УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВОМ НА ДРОБИЛЬНО-СОРТИРОВОЧНЫХ И ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ ФАБРИКАХ

Горнодобывающие отрасли промышленности включают в себя кроме производств, занятых разведкой месторождений полезных ископаемых и добычей ископаемого сырья из недр, предприятия первичной обработки этого сырья.

Цель управления первичной переработкой - доведение ис­ходного сырья до кондиции для использования в смежной отрасли промышленности. Совокупность современных процессов первичной обработки минерального сырья обретает все боль­шее значение в цепи процессов горнодобывающего производства. Эта тенденция связана с систематическим снижением содержа­ния полезных компонентов в добываемых рудах цветных и чер­ных металлов, горно-химического сырья, угля и других твердых полезных компонентов.

В настоящее время обогащению подвергают практически все руды цветных металлов, до 90% железных руд, весь коксующий­ся и около половины объема энергетических углей.

Первичная обработка полезного ископаемого разделяется на рудоподготовку и обогащение.

1. Задачи управления процессом рудоподготовки минерального сырья

Задачи управления процессом рудоподготовки определяются его структурой и требованиями к качеству переработки. Ком­плекс операций, из которых состоит процесс рудоподготовки, охватывает все технологические процессы от добычи руды до раскрытия минералов при измельчении в обогатительном пере­деле.

Процесс рудоподготовки в существующем виде, как правило, реализуется на дробильно-сортировочных фабриках, последую­щие процессы подготовки руд - на обогатительных фабриках. В ряде случаев процесс дробления и сортировки ведется непос­редственно на обогатительных фабриках.

На практике рудоподготовка включает дробление, грохоче­ние, бункерование и складирование. Дробление руды представ­ляет собой стабильный процесс сокращения ее крупности от начального до конечного размера, оптимального для последую­щего измельчения или предварительного обогащения (например, в тяжелых суспензиях). В схемах дробления выполняют опера­ции для сокращения размера кусков руды с целью подготовки ее к транспортированию, измельчению и раскрытию для после­дующего разделения.

Требования к дробленому материалу определяются дальней­шим его переделом (способом измельчения), а в случаях, где дробление является окончательной стадией подготовки руды к обогащению, - степенью раскрытия руды и крупностью полу­чаемого концентрата или товарного продукта.

Грохочение - вторая по значению технологическая операция в схемах дробления.

Бункерование (складирование) как элемент схемы дробле­ния, совместно с дозированием предназначено для стабилизации основных процессов. Бункерование и складирование являются элементом схем дробления, объединяющим две функции: накоп­ление и усреднение.

Транспортирование в схемах дробления осуществляется как с помощью конвейеров, так и самотечно.

Если в результате дробления большая часть готового про­дукта оказывается крупнее 5 мм, то измельчение - процесс, весь продукт которого мельче 5 мм. Размер граничного зерна (5мм) принят условно и может колебаться в некоторых преде­лах в зависимости от типа отрабатываемого минерального сырья.

Схемы дробления и измельчения взаимозависимы и выбира­ются с учетом физических свойств и особенностей исходной руды (крепости, трещиноватости, наличия готового по крупности про­дукта, влажности, глинистости).

Усложнение состава перерабатываемого полезного ископае­мого, наблюдаемое в последнее время в связи с вовлечением в эксплуатацию месторождений новых технологических видов, при одновременном стремлении к комплексному освоению недр вы­зывает необходимость перехода от регулирования и стабилиза­ции содержания полезного компонента к комплексной системе управления качеством руды с активным воздействием на все основные параметры качества, влияющие на процесс обогаще­ния.

Качество сырья, поступающего на обогащение, определяет эффективность процесса рудоподготовки и должно удовлетво­рять требованиям по следующим показателям: содержание ос­новных и сопутствующих полезных компонентов, в том числе в определенной минеральной форме; содержание вредных примесей и компонентов, отрицательно влияющих на процесс обога­щения или на качество концентрата; измельчаемость (относи­тельно базовой); крупность вкраплений (относительно базовой, при которой получается концентрат с базовым содержанием основного полезного компонента); содержание крупных и мел­ких классов крупности; физико-механические показатели каче­ства (например, влажность, содержание глинистых примесей и т. п.).

Поскольку рудоподготовка - это комплекс операций, охваты­вающих все технологические процессы от выемки полезного ископаемого до раскрытия минералов при измельчении в обога­тительном переделе, задачи управления можно сформулировать следующим образом: дезинтеграция минерального вещества месторождения на элементарные классификационные единицы, разделение их и перегруппировка, с тем чтобы элементы поро­ды были отделены от полезных элементов до обогащения, а полезное ископаемое разных технологических типов поступило на соответствующие схемы переработки.

