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东北大学硕士学位论文 本钢南芬矿球磨机物料的研究 摘要 磨矿作业是选矿厂最重要的环节之一，磨矿作业的优劣直接影响着整个选矿 厂的经济技术指标。球磨机合理的内部工作参数是取得最佳磨矿效果的必要条件。 由于磨矿过程是一个复杂的过程，是一个多变量输入输出系统，生产过程缓慢， 滞后时间长，同时具有非线性以及干扰因素多而严重等特点，所以，长期以来磨 矿作业过程控制一直存在着难以用精确的数学模型表达磨矿作业过程的建模问 题，因此，磨矿过程也就无法实现实时优化控制。 本文以本钢南芬选矿厂磨矿过程为背景，选用m d y 3 6 * 6 0 球磨机，用试验的 方法根据这一特定的矿石和矿石性质、所要求的磨矿产品粒度以及球磨机的结构 和型式，确定磨矿过程中球磨机的适宜工作条件。 论文首先研究了目前球磨机内部参数检测的状况，对于磨矿过程的复杂性， 本文决定采用试验的方法来确定球磨机内部参数的范围。通过对磨矿机理和球磨 过程的影响因素分析，在球磨机转速率固定的前提下，确定了三个操作参数一磨 矿浓度、料球比和介质充填率作为本研究的过程变量。 在现有的生产实践中，南芬选矿厂选用电耳和功率传感器对球磨过程进行检 测。检测结果表明：球磨机的声响和输入功率都可以作为球磨机内部参数的判断 依据。确定球磨机的适宜的工作条件，即适宜的磨矿浓度、料球比和介质充填率， 使球磨机的磨矿效率最高。然后力求在南芬选矿厂维持这些参数在允许的范围内 波动，以实现球磨机在最优状态下运行。本文应用m a t h e m a t i c a 软件求得了不同条 件下的拟合曲线方程和每条曲线的最大值情况，估计出了本钢南芬选矿厂所研究 的球磨机的参数最优范围。 本文最后也探讨了球磨机声响和输入功率在球磨机内部参数最优状态中的负 荷的应用和磨机操作系统的优化，结果表明：可以用声响来判断球磨机“磨空” 和“磨满”的信号，使球磨机保持在最优的状态。 关键词球磨机物料磨矿浓度料球比介质充填率 一i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha b o u tb a l lm i l lm a c h i n e sa n di t sr e l e v a n tm a t e r i a l i nb e n x is t e e la n di r o nc o r p o r a t i o n a b s t r a c t g r i n d i n gi si m p o r t a n tp a r to fm i n eb e n e f i c i a t i o n sf o rt h em i n e r a lp r o c e s s i n gp l a n t ， a n dt h eq u a l i t yw i l ld i r e c t l yi n f l u e n c et h ee c o n o m i ct e c h n i c a lt a r g e t so f t h ew h o l ep l a n t t h ei n n e rr e a s o n a b l ew o l kp a r a m e t e r so fb a l lm i l lm a c h i n ea r et h en e c e s s a r yc o n d i t i o n t og e tt h eo p t i m u me f f e c t i v e n e s so fg r i n d i n g d u et ot h ec o m p l i c a t e dp r o c e s s ，t h e c h a n g e a b l ei n p u ta n do u t p u ts y s t e m ，l o n gt i m ep r o d u c t i o n ，t a r d i n e s so fp r o d u c t s ， n o n l i n e a rf e a t u r e ，a sw e l la ss e r i o u sd i s t u r b i n gf a c t o r s ，t h e r ee x i s t sa l lt h et i m et h e p r o b l e mi nt h ec o n t r o lf o rp r o d u c t i v ep r o c e s so fg r i n d i n g ，t h a ti s ，i ti sh a r dt op e r f o r m e s t a b l i s hm o d e l sw i t hp r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e l ，s ot h a tt h ep r o c e s so fg r i n d i n gh a s n o tb e e nr e a l i z e dt oo p t i m i z et h ec o n t r 0 1 t a k i n gt h eb a c k g r o u n do fb e n x is t e e la n