浮选操作的控制系统.pdf

蠢 6 一盘 {。 滔 乃 劫 辑 j 舫戳 浮选操作的控制系统 1 弓 J o hn A． He r b s t St e v e n R． Ho l s i ng e r W i l l i a m T． Pat e 浮选厂需有 自动控制 ，因为要在浮选 给矿经常或偶尔波动的情况下使选矿厂性 能最佳化 ．固体给矿量 、 矿浆浓度 、 有用 矿物及脉石矿物性质与可浮性经常变化 ． 在采用 自磨和半 自磨机的选矿厂 中 ，给矿 量变化很大 ，常达正常量的1 0 ％或更多 ． 有用矿物之间的矿韧性质变化 与同在基岩 中的变化一样是常见情况 ．当这些变化出 现 在常 规 的搅 抖 浮选 机 圊路 或 浮选 柱 回路 中时 ，操作 者可 以调 节 浮选槽 的液位 、捕 收荆和起泡荆用量 ， p H值 ， 有时调节浮选 槽充气 量 及 冲洗 水量来 给予 补偿 ，但 这个 闻题有 时 很复 杂 ，浮选 厂 不得 不用不 同的 浮选系列 同时处理 不 同类 型的矿石 ． 1 浮选控 制的优 点 浮选控制有两个优点 1 提高选矿指 标 ． 2 节省药剂 ．翦者包括提高选矿厂的 平均回收率及精矿 品位 ．据报道 ． 回收率 平均增加 l _ 0 ～5 ． 0 ，药剂节省有的达 到1 4 ． 2 自动控制 、 人工控 制 及波动变量 浮选控{ 6 j 问题分析的第一步是确定那 些能够影响分离效率的重要变量 ．分离效 率由一组能使浮选回路性髓 量化的变量表 示 。这组 变量 包括 品位 、回收率 、处理 量 ， 循环负荷等 ． 详见表1． 为了得到所需回路性能而改变的某组 变量称 为操 作 变量 ．这组 变 量分 两类 ，即 3 8 松 表l 浮选过程的重要变量 蝴i 蛆瑚- 一 表 1 中的化学 变量 和物理 变量 ．化 学变量 包 括药荆添加量 捕收剂 、 抑制剂 、 活化剂 ， 起泡剂 、 p H、 药荆添加点及 电化 学电位 E h ；物理变量则为充气量 、搅拌强度 矿浆液位 、 调浆时间 、给矿量及矿流转换 等 ． 浮选 过 程受多种 波动 因素 影 响 ，导 致 分选效果变化 ． 一般说来 ， 在 线测定这些 波动 因素是 非 常 因难 的 ．或是 不可能 的 ． 浮选 回路中的大音 分波动是矿石 和矿浆性 质的变化 ． 或磨矿回路不稳定 ． 或浮选回 路本身不稳定引起的 ．矿物浮选 回路中的 重要变量见表 1． 图l 示 出了浮选作业 的控 制问题 ．可浮 性无规则波动 上图 使品位～ 回收曲线 下 图 随着所用控制方式移动 ．点2 处的可 浮 性低于点1 处的可浮性 ．当控制系统始终处 于最佳状态时 ． 产品品位保持在最小可接 受水平上 ． 但是设有控制系统 ，品位可髓 高 于晟 小值 ．处于点1 位置上 ，或者低 于最 -．4 0 w ． 有色矿山 1 9 9 3 ． 4 u ． ～ 农 维普资讯 小值 ，处于 点2 位置 上 ．最佳 化控制系统的 品位 回收率 曲线将是最合适 的曲线 ． 回收率最大 ．所有的其它控制方式只能得 到较低的位于左边的回收率 曲线 。 在操作物理变量 中 ． 使用矿流转换器 控制有 两个 主要 作用 1 改变 产 生精 矿的 浮选槽 数 ， 使粗 选或扫选精矿品位保持不 变 ； 2 启动 转换 器 ，改变循 环 物料 量 ，控 制进入精选 回路的矿量 。 