Автоматизированный способ управления комплексом измельчения и классификации алмазосодержащих руд

УДК 65.011.56

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ И КЛАССИФИКАЦИИ АЛМАЗОСОДЕРЖАЩИХ РУД

© О.В. Лазарева1, Ю.А. Подкаменный2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены вопросы оптимизации комплекса измельчения и классификации алмазосодержащих руд. Произведен анализ основных возмущающих воздействий, выявлены факторы, влияющие на производительность мельницы самоизмельчения. Предложен способ автоматического управления работой мельниц, позволяющий повысить качество работы комплекса. Ил. 6. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: мельницы самоизмельчения; технологические параметры; автоматизация; способ управления; система автоматического регулирования.

AUTOMATED METHOD TO CONTROL DIAMOND-BEARING ORE CRUSHING AND CLASSIFYING COMPLEX O.V. Lazareva, Yu.A. Podkamenny

Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia

The article deals with the optimization issues of a complex of diamond-bearing ore crushing and classifying. Having analyzed major disturbances and identified the factors influencing the performance of autogenous grinding mills, it proposes the method for automated control of mill operation that allows to improve the working efficiency of the complex. 6 figures. 5 sources.

Key words: autogenous grinding mills; technological parameters; automation; control method; automated control system.

Сырьевая база алмазосодержащих руд России является наиболее крупной в мире и представлена коренными, россыпными и техногенными месторождениями, основная часть запасов которых сосредоточена в Западном регионе Якутии. На горнообогатительные комбинаты этого региона приходится основной объем добычи алмазов. Все обогатительные фабрики данных ГОКов имеют схожую технологическую цепочку рудоподготовки, которая включает следующие элементы: первичное дробление; классификация по крупности; вторичное дробление (измельчение); тяжелосредная сепарация; додрабливание в валковых дробилках высокого давления; магнитная сепарация; рентгенолюминесцентная сепарация; ручная сортировка. В случае большого выхода алмазов класса - 1 мм применяют флотацию в машинах пенной сепарации.

На обогатительных фабриках Якутии вследствие природно-климатических условий и высокого содержания глинистых пород руда сразу поступает в мельницы мокрого самоизмельчения (ММС), таким образом, ММС являются практически единственным способом подготовки алмазосодержащего сырья к обогащению [1]. Мельницы самоизмельчения позволяют объединять в своей конструкции одновременно две стадии дробления и две стадии измельчения, что значительно снижает эксплуатационные расходы. Применение ММС при рудоподготовке кимберлитовых руд

также позволяет увеличить эффективность извлечения алмазов и сохранность кристаллов за счет выбора щадящего режима работы мельниц. На основании теоретических расчетов и экспериментального опробования было установлено рациональное число оборотов барабана мельницы, равное 0,75 пкр (пкр - критическая скорость вращения барабана, при которой груз вращается по круговым траекториям), поэтому большинство применяемых мельниц запроектировано с постоянным числом оборотов 0,75 пкр. Задача определения оптимальной частоты вращения барабана мельницы во многом зависит от гранулометрического состава загружаемой руды, поэтому целесообразно регулировать этот параметр в диапазоне 0,6-0,75 пкр [1, 5].

Несмотря на большой объем научно-исследовательских работ, до настоящего времени остаются нерешенными вопросы снижения технологической нарушенности кристаллов алмазов, повышения производительности по товарному классу в процессе измельчения, снижения энергозатрат на тонну перерабатываемого сырья, повышения качества работы ММС и безотказности ее функционирования. Указанные проблемы целесообразно решать путем использования автоматической системы управления циклом измельчения и классификации.

Классическое решение по автоматизации работы ММС, как правило, содержит систему стабилизации

1Лазарева Ольга Викторовна, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизации производственных процессов, тел.: (3952) 405519, e-mail: lov_2126@mail.ru

Lazareva Olga, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automation of Industrial Processes, tel.: (3952) 405519, e-mail: lov_2126@mail.ru

Подкаменный Юрий Александрович, студент, тел.: 89041212570, e-mail: mirniy.yuriy@mail.ru Podkamenny Yuri, Student, tel.: 89041212570, e-mail: mir-niy.yuriy@mail.ru

загрузки мельницы рудой, систему регулирования соотношения руда-вода, систему подачи воды в зумпф пульпового насоса, а также систему отслеживания режимных параметров функционирования ММС. Возможности оптимизации комплекса измельчения связаны в первую очередь с использованием промежуточного выходного параметра, например, электрических параметров работы привода мельницы [2].

