藝流程，依次添加礦堆、半自磨機(jī)、頑石破碎機(jī)、泵池、水力旋流器、球磨機(jī)［9］等仿真設(shè)備單元以及物料流程走向，繪制成圖2 所示完整的SABC 碎磨工藝模擬模型，再依次添加反饋控制器、流量控制器和流量占比控制器。

由圖2可見，模型設(shè)置的半自磨機(jī)流程和球磨機(jī)流程均為4條，是因?yàn)樵撥浖诹鞒讨锌赏瑫r(shí)把同類的核心機(jī)型分成多組，每1 組可代表1 臺(tái)設(shè)備也可以代表多臺(tái)設(shè)備?？紤]到在實(shí)際生產(chǎn)中，針對(duì)各種不同的復(fù)雜情況，既可模擬同類型同規(guī)格的設(shè)備，又可同時(shí)組合模擬同類型不同規(guī)格的設(shè)備，可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行啟用或關(guān)閉，這樣可以包含實(shí)際生產(chǎn)的各種情況。同時(shí)，對(duì)于新改擴(kuò)建的不同項(xiàng)目現(xiàn)場有更好的兼容適用性，更易于不同規(guī)模設(shè)備的參數(shù)比較，大大拓展此計(jì)算模型的實(shí)際適用場景。雖然在一定程度上建模時(shí)增加了復(fù)雜度和工作量，但對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)的模擬指導(dǎo)具有現(xiàn)實(shí)意義。

該模型設(shè)計(jì)流程較為復(fù)雜，再加上過程具有非線性、大時(shí)滯、慢時(shí)變、融合反饋控制器、循環(huán)物流線路多種綜合特性，對(duì)控制和計(jì)算過程所要達(dá)到的質(zhì)量平衡收斂要求高?，F(xiàn)有的磨礦過程仿真系統(tǒng)大都是基于學(xué)術(shù)假設(shè)近似后的模型，在工業(yè)中認(rèn)可度不高，而使用METSIM 建立的SABC 模型是由磨礦設(shè)備制造商提供的經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有較精準(zhǔn)數(shù)據(jù)的模型，在工業(yè)界中得到了廣泛認(rèn)可，且精準(zhǔn)度高。該軟件使用Wegstein收斂法，采用連續(xù)數(shù)模不斷逼近的方式來達(dá)到平衡，避免不恰當(dāng)?shù)某跏贾翟斐蓴?shù)值過度傳遞產(chǎn)生的變更。整個(gè)模型將收斂達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后6 位數(shù)作為平衡目標(biāo)，這種高精度模擬可確保模型準(zhǔn)確可靠，為設(shè)備選型和現(xiàn)場工人操作提供合理指導(dǎo)。

3 METSIM 模型與EXCEL數(shù)據(jù)交互機(jī)制

該模型可實(shí)現(xiàn)簡單快捷準(zhǔn)確的仿真計(jì)算，但應(yīng)用到具體項(xiàng)目上時(shí)，操作設(shè)置不易上手，往往需要較長時(shí)間的軟件培訓(xùn)。為了使模型操作簡潔化，提高調(diào)試的工作效率，利用METSIM 軟件的DDE（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換）功能，建立METSIM 模型與EXCEL 數(shù)據(jù)交互機(jī)制，使模型可對(duì)每次需要調(diào)節(jié)的參數(shù)在EXCEL 上進(jìn)行輸入并在EXCEL 表格中自動(dòng)輸出計(jì)算完成的數(shù)據(jù)。METSIM 軟件中使用DDE 快捷鍵功能對(duì)各個(gè)參數(shù)與EXCEL 進(jìn)行設(shè)定的界面見圖3，在EXCEL 表格中建立的用于DDE 數(shù)據(jù)輸入的接口樣式見圖4。

由圖4 可見，EXCEL 表格中建立的用于DDE 數(shù)據(jù)輸入的接口樣式可直接在EXCEL表格中將半自磨機(jī)給礦量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，極大地增加了該套磨礦系統(tǒng)使用的便捷性，可進(jìn)一步節(jié)約時(shí)間及成本。

4 結(jié)果與分析

在完成了上述所有配置后，打開EXCEL 軟件，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)聯(lián)變量名，開啟METSIM軟件中的DDE仿真開關(guān)，測試數(shù)據(jù)連接是否暢通，如果未出現(xiàn)紅色報(bào)錯(cuò)，則系統(tǒng)配置完成，此時(shí)點(diǎn)擊工具欄的“Calculate All Sections”按鈕，啟動(dòng)離線仿真，測試整個(gè)建模過程的參數(shù)配置是否正確［10］。模型在最終磨礦粒度-0.074 mm達(dá)到85%以上時(shí)，總能耗為21.12 kWh/t，各設(shè)備的輸出參數(shù)見表1。

由表1 可知，處理量為2.25 萬t/d，磨礦細(xì)度達(dá)到-0.074 mm85%以上的黃銅礦的SABC 碎磨流程通過模型可以很好地?cái)M合出來，可準(zhǔn)確得到各設(shè)備數(shù)量及設(shè)施參數(shù)，同時(shí)可根據(jù)實(shí)際廠家的設(shè)備規(guī)格或選廠已有設(shè)備在模型相應(yīng)位置進(jìn)行靈活調(diào)整。該種快速模擬目標(biāo)礦物的碎磨過程模型，可在工業(yè)中迅速確定出最適合的設(shè)備與設(shè)備參數(shù)。同時(shí)，充分運(yùn)用METSIM 軟件的DDE 功能開發(fā)出了可進(jìn)行數(shù)據(jù)互換的EXCEL 界面，在EXCEL 表格中更加快速、智能地完成各項(xiàng)參數(shù)的快速修改，使二者結(jié)合成了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的智能化模擬計(jì)算及調(diào)試系統(tǒng)，且可將各項(xiàng)數(shù)據(jù)與第三方軟件進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)更多的自動(dòng)化分析及操作功能，極大地提高了該套模型使用時(shí)的調(diào)試效率，對(duì)于現(xiàn)場調(diào)控具有一定的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)語

（1）在該套模型的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步開發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的智能體，進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)，使其自主優(yōu)化控制磨礦分級(jí)的過程。

（2）進(jìn)一步開發(fā)相應(yīng)的磨礦運(yùn)行算法監(jiān)控軟件，監(jiān)測運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀況，提供試驗(yàn)管理與數(shù)據(jù)保存功能。