时问 ～ J t 、 。 旨 格 ＼＼ 严 品 品 位 ＼ 控一＼ 控 一 目t事 圈1 控儡与不控制响应同 可浮性波动的关系 泡诛喷淋作为控制变量已在煤浮选系 统应用 ．冲洗水系统常用于各种矿物的浮 选柱选别中 ． 对 泡沫喷水可以增加泡辣 中 水 的回流 量 ，除去 泡沫 中机 械夹杂 的 亲水 颗粒 ， 其作用类似控制泡辣层厚度 。 在浮选系统中 ． 有人建议在浮选前按 粒度 进行 矿 物分 离 ，这种 方 法 改善 了煤 的 浮选性能 ，并使药剂舔加更易控制 ． 这是 因为粗粒矿物的水力动力学特性及扰动要 求不 同于细粒矿物 ． 浮选的适宜物理环境 和化学条件 必须根 据矿物 主要粒度 来选 择 ． 硫化矿浮选中用 电化学电位来控制浮 选的一些技术已有介绍 ．选择适 当的电化 学条件和p H ， 会使硫化矿物产生理想的可 浮性 ．但是 ，由于在矿物表面上产生的已 知 和未 知的物理 化学过 程 ．并 非所有 理想 的处理方法都会获得最好结果 ．电化学条 件对 于控制 不同硫化 物 的选择 性是 引 人注 目的 。 北美 的铁矿石 选 矿厂 只采用 阳离子 硅 浮 选 。一般地说 ．磁性 铁隧 岩精矿 的 阳离 子硅 浮选包 括从全粒 级 磁性颗 粒 中浮选 出 包 裹在脉石 粒子 中的粗 粒 级 。与浮选 这种 精矿有关 的问题是 ，细 的磁性 颗粒 因被夹 带 ．可能有 着与粗 粒硅相 同的浮选 速率 。 加胺 之前 使 浮选 给料 脱泥可 以减少 铁的损 失 ，对这 种分 选 进行适 当控 翩具有 关键作 用 ． 过程变量 的矩 阵连接 不 同矿石 中的 同种 矿 物对操 作 变量变 化 的感应是一致 的 ．然 而 ．浮选 过程 中有 许多 能够控 制的变量 和操 作 的变量 。最理 想 的是 ．一个 给定的 操作 变量 只影 响它 自 己的控制变量 ．遗 憾地是 ．在浮选 中 ．一 个操作变量 的变化踪影响它本身的控制变 量外 ，还影响过程中的其它控制变量 。由 于浮选控制是一个多变量问题 ，因此 ，首 先了解操作变量与控制变量之间的关系是 非常重要的 ．将控制变量和操作变量结合 起来可麓更好 ．解决这个问题的第一步 ． 是确定 浮选过程 中静卷单个输入 ／ 单个输 出 的关系 ．表2 所示的过程矩阵形式表明了搅 拌浮选槽中操作变量的变化是如何影响三 个 主要控 制变 量的 ．浮选柱 的过程 矩 阵见 表3． 在表中的 ． O 或 一是指操作变量增 加引起的控制变量变化方向 ． 丽F 快 、 S 慢 则表示响应的速度 。 这个过程矩阵表 明 所有 变 量 之 问 的 相 互 作用 是 不 可 避 免 的 ．也就 是说 ．不可 能只 改变一 个操作变 量并且使它只影响一个控制变量 ． 辛诗操作均拄髓幕竞一 J o h n A H盯b 邑 t 一 4 l 维普资讯 表2 搅拌浮选麓的过程矩阵 3 仪 表 浮 选控 审 I 系统要求有一组关 键 的可测 变 量 ，来 提供 与浮选分宵过程性 能一致和 已知的关系 ．浮选控{ l l 用得最广 泛的测 量 变量是 用X射线 萤光 、 x射线衍射和 中子 话 化 进行载 流分 析 ．