金矿磨浮选矿过程仿真系统设计与开发.pdf

2 0 1 7 年第2 期有色金属 选矿部分 8 1 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s m1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 7 ．0 2 ．0 1 8 金矿磨浮选矿过程仿真系统设计与开发 宋慧昌，胡笑坤，刘青 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 摘 要磨矿、浮选是金矿选矿过程必不可少的重要环节。本文以国内某金矿选矿厂磨浮选矿工艺为研究对象，采用建 模一求解一模型程序化的方法对金矿磨浮过程进行了较为系统的研究。首先，针对金矿选矿过程涉及的各个过程建立了相 应的数学模型予以定量解析，这些过程模型包括球磨机模型、螺旋分级机分级模型、旋流器分级模型、浮选相关模型等。然 后，基于仿真平台软件E x t e n d S i m 设计并开发了金矿磨浮选矿过程仿真系统，仿真系统的主要功能包括选矿过程单设备仿真、 流程仿真及仿真结果分析。该仿真系统可模拟不同物料、操作参数条件下的金矿磨浮选矿过程，并将选矿过程和仿真结果可 视化。最终，仿真试验证明了该系统的有效性。 关键词金矿；选矿过程；仿真系统；E x t e n d S i m 中图分类号T D 9 2 8 ．9 ；T D 9 2 3 ；3 “ t 3 1 7文献标志码A文章编号1 6 7 1 - 9 4 9 2 2 0 1 7 0 2 - 0 0 8 1 - 0 5 D e s i g na n dD e v e l o p m e n to fS i m u l a t i o nS y s t e mf o rG o l dO r eD r e s s i n gP r o c e s s S O N GH u i c h a n g ，H UX i a o k u n ，L l UQ i n S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fA d v a n c e dM e t a l l u r g y ，U n i v e 瑙i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ， B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t G r i n d i n ga n df l o t a t i o np r o c e s s e sa r et h ei n d i s p e n s a b l ep a n so ft h em i n e r a lp r o c e s s i n g ．B a s e do nt h e b a c k g r o u n do ft h eg o l do r ed r e s s i n gp r o c e s so fad o m e s t i cg o l dt r e a t m e n tp l a n t ，t h em e t h o do fm o d e l i n g s o l v i n g - p r o g r a m m i n gw a sa d o p t e dt os t u d y i n gt h ep r o c e s so fg o l do r ed r e s s i n g ．F i r s t l y ．s e v e r a lm a t h e m a t i c a lm o d e l sw e r e e s t a b l i s h e dt oa n a l y z et h ep r o c e s s e so fg o l do r ed r e s s i n ga n dt h em o d e l si n v o l v e st h ec l a s s i f i c a t i o nm o d e lo fb a l lm i l l g r i n d i n g ，t h ec l a s s i f i c a t i o nm o d e lo fs p i r a lc l a s s i f i e r ，t h ec l a s s i f i c a t i o nm o d e lo fh y d r o c y c l o n ea n dt h ef l o t a t i o nr e l a t e d m o d e l s ．