Так, в работе В. Flintoff [3] в качестве выходного промежуточного параметра описано использование мощности привода, и для достижения максимальной производительности при сохранении желаемого класса крупности управляют соотношением питания, нагрузки, мощности и скорости разгрузки. Скорость изменения нагрузки и мощности определяют с помощью датчиков. Недостатком способа является то, что зависимость мощности от величины нагрузки имеет неоднозначный характер. Кроме того, параметр мощности подвержен влиянию различного рода помех, вследствие чего имеет место недостаточно точное регулирование процесса измельчения. Тем не менее, на мельницах с переменной скоростью вращения барабана сигнал мощности может использоваться для блокировки.

Известен способ автоматического управления работой измельчительного агрегата [4], включающий измерение и стабилизацию на заданных значениях производительности мельницы, запаса материала в мельнице и плотности готового продукта, а также измерение приращения производительности мельницы за текущий и предыдущий равные промежутки времени. Недостатком способа является то, что для безопасной работы измельчительного агрегата важна ранняя диагностика приближения момента перегрузки, которая в данном способе отсутствует. Это приводит к снижению надежности системы управления.

Работа мельницы самоизмельчения зависит от загрузки. Объём и масса загрузки редко измеряются на практике, где обычно оперируют мощностью привода и массой мельницы либо напрямую, либо с использованием программируемого устройства. Массой загрузки в мельнице управляют изменением тоннажа питания (материал в мельницу) или скоростью разгрузки (материал из мельницы). Скоростью разгрузки можно манипулировать изменением скорости подачи воды или скорости вращения мельницы.

Наиболее общим методом управления загрузкой мельницы является использование веса (или давления) и/или регулятора мощности для манипулирования тоннажем питания. Выбор между мощностью и весом/давлением зависит от процесса и условий работы мельницы.

Давление масла в подшипнике мельницы (т.е. обратное давление в магистрали гидростатики) является крайне важным для мельниц само- и полусамоиз-мельчения и требует специального внимания как очень информативный сигнал о загрузке этих мельниц. Замеры давления в подшипнике важны как для питания, так и для механики работы мельницы и могут показать вариации во вращении мельницы. Если вариации питания и механики правильно отфильтрова-

ны, то любое истинное изменение давления подшипника обнаруживается. Успешными методиками фильтрации являются основанные на частоте (FFT -быстрое преобразование Фурье) и подавлении шума. Так как давление в подшипнике чувствительно к температуре и качеству масла (влияние вязкости), логично включение компенсации дрейфа сигнала.

Вес мельницы - ключ к измерению в классических стратегиях управления мельницами само- и полуса-моизмельчения. Вес мельницы в настоящее время измеряется с помощью нагрузочных элементов, стратегически расположенных под подшипниками мельниц, и является реальной заменой датчиков давления масла в подшипниках, хотя часто используются оба сигнала. Преимущество нагрузочных элементов перед давлением в подшипнике - в их контроле абсолютного веса и снижении сигнала помехи, зависящего от вязкости масла, температуры и других эффектов. Они устанавливаются на новых мельницах как модификация поставки. Недостатки их - в относительно большей стоимости по сравнению с датчиками давления масла и дорогая замена при неисправности. Установка должна осуществляться тщательно, так как при неправильной установке может возникать значительная ошибка измерения (т.е. необходимо монтировать измерительные кабели подальше от силовых и использовать провода соответствующей длины для эквивалентного сигнала затухания). На больших мельницах полусамоизмельчения нагрузочные элементы устанавливаются под неприводным концом мельницы. Этот «концевой вес» используется для калибровки нагрузки мельницы. Перед запуском мельница заполняется водой и элементы калибруются по известной массе. При этой первоначальной калибровке часть веса от нагрузочных элементов (т.е. на неприводном конце) принимается за константу на весь срок службы мельницы и используется для определения содержимого мельницы при различных состояниях нагрузки, встречающихся при работе мельницы [5].

В технологический комплекс измельчения и классификации кроме ММС входят: питатель, зумпф, грунтовый насос, классификатор, грохот. Проектирование системы управления комплексом начинают с выбора переменных параметров процесса, к которым относят: скорость подачи питания, расходы воды в мельницу, расход руды в мельницу, частоту вращения мельницы и др. Вода в мельницу подается в соотношении к расходу руды. Частоту вращения барабана мельницы, как правило, не изменяют в процессе работы. Ее определяют и устанавливают при наладке технологического комплекса на оптимальном уровне для контрольного типа руды.

