СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ РУДЫ В БАРАБАННОЙ МЕЛЬНИЦЕ
METHOD OF CONTROLLING THE PROCESS OF ORE GRINDING IN DRUM MILLS

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для реализации систем управления измельчением рудной массы в барабанных мельницах различных типов. В частности, изобретение может быть использовано на горно-обогатительных комбинатах, там, где применяются галечные, шаровые и стержневые мельницы, которые устанавливают в цепи технологических аппаратов, работающих вместе с классификаторами с постоянной циркуляционной нагрузкой.
Изобретение обеспечивает оптимизацию технологического процесса измельчением руды с учетом ее физико-механических свойств и гранулометрического состава, а также особенностей технологического процесса дальнейшего получения железорудного концентрата с максимальным содержанием полезного компонента.
Известен способ автоматизации работы мельницы путем размещения в ее корпусе датчиков определения скорости ее вращения, датчиков косвенного определения качества измельчением исходного материала, а также датчиков контроля поступления в корпус мельницы исходного материала и выхода измельченного сырья (Е. Пистун, В. Заграй, Г. Николин "Автоматизация шаровых барабанных мельниц для ТЭЦ" - www.cta.ru/cms/f/326707.pdf).
Исходя из физико-механических свойств измельчаемого сырья и процессов, определяющих характер раскрытия рудных зерен для последующего обогащения, применение известной системы автоматизации позволяет:
- обеспечить постоянный контроль измерения и расчета действительных значений трех основных технологических параметров: степени загрузки барабанной мельницы измельчаемым материалом, температуры измельченного сырья на выходе из мельницы и перепада давления в барабане мельницы;
- обеспечить оптимизацию процесса измельчения, включающую беспрерывный поиск и стабилизацию, путем управления подачей в мельницу измельчаемого материала, такого значения степени загрузки барабана мельницы, при которой обеспечивается максимально возможная производительность мельницы;
- визуализировать режим работы регулятора, а также величину степени загрузки мельницы для корректировки процесса измельчения;
- информировать о процессе подачи материала в мельницу, возникновении технологических ограничений, а также наличии предаварийных ситуаций;
- предотвратить аварийную остановку мельницы в случае ее перегрузки исходным и измельчаемым материалом.
Недостатком известного способа управления барабанной мельницей является ограниченность его использования, так как он применяется для эффективного измельчения материала, имеющего низкие прочностные характеристики. К этому сырью относится уголь, торф, а также сланец, которые применяются в качестве топлива на тепловых электростанциях. Работа автоматической системы обеспечивает доведение исходного сырья до мелкодисперсного состояния в сочетании с его обезвоживанием. При реализации способа нельзя оптимизировать технологический процесс измельчения исходного минерального сырья в двухфазном среде.
Способ управления не позволяет получить необходимую степень измельчения минеральной составляющей пульпы, частицы которой имеют заданную гидравлическую крупность для эффективного разделения различными способами сепарации на обогащенный продукт и пустую породу.
Способ автоматизации не может быть использован для измельчения рудной массы высокой прочности, так как он не может обеспечить ее заданный гранулометрический состав.
Измельчение рудной массы в известной мельнице не предусматривает создание готового технологического продукта в виде пульпы с заданным соотношением руда-вода, для формирования среды, плотность которой обеспечивает необходимую степень подвижности и ее последующую обогатимость при реализации технологического цикла, предполагающий гравитационные, гидравлические и магнитные способы сепарации до получения товарного рудного концентрата.
Наиболее близким решением, выбранным в качестве прототипа, является способ автоматического управления процессом измельчения в барабанной мельнице (Патент России №2062656 на изобретение).
Способ предусматривает определение оптимального соотношения руда-вода при подаче рудной массы и воды в мельницу и измельчение рудной массы до заданного гранулометрического состава и выгрузки ее из мельницы.