T h e n ，o nt h eb a s i so ft h es i m u l a t i o ns o f t w a r eE x t e n d S i m ，as i m u l a t i o ns y s t e mf o rg o l do r ed r e s s i n gp r o c e s s w a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d ．T h em a i nf u n c t i o n so ft h es y s t e mc o n t a i nt h es i m u l a t i o no fe v e r ye q u i p m e n to fm i n e r a l p r o c e s s i n g ，p r o c e s ss i m u l a t i o na n dt h ea n a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t s ．T h es i m u l a t i o ns y s t e mc a ns i m u l a t et h eg o l do r e g r i n d i n g f l o t a t i o np r o c e s s e su n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n to p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n dc o n t r o lp a r a m e t e r s ，a n dt h e p r o c e s so fg r i n d i n g f l o t a t i o na n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o nc o u l db ev i s u a l i z e d ．F i n a l l y ，s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw e r e c o n d u c t e du s i n gt h es i m u l a t i o ns y s t e m ，a n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h es y s t e m ’Sv a l i d i t y ． K e yw o r d s g o l do r e ；m i n e r a lp r o c e s s ；s i m u l a t i o ns y s t e m ；E x t e n d S i m 我国金矿资源储量巨大，截止2 0 1 5 年底，我国 已查明黄金资源储量1 11 2 3 ．2t ，位居世界第二，但 主要以低品位难处理金矿为主。同时，2 0 1 5 年中国 黄金产量达4 5 0 ．1t ，中国是全球最大黄金生产国。 金矿选冶主要包括选矿和冶炼两个过程，其中，选矿 成本占整个选冶流程成本的8 0 ％以上，而磨矿和浮 选过程为选矿过程的主要耗能工序⋯。同时，我国 现有矿山仍存在一些能耗高、效率低及浪费严重等 问题，因此，从优化工艺、设备、管理等角度人手对提 高选矿综合效率、降低选矿成本仍有很多的工作可 以进行。 金矿选矿包括矿石破碎、筛分、球磨、浮选、压滤 等工序，是复杂的物理化学过程，选矿过程涉及到的 影响因素众多，相互之间影响机理复杂，虽然选矿工 艺领域已经积累了大量的研究成果，但选矿流程的 制定和优化仍需要依靠大量的试验，这不仅会带来 不必要的经济损失、延长工艺改进时间，还存在研究 灵活性不足等缺点，这些对选矿工艺的优化都造成 了很大的难度。近年来，随着计算机在工业领域的 广泛普及，仿真技术也逐渐成为工艺优化研究的重 要方法之一，仿真技术具有投资少、节约资源、安全 可靠等点，不受环境和试验条件的限制，可以最大限 基金项目”十二五”国家科技支撑计划项目 2 0 1 2 B A B 0 8 8 0 4 收稿日期2 0 1 6 - 0 9 - 2 8修回日期2 0 1 7 - 0 1 ．1 9 作者简介宋慧昌 1 9 9 2 一 ，男，山西长治人，硕士研究生，主要从事选矿过程仿真研究。 万方数据 8 2 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第2 期 度的模拟各种试验条件下的试验结果，快速有效的 取得研究结果悼j 。并且，随着现代选矿自动化水平 的迅速提高，数学模型和计算机仿真技术在选矿过 程领域的应用越来越广泛和重要，已经成为了衡量 一个国家选矿现代化水平的重要标志p ⋯。 本文以国内某金矿选矿厂磨浮工艺为研究对 象，对选矿过程进行仿真研究，结合实际生产工艺， 建立了金矿磨浮过程相关的数学模型，然后以仿真 软件E x t e n d S i m 为软件平台，建立了金矿磨浮过程仿 真系统，该系统可模拟不同物料和操作参数条件下 的金矿磨浮选矿过程，研究不同工况对选矿生产指 标的影响情况，进而为优化选矿工艺提供参考依据。 