将 这种载 流分析设备 同 适 当的取样工艺 、 正确的控青 j 策略以及必 要 的控制 设备组合 起来 ，就能为经 济和成 功的浮选控制系统奠定基硇 ． 现代的X射线萤光和衍射分析仪 ．已 经从控制室进人选矿厂 ． 分析仪本身已达 到工 业应 用的强 度 ． 适 于安装 在矿流 附近 或取样区域 内 。有些X 射线装置已发展到 由专用计算机来完成计算和统计功能 ． 选 些计算机放在控青 j 室中 ． 通过通信电缆与 觋蓊装置相联 。 X射线髯为常规的X射线 管 ， 或者放射 同位素 ．分析矿物古量的范 围为1 ～1 o o ％ ，分析矿浆中的元素古量 范 围是0 ． 1 ～ 1 0 0 ．这些装置 的精 度 随 样品参数如矿物成份及粒废而变化 ．测定 低古量的精度范围通常为5 ～l 0 ． 测定 高古量弼为2 ～5 ％ ． 一台x 射线装置既 可提供金属古量 ， 也能嗣室所选类型矿物 数 量 ．对一定类蛩矿钧帕嗣定和量化 能 力 ， 非常有利于控青 j 最终精矿中的杂质元 素如磷 、 硅等 ． NO L A中子活化装置可确定铁精矿 中 硅 的含 量 ，已经 在 几十盏矿 厂 中成 功 使 用 ．矿 样古 硅 百 分 比要末相 当精 确 的测 定 ．但其精度取决于代表性矿样 的可靠程 度 ．选种中子话化装置及其辅助设备放于 一 个单独的地点 ， 将样品进到该装置去 ． 表3 浮选柱的过程矩阵 所选控 制设 备 的类 型 ，取决 于 取样矿 流的金 属或 矿物 古量 、达 到 可靠控 制所需 的矿样精度 以及要分 析的矿 流数量 ． 除X射线分析 外 ， p H探头 、核密度 计 、电磁 和超声 波 流量 计及 浮选液 位 装置 也 常用于监 测和控青 j 浮选过 程 。 p H探 头用 来 稳定 浮选槽 内的化学 环境 ．当测得 偏离 目标值时 ． 则改变药剂的添加量来纠正偏 差 ．这种 控青 j 圃路很 普遍 ，其 成功 与否 既 取决于探头本身的 良好维护 ．也取决 于对 p H系统非线性性能 的 了解 ． 目前有几种基本类型 的稃选槽藏 位测 量装置在使用 中 ． 普通浮选槽最常用的是 背压气 泡臂 系统 及位 于矿 浆一 泡株 界 面的 浮子装 置 ．为 了测 量 和使 矿浆藏 位稳 定在 控制液位上 ，浮选柱 中采用了延伸测量装 置 ． 最常见的选种装置是探铡直接与矿浆 藏位变化有关的导电率或电阻率 ． 背压气 泡管是通过迫使侵人浮选槽矿浆中的管子 底部的空气 拽 出所需的压力信号进行工作 的 。这种方法不能提供绝对藏位测量值 ． 除非矿浆密度的偏离也进行计算或使用多 个传感器 。 延伸范围矿浆液位铡量系统特 别适 用于 浮选 柱 ，它 用 多点 电阻率或 导电 率 探 头 嗣 量 矿 浆 深 度 ，选 种 直 接 测 量 装 一 4 2 一 有色矿山 l 帕3 ． 4 维普资讯 置 ，在垒范 围 内的 测量 精 度 非常 高 ．且维 护要求较低 ． 4常规控 制系统 4 ． 1 理 论 操作和控制 变量在 多方面互相影响 ， 因此 浮选 厂 的控 制是 复 杂 的 。在 矿物工 业 中 ， 近年来 自动控制已用得越来越多 ， 这 主要是在选矿厂操作上采用了可靠和精确 的仪表 ，为操作者 提供 了更 多的生 产信 息 ．