di r o nc o r p o r a t i o na st h ee x a m p l ea n d c h o o s i n gm d y 3 6 + 6 0 a st h eb a l lm i l lm a c h i n e ，t h ea u t h o rl o c a t e st h es u i t a b l ew o r k i n g c o n d i t i o n so ft h ep r o c e s so fg r i n d i n gb yw a yo ft e s t si nt e r m so fs p e c i f i cm i n e r a l sa n d t h es i z e so fg r i n d i n gp r o d u c t sr e q u i r e da sw e l la st h es t r u c t u r ea n dm o d e l so ft h e g r i n d i n gm a c h i n e t h i sa r t i c l ef i r s tr e s e a r c h e si n t ot h es h a p e so fi n n e rp a r a m e t e r so fp r e s e n tb a l lm i l l m a c h i n e s a st ot h ec o m p l i c a t i o no fg r i n d i n gp r o c e s s ，t e s t sa r ea d o p t e dt ol o c a t et h e s c o p eo fi n n e rp a r a m e t e r s b yw a yo fa n a l y s i so fp r i n c i p a l so fg r i n d i n gm a c h i n e sa n d b a l lm i l lp r o c e s s ，t h r e eo p e r a t i n gp a r a m e t e r s d e n s i t yo fg r i n d i n gm i n e r a l s ，b a l l p r o p o r t i o n sa n dc h a r g ev o l u m e ，a r et a k e na sv a r i a b l e so f t h i sr e s e a r c h i nt h e p r a c t i c a lp r o d u c t i o n ，n a n f e nm i n e r a lp r o c e s s i n g p l a n t a d o p t s t e s t i n s t r u m e n t sa n dp o w e rs e n s o r st ot e s tt h ep r o c e s so fb a l lm i l l t h et e s tr e s u l t si n d i c a t e t h a tn o i s ei n f o r m a t i o na n di n p u tp o w e rc a nb eb o t ht a k e na st h ep r e d i c t i v ep r o o fo f i n n e rp a r a m e t e r so fb a l lm i l lm a c h i n e s t h e nl o c a t et h es u i t a b l ew o r k i n gc o n d i t i o n s p r o p e rg r i n d i n gd e n s i t y , r a t i oo fm a t e r i a l t om e d i aa n dc h a r g ev o l u m es ot h a tt h e p r o f i c i e n c yc a nr e a c ha sh j i g ha sp o s s i b l e ，f i n a l l yt r yt or e m a i nt h ep a r a m e t e r sa n da l l o w t h ef l u c t u a t i o nw i t h i nt h es c o p e ，s oa st or e a l i z et h es t a b l eo p e r a t i o nu n d e rt h eb e s t c o n d i t i o n s t h i sa r t i c l ea p p l i e ss o f t w a r em a t h e m a f i c at og e tt h ec r o s sc u r v e se q u a t i o n a n dm a x i m u mr e s u l t so fe v e r yc u r v e ，a n dt h e np r e d i c tt h el a r g e s ts c o p eo ft h eb a l lm i l l m a c h i n e