1 金矿磨浮工艺流程 国内某金矿选矿厂磨浮工艺流程如图1 所示， 其流程主要包括球磨、螺旋分级机分级、水力旋流器 分级、多级浮选作业等工序。 该选矿厂磨矿流程为两段闭路磨矿分级流程， 经过破碎的矿石首先进入球磨机进行球磨处理，使 矿石粒度进一步研磨到一定范围，然后先后进入螺 旋分级机和水力旋流器中选别，满足一定粒度要求 的矿石被送去进行浮选作业，不满足的则需进行再 次球磨。浮选流程球磨得到的矿石颗粒经搅拌桶调 浆后再经过一次粗选、两次精选、四次扫选才可得到 金精矿和尾矿。 鸶洳嘲氅 粉矿仓粗磨螺旋分级 图l金矿磨浮工艺流程图 F i g ．1 F l o w s h e e to fg o l do r eg n n d i n g - f l o t a t i o np r o c e s s 2 磨浮过程数学模型 仿真系统的仿真功能基于相关数学模型来实 现，本文根据课题研究对象的金矿磨浮工艺实际情 况建立了多个磨浮过程相关数学模型m 1 ，这些模型 的总体框架如图2 示。 螈矿刊谢H 黼 球磨机 模型 旋流器 模型 矮磊黼H 指覆鋈测型精咖模型厂侣1 { ，7 尾矿 图2 磨浮过程数学模型总体框架 F i g ．2 F r a m e w o r ko fg r i n d i n g - f l o t a t i o n m a t h e m a t i c a lm o d e l s 金矿磨浮过程相关的数学模型包括采用粒级质 量平衡模型 P B M “ 驯建立的球磨机数学模型、根据 质量守恒原理建立的螺旋分级机数学模型、根据阿 提本分离粒度模型 l 刨建立的旋流器数学模型、采用 神经网络算法建立的浮选药剂量预测模型M j 、以及 基于实际生产数据建立的矿量分配模型和生产指标 预测模型等⋯。⋯。 3 仿真系统设计与开发 仿真系统的开发过程主要包括需求分析、系统 设计、系统开发三个步骤。 3 ．1 需求分析 金矿磨浮过程仿真系统是基于数据库的数据库 应用系统 D B A S ，数据库应用系统需求是指用户对 D B A S 在功能、性能、行为、设计约束等方面的期望和 约束，也就是希望D B A S 做什么、做到什么程度等具 体要求。对于一般的软件系统，系统的需求一般被 分成功能和非功能需求。 金矿磨浮选矿过程仿真系统的功能需求由三部 分组成 1 选矿过程单设备仿真。 磨浮过程涉及到很多设备，如多型号球磨机、螺 旋分级机、旋流器、多型号浮选机等，对磨浮过程进 行整体仿真之前需先对各个设备单独建模，模拟矿 石在经过该设备时矿石屙| 生的变化过程。 2 磨浮过程流程仿真。 将磨浮过程中的各个单工序模型按一定的逻辑 结构连接在一起，共同实现磨一浮过程的整体仿真。 3 仿真结果分析。 对仿真结果进行数据整理，并以图或数字形式 显示出来。 万方数据 2 0 1 7 年第2 期宋慧昌等金矿磨浮选矿过程仿真系统设计与开发 8 3 根据选矿仿真系统的特点，该系统应满足以下 几项非功能性需求 1 交互性。丰富友好的人机交互界面； 2 安全性。保证数据存储和传输的安全，及时 进行数据库备份； 3 稳定性。保证整个软硬件系统的长期稳定 运行。 3 ．2系统设计 金矿磨浮选矿过程仿真系统是一个离线仿真系 统，其设计包括系统功能设计、系统设计和系统数据 库与通讯接口设计三部分。其中，系统的总体功能 包括动态模拟、人机交互、数据处理等功能。 人机交互界面包括起始画面、参数设置、运行控 制、流程显示、结果显示等功能，目的主要是直观地 显示磨浮过程中物料和各工艺指标的变化趋势，交 互界面设计如图3 所示。 原矿 矿量 品位 粒度分布 图3 人机界面结构图 F i g ．3 S t r u c t u r eo fu s e ri n t e r f a c e 原矿浆 系统设计包括硬件平台设计和软件设计。系统 的硬件平台由一台计算机、一台服务器和计算机网 络构成，如图4 所示，服务器中存储的是选矿厂的生 产报表数据，金矿磨浮过程仿真程序在计算机上运 行，当进行仿真试验时，仿真程序通过计算机网络读 取数据库中的数据然后进行仿真试验。 数据处理指选矿过程仿真中各类数据的变化过 程及仿真结果的分析，其数据流图如图5 。 仿真系统软件的开发基于商业仿真软件 E x t e n d S i m 实现。仿真系统的软件实现包括三个部 分，分别为人机交互界面、模型程序和通讯接口。仿 真系统首先需要设计一个人机交互界面，通过人机 交互界面实现对仿真参数的调整和仿真过程的控 制。仿真过程实际上是通过人机交互界面控制后台 模型程序的运行来实现的，因而模型程序就决定了 仿真系统能够实现的仿真功能。 计算机网络 服务器 图4 仿真硬件平台 F i g ．4 H a r d w a r ep l a t t b r mo fs i m u l a t i o ns y s t e m 麓I 1 。