При таком определении задач рудоподготовки первый этап управления качество мполезногоископаемого - управление ведением горнотехнолгического процесса в запланированном режиме качества. Применение таких систем управления качеством резко меняет взаимоотношение между горным и обогатительным переделами.

Комплекс задач первого этапа - традиционная операция горного передела и в данной главе подробно не рассматривает­ся. Однако и при наличии усреднения как технологической операции, усреднение в ряде случаев, способствуя стабилизации вещественного состава полезного ископаемого, одновременно резко снижает контрастность его технологических свойств. Для повышения эффективности процесса рудоподготовки на первом этапе следует учитывать комплекс геолого-минералогических параметров, влияющих на обогатимость полезного ископаемого.

Существующий подход к управлению качеством добываемой руды в системе горного передела вытекает из данных табл. 1.

Если управление процессом качества полезного ископаемого на стадии горного передела призвано обеспечивать перечислен­ные выше требования обогатительной фабрики, в основном по первым трем группам, то управление процессами рудоподготов­ки на дробильно-сортировочных фабриках и секциях обогатитель­ных фабрик имеет цель - повысить равномерность питания процесса обогащения при максимальном удовлетворении ее требований по группам 4, 5, 6 и 7.

Рассматривая рудоподготовку как совокупность операций по смешиванию полезного ископаемого на добывающем пред­приятии и фабрике (усреднение), в результате которых умень­шаются и стабилизируются вышеперечисленные показатели качества в сменных и внутрисменных партиях в течение опреде­ленного периода времени, эффективность процесса в целом можно оценить степенью усреднения С. Величину этого показа­теля определяют из отношения средних квадратических откло­нений показателей качества непосредственного и усредненно­го полезного компонента:

(1)

Коэффициенты уменьшения дисперсии k_Д и среднего квад­ратичного отклонения в усредненной руде:

(2)

Дисперсия D и среднее квадратическое отклонение от показа­телей качества определяются по формуле

(3)

(4)

где - соответственно текущее и среднее значения пока­зателя качества; n- число значений показателя в статистичес­кой совокупности.

Требования обогатительных фабрик и усреднение перераба­тываемого сырья определяют объем партий, в которых следует производить усреднение, и величину допустимых колебаний показателей качества в этих партиях.

Допустимые колебания показателей качества руды, которые не оказывают отрицательного влияния на процесс, следующие: относительное отклонение содержания металла от планового уровня для железных руд-

(5-10) %, для руд цветных ме­таллов- ±10%, для металла в той или иной минеральной форме - ±(5-10)%, относительное отклонение от планового уровня крупности, вкрапленности, измельчаемости и других показателей качества - не более ±10%.

Таблица 1

Мероприятия по усреднению качества руды на карьерах железнорудных горно-обогатительных комбинатов

2. Задачи управления качеством продукций на обогатительных фабриках и критерии оценки его эффективности

Обогащение полезных ископаемых как совокупность процес­сов первичной обработки сырья имеет цель - отделение всех полезных минералов (концентрата) от пустой породы.

К основным обогатительным процессам на обогатительных фабриках относятся: гравитационные, магнитные и флотацион­ные. Разнообразие и сложность технологических процессов предъявляют высокие требования к процессу управления произ­водством.

Общая цель управления технологическими процессами обо­гатительной фабрики может быть сформулирована как получе­ние максимального выхода товарного продукта заданного каче­ства, обеспечение полного и комплексного извлечения полезных компонентов и минерального сырья.

Требования к продуктам обогащения сводятся к получению концентратов н хвостов, удовлетворяющих дальнейшему их ис­пользованию. Оно достигается как необходимой степенью рас­крытия руд, так и чистотой продукта по содержанию нерудного материала и хвостов - по содержанию рудного.

Первым критерием оценки работы технологической схемы являются технологические оценки возможности обогатительных процессов по селекции (разделению). Допустимое содержание вскрытого нерудного продукта в концентратах может быть вы­числено на основе постоянных параметров применяемых процессов по формуле

(5)

где и - доля вскрышного нерудного материала, соответ­ственно допустимого в конечном продукте и содержащегося в исходном питании, доли ед.; - операционное извлечение вскрытого нерудного материала в конечный продукт принятым процессом или обогатительным аппаратом, доли ед.; n- число перечистных операций.