s a tt h ev e r ye n d ，t h ea r t i c l ea l s or e s e a r c h e si n t ot h el o a do fn o i s ei n f o r m a t i o na n d 一一 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t i n p u tp o w e ru n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n sw h e nb e i n ga p p l i e d ，a n dt h er e s u ks h o w s t h a tt h en o i s ei n f o r m a t i o nc a nb ep r o o ft oj u d g et h ee m p t ym o m e n ta n df u l lm o m e n to f b a l lm i l lm a c h i n e s ，s oa st ok e e pt h em a c h i n e si no p t i m u mc o n d i t i o n s k e y w o r d s b a l l m i l l m a c h i n e ，m a t e r i a l ，d e n s i t y o f g r i n d i n g m i n e r a l ， r a t i oo f m a t e r i a lt om e d i a ， c h a r g ev o l u m e i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果 除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包 括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我。同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：茑弘而比 r期：1 w 妒s 弓弓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定： 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期签字日期 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 选矿就是对矿石进行加工，从原矿中除去大量的废石及有害元素，达到富集有 用矿物的目的，或使共生的各种有用矿物彼此分离，得到一种或几种有用矿物的 精矿产品。选出的精矿作为加工和冶炼的原料，供下一步使用。 选矿的目的意义：就是分离有用矿物和脉石，把共生的有用矿物尽可能的相互 分离成为单独的精矿，除去有害杂质，充分、经济、最合理的利用国家矿产资源。 其一，富集有用矿物，可提高精矿品位；其二，除去有害杂质；其三，减少运输 费用，节约大量能源：其四，充分利用国家矿产资源【l i 。 选矿过程是一个极为复杂的工业生产过程。来自采矿厂的矿石要经过选矿过程 的各个作业，最后才能得到符合冶炼要求的精矿。选矿作业主要包括破碎筛分、 磨矿分级、选别、精矿脱水等环节。 在选矿工业中，磨矿作业是破碎过程的继续。它是在矿石继续选分前的最后一 次加工。它接受破碎作业的产品，继而将矿石磨碎到选别作业所要求的粒度。在 这个阶段使矿石中的有用矿物能全部或大部分达到单体分离状态，以便在下一步 的选别作业中回收其中的有用成分创造条件。除少数有用矿物单体解离度高的砂 矿和部分高品位富矿不需要磨矿外，几乎都需要经过磨矿使有用矿物质获得比较 理想的单体解离度。 磨矿作业与选别作业有很大关系，选别指标的好坏，在很大程度取决于磨矿 产品的质量。如果磨矿产品细度不够，各矿物粒子间没有达到充分的单体分离， 则选矿指标就不会太高；如果过磨而产生矿泥，则不能对矿物进行有效回收。此 外，磨矿产品还要符合选别作业所要求的浓度，各种选别作业都有其适宜的浓度 范围，过高或过低都不合适。随着国内外矿产资源的大量开发利用，矿产资源已 经日趋贫化，一些优质、易磨和易选的矿产资源已经逐渐枯竭，代之而来的是大 量的低品位矿产资源哪。对低品位的矿产资源的利用，需要将有用矿物与脉石矿物 有效分离，并经过选别之后，才能成为工业应用的优质原料。因此，磨矿作业在 资源加工领域具有不可替代的地位。 球磨机是矿料碎磨作业的主要设备，在有色、黑色、化工、核工业及建材矿 物选矿和加工工业中占有重要的地位，在金属选矿厂，磨矿作业所用的设备主要 是球磨机。 磨矿作业的优劣直接影响着整个选矿厂的经济技术指标。改善磨矿作业，提高 其产品质量，降低磨矿费用，提高磨矿机的生产率，不仅能提高精矿的质量和金 东北大学硕士学位论文第一章绪论 属回收率，而且对于降低选矿成本及提高选矿厂的生产率都有很重要的意义。 球磨机合理的内部工作参数是取得最佳磨矿效果的必要条件。磨矿理论和实践 表明：保持球磨机在最佳工作状态下运行，不仅能提高球磨机的处理能力，从而 提高球磨机的工作效率，而且对提高磨矿产品乃至整个选矿厂的生产指标以及节 能降耗都具有十分重要的意义。 