桑錦國 張進強 楊云鵬 陸宇超 張 龍 姚 凱 肖益蓋

（1.山東金軟科技股份有限公司；2.招金礦業(yè)股份有限公司大尹格莊金礦；3.北京智礦磐石數(shù)據(jù)科技有限公司；4.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司）

水力旋流器具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)能力大、操作彈性大、占地面積小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于化工、礦山、環(huán)保、石油等多個行業(yè)［1-11］，幾乎涉及所有分離領(lǐng)域，是一種利用離心力按粒度、密度分選的通用設(shè)備。揭示旋流器的動力學(xué)機理，調(diào)整影響旋流器分離效果的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)［12-14］，才能發(fā)揮其高效、節(jié)能等特性，達到較好的分離效果。

國外早在20 世紀初便開始研究水力旋流器，早期主要研究方向是其設(shè)計優(yōu)化和性能預(yù)測。近年來，隨著計算機等先進技術(shù)的不斷發(fā)展，水力旋流器的運行機理、內(nèi)部流場特性、分級效率逐漸成為國內(nèi)外研究的重點。例如，季安坤等［4］在斜板濃密機處增加水力旋流器，配合浮選工藝，達到充分回收溢流中磷灰石的效果。沈遠海等［15］對選廠一、二段分級進行水力旋流器改造，大大提高了磨礦效率，穩(wěn)定提升了精礦品位。王磊等［16］將水力旋流器運用于工業(yè)蒸發(fā)結(jié)晶工藝中，提高了整套工藝的處理能力和效率。胡自強等［17］采用Fluent數(shù)值模擬軟件，基于雷諾應(yīng)力模型對旋流器處理能力及流場進行仿真模擬，結(jié)果表明，旋流器內(nèi)部空氣柱穩(wěn)定，內(nèi)部壓力梯度連續(xù)性好，軸向及切向速度場數(shù)值與實際相符合。Kyriakidis［18］使用差分進化算法（DE）進行優(yōu)化研究，以找到最佳水力旋流器配置。Rocha 等［19］使用單相下的3D CFD模擬，來評估水力旋流器進料管道橫截面從圓形到方形和矩形的改變，模擬表明，非圓形進料管能提供歐拉數(shù)的微小變化，表明分級效率也有所提高。

本研究將應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計算等新技術(shù)［20-21］，基于數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)分析，提供智慧決策工具，以數(shù)字化為平臺，自動化為手段，提升礦山生產(chǎn)管理水平，實現(xiàn)礦山旋流分級生產(chǎn)質(zhì)量和經(jīng)濟效益的大幅提高。要提高分級系統(tǒng)效率，既要考慮原礦泵池中的礦漿特性，又要對現(xiàn)場工況進行實時測控，以便總結(jié)提煉出用于指導(dǎo)優(yōu)化生產(chǎn)相應(yīng)的特征數(shù)據(jù)進行分析。需要分別對旋流器分級壓力、產(chǎn)品濃度、細度等參數(shù)指標的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析研究，查找影響旋流器分級效率的因素。通過建立旋流器分級數(shù)據(jù)模型［22］，更好地挖掘生產(chǎn)效能，提高分級效率，改善生產(chǎn)指標。

1 現(xiàn)狀和問題

大尹格莊金礦選礦廠已經(jīng)具備相對成熟的基礎(chǔ)自動化控制水平，由于給礦泵池液位波動頻繁，會出現(xiàn)諸如渣漿泵頻率、給礦流量與壓力等參數(shù)時常性波動的情況，影響旋流器的分級效率。

大尹格莊金礦2020 年8—9 月球磨機處理量為216.69 t/h、旋流器分級效率為57%、旋流器溢流-400目和+100 目含量分別為41% 和25%、旋流器沉砂-200目含量為12.5%。

通過分析系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定度較低，在球磨機給礦量基本穩(wěn)定的條件下，24 h給礦壓力變化頻繁，且幅度較大。

2 研究目標和方法

2.1 研究目標

由于現(xiàn)場生產(chǎn)系統(tǒng)工況一直不穩(wěn)定，難以系統(tǒng)性地提升分級效率。通過對磨礦后旋流器分級系統(tǒng)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的分析，進行分級模型研究，為現(xiàn)場調(diào)整設(shè)備參數(shù)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，最終達到優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高物料分級效率，改善生產(chǎn)指標的目的。

2.2 研究方法

（1）研究旋流器給礦濃度、流量、溢流濃度、溢流細度、溢流流量間的關(guān)系。

（2）根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，在旋流器機理模型的指導(dǎo)下，通過歷史數(shù)據(jù)分析，建立分級渣漿泵、旋流器以及分級泵池的仿真模型。