Переменные процесса измельчения можно классифицировать следующим образом (рис.1):

а) входные параметры:

• расход руды в комплекс QP ,т/ч;

• расход воды в комплекс QB , м/ч;

б) основные возмущающие воздействия:

• физические свойства руды (прочность, твердость, раскалываемость и т.д.) G,%;

• процессы, связанные с износом и старением оборудования, Р(Ц;

в) выходные показатели комплекса:

• содержание готового класса крупности (-50,

+5) 01, мм;

• содержание готового класса крупности

02, мм;

• мощность, потребляемая электродвигателем привода ММС, Р, кВт;

• масса мельницы М.

Рис. 1. Информационная схема технологического комплекса измельчения как объекта управления

Автоматически контролируемые параметры:

• массовые и объёмные расходы материальных потоков;

• крупность продуктов измельчения;

• режимные и диагностические параметры работы ММС.

К основным параметрам комплекса, контролируемым непосредственно с помощью средств измерения, относят:

• вес материала на питателях подачи исходной руды;

• массовый расход руды на входе в мельницу;

• давление масла в подшипниках мельниц;

• вес мельницы;

• температуру подшипников мельниц;

• уровень пульпы в разгрузочном зумпфе насоса;

• массовый или объёмный расход воды в мельницу, зумпф, классификатор и грохот;

• потребляемая мощность привода мельницы.

Параметры передела самоизмельчения с косвенным измерением и контролем:

• содержание алмазов в исходной руде;

• плотность слива мельницы;

• массовый расход пульпы на выходе мельницы;

• полная массовая загрузка мельницы;

• гранулометрический состав питания и пульпы в мельнице.

Мониторинг оборудования (время работы и простоя основного оборудования) является стандартной расчётно-учётной функцией любой АСУ ТП.

Таким образом, задача управления комплексом измельчения и классификации в общем виде формулируется вектором управляющих воздействий, компенсирующих возмущения на входе измельчительного агрегата, вектором режимных показателей измельчения, получением на выходе агрегата планового (или

максимального) количества готового продукта заданного качества (крупности). Цели управления являются динамическими, основанными на общей экономической стратегии фабрики и работе последующих переделов, а также качестве исходной руды. Они требуют непрерывной коррекции по изменениям показателей переделов, следующих за самоизмельчением, особенно радиометрической сепарации.

Процесс измельчения - это нелинейный объект, и статические характеристики его нелинейны, но в ограниченном диапазоне изменения входных параметров их можно линеаризовать (рис. 2). Исключение составляет зависимость выхода готового класса в слив классификатора от производительности по твердому компоненту и потребляемой мощности, которые имеют явно выраженный экстремум (рис. 3). Эти зависимости используются для оптимального управления процессами измельчения и классификации [2].

3,1 2,9 2,7 2,5 2,3 2,1 1,9

0 10 20 30 40 50 60

Ф, %

Рис. 2. Статическая характеристика мельницы мокрого самоизмельчения по каналам «производительность - давление масла в опорных подшипниках Р»

1400 1200 1000 800 600 400 200 0

к

\

\

\

0 10 20

30

Ф, %

40 50 60

Рис. 3. Статическая характеристика мельницы мокрого самоизмельчения по каналам «производительность - мощность Е»

На динамические свойства процессов измельчения и классификации оказывают влияние следующие группы факторов:

а) факторы, определяющие сущность операции (измельчение твердых тел и разделение минералов в водной среде по крупности и плотности);

б) факторы, характеризующие элементы технологического комплекса как гидравлические емкости (накопление, расход и т.п.);

в) факторы условий транспортирования материала через барабан мельницы и по пульпопроводам, связывающим элементы технологического комплекса.

Характер переходных процессов мокрого

в

измельчения определяется по каналам:

• производительность - выход твердого разгрузку;

• расход воды - выход твердого в разгрузку;

• производительность - гранулометрический состав разгрузки;

• расход воды - гранулометрический состав разгрузки;

• производительность - потребляемая мощность.

На характер переходных процессов в механическом классификаторе основное влияние оказывают гидравлические процессы. На рис. 4 и 5 представлены некоторые экспериментальные динамические характеристики [2].

1500

н 1250 т

а

ш

1000

750

0

10 20 30 40 50 60 ^ мин.

Рис. 4. Динамическая характеристика мельницы мокрого самоизмельчения по каналу «потребляемая мощность»

160 150 140

г

^ 130 О

120 110 100

\

\

0 10 20 30 40 50 60 мин.