- 粒纛辫震 鎏i i 矿浆参壹 综 浮选回收塞 r △ 睛矿品位 矿 ￡选药剂量 数圭 昆矿品位 量 廿指甘 分 配 粒度分布 ’阁旋流器鲫侉 簧 模 型 球 甘 螺 矿 篓錾 J I 矿量t 机 模 嚣 机盛婶 型 型 品位 球磨机模型 艏霄仆布 图5 磨浮选矿过程数据流图 F i g ．5 D a t af l o wd i a g r a mo fg r i n d i n g f l o t a t i o np r o c e s s 矿矿浆参数 浮选药剂参数 精矿量 矿矿浆参数 浮选药剂参数 尾矿量 奄。鼹 万方数据 8 4 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第2 期 仿真系统的的通讯接口包括E x t e n s S i m 软件内 部的数据通讯接口和软件与外部数据库之间的数据 通讯接口两种。E x t e n d S i m 软件自带内部数据库，内 部数据库的数据读写速率快，但是容量小，因而主要 用于软件内部数据的传递和存储。软件内部的数据 通讯采用自带模块直接调用或使用全局变量读取数 据的方式实现。软件采用O D B C 接口方式实现与外 部S Q LS e r v e r 数据库数据建立联系，外部数据库用 于长期大量存储选矿过程相关的数据。 3 ．3 系统开发 仿真系统的开发采用以商业仿真软件 E x t e n d S i m 为平台建立仿真模型的方式来实现， E x t e n d S i m 采用交互式建模方式，可利用可视化工具 和可重用的模块快速构建系统模型。 系统开发过程中首先利用仿真平台自带的可重 用模块和根据模型需要编程建立自定义功能模块实 现磨浮过程相关数学模型的程序化。 模型程序化实现后开发人机交互界面， E x t e n d S i m 的可视化工具可以方便的设计交互界面， 界面内容包括起始画面和控制界面两个界面，控制 界面又包含参数设置、控制按钮、工艺流程显示和指 标显示。 系统界面从左向右依次为人机交互控制区、仿 真模型运行区和数据显示区三部分。其中，控制区 主要由系统控制按钮组成，这些按钮可以控制仿真 系统的运行、停止、数据存取和是否显示动画等功 能。仿真模型运行区为仿真系统的核心部分，这部 分区域包含了仿真系统的所有工序仿真数学模型， 打开其中任意一个模块，可以看到该模块的内部结 构，也可根据模型调整需要对模块内部结构进行相 应调整。数据显示区集中显示当前模型实行运行结 果。此外，系统界面右上角设置了时间显示模块，实 时显示当前仿真系统的运行节点。 4 仿真试验 仿真试验模拟不同工况参数下的生产情况，可 以得到一系列生产结果。可靠的仿真研究能快速而 有效的对实际生产过程提供即时优化指导。 4 ．1 试验过程 模拟选矿厂一个班次的生产过程，设置班次矿 石处理量8 0 0t 、时长为8h ，计算步长为1S 、随机选 取选一天选矿厂的平均给矿粒度分布进行仿真试 验。 表1给矿粒度分布组成 T a b l e1S i z ed i s t r i b u t i o no fm i n e r a lp a r t i c l e s 垫鏖[ 竺竺三 旦三 三三三 竺 组成／％2 9 ．叭1 0 ．8 91 9 ．0 5 1 2 ．79 ．0 67 ，2 65 ．4 46 ．5 8 实际生产中，球磨机的转速率为7 4 ％一8 8 ％ 1 7 ．4 8 ～2 0 ．7r ／m i n ，填充率为3 2 ％～5 0 ％，料球 比为0 ．5 ～1 ．2 。根据选矿厂实际生产情况，对仿真 系统初始参数进行设置，如图6 所示。 【r ⋯⋯一一一”- 一豫磨机裢辘一⋯～⋯～⋯⋯⋯～、 耱蘧串 8 4* 攀鬟I 觏 m ； i 氯壤” 辐囊鬯攀|瓣| lj 蒜孝氍舞、越 譬每每麓每 ％j 乎毒囊燕2 I ，蠢臻套霉。 ％j 罐壤襄。 。2 确孽鬻垂潮 ％}i 棒积辜囊4 d a 磨矿过程初始参数设置界Ⅱ f l 、 浮选过程初始参数设置界面 图6 仿真系统初始参数表 F i g ．6 I n i t i a lp a r a m e t e ri n t e r f a c eo fs i m u l a t i o ns y s t e m 4 ．2 试验结果 运行仿真，可得到给定工况条件下的磨浮过程 仿真结果，图7 所示为模拟的班次生产过程中得到 的精矿、尾矿矿量随时间变化增长的过程及部分仿 真试验结果。 将仿真结果与选矿厂实际生产数据进行对比， 误差分析结果如图8 。 仿真系统仿真精度是由数学模型精度决定的， 选矿过程数学模型采用了统计优化的方法建模，模 型具有一定的不稳定性，会随着源数据的变化而波 动，但这也恰好适应了不同选矿厂各自生产情况的 特殊性。 * 一块 ～横 一 嚣 罅 ”一藏～徒 l ；；} 一 誊辨一 ． m m ～ ～璇 一攘 。。 