在磨矿过程的自动控制中，球磨机内部参数的检测和控制是球磨机自动控制的 重要内容。为了达到对磨矿过程的有效自动控制，包括用计算机控制，对球磨机 内部参数的检测和控制是不可缺少的，其中能否准确地检测出球磨机的内部参数 是整个球磨机控制成败的关键。 1 2 球磨机内部参数检测的研究现状 生产过程中球磨机的可调工作参数有：球磨机转速、介质充填率( 包括介质配 比) 、磨矿浓度和料球比。通常情况下磨机转速不变，只有其余的内部三参数是可 调的。到目前为止，国内外生产中做到单因素、双因素以及三因素检测。下面对 目前国内外的一些检测方法进行扼要概括。 l1 2 1 球磨机负荷的直接检测 这种方法是通过测定球磨机内矿浆的液面高度来确定球磨机的负荷率的，在 1 9 7 3 年第十届国际选矿会议上由捷克斯洛伐克布拉格矿山研究院b l a n f i a k 报道 3 1 。作者认为磨机中的矿浆面和磨机的产量之间存在着函数关系，矿浆面与球磨机 的负荷有着密切的关系，通过在球磨机内部安装不同数目的电极来测量球磨机内 部矿浆的高度。 这种测定以及由此实现的控制方法在m k zc h v a l e t i c e 选矿厂哈丁型球磨机中 连续使用。结果表明：磨机处理量提高5 ，磨机可以自动应付矿石可磨性的变化。 对不同矿石进行试验，磨机都是在稳定状态下满负荷运转。 1 2 2 球磨机内部参数的间接检测方法 球磨机内部参数的问接检测方法是目前工业生产中的常用方法，有单因素检测 方法、双因素检测方法和三因素检测方法。 1 2 _ 2 1单因素检测 ( 1 ) 声响法 球磨机的声响主要来源于磨机运转过程中，内部介质、矿石、衬板的相互碰撞， 这是磨矿过程中能量损失的一种原因，是一个不可逆的过程”】。 声响法检测球磨机内部参数的检测系统来源于人工操作的实践。工业生产实践 表明：球磨机的声响与球磨机的内部料球比具有一定的关系，这种方法的实质就 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 属回收率，而且对于降低选矿成本及提高选矿厂的生产率都有很重要的意义。 球磨机合理的内部工作参数是取得最佳磨矿效果的必要条件。磨矿理论和实践 表明：保持球磨机在最佳工作状态下运行，不仅能提高球磨机的处理能力，从而 提高球磨机的工作效率，而且对提高磨矿产品乃至整个选矿厂的生产指标以及节 能降耗都具有十分重要的意义。 在磨矿过程的自动控制中，球磨机内部参数的检测和控制是球磨机自动控制的 重要内容。为了达到对磨矿过程的有效自动控制，包括用计算机控制，对球磨机 内部参数的检测和控制是不可缺少的，其中能否准确地检测出球磨机的内部参数 是整个球磨机控制成败的关键。 1 2 球磨机内部参数检测的研究现状 生产过程中球磨机的可调工作参数有：球磨机转速、介质充填率( 包括介质配 比) 、磨矿浓度和料球比。通常情况下磨机转速不变，只有其余的内部三参数是可 调的。到目前为止，国内外生产中做到单因素、双因素以及三因素检测。下面对 目前国内外的一些检测方法进行扼要概括。 1 2 1 球磨机负荷的直接检测 这种方法是通过测定球磨机内矿浆的液面高度来确定球磨机的负荷率的，在 1 9 7 3 年第十届国际选矿会议上由捷克斯洛伐克布拉格矿山研究院b l a n g t i a k 报道 【3 。作者认为磨机中的矿浆面和磨机的产量之间存在着函数关系，矿浆面与球磨机 的负荷有着密切的关系，通过在球磨机内部安装不同数目的电极来测量球磨枫内 部矿浆的高度。 这种测定以及由此实现的控制方法在m k zc h v a l e t i c e 选矿j 哈丁型球磨机中 连续使用。结果表明：磨机处理量提高5 ，磨机可以自动应付矿石可磨性的变化。 对不同矿石进行试验，磨机都是在稳定状态下满负荷运转。 1 2 2 球磨机内部参数的间接检测方法 球磨机内部参数的间接检测方法是目前工业生产中的常用方法，有单因素检测 方法、双因素检测方法和三因素检测方法。 12 _ 2 1单因素检测 ( 1 ) 声响法 球磨机的声响主要来源于磨枫运转过程中，内部介质、矿石、衬板的相互碰撞， 这是磨矿过程中能量损失的一种原因，是一个不可逆的过程哪。 声响法检测球蘑机内部参数的检测系统来源于人工操作的实践。工业生产实践 表明：球磨机的声响与球磨机的内部料球比具有一定的关系这种方法的实质就 表明：球磨机的声响与球磨机的内部料球比具有一定的关系，这种方法的实质就 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 属回收率，而且对于降低选矿成本及提高选矿厂的生产率都有很重要的意义。 球磨机合理的内部工作参数是取得最佳磨矿效果的必要条件。磨矿理论和实践 表明：保持球磨机在最佳工作状态下运行，不仅能提高球磨机的处理能力，从而 提高球磨机的工作效率，而且对提高磨矿产品乃至整个选矿厂的生产指标以及节 能降耗都具有十分重要的意义。 在磨矿过程的自动控制中，球磨机内部参数的检测和控制是球磨机自动控制的 重要内容。为了达到对磨矿过程的有效自动控制，包括用计算机控制，对球磨机 内部参数的检测和控制是不可缺少的，其中能否准确地检测出球磨机的内部参数 是整个球磨机控制成败的关键。 1 2 球磨机内部参数检测的研究现状 生产过程中球磨机的可调工作参数有：球磨机转速、介质充填率( 包括介质配 比) 、磨矿浓度和料球比。通常情况下磨机转速不变，只有其余的内部三参数是可 调的。