基于METSIM软件对矿物碎磨过程的研究
时间：2022-12-03 15:00:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
杜盼
（长沙有色冶金设计研究院有限公司）
矿石的碎磨过程是选矿厂生产中极为重要的部分，其主要作用是破碎研磨矿石使矿物与脉石充分解离，同时为后续工艺提供有利于选别的适宜粒度［1］。据统计，该工序的投资与能耗均在选矿厂生产工序中占比最多，矿石碎磨过程直接影响最终的精矿品位、金属回收率等生产指标［2］。通过选矿厂实际生产设备进行研究需花费大量的时间及费用，且影响现场生产经营，因而通过在METSIM 软件中建立选矿碎磨工艺流程仿真模型进行研究。
METSIM 软件自带有大量的工业物性数据库以及200 多个单元操作模块，可进行稳态模拟、动态模拟、采矿、粒度分析、重力选矿、设备选型、操作成本建模，适用的工艺范围包括粉碎、选矿、堆浸、湿法冶金、火法冶金、煤处理、无机化学及工业矿物处理等［3-5］，最早由澳大利亚开发用于模拟冶金过程，可以仿真模拟整个冶金过程的物料平衡和能量平衡，是目前使用最广泛的冶金流程模拟软件。王明等［6］早在2009年就引进该软件，用于冶金过程模拟系统，该软件在冶金上的应用不但提高了设计质量，而且提高了设计效率，在工程设计中取得了很好的效果。
选矿过程中磨矿分级是极为重要的一环［7］，对最终产品的质量有着决定性的作用。据研究，在整个采选流程所用能耗中，碎磨阶段使用能耗占40%，因此降低磨矿能耗可使整个工业成本有效降低。鉴于METSIM 软件在冶金工业中取得的良好结果，本研究将该软件引用到选矿磨矿分级流程中，在软件中构建磨矿分级碎磨模型，通过模拟实际流程，帮助设备选型、确定设备参数，达到指导现场生产、提高效率、降低成本、减少能耗的目的。
SABC 是指由半自磨+球磨+顽石破碎组成的破碎磨矿工艺，过去30 多年在国内外许多大型矿山广泛使用。事实证明该工艺具有以下特点［8］：①设备数量少，流程简单，适应性强，对于含泥量高的黏性矿物具有独特优势，可避免常规碎磨流程中设备出现堵塞的现象，生产过程更加稳定；
②设备大型化，处理量大，可大幅减少人工，提高劳动生产率；
③运转率高，维修量小，具有较大的调整灵活性；
④占地面积少，建筑费用低，成本少，适用于硬度中等、可磨度中等、高含泥、含水的矿石碎磨，在大型选矿厂可得到广泛应用。
碎磨流程选用流程节点较少的经典SABC流程，物料由矿堆给入半自磨机，出料经滚筒筛分流为2股，一股是筛上的顽石送到圆锥破碎机粉碎后再回到半自磨机，形成半自磨机回路；
一股是筛下的矿物与球磨机排出的矿物合并一起给入旋流器进行再分离，形成球磨机闭合回路。该流程可消除半自磨机中较难磨砾石的累积，可改变半自磨机中的自磨介质的原有粒度大小，为后续的选矿流程提供更加合适的物料粒度。为此，本文在METSIM 软件中建立基于该流程的SABC碎磨流程进行模拟计算研究。
该项目设定的碎磨原料为黄铜矿，建立1 个处理量为2.25 万t/d，出料磨矿细度-0.074 mm85%以上的SABC 碎磨流程。在Project 选项中的Title 栏输入“COMMINUTION”作为磨矿过程仿真项目名称，在软件Model Parameters 中的Calc Parameters 选项下分别打开质量平衡开关、粒度分析开关、多组分粒度分析开关和动态数据交换开关，在Calc Parameters 选项中，将仿真时间和物料质量单位设置为“KG/Hr”。在METSIM 组分里面选择黄铜矿磨矿过程中涉及到的Cu、Fe、S、Si、C、Ca、H、O等元素，点击“OK”，生成如图1的化合物数据库。
在图1 中，依次选择本次建模出现的固体物质CaCO3、CuFeS2、SiO2及液体物质H2O，并在Edit Components 中将CuFeS2作为1 号物质、CaCO3作为2 号物质、SiO2作为3 号物质、H2O 作为4 号物质，并将多余的物质选中后删除。