（3）根據(jù)仿真模型，指導(dǎo)實際生產(chǎn)作業(yè)下原礦泵池給水及渣漿泵運行參數(shù)的控制，使整個系統(tǒng)工作在較優(yōu)的狀態(tài)。

3 研究過程

3.1 通過修改控制邏輯穩(wěn)定工況

通過對系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及自動化控制邏輯的系統(tǒng)性分析，發(fā)現(xiàn)的問題：①分級泵池給水閥門保證了自身給泵池供水的穩(wěn)定，但由于濃密機回水、事故泵回水以及一些無法計量的水流入分級泵池，即使生產(chǎn)礦漿穩(wěn)定，分級泵池流入量也不穩(wěn)定。②原有控制邏輯是根據(jù)分級泵池的液位，自動調(diào)節(jié)渣漿泵頻率，由于分級泵池流入量不穩(wěn)定，導(dǎo)致分級泵池液位持續(xù)波動，進而導(dǎo)致渣漿泵頻繁變頻，引起泵池礦漿濃度、給礦流量與給礦壓力的頻繁變化。③分級泵池液位的持續(xù)變化，導(dǎo)致整個系統(tǒng)始終工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，無法保證旋流器的穩(wěn)定運行，給礦壓力與泵池礦漿濃度的持續(xù)變化，不利于旋流器分級工作，進而影響分級效率。

針對上述問題，通過多次試驗，最終設(shè)計了新的控制方案：①在球磨機原礦給礦量不變的情況下，盡量保持渣漿泵頻率的穩(wěn)定，只有在泵池液位上升或者下降到偏離液位設(shè)定值較大時，才通過變頻調(diào)整給礦流量，避免分級泵池液位超出上下限范圍。②通過調(diào)整分級泵池給水閥門開度，控制分級泵池給水量，使得原礦泵池的液位保持相對穩(wěn)定。

在新的控制邏輯下，分級泵池液位會有一定波動，但基本能夠保持分級泵池進出物料的平衡，同時旋流器的給礦流量、給礦壓力也可以基本保持穩(wěn)定，在球磨機穩(wěn)定工作下，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定程度大大提升，促使系統(tǒng)的分級效率保持穩(wěn)定，有利于下一步的尋優(yōu)工作。

經(jīng)過此次控制邏輯修改，2022 年3 月24—27 日旋流器流量99%的時間運行在835～870 m3/h，波動率控制在5%以內(nèi)，給礦壓力99%的時間分布在82～90 MPa，波動率小于10%。

3.2 數(shù)據(jù)采樣

在工況穩(wěn)定的情況下，理論上可通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析，建立數(shù)據(jù)模型，進行尋優(yōu)。但通過對現(xiàn)場流量、濃度、細度測量點位的分析，發(fā)現(xiàn)由于工藝與儀表自身的原因，現(xiàn)場的濃度表、細度儀普遍存在不準確問題，并且變化率也不準確。

為此制定了部分點位數(shù)據(jù)現(xiàn)場取樣分析，再與自動采集的數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)的工作方案。從2021年12月13日開始，按照以下規(guī)則持續(xù)取樣：①取樣覆蓋分級過程的主要工況，為了不干擾工序正常運轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)多采自同時開啟的2 臺球磨機與西組渣漿泵系統(tǒng)。②上、下午各取樣1 次，間隔時間不超過24 h，采樣時系統(tǒng)需處于穩(wěn)定狀態(tài)。③分別獲取旋流器給礦、溢流、沉砂的濃度和細度，但是經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不平衡，改為主要測量溢流、沉砂的濃度與細度，再根據(jù)大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)計算給礦濃度與細度。

3.3 確定優(yōu)化目標

為了尋找優(yōu)化的運行工況，首先需要定義如何評價運行工況的好壞，旋流器分級優(yōu)化的第一重要目標是提升系統(tǒng)分級效率，而業(yè)界評價分級效率時一般常用分級質(zhì)效率與分級量效率指標，計算方法略有差異。

針對大尹格莊金礦磨礦分級系統(tǒng)，通過對測量數(shù)據(jù)進行計算與對比，發(fā)現(xiàn)分級量效率與分級質(zhì)效率的變化趨勢一致，分級量效率的變化中樞為64%，而分級質(zhì)效率的變化中樞為49%。