由采用传统的控制理论到现代的控制 理论 ，使采用这种仪表的控制策珞发生了 质 的变 化 。 由于浮选 过程 的非 线性 性 质 ，及在 控 制 回路 存 在的不 可 避免 的相 互 作用 。因此 传统的控制理论基本上限用于单个信号输 人／ 单个信号输出系统 。现代控制理论又称 状态 ／ 空问控制方 式 ，用灵 活 的多变 量控制 技术取代 了传统的单个信号输人／ 单个信号 输 出控 制方 式 ．在多 变 量控制方 法 中 ，根 据多个控制变量 的测定值 ， 可以同时操作 一 个 或多个 变量 。状态 ／ 空间控制方式还为 选择控制 、 最佳控制 以及从控制测量中滤 除噪音剖造了条件 ． 一 个控制系统的组成 ， 可 采用下列两 控制模型中的一个或全部 反馈控制回路 和前馈 控制 回路 。 反馈 控制回路包括 次变量配对获取 理想的响应速度 ， 按 比例积分 I F 原理求 出操作变量值mi 以使控制变量C j 到达设定 值c j B p n m． 毫m． 。 k p 。 ， cJ c f c 一 C ， d t ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 前馈 控 制 回路包 括 测定 影响过 程 的主 要变量 ，并在波动之前调整操作变量 ．波 动一旦产生 ， 补偿作用立即开始 ， 将其消 除在影响控制变量之前 。但是 ，由于变量 的相互作用复杂 ，以及过程测量和计算精 度的问题 ， 前馈控制 的成功 是有 限的 ． 浮选 厂近年来 开发 了兰种不 同层 次的 控制系统 ，按照复杂程度 、硬件要求及性 能依次为 1 稳定控制 ， 2 监督控制 3 最 佳 控制 。 4 ． 2 稳定控制 稳 定 控 制 系 统 主 要 是 控 制 浮 选 槽 液 位 、p F I 值 、药 剂 添加 量及 必 要 时 的充 气 量 。最 常用的过程测 量值是 1 新给矿 量 2 浮选 给矿品位 ； 3 浮选 给矿 性质 包 括p H 电化学 电位 、浓 度．前 馈 和反 馈 技术都可 用 于稳定 化控 制系 统 ．根 据与品 位 、矿量或其它给矿性质的测量值的线性 比饲关系 ， 药剂添加量经常采用前馈控制 方案 ．反馈控制主要用于必须恒定在某个 设定 值的变 量 ，如矿 浆液位 、泡沫液位 、 充气量和p H值 ．一般说来 ，任何布置形式 的 浮选 系统都有稳 定 控制 回路 ，将 控制变 量自动保持在设定值上 ．因而 ， 稳定控制 是浮选厂走向自动化的第一步 ． 4 3 监督控制 监督控制系统指稳定控制回路能 自动 调 节设定值 ，使 所有 控制 回路 同时动作 以 达到浮选回路性能最佳化 ．这些设定值的 调节都是根据将测得的浮选过程的效率同 某些性能指标 或控 制 目标作 比较 后进行 的 ． 实际生产中 ， 每个厂有不同的控制目 标 ．在某些 情况下 ，目标可 能是使 有用矿 物 的回收率达到最大值 ， 而品位维持在最 低值之上 ． 其它控制 目标通常是使品位最 高 ，处理能力最丈 ， 或 药 费用最低等 等 。 按照培训 过 的操作工 拟{ 智 5 的指令 表管 理浮选厂的计算机监督系统 ， 称为探索式 浮氇鼻柞的撞奠系统一 d o t m A ’ He r b m t 4 3 ． 维普资讯 专家控制系统 ．