譬瓤 舻够．转 万方数据 2 0 1 7 年第2 期宋慧昌等金矿磨浮选矿过程仿真系统设计与开发 8 5 零 梢 媸 霞 罂 j 鹫 避 拭 胛 理 嚣 匿 图7 仿真结果界面 F i g ．7 R e s u l t si n t e r f a c eo fs i m u l a t i o n 碳 钠 ． 加 ；．。卤⋯．．荔． 囫 鋈 霉紫望善零 虿 黄 。药 ．加 黑 人 药 县 磨浮生产工艺指标 图8仿真结果与实际值误差分析 F i g ．8 E r r o ra n a l y s i sb e t w e e ns i m u l a t i o n r e s u l t sa n da c t u a lv a l u e s 5结论 本文以国内某金矿选矿厂磨浮选矿工艺为研究 对象，对磨浮过程进行工序解析，根据实际工艺情 况，建立了多个金矿磨浮相关数学模型，然后在 E x t e n d S i m 仿真软件的基础上进行二次开发，建立了 金矿浮选过程仿真系统，并对该仿真系统的可靠性 进行了试验验证。试验结果表明，该仿真系统能够 有效地模拟金矿磨浮选矿工艺流程。 参考文献 [ 1 ] 董殊，王宝，彭良振，等．基于多目标规划的金矿选 矿月生产计划优化模型[ C ] ．中国矿业科技文汇 2 0 1 5 ，2 0 1 5 2 1 6 2 2 1 ． [ 2 ] 丁进良，陈小品，柴天佑，等．面向全流程优化的选矿过 程仿真系统研发[ J ] ．控制工程，2 0 1 2 ，1 9 3 3 6 5 3 6 9 ． [ 3 ] 王泽红．选矿数学模型[ M ] ．北京冶金工业出版社， 2 0 1 5 4 - 5 ． [ 4 ] 胡永会．基于F E M 、C F D 、与D E M 动态耦合模型的磁选全 过程仿真浅析[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 1 6 1 6 8 ．7 2 ． [ 5 ] 胡笑坤，宋慧昌，刘青．金矿选矿厂磨矿分级过程仿 真系统研发[ J ] ．黄金科学技术，2 0 1 6 ，2 4 5 9 4 1 0 1 ． [ 6 ] 宋慧昌，胡笑坤，刘青．基于E x t e n d S i m 的金矿浮选过 程仿真研究[ J ] ．黄金科学技术，2 0 1 6 ，2 4 4 1 1 2 1 1 8 ． [ 7 ] A U S T I NLG ，K L I M P E LRR ，L U C K I EPT ．P r o c e s s e n g i n e e r i n go fs i z er e d u c t i o n b a l lm i l l i n g [ M ] ．N e wY o r k S o c i e t yo fM i n i n gE n g i n e e r so ft h eA I M E ，1 9 8 4 6 9 1 3 5 ． [ 8 ] W A N GX i a o l i ，W A N GY a l i n ，Y A N GC h u n h u a ，e t a 1 ． H y b r i dm o d e l i n g o fa ni n d u s t r i a l g r i n d i n g c l a s s i f i c a t i o n p r o c e s s [ J ] ．P o w d e rT e c h n o l o g y ，2 0 1 5 ，2 7 9 7 5 8 5 ． [ 9 ] V E R K O E I J E ND ，P O U W AGA ，M E E S T E R SGMH ，e ta 1 ． P o p u l a t i o nb a l a n c e s f o r p a r t i c u l a t ep r o c e s s e s a v o l u m e a p p r o a c h [ J ] ．C h e m i c a lE n g i n e e r i n gS c i e n c e ，2 0 0 2 5 7 2 2 8 7 - 2 3 0 3 ． [ 1 0 ] 薛来文，谢琼泽，王文田，等．球磨一旋流器数学模型 在磨矿分级自控系统中的应用[ J ] ．矿冶工程，2 0 1 2 ， 3 2 1 5 0 - 5 3 ，6 0 ． [ 1 1 ] 刘青，王彬，袁玮，等．金矿浮选回收率预测模 型[ J ] ．北京科技大学学报，2 0 1 4 ，3 6 1 1 1 1 3 1 2 0 ． [ 1 2 ] 刘青，袁玮，王宝，等．基于G A B P 神经网络的 金精矿品位的预测[ J ] ．东北大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 5 ，3 6 2 2 3 7 2 4 0 ． m 8 6 4 2 o之4巧矗m 万方数据