В соответствии со способом, измеряют мощность привода и уровень заполнения барабана, осуществляют экстремальное регулирование производительности мельницы, фиксируют аварийные перегрузки, регулируют расход материала, анализируют загрузку при протекании переходных процессов, фиксируют возможность перегрузки и соответствие этой перегрузки текущему расходу материалов. В случае отсутствия перегрузки повторно выполняют экстремальное регулирование и определяют промежуток времени, в течение которого производится экстремальное регулирование в неизменном направлении, который соответствует повышению уровня загрузки. Выбирают величину временного интервала оценки вероятности наступления перегрузки и за каждый очередной интервал подсчитывают число признаков перегрузки. Определяют базовое значение мощности привода после каждого временного интервала в соответствии с заданным соотношением, при этом корректируют величину рабочего шага экстремального регулирования.
Недостатком известного способа автоматического регулирования является то, что его оптимизация осуществляется только исходя из фактической нагрузки на приводы мельницы. Это не учитывает целый ряд факторов, без которых не может быть достигнуто качественное измельчение рудной массы.
Система управления функционирует в рамках системы нагрузки на привод загружаемым объемом рудной массы. Такая система обеспечивает долгосрочное функционирование приводов и передающих узлов барабанной мельницы, в то же время такая система управления не только не контролирует процесс измельчения руды, но не дает никаких гарантий, что измельчение может быть достигнуто до необходимой степени. Особенно это сказывается при обогащении сырья, физико-механические свойства которого непредсказуемо меняются. При применении известной системы автоматического регулирования необходимы дополнительные средства контроля процесса и качества измельчения руды, которые учитывали бы ее физико-механические свойства, гранулометрический состав, объемы подачи и разгрузки во взаимосвязи с процессом измельчения.
Применение дополнительной системы управления, обеспечивающей получение необходимого измельченного продукта, должно быть интегрировано с системой управления, оптимизирующего работу привода. Это неоправданно увеличивает себестоимость монтажа управляющего оборудования, увеличивает объем работ по его обслуживанию и затрудняет выбор экстремального режима, при котором обеспечивается рациональная работа приводов в сочетании с заданной степенью измельчения.
Особенностью работы барабанной мельницы является то, что измельчение руды происходит в жидкой среде, которая является составной частью готового продукта - рудной пульпы. Конечным продуктом барабанной мельницы является пульпа с заданным соотношением руда-вода, что позволяет обеспечить возможность разделения ее при гравитационном и магнитном воздействии на рудную и нерудную составляющие. В связи с этим, в цикле измельчения конечный продукт представляет минеральную массу, измельченную до заданного гранулометрического состава в сочетании с необходимым количеством воды. Именно эти показатели готовой продукции должны быть на выходе из барабанной мельницы.
Вместе с тем, получение кондиционного продукта должно сочетаться с оптимальным режимом работы оборудования, а также предупреждать выход из строя приводных механизмов и аварийный износ узлов. Необеспечение этих условий приводит к вероятности поломки узлов и механизмов, а значит - к непроизводительным затратам времени на ремонтные работы.
Задачей изобретения является усовершенствование способа управления измельчением рудной массы в барабанной мельнице за счет того, что управление измельчением осуществляется на основании данных, получаемых от информационных датчиков, которые располагают в основных узлах и механизмах, от функционирования которых зависит качество измельчения сырья и бесперебойная работа агрегата.
Полученные сигналы сравниваются с адаптивными технологическими показателями, величина которых обеспечивает получение высококачественного продукта. При этом обеспечивается не только оптимальная максимальная нагрузка на приводы, но и максимальная производительность при выгрузке высококачественного измельченного продукта.
Совершенствование способа автоматизации работы мельницы достигается за счет того, что:
1. Информационные сигналы от датчиков, установленных на конструктивных элементах мельницы, подвергают сглаживанию, усреднению.
2. Фактические информационные сигналы обеспечивают формирование дифференциальных и интегральных показателей, обеспечивающих возможность оптимизации процесса измельчения с учетом физико-механических свойств рудной массы и технических ограничений, применяемых основных и вспомогательных агрегатов, с учетом возможности предупреждения перегрузки технологического оборудования, а также оптимизации количества воды исходя из массы загруженной рудной массы.
3. Адаптивная подача оптимальных объемов воды и руды обеспечивает максимальную производительность мельницы с разгрузкой готового материала, который имеет заданный диапазон гранулометрического состава, исходя из физико-механических свойств рудной массы и ее фракционного состава после дробилки крупного дробления.