这类 控制系统根据来 自浮 选作业的离线分析信息确定稳定回路的设 定点 ． 4 ． 4 最佳化控制 最 佳 亿控 制系 统 采用 动态最 佳亿技 术 ，按照品位一 回收率曲线将浮选条件控 制在经济上能接受的范 围内 。浮选过程在 选厂稳定或不稳定期间进行的最佳条件 ， 可 阱应 用动 力 学模型 确定 ，如 果投有 动力 学模 班可 用 ，则 用载 线最佳 亿技 术 ．如渐 进 操 作 技 术 e v0 l u t i o na r y o pe r a t i o n t e c h n i q u e 。 总之 ， 最佳化控制是要根据经济 因索 确 定控 制变 量 的设 定 点 ，而 监督控 制则 在 操作点 管理 生产 过程 ． 4 ． 5 实践 浮选网路的计算机 控制已在全世界许 多选矿厂应用并取得了一定的成功 ， 表4 给 出的一些例子表明 了此类控制系统的复杂 程度及常用的控制类型 。 5 方案研究一模型基础 上的最佳化控制 遗憾的是 ， 来携【 于传统控制理论的常 规 控制方 法 ，用于 控 制浮 选 厂有一些 重大 的局限性 。 单个输人／ 单个输出控制回路的 联通 ． 会在各控制器之间产生很不 良的相 互反应 ， 且浮选过程的非线性性质更使其 加重 。这 些不 可避 免 的相 互反 应可 以用一 种 浮选 控 制方 式来 说 明 。在 该方式 中 ，品 位受操作 变量 如空 气量 、药荆舔加量控 制 ，甄收卒她受矿浆液位 、起泡嗣器加量 等控制 ．在这些情况下 ， 调节空气量或药 剂褥加量等 ， 不仅影响品位 ，也影 响回收 卒 。同样 ， 调节矿浆液位或起泡剂用量也 影响品位和强收率 ．在这样的条件下 ． 如 果品位低于设定 值 ，品位控制 回路就会调 整 品位 ，但 同时也使 回收卒得到 ～些 补 偿 。在 某些 场合 下 ．这 类 相互影 响髓 引起 震荡 甚至 不稳 定 。实践 中 ，使～ 个 或几 个 控 茜 j 圈 路 失 谐 就 会 导 致 控 制 响 应 全 面变 坏 ，与 在流程 波动 时作 出快速 响应 的控 制 目标 发 生矛 盾 ．如 果相 互反 应很严 重 ．则 可采用去耦网络在多变量系统中达 到相互 影响少 的反馈 控制 。 基本上说来 ， 传 统的反馈控制方案认 为矫 正所需 操作 变量 的变化 方向是 已知 的 ，控制器设定的增益适用于所有环境 。 不难认识到 浮选流程 中 ． ． 在所有操作条 件下 ，根本就不存在 能够产生 良好控制的 唯一一 组常数 。 除 了上 述传 统控 制 方式 的局 限性外 还有 一些 因素如噪声 信号 、高 频无效信 息 、设备磨损造成的回路动力学性 能使问 题进一步严重 其它的极重要 因索是矿石 类型 、解离特性 、氧化 卒及 比重等 的变 化 ，使过 程产生不 可测 定的波动 。事 实 上 ，锕浮选回路绪料的离线可浮性波动测 定表明 ，在流程的总浮选时间超过l h 的情 况下 ． 有5 ～I O mi n 的时间常数 。 大部分现 今的控制 系统不能适应这样的波动 ， 而且 最终精 矿 和尾 矿分 析太 晚 ，不髓采 取有效 的控镪行 动 。因而 ，此种系统的性能不是 最佳 。 解决此控制问题 ， 耍建立一个包含过 程 中丢失的信息模型 。