Допустимое содержание извлекаемого минерала в хвостах вычисляется по аналогичной формуле

(6)

где - допустимое содержание извлекаемого минерала в хвостах, доли ед.; - содержание извлекаемого минерала в исходной руде; - операционное извлечение рудных мине­ралов в конечный продукт принятым процессом или обогати­тельным аппаратом, доли ед.; n - число стадий обогащения, в которых отвальные хвосты выводятся из процесса.

Второй важный критерий оценки функционирования техно­логической схемы - крупность продуктов обогащения, опреде­ляемая требованиями их дальнейшего передела.

Важным требованием к конечным продуктам обогащения является и степень их усреднения.

Требования к хвостам обогащения определяются в основном возможностью их дальнейшего использования, а также способ­ностью к транспортированию и складированию в хвостохранилищах.

В качестве критерия оценки функционирования отдельных аппаратов в рамках может служить также дисперсия качествен­ных показателей конечных продуктов обогащения:

(7)

где Т - интервал наблюдения; - соответственно текущее и заданное значения качественного показателя конечного про­дукта обогащения.

Так как текущее значение k_t зависит от значения конкретно­го технологического параметра процесса, при прочих равных ус­ловиях дисперсия D_к пропорциональна дисперсии этого пара­метра.

При определении критерия эффективности работы автомати­зированной системы управления комплексом обогатительных аппаратов выходными переменными объекта являются качест­венные показатели товарного концентрата, представляющего со­бой суммарный продукт всех обогатительных аппаратов.

Цель управления комплексом углеобогатительных аппаратов может быть записана в виде:

при (8)

где и - соответственно выход i-гo концентрата и его зольность (выходные переменные k-го обога­тительного аппарата); - максимально допустимая зольность товарного концентрата.

Тогда уравнение цели управления принимает вид:

(9)

при

где k - размерный коэффициент (k=l с/руб); - отпуск­ная цена промпродукта по его зольности руб/кг; -ко­эффициент скидок и надбавок за зольность промпродукта (по прейскуранту = 0,03%^-1); -соответственно теку­щее и максимально допустимое значения зольности промпродук­та, %; G_П.П - производительность обогатительного аппарата по промпродукту, кг/с.

Следует отметить, что выражение (9) непосредственно характеризует экономическую эффективность процесса обогащения. Это стало возможным благодаря тому, что в большинстве случаев экономический экстремум находится в пределах допус­тимых значений зольности промпродукта.

3.Управление процессами рудоподготовки и обогащения. Задачи автоматизации

При определении эффективных способов управления процес­сами рудоподготовки и обогащения необходимо их исследование как объекта управления. Универсальным инструментом для ре­шения этой задачи является математическое моделирование (идентификация) объекта, которое основывается на возможно­сти формализации изучаемого процесса.

Методически возможны следующие приемы составления мо­дели:

аналитические, основанные на глубоком изучении физичес­ких, химических и других свойств объекта;

экспериментальные, в результате которых с известной точ­ностью устанавливается связь между входными и выходными переменными объекта.

Применение первых методов для получения моделей процес­са рудоподготовки и обогащения дали пока ограниченные ре­зультаты, освещающие те или иные частные вопросы.

Вторые методы получили весьма широкое распространение, особенно в последнее десятилетие. При этом в подавляющем большинстве используют хорошо разработанные методы мате­матической статистики. В результате целого ряда исследований получены разнообразные модели основных технологических процессов, связывающие те или иные входные и выходные па­раметры.

При подходе к созданию моделей обозначились два основных пути.

1.Создание моделей, базирующихся на экспериментальных данных и учитывающих только первостепенные факторы, влия­ющие на процесс. Основными методами, используемыми при создании таких моделей, являются либо те же методы матема­тической статистики - регрессионный анализ, эволюционное планирование и др., либо применение различных алгоритмов распознавания ситуаций.

2.Отказ от построения количественной модели собственно технологического процесса и выполнение функций управления либо непосредственно технологическим персоналом, либо специ­ализированной вычислительной машиной, моделирующей пове­дение персонала при управлении процессом.

В зависимости от сложности технологии, производительности, экономичности и т. п. структура управления дробильно-сортировочной и обогатительной фабриками может включать в себя следующие иерархические уровни управления:

управление аппаратами;

управление технологическими процессами (дробление, фло­тация и т.д.);

управление технологическим процессом всей обогатительной фабрики;

управление производством фабрики, включая не только ос­новные технологические процессы рудоподготовки и обогащения, но и вспомогательные погрузочно-разгрузочные, транспортные, водооборотные и другие операции;

управление всей производственно-хозяйственной деятельно­стью фабрики.