到目前为止，国内外生产中做到单因素、双因素以及三因素检测。下面对 目前国内外的一些检测方法进行扼要概括。 l1 2 1 球磨机负荷的直接检测 这种方法是通过测定球磨机内矿浆的液面高度来确定球磨机的负荷率的，在 1 9 7 3 年第十届国际选矿会议上由捷克斯洛伐克布拉格矿山研究院b l a n f i a k 报道 3 1 。作者认为磨机中的矿浆面和磨机的产量之间存在着函数关系，矿浆面与球磨机 的负荷有着密切的关系，通过在球磨机内部安装不同数目的电极来测量球磨机内 部矿浆的高度。 这种测定以及由此实现的控制方法在m k zc h v a l e t i c e 选矿厂哈丁型球磨机中 连续使用。结果表明：磨机处理量提高5 ，磨机可以自动应付矿石可磨性的变化。 对不同矿石进行试验，磨机都是在稳定状态下满负荷运转。 1 2 2 球磨机内部参数的间接检测方法 球磨机内部参数的问接检测方法是目前工业生产中的常用方法，有单因素检测 方法、双因素检测方法和三因素检测方法。 1 2 _ 2 1单因素检测 ( 1 ) 声响法 球磨机的声响主要来源于磨机运转过程中，内部介质、矿石、衬板的相互碰撞， 这是磨矿过程中能量损失的一种原因，是一个不可逆的过程”】。 声响法检测球磨机内部参数的检测系统来源于人工操作的实践。工业生产实践 表明：球磨机的声响与球磨机的内部料球比具有一定的关系，这种方法的实质就 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 是根据球磨机所产生的噪音的不同来确定球磨机内部的物料负荷。当球磨机的物 料负荷增加时，矿石使钢球之间的相互碰撞缓和，因此球磨机噪音强度减小：反 之，当球磨机内部物料负荷减小时，钢球之间更多地相互碰撞，球磨机噪音强度 就增加。可以说在球磨机噪音强度和球磨机内部物料负荷之间存在着关系。因此， 可以利用球磨机的噪音强度来模拟球磨机内部的物料负荷，当其它条件正常时， 保持球磨机的噪音强度不变也是保持了球磨机内部物料负荷在基本一定值。当某 种原因引起物料负荷增加时，球磨机工作噪音强度下降；反之，当球磨机物料负 荷减少时，球磨机噪音强度上升。 声响法检测球磨机内部料球比既可以用于湿式又可用于干磨，可以提高磨机处 理能力及其产品的细度，并能节省能耗和钢耗，与其它方法比较，声响检测信号 比较灵敏。这种检测系统在早期的球磨机自动控制中得到了广泛应用，并取得了 一定的效果”卅。现在许多选矿厂仍然沿用这种检测系统来确定球磨机内部的物料 负荷，并通过一定的控制机构使球磨机内部的物料负荷维持在所要求的水平上， 进而提高球磨机的处理量和产品质量。这种方法遇到的主要问题是其它球磨机所 产生的干扰，传感器的位置必须选择正确，以避免这种干扰现象。 ( 2 ) 有用功率法 在磨矿过程中，用于带动球磨机简体内磨矿介质和矿浆一起转动的功率称为有 用功率i ”。 湿式球磨机的工作特性可以直接用消耗的有用功率来描述，所用方程如下式所 示： p = f ( d ，v ，n ，w )( 1 1 ) 式中：p 一湿式球磨机的有用功率； d 一球磨机简体内径； v 一球磨机的转速率； w 一球磨机负荷。 对于一定球磨机而言，d 和v 是常数。因此，对于某一矿石而言，有用功率为 球磨机负荷的函数，即： p = f ( w )( 1 2 ) 式中：w 一球磨机负荷( 包括介质充填率、被磨物料量和球磨机内部水量三 个部分) 。 根据理论推算和实际检测结果表明：当球磨机转速率一定时，其电机有用功 率和球磨机的负荷之间的关系如图1 1 曲线所示。随着球磨机负荷的增加，开始时 球磨机电机的有用功率明显上升，到达某一极值后，随着负荷的增加，有用功率 值反而下降，此极值可以认为是球磨机负荷的最佳点。因此，有用功率直接与球 磨机负荷有关。 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 一l 球蘑机工作特性 f i g1 - 1 f e a t u r e so f b a l lm i l lm a c h i n e ( 3 ) 振动法 所有的机械设备都有自己的质量和弹性，因此运转过程中能产生振动。振动信 号诊断技术已经被广泛用于设备运行情况的监测1 9 l 。 当球磨机运转时，研磨体( 钢球等) 和物料偏于磨机的一侧，并不断滚动、滑 动和下落，冲击研磨物料，磨机的转动部分处于严重的不平衡状态，造成不平衡 的离心力。使用磨机系统振动，在磨机转速不变时其振动强度与介质和物料的多 少有关，若介质充填量正常，则检测出磨机的振动强度就可间接反映出磨机中物 料负荷的情况。磨机振动强度的检测，实质上是测量磨机系统振动的加速度。球 磨机简体振动通过刚体传递到轴承座，只需将传感器安装在轴承座上即可检测其 振动。磨机物料负荷大( 磨机内物料多) ，由于物料的衬垫阻尼作用，磨机振动小， 加速度小，传感器输出小；反之，加速度大，传感器大。传感器输出与球磨机的 振动加速度成正比，与磨机物料负荷成反比关系。 ( 4 ) 压力传感器法 利用一种负荷传感器安装在球磨机的给矿端和排矿端的轴承下连续对磨机称 重，从而确定球磨机内磨矿介质、矿石和水的总量，即确定磨机负荷，这种方法 的优点是简单，共缺点是检测精度不高，不能准确检测出球磨机中球介质、矿石 和水各自的量，而且只适用于大型球磨机其轴承是用液压来支承的情况。