将载线模型并人控 制回路 ， 能够得到与波动有关的很好的信 息响应 ， 使浮选性能达弼最佳控制 ． 在概念上 ．一个以适当模型为基础的 控制系统的设计 是根简单的 ．通常做法是 将特殊参数预测技术与任一控制定律结舍 起来 ， 用这种方法可 以设想出一个宽的算 法范围 ． 据此来选择参 数预测方式及采用 何种控制 ．当然 ， 耍集中郦些已经证实具 有收敛且稳定的控制方式 。 一4 4 一 有色矿山一1 9 9 3 e I 维普资讯 浮黄暴作 韵控 魁幕筑 一J o h n A ’ He r b 6 t 一 4 5 一 0 0H ． 日 ∞ ∞ ；， ∞ 卜 0H ． 。 一 ∞ 日 r I ∞ 曩H ． 0￡ 三 甚 一 零 H ． 0 0 曩 ． ￡ ∞ ∞ 霉 H ． * }} 日 ∞ 署 ． H 砷是 H ． 。 一 。 曩 譬 H ． ，盖 一 ； ∞ 宝 H ． g 目 兽 曩 ． 奇 套 0H ． g I 1 目 ∞ }曩 H ． 暑q 罩 ， 置 曩 ．，H 一 盂∞ 曲 皋I l 暑 8岛 lu 0 I 宅＼ 磊 嚣 基 ＼ 磊 晕掣 墨 ＼ 器 晕 謇 ＼ 蘑 取 錾 ＼ I j } 晕 辞 g ＼ 嚣埘鼻 錾 ＼ 蔫 鼻 誊 ＼ 菩 錾 ＼ 谆辑 鼻暂 基 ＼ 暮 ■ 錾 ＼ I 串 鼻妊 錾 ＼ 器辊 辞 錾暑＼ I 宰 艇辟 摹名＼ 暮 辞 摹名＼ 再 礴 器世＼ 器 辟 錾茬＼ 耳糍 辞 拿 唔 器丑一葛箍 龃 5 } } 靼湛 ． 掣暗 越 霉 ． 犁 曙 单 唔 辑 K． 掣 蜡 哥 叵＼ 荜喀 哥 匣 掣 曙 ． 哥 匾 善 叵 窜吨 ． *善氧 摹 唔 q唱， 晕 耀 ． A 暮糯 幂掘 釜媒k ． 幂 t雌I l } 糯 暮辩 ， 趣 瞽 晕 蟮 ． z 糟襞 ， 蛔量 幕 餐 ， 簟矿薛 裱 姑 ． 嘲曩瞄蕞马 差 幕翟骝 ． 嚣荽霉 卓 崔 k 亘礴幂嚣 ． 晕崔 1 盎 幕 差 靼 暮蟮屠 ● 暮鞋幂糯 掣照样 蕞 霉 靼景 膳蕞鼎骝 ● 曩牡暮菩霉 上 d ‘ c 0 啦 ∞ 一 Z． ， 0 世 _ 罡． ； K． ， H． q d ， ， K． ； I s ∞ ． H． 上 ；0 z ． v． d． ， 口 一Z ●， ， m i 0 ． K． ， 00 宕 H z ‘ ∞ 0 器 H ． d． ， 口 霜 糟 j ． H 晴 曩 磊 匦 橡 圳 茸 *景 匝 *曩 蒜辞 *最 K 料 曩 匹础 舢羞 *皿 *置 *曩 } u 苗 一 盂 j 0 一 ∞ 目 h 三 ∞ 0 ∞ }0 Z ● 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问题 ． 先 进的模 型控 制撅念 很有 吸 引力 ．可 把 目前 的浮选原理 与载线预测器功能结合 起来 ， 成为工业生产中有价值 的工具 ， 这 种控制采用在流程早期得到的信息 ． 使贯 穿全 厂的控制行动适应给矿波动 并且使 所需仪表最少 ．因而装备控制系统所需的 投资也最 少 ． 扬 松 荣 摘 译 自SKI LLI NGS M I NI N G REVI BW， M a r c h 21 ， 1 9 9 2 刘文拯校 责任编辑李怀先 一 4 6 一 有色矿山 1 e 8 ． 4 维普资讯