張 卿 饒明生 張林龍 李鋼強(qiáng) 陸 博 鄒國斌 羅 峰

(1.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 上杭364200；2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，礦冶過程自動控制技術(shù)國家重點實驗室，礦冶過程自動控制技術(shù)北京市重點實驗室，北京100160；3.福建金岳慧創(chuàng)智能科技有限公司，福州350000)

近年來，浮選過程優(yōu)化控制一直是選礦自動化行業(yè)研究的主要熱點。通過智能化升級，使浮選過程能夠連續(xù)、高效、穩(wěn)定的獲得精礦產(chǎn)品是幾代科技工作者追求的目標(biāo)。浮選過程的自動控制由淺到深分為四個層次：基礎(chǔ)儀表層、單回路控制層、先進(jìn)過程控制層和優(yōu)化控制層[1]。目前，國內(nèi)外智能選礦廠建設(shè)主要圍繞著后兩層進(jìn)行不同程度的開發(fā)與應(yīng)用，這里主要分為兩部分研究內(nèi)容。第一是智能傳感，即是通過特殊類型的專用選礦儀表，形成對浮選過程的智能感知；第二是智能決策，通過智能傳感獲得的參數(shù)，實現(xiàn)浮選過程的自動化控制。在有色金屬領(lǐng)域，中、大型銅礦山建設(shè)在這方面走在了前列[2]。

銅資源在世界的分布情況差異性很大，我國銅資源大多品位較低，且難選礦石較多，銅稟賦差。紫金集團(tuán)為迎合國家“走出去”戰(zhàn)略，積極拓展海外市場，布局全球銅資源儲備。位于剛果民主共和國的穆索諾伊公司就是其中重要的支柱型銅礦山，其銅資源具有品位高、儲量大、地表氧化銅和地下硫化銅資源分布不均的特點。因此，相對于國內(nèi)的銅配礦及浮選過程，穆索諾伊的銅浮選生產(chǎn)及指標(biāo)優(yōu)化具有更大的挑戰(zhàn)。

穆索諾伊選礦廠浮選工藝流程用15臺70 m3浮選機(jī)，其中，5臺用于硫化段浮選(3臺粗選、2臺掃選)，10臺用于氧化段浮選，分為一次快浮、一次粗選、三次掃選。另外，硫化銅、氧化銅精選分別在5臺20 m3和13臺10 m3浮選機(jī)中進(jìn)行。

針對硫化銅、氧化銅粗掃選段15臺套的大浮選機(jī)的生產(chǎn)過程為研究對象，通過對浮選機(jī)主要作業(yè)段原精尾實時品位，結(jié)合泡沫顏色、泡沫大小、泡沫流速的多參數(shù)融合，基于高品位的氧化銅、硫化銅混合浮選的工況診斷、泡沫特征研究、品位在線分析技術(shù)，形成一套完整的工況診斷與系統(tǒng)識別框架，并通過設(shè)計智能控制算法，實現(xiàn)浮選藥劑添加與液位充氣量的自動控制，并成功應(yīng)用于浮選生產(chǎn)過程中。本文重點介紹這一研究成果，以期為類似礦物浮選提供借鑒。

1 浮選工況診斷技術(shù)的研究

1.1 泡沫圖像的使用與分析

穆索諾伊選礦廠的礦石原礦采礦點多變，同時具有硫化礦、氧化礦、貧礦與富礦交替產(chǎn)出的問題。此外，旱季與雨季礦石的含水量不同，粉礦與塊礦配比系數(shù)的改變也是影響配礦生產(chǎn)的一大難題。因此，工況識別是關(guān)鍵的先決條件。為此，在銅硫粗掃選70 m3浮選機(jī)系列中設(shè)計了6套泡沫圖像分析儀，主要用于在線成泡質(zhì)量監(jiān)控，同時量化分析各個作業(yè)中目標(biāo)選別礦物的上浮量，定性判斷瞬時工況下來料中硫化銅或氧化銅的含量。泡沫圖像分析儀分別應(yīng)用在1#、4#、7#、8#、9#和14#浮選機(jī)上，通過分析浮選泡沫的顏色、大小組成、流速這三類關(guān)鍵性參數(shù)，來進(jìn)行工況診斷和自動控制[3]。