Технический результат от использования изобретения достигается за счет того, что:
- мельница используется при оптимальной нагрузке, согласно которой плановая производительность предусматривает возможность получения максимального объема измельченной массы при рациональной нагрузке на узлы и механизмы мельницы;
- обеспечивается возможность получения высококачественного измельченного продукта и образования рудной пульпы с заданным соотношением руда-вода;
- способ управления имеет высокую адаптивность к изменению физико-механических свойств перерабатываемого сырья и обеспечивает высокую стабильность требуемых параметров готового продукта;
- использование способа обеспечивает снижение себестоимости переработки руды, уменьшение удельных затрат на ремонт и обслуживание оборудования;
- высокое качество измельчения рудной массы уменьшает циркуляционные нагрузки на мельницу и тем самым уменьшает непродуктивную нагрузку на основное и вспомогательное оборудование;
- полученная пульпа эффективно подвергается различным видам сепарации, что позволяет получить высококачественный железорудный концентрат для металлургической промышленности.
Поставленная задача решается за счет того, что способ управления измельчением руды в барабанной мельнице включает определение оптимального соотношения руда-вода, подачу рудной массы и воды в мельницу, измельчение рудной массы с заданным гранулометрическим составом и выгрузки ее из мельницы.
Согласно изобретению в конструктивных элементах барабанной мельницы, а также на основных и вспомогательных узлах и механизмах располагают датчики, с помощью которых формируют массив информационных сигналов, подвергают нормализации, сглаживанию и, при необходимости, усреднению за определенный период времени. Полученные значения информационных сигналов оценивают применительно к заданному промежутку работы мельницы, подвергают расчету показатели определенных дифференциалов и интегралов временных рядов. После этого обрабатывают информационный поток по изменениям каждого из факторов влияния на величину управляющего воздействия. Осуществляют масштабирование отдельных изменений по наладочным критериям влияния этих показателей на регулирование процесса и оптимизируют задачи регулирования по критерию максимальной переработки руды с учетом ее физико-механических свойств и оптимального соотношения жидкой и твердой фаз в пульпе. Осуществляют формирование управляющих сигналов подачи оптимального количества руды и воды и корректируют эти задачи по критерию целевой функции поиска максимума производительности измельчающего агрегата с учетом ограничений, связанных с критическими параметрами, обусловленными перегрузками оборудования и качественными показателями измельчения.
Формируют управляющие сигналы на соответствующие приводные механизмы и обеспечивают регламентированную подачу в барабанную мельницу рудной массы и технологической воды. Постоянно контролируют нагрузки на приводы основных и вспомогательных механизмов, контроль работы которых осуществляют с одновременным сравнением с базовыми данными об их допустимой оптимальной нагрузкой с оценкой применительно к заданному промежутку работы мельницы, расчета показателей определенных дифференциалов и интегралов временных рядов.
После оптимизации задач регулирования по критерию максимальной переработки руды с учетом ее физико-механических свойств и оптимального соотношения жидкой и твердой фаз. Оцифрованные данные в виде выходных сигналов подают в пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор, с помощью которого создают управляющие команды для исполнительных механизмов и осуществляют оптимальную загрузку руды в мельницу для измельчения. Процесс измельчения контролируют датчиком контроля веса руды, подаваемой в мельницу, и формируя управляющие команды с помощью загрузочного оборудования увеличивают или уменьшают объем загрузки руды в мельницу при оптимальной нагрузке на оборудование. Оптимальную подачу воды в мельницу осуществляют с помощью пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора. Этим регулятором формируют управляющие сигналы, подаваемые на приводные механизмы регулируемого устройства подачи воды в барабанную мельницу, при этом подачу воды в мельницу контролируют соответствующим датчиком количества воды.
Для повышения эффективности измельчения руды, вместе с барабанной мельницей в качестве циркуляционного нагрузки применяют классификатор. Подачу воды в классификатор регулируют с помощью соответствующего пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора. Этим регулятором формируют управляющие сигналы на приводные механизмы системы управления подачи воды в классификатор в оптимальном объеме. Контроль количества воды, загружаемой в классификатор, контролируют соответствующим датчиком.