分級量效率可以較好地體現(xiàn)出系統(tǒng)的分級能力，但還應(yīng)關(guān)注溢流和沉砂細度、溢流濃度及返砂比等指標。溢流細度是重要的產(chǎn)品質(zhì)量指標，必須滿足后續(xù)生產(chǎn)的基本要求；沉砂細度決定了系統(tǒng)的磨礦效率，沉砂細度過大可導(dǎo)致過磨、原礦處理量減少、溢流粒級分布不合理等一系列問題。

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析，可以得到圖1所示的數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系。

由于系統(tǒng)存在總流量平衡、礦石平衡、水平衡、-200 目礦砂量平衡4種平衡關(guān)系。其中：

（1）總流量平衡：

式中，Qiv為給礦流量，m3/h；Qdv為溢流流量，m3/h；Qsv為沉沙流量，m3/h。

（2）礦石平衡：

式中，Civ為給礦體積濃度，%；Cdv為溢流體積濃度，%；Csv為沉沙體積濃度，%。

（3）水平衡：

（4）-200目礦砂平衡：

式中，a為按-200 目計的給礦細度，%；b為按-200 目計的溢流細度，%；c為按-200目計的沉砂細度，%。

所以這些指標并非完全獨立，從中挑選給礦流量、給礦濃度、沉砂細度、溢流細度、溢流濃度與返砂比、分級效率7 個指標進行相關(guān)分析，即可以完整了解整個系統(tǒng)的運行情況。

根據(jù)分析，分級量效率與溢流細度呈正相關(guān)關(guān)系，返砂比與給礦流量呈正相關(guān)關(guān)系，分級量效率與溢流濃度呈負相關(guān)關(guān)系，指標相互關(guān)系見圖2～圖4。

從系統(tǒng)的優(yōu)化目標看，分級量效率越高越好，溢流目標細度也是越接近越好，而溢流細度和分級量效率正相關(guān)，所以可不單獨考慮溢流細度。溢流濃度應(yīng)穩(wěn)定在合理區(qū)間，且偏低一些較好，而溢流濃度和分級量效率負相關(guān)，分級量效率越高，溢流濃度越低，所以也可不將溢流濃度作為優(yōu)化目標，只需考慮溢流濃度穩(wěn)定在合理區(qū)間（一般為33%～39%）即可。同樣返砂比與給礦流量正相關(guān)，但不是明確的系統(tǒng)優(yōu)化目標，只需考慮返砂比穩(wěn)定運行在合理區(qū)間（一般為2.3～3.5）即可。

綜上所述，系統(tǒng)優(yōu)化只需分析給礦流量、給礦濃度、分級量效率以及沉砂細度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并以分級量效率及沉砂細度為后續(xù)主要指標進行優(yōu)化。

3.4 建立渣漿泵給礦流量與泵池礦漿濃度的關(guān)系模型

通過采集的多組數(shù)據(jù)的比對分析，發(fā)現(xiàn)泵池礦漿濃度與分級效率之間存在較為明確反向相關(guān)度，即泵池礦漿濃度越低，分級效率越高。所以，在實際工況環(huán)境下，需要適當降低給礦濃度，為旋流器分級創(chuàng)造更佳的條件［23］。

在穩(wěn)定原礦給礦的條件下，影響泵池礦漿濃度的因素較多，包括泵池的液位（體現(xiàn)泵池出、入礦漿的平衡與否）、沉砂流量與濃度以及渣漿泵流量，其中返砂量與濃度是泵池礦漿濃度影響的最大因素。當渣漿泵流量穩(wěn)定時，即使泵池礦漿濃度波動，溢流與沉砂流量也可以相對穩(wěn)定，從而削弱泵池礦漿濃度變化的影響，提高泵池礦漿濃度的穩(wěn)定性。

然而，由于泵池礦漿濃度依然存在一定的波動，找到泵池礦漿濃度與渣漿泵給礦流量間的數(shù)量關(guān)系并不容易。根據(jù)查閱資料及數(shù)據(jù)分析［24］，通過開發(fā)2個模型，構(gòu)建了一套物料平衡計算方法，在球磨機給礦穩(wěn)定的情況下，建立泵池給礦流量與給礦濃度、沉砂濃度、溢流濃度理論值的計算關(guān)系。

3.4.1 給礦流量與沉砂流量的關(guān)系模型

根據(jù)龐學(xué)詩［25］介紹的方法，發(fā)現(xiàn)給礦壓力與給礦流量的平方成正比關(guān)系，據(jù)此猜想沉砂流量與給礦流量平方存在線性關(guān)系，經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合，得到近似計算公式