另外， 球磨机衬板的磨损、矿石性质的变化、钢球添加前后的重量的变化等都会对检测 和控制结果产生较大的影响。 ( 5 ) 差动电磁传感器法【1 0 1 差动电磁传感器法由保加利亚中央综合自动化科学所研究，并己获得专利。传 感器仅测量磨机壳体振动的有用信号部分，并消除一般干扰信号部分，该传感器 可安装在距离球磨机机壳体7 0 8 0 m m 处，在该距离范围内，输出信号几乎与距离 变化无关。传感器的可靠性和灵敏度高，消耗输送延迟较小，但这种检测系统不 能检测出球磨机的内部参数，即不能确定球磨机的介质充填率、料球比、磨矿浓 度各自的数值。 ( 6 ) 霍尔功率变送器法| 1 ” 在球磨机一螺旋分级机组成的闭路磨矿系统中，球磨机负荷难以直接测量，因 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 此采用了测量分级机返砂量方法间接反映球磨机的负荷。在磨矿生产过程中，当 球磨机负荷超过正常值时，球磨机排矿粗粒成分增加，这必将使返矿量增大，从 而使球磨机负荷增大：反之返砂量减少，因此，认为用测量返砂量的方法间接反 映球磨机负荷是可行的。 采用霍尔功率变送器测量分级机的电功率以间接反映返砂量的变化，这个测量 不要求测量功率的绝对值，仅测双螺旋分级机内旋三相电动机的单相功率，以反 映返砂量的相对变化，以此实现球磨机负荷的自动控制。 ( 7 ) 示踪原子法【”】 国外曾经进行过这种方法的研究，其主要原理就是利用示踪原子来确定物料在 球磨机中的滞留在球磨机中的量。但这种方法由于精度不高，实施困难而未能在 实际中得到应用。 1 _ 2 2 2双因素检测方法 ( 1 ) 功率一声响双信号检测【1 3 】 在矿石性质和球磨机转速不变的条件下，影响球磨机有用功率变化的主要因素 还有介质充填率、球料比( 或球浆比) 、矿浆浓度等。在矿石性质、磨机转速不变 的条件下，球磨机声强的变化主要受料球比变化的影响，并且具有单向性，即料 球比( 球浆比) 增加声强均降低，因此可以利用声强变化控制料球比，但它不适 用作控制介质充填率的信号。根据有用功率一声响双信号就可以比较准确地判断 出球磨机生产中介质充填率和料球比值，然后根据需要来调整介质加入量和返砂 量或磨机的新给料量，使得球磨机的效率最高。 ( 2 ) 声响一振动双信号检测【1 4 1 由于机械磨矿可以发出很强的振动信号，可以用一些仪器或仪表将其检测出 来。振动信号的变化取决于磨矿状态的变化，曾义根在工业球磨机上对其振动信 号进行了初步研究。球磨机的机械振动用加速度仪进行测定，声压的变化用麦克 风进行测量( 麦克风安装在球体降落的一侧) 。考察的磨矿参数主要有：功率消耗、 给矿速率、矿浆浓度、给料粒度和产品粒度。通过信号处理和参数标识，建立了 磨矿参数与信号特征间的关系，大多数相对预测误差在5 以内。研究结果表明： 振动信号的变化与磨矿参数的变化紧密相关，球磨机的功耗和产品粒度主要与机 械振动信号有关，而其它因素则主要与声音振动信号有关。通过振动信号的测量， 可以监测磨矿操作参数的变化情况。 1 2 2 3 三因素检测方法【1 5 】 东北大学博士生王泽红提出了采用声响一功率一压力三因素联合，来检测和确 定球磨机的内部参数。作者采用荷重传感器、声音传感器和功率传感器作为检测 仪表，研究了球磨机转速率、介质充填率、料球比以及磨矿浓度对输出信号的影 响，并建立了相应的数学模型。在球磨机转速率已知时，将检测数据输入计算机， 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 利用编制好的软件，即可迅速求解出球磨机的介质充填率、料球比和磨矿浓度， 然后根据需要来调整加球、加料、加水，使球磨机始终维持在最优状态下运行。 为球磨机的优化控制提供了一种新方法。 1 3 球磨机内部参数检测仪器、仪表 选矿过程控制的发展取决于在线检测仪表和技术、计算机以及控制策略三个主 要因素 1 6 , 1 7 】，其中在线检测仪表和技术是过程控制的基础，它是自动控制过程最重 要的组成部分之一。因此，近年来国内外许多研究单位和生产厂家对控制仪表的 研究和开发极为重视，目前已经研制开发了许多检测仪表和仪器m ，用来检测和控 制球磨机的内部参数。下面结合球磨机内部参数的检测方法介绍几种常用的仪器、 仪表。 1 3 1 声音传感器 用于磨矿过程的声音传感器是将声音变换为电信号的器件。在磨矿自动检测 和控制球磨机的传感器。 ( 1 ) 传声器 传声器是靠振动膜片在声压作用下受迫振动，在利用压电晶体、电容等变换方 式将机械转动转变为电压信号，实现声一电转换。最常用的是电容式传声器，其 特性如下：电容传声器的灵敏度可达5 0 m v p a ；频率范围可低至1 h z ，高至l o o k h z 以上；测量的动态范围可低至1 0 d b 以下，即接近人耳的灵敏度，高至1 7 0 d b 以上， 适宜用于磨机声响的传递。实践表明，用传声器作为磨机声电传感器时，在8 0 0 3 2 0 0 h z 频率范围内，传声器对磨机声强的变化最灵敏。外界声音干扰主要在低 频段。 ( 2 ) 扬声器 扬声器( 喇叭) 是将电信号转变为声音并将声音有效地在空中辐射的一种电声 传感器，其原理是：电信号( 音频) 输入扬声器后，经过电磁、电压及电容等转 换元件，将电信号变为振膜或纸盆的振动，再推动周围的空气变为声音。最常用 的扬声器是电动式( 永磁或电磁) 。