Рис. 5. Динамическая характеристика мельницы мокрого самоизмельчения по каналу «производительность - содержание готового класса»

Для достижения целей управления процессом измельчения необходимо решение следующих задач:

• стабилизация входных потоков руды;

• стабилизация входных потоков воды;

• стабилизация условий измельчения;

• компенсация изменения физико-механических свойств исходной руды.

Определение и предотвращение перегрузки мельницы самоизмельчения является одной из важнейших задач оптимального управления комплексом.

Для решения поставленных задач предлагается система управления комплексом измельчения и классификации с функцией диагностики перегрузки мельницы (рис. 6).

Рис. 6. Структурная схема системы управления комплексом измельчения и классификации: 1 - мельница мокрого

самоизмельчения (ММС); 2 - участок первой стадии классификации, включающий: зумпф, грунтовый насос, обесшламливающую воронку, классификатор, грохот, ленточный конвейер; 3 - питатель; 6 - частотный преобразователь; 9 - программируемый логический контроллер (ПЛК); 11 - исполнительное устройство; М - электрический привод питателя; 4, 7,13,14,15 - датчики, в т.ч. Р - расхода воды; 5 - регулятор стабилизации подачи руды; 10 - регулятор стабилизации подачи воды; 8 - регулятор стабилизации материала в мельнице

Управление комплексом осуществляется с помощью следующих систем автоматического регулирования (САР):

• САР стабилизации производительности цикла по исходной руде (1) — 4-5-6 путем изменения частоты вращения привода питателя (Ор = const, пп = var). Датчик массы руды 4 устанавливают на конвейере. Электронный регулятор 5 системы воздействует на частотный преобразователь 6 привода M конвейера. При изменении свойств исходной руды этот принцип применим с корректировкой задания. Основное преимущество этого принципа управления — простота технической реализации. Применение таких систем стабилизации даёт прирост производительности из-мельчительных агрегатов на 5% и выше при незначительных колебаниях физико-механических свойств руды.

• САР стабилизации соотношения твердого продукта к жидкому (Т:Ж = const) (2) - 5-9-10 путём изменения расхода воды в барабан мельницы (WH = var) с коррекцией гранулометрического состава по контуру (3) - 14-15-9-10. Регулятор расхода воды 10 через исполнительный механизм 11 воздействует на клапан трубопровода воды в мельницу ПЛК 9, рассчитывает соотношение и вносит корректировку в значение коэффициента твердого продукта к жидкому.

Применение этого принципа управления позволяет стабилизировать условия измельчения, это помогает избегать переизмельчения или недоизмельчения руды.

• САР стабилизации уровня загрузки барабана мельницы рудой (4) - 7-8-5 и 13-9-5 с воздействием на частоту вращения привода питателя (G = const, пп = var). Уровень загрузки барабана мельницы рудой при неизменной производительности отражает изменение физико-механических свойств руды. Он контролируется датчиком массы мельницы (7) с коррекцией по потребляемой мощности электродвигателя мельницы (13). ПЛК 9 вносит коррекцию задания электронному регулятору 5. Управление сводится к следующим условиям: М < Мопт, P^const при n0=var, где М — запас материала в мельнице, Мопт — оптимальный запас материала в мельнице, Рпр — потребляемая мощность электропривода мельницы, пп — частота вращения привода питателя.

Использование предложенной системы управления процессом измельчения предполагает увеличение производительности комплекса, повышение выдачи класса заданной крупности и обеспечение стабильной работы оборудования.

Статья поступила 30.01.2014 г.

Библиографический список

1. Николаева Н.В. Интенсификация процесса самоизмельчения алмазосодежащих руд на примере трубки "Комсомольская": дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2009. 190 с.

2. Троп А.Е., Козин В.З., Прокофьев Е.В. Автоматическое управление технологическими процессами обогатительных фабрик: учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1986. 303 с.

3. В. Flintoff. Introduction to Process Control. An Overview // Mineral Processing Plant Design, Practice, and Control. Proceedings. Vol.2. Published by the Society for Mining, Metallurgy,

and Exploration, Inc. Edited by Andrew L. Mular, Dough N. Halbe, and Derek J. Barratt. 2002

4. Соловьёв С.В. Разработка методов расчёта и оптимизации технологических параметров мельниц мокрого самоизмельчения алмазосодержащих руд: дис. ... канд. техн. наук. Мирный, 2006. 221 с.

5. Андреев Е.Е., Николаева Н.В., Львов В.В., Коваль О.Ю. Способ автоматического управления работой мельницы самоизмельчения. А.с. 2375116 РФ.