根據(jù)圖1中泡沫圖像分析儀的配置，1#用于監(jiān)控硫化銅粗選段浮選泡沫狀態(tài)，4#用于監(jiān)測硫化銅掃選泡沫情況。對于硫化銅選別環(huán)節(jié)，當(dāng)藥劑在前置1#攪拌桶充分混合作用時，浮選泡沫會呈現(xiàn)富有光澤的深黑色，且泡沫大小適中，大、中、小泡分布均勻。4#浮選機(jī)的泡沫顏色較淺，黑色金屬光澤較1#浮選機(jī)更少，泡沫一般情況下較1#也更小。7#、8#、9#三槽泡沫為深綠色氧化物附著的顏色，且顏色依次遞減；14#浮選機(jī)泡沫為深棕色，伴有少量黃色的細(xì)小泡沫。

圖1 銅粗選過程泡沫圖像分析儀監(jiān)測節(jié)點示意圖

1.2 基于品位分析技術(shù)的硫化銅產(chǎn)出率在線分析

在線品位分析技術(shù)對于浮選專家系統(tǒng)而言至關(guān)重要。一方面，實時的品位數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)生產(chǎn)過程的藥劑、液位充氣量控制，根據(jù)各個流程的品位情況來調(diào)整作業(yè)精礦富集比，使得操作更加及時有效；另一方面，通過在線的原精尾品位值與瞬時礦量計算流程關(guān)鍵節(jié)點的金屬量，可以有效推算金屬平衡，估算混合浮選中不同化合物的比例及變化情況，進(jìn)一步精細(xì)化生產(chǎn)操作。

穆索諾伊選礦廠硫化銅含量與比例一直是破磨、浮選聯(lián)動協(xié)同生產(chǎn)的關(guān)鍵性技術(shù)參數(shù)，通過在線分析技術(shù)的優(yōu)化，結(jié)合流程的在線數(shù)據(jù)分析，找出一種瞬時硫化銅產(chǎn)率分析方法，有效指導(dǎo)生產(chǎn)過程中的配礦和硫化銅浮選生產(chǎn)。

圖2 t1時刻硫化礦產(chǎn)出率估算流程圖

對于硫化銅生產(chǎn)過程而言，從原礦入選1#攪拌桶到1#～5#浮選機(jī)完成生產(chǎn)作業(yè)，其生產(chǎn)周期大約在20～25 min。因此，在硫化銅粗選生產(chǎn)過程穩(wěn)定的情況下，以25 min為測量周期，測量原礦和硫化銅尾礦具有明顯跟隨效果。進(jìn)而我們得到了t1時刻原礦品位測量值A(chǔ)1，以及以時間為序列的25 min前t0時刻品位值A(chǔ)0，50 min前的品位測量值A(chǔ)-1、A-2、…。根據(jù)原礦含水率w1、硫精礦含水率w2、礦石密度p以及每小時的硫化銅精礦均礦量mc，可以得到原礦金屬量MR和硫化銅尾礦金屬量MT，見式1。

(1)

于是有硫化銅產(chǎn)出率KS，

KS=(MR-MT)/MR

(2)

根據(jù)長期生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，考慮到浮選過程復(fù)雜的物理化學(xué)反映過程，礦物的可浮性不僅與瞬時礦樣的測量值有關(guān)，還與礦物緩慢變化的過程有關(guān)。所以，在硫化銅產(chǎn)出率的結(jié)果處理上，我們還引入了遺忘因子濾波[4]，通過遞歸式的濾波方法，找到一種適合于硫化礦選礦過程中來料波動與緩慢理化反映的關(guān)系式(式3)。

(3)

通過實際生產(chǎn)分析，遺忘因子λ值取值在(0.5，0.7)之間符合工況變化的趨勢，滿足自動控制對系統(tǒng)工況診斷的實際需要。

進(jìn)一步地，通過磨礦處理量、含水率、實時的原礦銅品位數(shù)據(jù)，可以推算出實時的硫化銅金屬產(chǎn)出量，將上述金屬量按照班次累計，即可得到每班硫化銅金屬產(chǎn)出預(yù)測值。結(jié)合班次的袋裝稱重、化驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以得到實際硫化銅金屬產(chǎn)出量與預(yù)測金屬量的對比關(guān)系，其精度滿足生產(chǎn)過程統(tǒng)計需要，如圖3所示。

圖3 班次統(tǒng)計的硫化礦實際金屬量與預(yù)測金屬量對比曲線

1.3 氧化銅泡沫分析與工況診斷技術(shù)