用于检测球磨机声响的扬声器是电动式高音号 筒型。扬声器是一种可逆性的电声传感器，在测定球磨机声响时是将它反向使用， 即将球磨机的声音经扬声器变为1 5 0 m v - - 1 0 m v 的电压信号，再经过放大后与给 定值比较，继而进行报警、控制和调节。由于扬声器价值便宜、输出信号强、使 用方便，因此在选矿厂多用扬声器作为电耳。 电耳的最大缺点是受周围环境的影响较大。 ( 3 ) 声级计 声级计又称噪声计，是采用测量声音的声压级或声级的一种便携式的完整测量 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 系统，它是声学测量中最基本而又最常用的仪器。声级计实际上是声频电压测量 放大器，加上传声器和前置放大器以后，做成便携式就成为声级计。利用声级计 作为电耳时，可以直接由声级计读出磨机声音的声级值。但声级计价格较贵，用 于自动检测和控制时需经改造。 1 3 - 2 功率传感器 测量转动机械有用功率的方法有测量扭矩一转速法和测量电机电功率法。前者 是根据设备轴功率p = m 口= m 罢( ) 的关系式，利用各种测功器、测矩仪和转 j u 速计分别测出主轴的扭矩m 及转速n ，然后计算轴功率p 。这类方法一般比较复 杂，不适合应用于实际生产过程。因此，在实践上是用测量电机有用功率法检测 生产中的磨机功率，以便于直接进行自动控制。 测量电机输出功率可用三相功率表或用变换式功率表，这种功率表在负载的电 压和电流都是正弦时，可以输出与负载的三相有用功率成正比的电流信号。通过 不同的方法将此信号取出，实现自动显示和控制。 1 3 3 振动传感器 检测球磨机振动常用压电加速度( 或力) 传感器。把y t c 压电陶瓷加速度传 感器紧固在球磨机轴承上，检测球磨机的振动。在一定的频率范围( 3 0 0 - - - 1 0 0 0 h z ) 内，y t c 的输出电压与振动加速度呈线性，其灵敏度为3 3 4 m v g ，电压输出 o - 3 0 0 m v ，经d b z i i 型振动变送器为o 1 0 【i l a d c 输出，可以直接显示磨机物料 负荷。该传感器已在我国水泥厂推广应用，并取得了满意的效果。磨机振动强度 的检测，实质上是测量磨机系统的振动加速度。 1 3 4 自动加球机 国内马鞍山矿山研究院开发了j o 一1 型自动加球机，用以补充球磨机中球介 质的磨损，以维持介质充填率的稳定。该设备已经在梅山铁矿、尖山铁矿以及攀 枝花选矿厂应用m 1 。 从国内外生产的检测仪表来看，基本能满足磨矿分级过程的控制需要。国内生 产的某些检测仪表性能上略差一些，但国外的检测仪表价格昂贵，维护费用高， 在选矿厂应用受到限制。 1 4 课题背景及评论 辽宁本溪钢铁公司南芬选矿厂以生产合格的铁精矿为主要任务。南芬选矿厂有 2 6 个磨选系列。选矿厂的基本任务是最大限度回收有用矿物，充分利用矿产资源， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 生产优质精矿，降低尾矿，提高和稳定金属回收率，提高选矿厂处理能力，提高 磨机完好率和可开动率，降低备件及原材料消耗，降低球耗、电耗和水耗，不断 降低铁精矿成本，提高企业的经济效益。 磨矿作为选矿工艺中的重要一环，其成本在整个选矿中占很大的比例。而磨矿 工业是非常复杂的【”删。 磨矿工业过程复杂性主要体现在如下方面： ( 1 ) 对象复杂。磨矿系统内部机理不甚清楚，球磨机内的充填率、内部状况 无法检测，排矿浓度和给矿量及球磨机加水之间的定量关系无法得到。况且螺旋 分级机的数学模型由于返砂量难于测量及不确定因素和测量手段的局限性无法得 出。系统具有非线性、时变、不确定的特点，难以用常规的数学工具建模并进行 研究，同时系统输入信息多样化、数据量庞大。 ( 2 ) 环境复杂。系统处于动态变化的、难以预先知道的环境中。存在大量不 确定的因素，如环境的动态变化、输入输出信息中的噪声、人为的和自然的干扰 与误差，信息的模糊性、偶然性、未知性、不完全性等。 ( 3 ) 任务复杂。在此实际的控制任务不单单限于系统的调节，要求监控、优 化、诊断预报、调度、决策等多种功能。系统往往具有多层次、多目标的控制要 求。控制中的计划复杂性增加，且不限于数值计算。 由于磨矿过程的机理复杂，是一个多变量输入输出系统，生产过程缓慢，滞后 时间长，同时具有非线性、时变特性以及干扰因素多而严重等特点，因此给系统 控制和优化带来一定的困难。 基于一次仪表或传感器检测球磨机内部动态参数的控制策略，严格地说，我国 目前采用的电耳、有用功率法或电压传感器等单因素、双因素检测以及三因素检 测都不可能定量确定磨机内工作参数的变化，因此，磨矿过程也就无法实现实时 优化控制或智能控制。控制策略都不能实现对球磨机内重要的参数，介质充填率、 磨矿浓度和料球比等，进行有效判断和控制，只是对过程和参数进行定性、模糊 判断和控制。 传统的和现代的控制方法都是建立在被控对象的数学模型基础上，由于磨矿过 程所固有的特性，难以建立精确的数学模型，因此这些方式难以获得理想的控制 效果，而且无论是在线还是离线识别，都有很大的困难，难以实现系统的优化指 标。 到目前为止，没有公认的关于磨矿的有效的数学模型，只有进行简化和忽略的 方式取得近似模型，所以，基于精确数学模型的控制算法，无法适用。 