按照碎磨工艺流程，依次添加矿堆、半自磨机、顽石破碎机、泵池、水力旋流器、球磨机［9］等仿真设备单元以及物料流程走向，绘制成图2 所示完整的SABC 碎磨工艺模拟模型，再依次添加反馈控制器、流量控制器和流量占比控制器。
由图2可见，模型设置的半自磨机流程和球磨机流程均为4条，是因为该软件在流程中可同时把同类的核心机型分成多组，每1 组可代表1 台设备也可以代表多台设备。考虑到在实际生产中，针对各种不同的复杂情况，既可模拟同类型同规格的设备，又可同时组合模拟同类型不同规格的设备，可根据实际需要进行启用或关闭，这样可以包含实际生产的各种情况。同时，对于新改扩建的不同项目现场有更好的兼容适用性，更易于不同规模设备的参数比较，大大拓展此计算模型的实际适用场景。虽然在一定程度上建模时增加了复杂度和工作量，但对于实际生产的模拟指导具有现实意义。
该模型设计流程较为复杂，再加上过程具有非线性、大时滞、慢时变、融合反馈控制器、循环物流线路多种综合特性，对控制和计算过程所要达到的质量平衡收敛要求高。现有的磨矿过程仿真系统大都是基于学术假设近似后的模型，在工业中认可度不高，而使用METSIM 建立的SABC 模型是由磨矿设备制造商提供的经实验验证具有较精准数据的模型，在工业界中得到了广泛认可，且精准度高。该软件使用Wegstein收敛法，采用连续数模不断逼近的方式来达到平衡，避免不恰当的初始值造成数值过度传递产生的变更。整个模型将收敛达到小数点后6 位数作为平衡目标，这种高精度模拟可确保模型准确可靠，为设备选型和现场工人操作提供合理指导。
该模型可实现简单快捷准确的仿真计算，但应用到具体项目上时，操作设置不易上手，往往需要较长时间的软件培训。为了使模型操作简洁化，提高调试的工作效率，利用METSIM 软件的DDE（动态数据交换）功能，建立METSIM 模型与EXCEL 数据交互机制，使模型可对每次需要调节的参数在EXCEL 上进行输入并在EXCEL 表格中自动输出计算完成的数据。METSIM 软件中使用DDE 快捷键功能对各个参数与EXCEL 进行设定的界面见图3，在EXCEL 表格中建立的用于DDE 数据输入的接口样式见图4。
由图4 可见，EXCEL 表格中建立的用于DDE 数据输入的接口样式可直接在EXCEL表格中将半自磨机给矿量等参数进行设定，极大地增加了该套磨矿系统使用的便捷性，可进一步节约时间及成本。
在完成了上述所有配置后，打开EXCEL 软件，系统自动关联变量名，开启METSIM软件中的DDE仿真开关，测试数据连接是否畅通，如果未出现红色报错，则系统配置完成，此时点击工具栏的“Calculate All Sections”按钮，启动离线仿真，测试整个建模过程的参数配置是否正确［10］。模型在最终磨矿粒度-0.074 mm达到85%以上时，总能耗为21.12 kWh/t，各设备的输出参数见表1。
由表1 可知，处理量为2.25 万t/d，磨矿细度达到-0.074 mm85%以上的黄铜矿的SABC 碎磨流程通过模型可以很好地拟合出来，可准确得到各设备数量及设施参数，同时可根据实际厂家的设备规格或选厂已有设备在模型相应位置进行灵活调整。该种快速模拟目标矿物的碎磨过程模型，可在工业中迅速确定出最适合的设备与设备参数。同时，充分运用METSIM 软件的DDE 功能开发出了可进行数据互换的EXCEL 界面，在EXCEL 表格中更加快速、智能地完成各项参数的快速修改，使二者结合成了一个相对独立的智能化模拟计算及调试系统，且可将各项数据与第三方软件进行对接，实现更多的自动化分析及操作功能，极大地提高了该套模型使用时的调试效率，对于现场调控具有一定的指导意义。
（1）在该套模型的基础上可进一步开发设计一个与之对应的智能体，进行强化学习，使其自主优化控制磨矿分级的过程。
（2）进一步开发相应的磨矿运行算法监控软件，监测运行的实时状况，提供试验管理与数据保存功能。
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