Для повышения эффективности измельчения руды, пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор приводного механизма загрузочного устройства рудной массы и пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор приводного механизма системы управления подачи воды в барабанную мельницу выполняют с возможностью формирования оператором управляющих команд подачи руды и воды в барабанную мельницу и возможностью передачи информации по командам оператора, касающимся подачи руды и воды в барабанную мельницу для учета при оптимизации задачи регулирования по критерию максимальной переработки руды с учетом ее физико-механических свойств, оптимального соотношения жидкой и твердой фаз в пульпе и при учете ограничений, связанных с критическими параметрами, обусловленными перегрузками оборудования и качественными показателями измельчения.
Для повышения эффективности измельчения руды пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор приводного механизма загрузочного устройства рудной массы, пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор приводного механизма системы управления подачи воды в барабанную мельницу, а также пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор приводного механизма регулирования подачи воды в классификатор выполняют с возможностью формирования оператором управляющих команд подачи руды и воды в барабанную мельницу, а также воды в классификатор и возможностью передачи информации по командам оператора относительно подачи руды и воды в барабанную мельницу для учета при оптимизации задачи регулирования по критерию максимальной переработки руды с учетом ее физико-механических свойств и оптимального соотношения жидкой и твердой фаз в пульпе и при учете ограничений, связанных с критическими параметрами, обусловленными перегрузками оборудования и качественными показателями измельчения.
Способ реализуется следующим образом.
Для измельчения твердых материалов на горно-обогатительных комбинатах наибольшее распространение получили барабанные мельницы. В зависимости от вида мелющих тел, различают мельницы шаровые, стержневые и галечные. В шаровых мельницах в качестве мелющих тел используют стальные или чугунные шары, в стержневых - стальные стержни, в галечных - кремниевую гальку или руду.
В зависимости от способа разгрузки измельчаемого продукта различают мельницы с центральной разгрузкой и разгрузкой через решетку.
Цилиндрические шаровые и стержневые мельницы широко применяются на обогатительных фабриках для измельчения руд. Стержневые мельницы могут быть использованы как аппараты мелкого дробления перед шаровыми мельницами и для измельчения мелковкрапленных руд перед гравитационными или электромагнитными процессами обогащения. Галечные мельницы в основном применяются в тех случаях, когда нельзя допустить даже незначительных примесей железа в измельчаемом продукте.
При измельчении руды, за счет смешивания твердой и жидкой фаз образуют пульпу, содержание воды в которой определяет ее подвижность при выгрузке и способность твердой фазы эффективно измельчаться. Принято считать, что вода в мельнице должна быть в пределах 15-20% от количества твердой фазы, при этом вода является транспортирующим средством для вывода готовой фракции для дальнейшей переработки. При уменьшении количества подачи воды пульпа в мельнице становится менее подвижной, что негативно сказывается на производительности мельницы. С увеличением разжижения пульпы в мельницах уменьшается продуктивная плотность продукта, что приводит к снижению эффективности измельчения и увеличению количества материала, который возвращается аппаратами классификации на повторное измельчение, а также к снижению эффективности работы последующего оборудования, представленного дешламаторами, гидроциклонами и магнитными сепараторами.
Поэтому оптимальное управление работой барабанной мельницы при постоянной работе приводов, обеспечивающих необходимую угловую скорость, заключается в обеспечении заданной загрузки рудной массы, подаваемой в мельницу для измельчения и подачи в необходимом количестве технической воды для стабильного соотношения руда-вода в готовом продукте для последующего гидравлического или магнитного обогащения.
Технологический цикл измельчения основывается на установлении оптимального соотношения руда-вода применительно к конкретным физико-механическим свойствам перерабатываемой руды.
Подготовленную рудную массу подают в загрузочную часть барабанной мельницы, особенностью которой является размещение информационных датчиков как в конструктивных элементах мельницы, так и во вспомогательных узлах, включая приводы и передаточные механизмы. Размещение датчиков осуществляется исходя из получения необходимого и максимально полного объема информации для обеспечения функционирования агрегата в экстремальном режиме и обеспечения стабильных качественных показателей измельчения руды и получения железорудной пульпы.