Принцип управления по отклонению (принцип обратной связи), применяемые в рудоподготовке и обогащении, заключа­ется в сравнении заданного значения управляемой величины с текущим ее значением. Полученный сигнал рассогласования ис­пользуют для создания управляющего воздействия на объект, при котором это рассогласование независимо от вызвавших его причин не выходит из допустимых пределов. В данном случае отпадает необходимость в точном математическом описании объекта и сводится к минимальному объему информации, необ­ходимой для функционирования системы управления.

Для нижнего уровня (управление аппаратами) основной задачей управления является стабилизация на заданном уровне y_o=const выходной (регулируемой, управляемой, стабилизируе­мой) величины объекта управления y(t) путем изменения вход­ной (регулирующей, управляющей) величины x(t).

При управлении технологическими процессами рудоподготов­ки и обогащения следует учитывать изменение характеристик фракционного состава минерального сырья. Этот состав при ру­доподготовке оценивают функциями двух типов:

-распределение частиц по фракциям;

-содержание ценного (или вредного) компонента в элементарных фракциях, %.

При рудоподготовке (дробление, измельчение, сепарация, обжиг, обработка реагентами и т. д.) характеристики фракцион­ного состава и изменяются. Желательно такое их изменение, при котором диапазон изменения физических свойств частиц увеличивался и ценный концентрат содер­жался в одних фракциях (концентратных) и не содержал­ся в других (хвостовых) . Это дает возможность выделять богатые концентратные фракции в концентрат и бедные хвосто­вые - в хвосты. Для этого требуется, чтобы функция стре­милась к 100% на подобласти концентрата и к нулю на подобласти хвостов . Такая рудоподготовка идеальна.

При дроблении по заданной схеме задачей управления явля­ется обеспечение режимов, максимально приближающих фрак­ционный состав сырья, подаваемого на обогащение, к непосредственному уровню. При этом следует учитывать экономический сдерживающий фактор - затраты на дробление, особенно рас­ходы на электроэнергию.

При управлении технологическими процессами собственно обогащения следует учитывать сепарационную характеристику отдельного аппарата (флотационного, гравитационного и др.) или технологической схемы в целом (содержащей основную, перечистную и контрольную операции). Эта характеристика определяется как отношение масс элементарной фракции в концентрате и исходном питании: где Q_K и Q_исх - полные производительности соответственно по концентрату и исходному питанию.

Управление процессами обогащения должно вестись в комп­лексе с предшествующими ему процессами рудоподготовки и приближать в целом процесс первичной переработки минераль­ного сырья к идеальному. Эффективность целесообразно опреде­лить по экономическому критерию прибыли П:

(10)

где -функция цены 1 т концентрата от содержания ; с - затраты на переработку 1 т сырья, включая горные ра­боты.

Технологической задачей автоматизации процесса рудопод­готовки является обеспечение ее режимов, максимально прибли­жающих фракционный состав сырья к требованиям последую­щего процесса обогащения. При этом приходится учитывать экономический сдерживающий фактор - затраты на рудоподготовку, особенно расходы на электроэнергию при дроблении и измельчении.

Технологической задачей автоматизации процесса обогаще­ния является правильный выбор границы разделения и прибли­жения сепарационной характеристики к идеальной. Здесь эко­номический сдерживающий фактор-это число единиц оборудо­вания на 1 т/ч перерабатываемого сырья.

Одно из важнейших условий, без которого управление про­цессами практически невозможно, - необходимость контроля за ходом процесса, особенно при автоматическом и полуавтома­тическом его регулировании.

Для управления процессами надо знать характеристики ма­териального потока и вспомогательных сред. Существующий традиционный отбор проб и их анализ в лабораториях «мокры­ми» химическими и инструментальными методами имеют низкую точность как при пробоотборе, так и при анализе. При этом непрерывные быстропротекающие процессы требуют также не­прерывных методов анализа. Разрабатываемые в настоящее время методы непрерывного анализа в большинстве основаны на дальнейшем развитии обычных лабораторных методов анализа. В качестве измерительных технических средств используют разнообразные датчики и измерительные приборы, в качестве управляющих - локальные регуляторы, микропроцессоры, централизованные управляющие вычислительные машины УВМ. Типовая измерительная система в общей схеме автоматичес­кого регулирования содержит первичный измерительный преоб­разователь (датчик), вторичный преобразователь, линию пере­дачи сигнала, измерительный прибор со шкалой (первичный по месту измерения, вторичный - в пункте оператора) и, возможно, УВМ с дисплеем.