3.4.2 給礦水量與溢流水量的關(guān)系模型

根據(jù)文獻［26］，溢流和沉砂的水質(zhì)量流量與給礦漿的水質(zhì)量流量基本成正比關(guān)系，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析擬合，可得近似計算公式

式中，Wof為溢流中的水質(zhì)量流量，m3/h；Wf為給礦礦漿中的水質(zhì)量流量，m3/h。

3.4.3 根據(jù)給礦流量關(guān)聯(lián)分級泵池礦漿濃度

按照上述模型，項目組開發(fā)了計算程序，可得到理想情況下給礦濃度與給礦流量的關(guān)系，根據(jù)實際測量情況，給礦流量過大極易引起跑粗等情況發(fā)生，流量一般應(yīng)控制在不超過950 m3/h。比較實測結(jié)果，在給礦流量為880～950 m3/h情況下擬合結(jié)果較好。

3.5 尋找渣漿泵給礦流量與沉砂細度、溢流細度的關(guān)聯(lián)關(guān)系

沉砂細度同樣是衡量分級效率的一項重要指標［27］。實測發(fā)現(xiàn)，給礦流量與沉砂細度存在明顯的負相關(guān)關(guān)系。流量越小，意味著更多比例的合格粒級返回球磨機，不利于球磨機產(chǎn)量的提升。

由于沉砂細度與給礦細度有明顯關(guān)系，給礦細度又在很大程度上取決于磨礦的控制，在本項目中屬于不受控指標，所以項目組只給出了近似的擬合結(jié)果，旨在建立一個給礦流量與沉砂細度趨勢上的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即

式中，C為沉砂細度（-200 目），%；t為泵池的礦漿細度（-200目），%。

同樣，可得到給礦流量與溢流細度的相關(guān)關(guān)系，即

式中，b為溢流細度（-200目），%。

3.6 通過尋優(yōu)確定合適的渣漿泵給礦流量

優(yōu)化旋流器分級效率其實是一個多目標問題，如果單純提升分級效率，會引起沉砂細度的提高，而降低沉砂細度又會影響分級效率。為此，經(jīng)過分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)（表1），最終確定給礦流量控制在920 m3/h附近時，可在分級效率、沉砂細度之間找到一個較為平衡的狀態(tài)。

3.7 確定合適的渣漿泵頻率

渣漿泵的流量與頻率存在明顯的線性相關(guān)關(guān)系，但當渣漿泵長期運行后，其運行效率會逐步降低，同樣的給定頻率，流量呈逐步下降趨勢，直至對渣漿泵進行大修或者更換。圖5 給出了在頻率為35 Hz時隨累計給礦量增大的渣漿泵流量變化情況。

因此，為了穩(wěn)定渣漿泵的流量，采用線性回歸［28］的方法，不斷對渣漿泵頻率與流量的關(guān)聯(lián)關(guān)系進行擬合，并根據(jù)球磨機開啟狀態(tài)，給出合適的建議頻率，便于現(xiàn)場使用。圖6最底部靠右側(cè)方框內(nèi)為現(xiàn)場操作人員建議的渣漿泵調(diào)控頻率。

4 現(xiàn)場應(yīng)用和調(diào)試

通過對現(xiàn)場測量儀表進行數(shù)據(jù)分析及關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)由于給礦濃度表安裝位置的原因，難以校對，無法正常測定濃度值；溢流濃度通過細度儀讀取，時間間隔長，故障率高，維護成本也高。濃度值的缺失又導(dǎo)致現(xiàn)場返砂比計算不準確，生產(chǎn)數(shù)據(jù)難以給現(xiàn)場技術(shù)人員以有意義的操作指導(dǎo)，因此，將開展選優(yōu)工作。

首先，經(jīng)過大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)以及與渣漿泵給礦頻率變化的對比分析，西組渣漿泵給礦流量表相對準確，可靠性也較高，故將西組渣漿泵給礦流量表定為旋流器分級系統(tǒng)的基準儀表，用以矯正東組渣漿泵給礦流量表與溢流流量表。

校驗思路：根據(jù)溢流流量表與溢流濃度計算溢流礦量，從物料平衡看，一段時間內(nèi)，溢流礦量與球磨機處理量應(yīng)趨于平衡，再通過大數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，確定溢流流量實際數(shù)應(yīng)為測量數(shù)減55 m3/h。同時，雖然旋流器構(gòu)造有所不同，當分別開動?xùn)|組與西組渣漿泵，溢流流量相等時，東組、西組旋流器給礦也應(yīng)大致相等，以此關(guān)聯(lián)東組渣漿泵給礦流量實際數(shù)應(yīng)為測量數(shù)減85 m3/h。以此邏輯為基礎(chǔ)，開發(fā)程序持續(xù)修正流量計數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)修正前后結(jié)果見圖7。