由于影响磨矿工业过程的错综复杂，可以通过实践的办法确定磨矿因素的最 佳值。用试验确定各因素范围的办法，以及依据生产实践资料而提出经验公式的 办法，均属于实践解决问题的范围。尽管这类办法得到的结果有局限性和误差较 一r 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 大，但它毕竟来源于实践，有真实可靠的一面，它仍然是人们广泛应用的办法。 不同的研究者进行试验的条件各不相同，得出的结论必然各不相同。而且不 同的研究者所依据的生产资料不同，对同一批生产资料，不同的研究者使用的数 学处理方法也不相同。因此，试验办法适合于设备和矿石等均确定的情况，绘制 条件下的曲线，确定球磨机的适宜的工作条件，即适宜的介质充填率、料球比和 磨矿浓度，使球磨机的磨矿效率最高，使球磨机的处理量达到最大值。 1 5 本文的主要工作内容 本文研究主要着重于用试验的方法对本钢南芬选矿厂的磨矿作业进行分析和 研究。 内容安排如下：第一章为绪论；第二章讲述球磨机的工作机理和球磨过程研究； 第三章介绍球磨机输入功率和声响与内部参数关系的研究：第四章介绍了球磨机 内部参数的最优状态；第五章为结论。 9 东北大学硕士学位论文第二章磨矿的基本原理和球磨过程研究 第二章磨矿的基本原理和球磨过程研究 为了全面了解球磨系统，深入认识系统，从众多错综复杂的影响因素中，找 出影响球磨机内部参数的主要因素，本章将对磨矿的基本原理以及影响球磨机内 部参数的因素进行分析，把握它们之间的相互制约关系。 2 1 磨矿的基本原理 磨矿作业通常是在一个圆筒形的磨矿机中进行。筒体内一般装有研磨介质例 如钢球、钢棒、钢段或砾石等。装钢球、钢段的磨矿机叫球磨机；装钢棒的叫棒 磨机；装砾石的叫砾磨机：如果磨机内不装其它介质，而且是利用矿石自己研磨， 称无介质磨矿或称自磨机；自磨机加少量大钢球作为补充介质称半自磨机。但是， 不管哪种类型的磨矿机进行研磨，在磨矿过程中，它们的作用原理基本上是一致 的。简而言之，当磨机以一定的速度旋转运动时，装入筒内的钢( 棒) 或矿石( 砾 石) 等磨矿介质，在筒体衬板和磨矿介质之间的磨擦力、研磨介质的重力以及由 于在磨机旋转而产生的离心力的作用下，将随着简体作旋转上升运动，被提升到 一定的高度，然后当研磨介质的重力( 实际上是重力的径向分力) 大于或等于离 心力时，就开始脱离筒体内壁，按照某一轨迹降落。这种周而复始的运动，就产 生了连续的冲击和研磨作用，从而粉碎物料。 2 _ 2 球磨过程因素分析 磨矿过程是选矿工业生产中可变参数最多的作业之一，弄清运行磨矿过程的 因素是控制即管理好磨矿过程所不可缺少的。长期生产实践积累的资料说明，影 响磨矿过程的因素可以归纳为三个方面口1 】： ( 1 ) 物料性质的影响 物料是被磨对象，物料性质自然严重影响磨矿过程。不同的矿石具有不同的 可磨性。所谓可磨性，即矿料由某一粒度磨碎到规定粒度的难易程度。磨矿机的 生产率与原料的可磨性成正比，矿石愈硬则可磨性愈小，磨机生产率愈低。反之， 矿石软时可磨性大，磨机生产率大。 磨机生产率也与原料粒度及产物细度有关。给矿愈粗，需要磨到规定细度的 时间也长，功耗也多，生产率也较小。给矿粒度的改变对磨矿生产率的影响是与 矿石性质和产品细度有关的。 ( 2 ) 磨机结构参数的影响 磨矿是在磨机中进行的，磨机的结构参数对磨矿过程有着很大的影响。不同 类型的磨矿机，其性能不同，生产能力也不同。而且，同类型的磨机，其功率消 一】o 一 东北大学硕士学位论文第二章磨矿的基本原理和球磨过程研究 耗及生产率与直径及长度有关系。磨机的长度影响产品的细度，过短了不能完成 规定的磨矿细度，过长了既增加粉碎也增大动力消耗，因此，磨机的长度应适宜， 长度与直径之比也应适宜。衬板的形状也影响着介质的运动状态。不平滑衬板的 生产率比平滑衬板的大。使用过厚的衬板会降低磨机的有效容积，也降低磨机生 产率。 ( 3 ) 磨机工作条件的影响 磨机的介质形状、尺寸配比及材质、介质充填率、磨机转速、分级效率、返 砂比、矿浆粘度、料球比等。这些因素本身相互影相互制约，因此关于磨矿过程 的建模和优化到目前为止仍处于深入研究、尚未很好解决。除此之外，上述诸因 素的多变性和随机性大大增加了球磨过程建模和优化的难度。因此，有必要对球 磨过程的影响因素进行分析，抓住主要矛盾，才能使研究工作顺利进行。 以上诸类因素中，一般地说，矿石的可磨性是不改变的，磨机一经制造出来 其结构参数也是固定的。因此，一般情况下只有磨机的工作条件是可以改变的。 认清矿石的性质及要求的细度，才能正确的选择磨机和决定其工作条件。无论影 响因素怎样复杂，但打击效果是主要的。应针对矿石性质正确地决定转速、料球 比、介质充填率及磨矿浓度等，才能得到好的磨矿效果。 磨机的工作条件，是影响磨矿过程的主要因素。介质尺寸配比通常在生产中 已经预先研究确定，实际生产中应是尽量维持不变，故本论文将其作为定量而未 予以考虑。如果设备维修、介质的形状以及介质的材质都是正常的，则其可改变 的因素就是介质充填率、料球比、磨矿浓度以及返砂量和返砂浓度。返砂量和返 砂浓度的变化实质是给料量和给水量的变化，可以通过球磨机内部的料球比和磨 矿浓度反映出来。 综上所述，本研究选择的过程变量包括四个因素：介质充填率、料球比、磨 矿浓度和球磨机的转速率。考虑到实际应用的方便，在变量的选取中，尽量选用 相对参变量，而不选用绝对变量，目的是使选