С помощью датчиков может быть получена следующая информация, например объективные данные в режиме реального времени о весе руды в мельнице, расходе воды в мельнице, расходе воды в классификаторе, активной мощности привода мельницы, токах привода мельницы, шумах в барабане мельницы, токах или мощности привода классификатора, гранулометрическом составе рудной массы на сливе классификатора, уровне в желобе классификатора, скорости пульпы в сливном желобе классификатора, температуре коренных подшипников мельницы, гранулометрическом составе начальной руды, вибрации коренных подшипников мельницы, массовой доле железа в руде, массовой доле железа в хвостах, гранулометрическом составе слива гидроциклона, плотности слива классификатора и др.
Количество и расположение датчиков определяют исходя из конструкции мельницы и, соответственно, полноты необходимой информации для эффективного управления работой мельницы.
С помощью датчиков формируют информационные сигналы, которые группируют и передают в блок обработки сигналов электронно-вычислительной машины. Этот блок может быть связан с сервером, в котором хранится вся текущая информация от каждого датчика. В блоке обработки сигналов информационный поток сглаживается путем устранения высокочастотных помех-шумов, которые могут искажать фактические данные, необходимые для принятия адекватного решения системой автоматического управления работой барабанной мельницы.
При сглаживании информационных потоков также удаляют и случайные единичные всплески, которые особенно характерны при снятии информации с помощью датчиков, закрепленных непосредственно на мельницу и ее вспомогательное оборудование.
При необходимости, после нормализации и сглаживания сигналы усредняются за определенный период времени. Это осуществляется при наличии значительных колебаний данных, расхождение которых требует определенного усреднения. Полученные значения информационных сигналов передают в блок оптимизации электронно-вычислительного комплекса, где их оценивают, применительно к заданному промежутку работы мельницы, подвергают расчету показателей определенных дифференциалов и интегралов временных рядов.
После расчета дифференциальных и интегральных показателей, обрабатывают информационный поток по изменениям с каждого из факторов влияния на величину управляющего воздействия. При этом осуществляется масштабирование отдельных изменений по наладочным критериям влияния этих показателей на регулирование процесса.
Полученные сигналы после масштабирования отдельных изменений по наладочным критериям влияния на регулирование процесса оптимизируют относительно задач регулирования по критерию максимальной переработки руды с учетом ее физико-механических свойств и оптимального соотношения жидкой и твердой фаз в пульпе.
При этом осуществляют формирование управляющих сигналов для задания (руды, воды), а также корректируют эти задачи по критерию целевой функции поиска максимума производительности измельчающего агрегата. Это осуществляется с учетом ограничений, связанных с критическими параметрами, обусловленными перегрузкой в контуре мельница-классификатор. Кроме того, учитываются качественные показатели измельчения (плотность разгрузки мельницы, плотность слива классификатора, гранулометрический состав слива классификатора по контрольному классу).
После оптимизации задач регулирования по критерию максимальной переработки руды с учетом ее физико-механических свойств и оптимального соотношения жидкой и твердой фаз формируют управляющие сигналы на соответствующие приводные механизмы, обеспечивающие регламентированную подачу в барабанной мельнице рудной массы и технологической воды.
Объемы подачи руды и воды непосредственно сказываются на нагрузке на приводы основных и вспомогательных механизмов. Это увеличивает вероятность их преждевременного износа и выхода из строя. В связи с этим нагрузка на приводы основных и вспомогательных механизмов постоянно контролируют, предупреждая эксплуатационные перегрузки барабанной мельницы и классификатора, если он включен в технологическую цепочку процесса измельчения руды.
Контроль работы технологического оборудования осуществляют с одновременным сравнением с базовыми данными о допустимой нагрузке на приводы и технологическое оборудование, а также данными об оптимальной нагрузке, при которой достигается максимальная производительность технологического оборудования.
Кроме того, нагрузку на приводы основных и вспомогательных механизмов постоянно контролируют при оценке, применительно к заданному промежутку работы мельницы, расчете показателей определенных дифференциалов и интегралов временных рядов.
Это необходимо для того, чтобы обеспечить реагирование на тревожные сигналы, характеризующие процесс перегрузки в контуре мельница-классификатор и обеспечить быстрое реагирование на разгрузку.