一般情況下，操作工在氧化銅浮選過程主要以觀察泡沫形態(tài)和泡沫顏色為主，并輔助以泡沫消泡精礦析出的方法，觀察浮選泡沫的生產(chǎn)指標(biāo)。根據(jù)上述工作流程啟發(fā)，針對圖1中7#泡沫圖像分析儀的泡沫特性與溢流泡沫品位，結(jié)合其測量變化周期內(nèi)前后各25 min的泡沫圖像特征均值，通過分析1周時間內(nèi)的63組特征數(shù)據(jù)，得到了泡沫顏色-流速和品位工況分類關(guān)系模型，如圖4所示。

圖4 7#泡沫圖像特征與在線品位測量關(guān)系圖

根據(jù)上述工況分析可以得出，品位低中高的輔助決策區(qū)間分別為[21，24.4]、[24.5，27.2]、[27.3，32]，泡沫在線品位值與泡沫顏色正相關(guān)，與泡沫流速負(fù)相關(guān)。由于取樣分析過程是瞬時過程，而泡沫圖像的特征參數(shù)是過程平均值，同時需要將品位數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波，用過渡過程反映整體的品位波動情況[5，6]。

根據(jù)上述品位與圖像特征關(guān)系模型，可以得到一條擬合直線y=33.3x-572.7，當(dāng)流速顏色計算值屬于虛線內(nèi)區(qū)間，即|e|≤7.08時，為中等品位工況；當(dāng)計算值≤-7.09時，為低品位區(qū)間；否則，|e|≥7.08時為高品位區(qū)間。因此，7#泡沫圖像分析儀可以根據(jù)一段時間內(nèi)泡沫的工況情況進(jìn)行區(qū)間性工況分類，用于指導(dǎo)操作工加藥。

按照相同的分析處理方法，對8#、9#泡沫圖像分析儀根據(jù)類似的情況進(jìn)行了數(shù)據(jù)建模及工況分類，通過設(shè)置合理的顏色和泡沫流速區(qū)間，來預(yù)測不同類型的溢流泡沫品位，從而進(jìn)行合理的當(dāng)前作業(yè)品位預(yù)測。

2 浮選優(yōu)化控制技術(shù)

2.1 硫化銅粗掃選優(yōu)化控制技術(shù)

總的來說，硫化銅粗選選別優(yōu)化控制以浮選藥劑控制為主，并根據(jù)泡沫的流動情況適當(dāng)調(diào)整液位充氣量，以便系統(tǒng)能夠以較為恒定的速率產(chǎn)出精礦產(chǎn)品[7]。該作業(yè)段主要以硫化銅精礦期望產(chǎn)率和實際產(chǎn)出率的優(yōu)化控制目標(biāo)來實現(xiàn)[8]。其期望產(chǎn)率是在原礦中硫化銅、氧化銅比例未知的前提下，通過合理調(diào)整藥劑及浮選機(jī)設(shè)定值，使原礦中的硫化銅在該選別段能收盡收，抑制硫化銅尾礦中硫含量。其主要控制變量根據(jù)粗掃選的泡沫顏色值和泡沫大小，來分別對藥劑及液位充氣量進(jìn)行選擇性控制。優(yōu)化系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

圖5 硫化銅藥劑優(yōu)化控制系統(tǒng)控制框圖

對于硫化銅浮選段的優(yōu)化控制與藥劑自動控制，其使用效果與未投用優(yōu)化控制之前的進(jìn)步是十分明顯的。對于一般的操作工巡檢與操作，其決策依據(jù)是巡檢到該浮選槽及作業(yè)時，通過肉眼分析，試湊一個藥劑或充氣量的更改量，這個量值一般都是過量的；然后，經(jīng)過5～10 min的作用時間后，再返回觀察藥劑作用的效果，逐步回調(diào)到自己認(rèn)為比較理想的一個設(shè)定值。顯而易見，這種操作有明顯的缺點：第一，操作工根據(jù)巡檢到作業(yè)段的瞬時工況來調(diào)整操作，缺乏過渡過程的數(shù)據(jù)；第二，超調(diào)引起的不僅僅是藥劑浪費(fèi)、瞬時品位波動過大，更重要的是調(diào)整到穩(wěn)態(tài)的時間變長，勢必導(dǎo)致產(chǎn)品指標(biāo)的波動加大。因此，浮選優(yōu)化系統(tǒng)的檢測與智能決策控制的優(yōu)勢為：