其次，通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)即使渣漿泵給礦流量保持不變，溢流流量也會有所波動。這種波動實際上就是分級泵池濃度的微小變化導(dǎo)致的，這也引發(fā)了一個思路，可以根據(jù)渣漿泵給礦流量以及溢流流 量，推算出分級泵池的礦漿濃度、溢流濃度以及返砂比。

根據(jù)此思路，開發(fā)了回歸模型，用以模擬現(xiàn)場各項濃度分析，并根據(jù)現(xiàn)場錄入數(shù)據(jù)，不斷進行修正，提升現(xiàn)場技術(shù)與管理人員對工況的掌握。

5 實施效果

2022 年2 月，持續(xù)開展測試工作，渣漿泵給礦量保持在920 m3/h附近，測試結(jié)果見表2，目標與完成情況見表3，對應(yīng)的溢流、沉砂粒度見表4。

從表4 可以看出，旋流器溢流-325 目占42.06%、+100目占25.54%，這與立項前數(shù)據(jù)并未發(fā)生明顯變化，粗、細粒級產(chǎn)率較高問題有待對球磨機磨礦作業(yè)進行優(yōu)化。

從經(jīng)濟效益的角度，項目組就立項前后磨礦分級作業(yè)成本進行了分析，僅就分級效率提高導(dǎo)致球磨機處理量提高3 t/h，單位能耗、鋼耗下降年可增加經(jīng)濟效益69萬元。

6 總結(jié)

（1）依托數(shù)據(jù)分析平臺，實現(xiàn)了旋流器分級系統(tǒng)多維度數(shù)據(jù)模型支持下的現(xiàn)場參數(shù)優(yōu)化，建立了旋流器分級系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備和工藝的數(shù)字化映射，能更加真實反映現(xiàn)場工況。

（2）挑選給礦流量、給礦濃度、沉砂細度、溢流細度、溢流濃度、返砂比、分級效率等7個指標進行相關(guān)分析，研究表明，系統(tǒng)優(yōu)化只需分析給礦流量、給礦濃度、分級量效率以及沉砂細度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并以分級量效率及沉砂細度為后續(xù)主要指標進行優(yōu)化?；跀?shù)據(jù)建模的旋流器分級效率優(yōu)化研究與應(yīng)用，不僅是針對磨選工序的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行的基于數(shù)據(jù)建模、優(yōu)化控制、自動尋優(yōu)的創(chuàng)新探索，更是與現(xiàn)場專業(yè)人員、工藝專家、自動化控制工程師、數(shù)據(jù)工程師、系統(tǒng)開發(fā)工程師等多個專業(yè)合作，突破傳統(tǒng)方法，利用新理念、新工具、新方法，解決現(xiàn)場頑固難題的一次有益嘗試。

（3）通過查閱資料及數(shù)據(jù)分析，開發(fā)了2個模型，構(gòu)建了一套物料平衡試算方法，在球磨機給礦穩(wěn)定的情況下，建立了給礦流量與給礦濃度、沉砂濃度、溢流濃度理論值的計算關(guān)系。通過擬合分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)，最終確定給礦流量宜控制在920 m3/h 左右，可在分級效率、沉砂細度找到一個較為平衡的狀態(tài)。大尹格莊金礦大數(shù)據(jù)平臺是智慧礦山建設(shè)的基礎(chǔ)和核心，系統(tǒng)秉承“數(shù)據(jù)資源化”的理念和方法，將散落的生產(chǎn)數(shù)據(jù)與設(shè)備運行參數(shù)同生產(chǎn)計劃、設(shè)備物資使用等信息融合，打破數(shù)據(jù)孤島壁壘，不斷對數(shù)據(jù)進行變形加工，提升數(shù)據(jù)的價值密度，創(chuàng)造并輸出對實際生產(chǎn)有積極意義的數(shù)據(jù)，釋放數(shù)據(jù)價值。

（4）根據(jù)模型模擬，給出現(xiàn)場濃度和返砂比目標，由系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行二次修正，從而提升仿真模型的精確度，能有效運用于工程實際，不僅提高了球磨機的工作效率、節(jié)約了投入，而且為公司的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，建設(shè)智慧礦山打造了數(shù)據(jù)基座。