После оптимизации задач регулирования по критерию максимальной переработки руды с учетом ее физико-механических свойств и оптимального соотношения жидкой и твердой фаз, оцифрованные данные в виде выходных сигналов подают в пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (ПИД-регулятор).
С помощью ПИД-регуляторов создают управляющие команды для исполнительных механизмов, осуществляющих загрузки руды в мельницу для измельчения.
Процесс измельчения контролируют датчиком контроля веса руды, подаваемой в мельницу, и формируют управляющие команды, с помощью которых загрузочное оборудование увеличивает или уменьшает объем загрузки руды в мельницу, обеспечивая необходимое качество производства продукции и оптимальную нагрузку на оборудование.
Оптимальную подачу воды также осуществляют с помощью ПИД-регулятора, которым формируют управляющие сигналы на приводные механизмы системы управления подачи воды в барабанную мельницу.
Это обеспечивает подачу воды в оптимальном объеме, достаточном для образования пульпы с заданным соотношением "руда-вода".
Как подачу руды, так и подачу воды в мельницу контролируют соответствующим датчиком количества воды.
Наличие датчика обеспечивает постоянную подачу воды в мельницу с учетом объема загружаемой руды.
Контрольные датчики обеспечивают возможность текущего контроля и корректировки подачи руды и воды в мельницу при изменении физико-механических свойств рудной массы и ее первоначального гранулометрического состава.
При необходимости, в паре с барабанной мельницей могут осуществлять оптимальное управление и классификатора, работающего с мельницей в качестве циркуляционной нагрузки. Для этого подачу воды в классификатор регулируют с помощью соответствующего ПИД-регулятора, которым формируют управляющие сигналы на приводные механизмы системы управления подачи воды в классификатор в оптимальном объеме, достаточном для образования пульпы с заданным соотношением "руда-вода".
Подачу воды в классификатор непрерывно контролируют датчиком количества воды, подаваемой в классификатор. Наличие датчика обеспечивает постоянную подачу воды в классификатор с учетом объема загружаемой руды.
Повышение эффективности измельчения руды в условиях, когда необходимо адаптировать технологический процесс к меняющимся физико-механическим характеристикам сырья, осуществляется за счет того, что ПИД-регулятор приводного механизма загрузочного устройства рудной массы, ПИД-регулятор приводного механизма системы управления подачи воды в барабанную мельницу, выполняют с возможностью формирования оператором управляющих команд подачи руды и воды в барабанную мельницу и возможностью передачи информации по команде оператора о подаче руды и воды в барабанную мельницу для учета при оптимизации задачи регулирования по критерию максимальной переработки руды с учетом ее физико-механических свойств и оптимального соотношения жидкой и твердой фаз в пульпе и с учетом ограничений, связанных с критическими параметрами, обусловленными перегрузками оборудования и качественными показателями измельчения.
При использовании классификатора в качестве циркуляционной нагрузки барабанной мельницы ПИД-регулятор приводного механизма загрузочного устройства рудной массы, ПИД-регулятор приводного механизма системы управления подачи воды в барабанную мельницу, а также ПИД-регулятор приводного механизма регулирования подачи воды в классификатор выполняют с возможностью формирования оператором управляющих команд подачи руды и воды в барабанную мельницу, а также воды в классификатор и возможностью передачи информации по команде оператора относительно подачи руды и воды в барабанную мельницу для учета при оптимизации задачи регулирования по критерию максимальной переработки руды с учетом ее физико-механических свойств и оптимального соотношения жидкой и твердой фаз в пульпе и при учете ограничений, связанных с критическими параметрами, обусловленными перегрузками оборудования и качественными показателями измельчения.
Опытно-промышленные испытания показали высокую эффективность способа управления измельчением руды в барабанной мельнице, обеспечивающего получение высококачественного продукта для дальнейшей переработки на горно-обогатительном предприятии. Мельница используется при оптимальной нагрузке по критерию максимизации переработки руды с учетом ее физико-механических свойств, рациональной нагрузке на узлы и механизмы мельницы, снижению энергоемкости производства, повышению эффективности измельчения рудной массы.