1)多傳感器實時檢測實現(xiàn)了參數(shù)數(shù)字化，較人工分析更為精準(zhǔn)。

2)不間斷測量可以精準(zhǔn)捕獲工況變化的過渡過程，使得控制決策依據(jù)更強(qiáng)。

3)能夠最大程度上彌補(bǔ)操作工巡檢不及時所導(dǎo)致的工況惡化，提前判斷并處理工況波動帶來的系統(tǒng)擾動。

4)降低不同班次不同操作人員帶來的主觀判斷引起的產(chǎn)品質(zhì)量波動，使得生產(chǎn)過程標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2 硫化銅精選串級協(xié)同控制

對于硫化銅精選段控制，主要的技術(shù)難點在于串級槽數(shù)多，浮選機(jī)的吞吐能力及流通能力不足，各槽的液位控制容易相互干擾，形成串級放大現(xiàn)象，破壞流程生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

串級浮選協(xié)同控制方法利用浮選機(jī)吞吐礦漿的慣性作用，將浮選液位的主要干擾因素作為前饋輸入給控制器，后一級的控制器針對干擾因素的變化提前做出響應(yīng)，有效提高單個液位回路的調(diào)節(jié)能力。將前一作業(yè)閥門開度的調(diào)整量作為當(dāng)前作業(yè)控制器的前饋輸入，能夠較好地實現(xiàn)串級浮選各子工序整體的液位穩(wěn)定，將工序內(nèi)的多個作業(yè)串聯(lián)成一個單元，提高整體的協(xié)同控制能力。硫化銅精選協(xié)同控制示意圖如圖6所示。

圖6 硫化銅精選協(xié)同控制示意圖

在完成上述協(xié)同控制策略的穩(wěn)定控制之后，采用以硫精礦在線品位實時值為優(yōu)化設(shè)定目標(biāo)的控制決策[9]。主要以在線品位測量數(shù)據(jù)為優(yōu)化期望，通過設(shè)定品位設(shè)定值來調(diào)整液位的設(shè)定值，實現(xiàn)以恒精礦品位為控制目標(biāo)的硫精礦系統(tǒng)優(yōu)化控制，使硫化銅精礦產(chǎn)品達(dá)標(biāo)。優(yōu)化系統(tǒng)投用前后硫精礦品位分析儀實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)見圖7。

圖7 優(yōu)化系統(tǒng)投用前后硫精礦品位分析儀實測統(tǒng)計

3 結(jié)論

1)通過在線品位分析儀分析在線銅品位數(shù)據(jù)與過程質(zhì)量平衡進(jìn)行硫化物金屬量預(yù)測，推算出產(chǎn)品中硫化銅選別產(chǎn)出率，再結(jié)合硫化銅泡沫圖像的顏色，供優(yōu)化系統(tǒng)進(jìn)行硫化銅作業(yè)工況預(yù)測。其預(yù)測結(jié)果可作為優(yōu)化系統(tǒng)關(guān)鍵的輸入?yún)?shù)，用于判斷高硫和低硫狀態(tài)，進(jìn)行不同類型的參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整。

2)根據(jù)氧化銅段泡沫流速、泡沫大小與泡沫品位之間的關(guān)系，結(jié)合實際結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，所建模型可以有效預(yù)測氧化銅段泡沫銅品位的大致區(qū)間，為氧化銅浮選優(yōu)化控制決策提供重要的傳感信息。

3)分別根據(jù)泡沫顏色、大小特性，設(shè)計了一套浮選藥劑自動控制系統(tǒng)，并根據(jù)浮選作業(yè)特點，將串級級聯(lián)前饋控制應(yīng)用于精礦浮選流程之中。該系統(tǒng)在穆索諾伊公司投用之后，浮選總回收率提高了1%；硫化銅精礦品位波動方差從投用前的11.3降低到了9.5，降幅達(dá)到了18.9%。系統(tǒng)投用半年以來，使用運(yùn)轉(zhuǎn)情況良好，控制的準(zhǔn)確性與魯棒性滿足連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)的需要。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)改變了各級操作管理人員的操作管理習(xí)慣，對于提升復(fù)雜混合型銅礦的浮選指標(biāo)起到了顯著的作用，為解決海外高品位混合型銅礦無人化、少人化、快浮快收需求和建設(shè)智能選廠奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。