1.4. Анализ статических и динамических свойств отдельных

элементов и комплекса в целом

Основные свойства процесса флотации, характеризующие его как управляемый объект, - многомерность, большая инерционность, наличие технологических обратных связей и помех, а также сложность фи­зико-механических процессов, происходящих при флотации руд. Поэтому получение статических и динамических характеристик процесса весьма затруднительно.

Статические характеристики процесса флотации получают с при­менением методов математической статистики.

На рис. 2 приведены статические характеристики процесса флотации.

Рисунок 4 – Статические характеристики процесса флотации по каналам:

а - "щелочность пульпы в основной медно-пиритной флотации – содержание меди в концентрате";

6 - "плотность питания – извлечение меди в коллективный концентрат".

Статические характеристики процесса в рабочем диапазоне из­менения линейны и описываются уравнениями типа:

β=а_о + а₁*Q; (1.1)

υ=b_o+b₁*α и т.д.

где a_о, a₁, b_о, b₁ – экспериментальные коэффициенты.

В широком диапазоне изменения входных параметров эти характеристики нелинейны и имеют экстремумы или зону насыщения и описываются нели­нейными уравнениями:

β = a_o + a₁ * α + a₂ * α₂ и т.д. (1.2)

Наиболее полно статические свойства процесса флотации описывают многомерные уравнения, связывающие выходные параметры процесса с входными, линейные с нелинейными:

β=b_o+b₁*α+b₂*α₂+b₃*σ-b₄*σ₂+b₅*Cх+b₆*Cx²; (1.3)

υ=a₀+a₁*Q-a₂*Cx-a₃*σ+a₄*α-a₅*pH.

Коэффициенты этих уравнений переменны, т.к. статические и динами­ческие свойства процесса изменяются под воздействием помех (измене­ние характеристик флотационных машин в межремонтные промежутки вре­мени; сезонные колебания ионного состава и температуры воды; изменение свойств реагентов в зависимости от срока их хранения), а также вследствие влияния внутренних технологических обратных связей.

На рис. 3 (а, б) приведены динамические характеристики процесса флотации по каналам: а - "расход ксантогената — содержа­ние цинка в коллективном концентрате"; 6 - "расход известкового мо­лока — щелочность пульпы".

Рисунок 5 – Динамические характеристики процесса флотации по кана­лам:

а - "расход ксантогената — содержание цинка в коллективном концентрате";

6 - "расход известкового мо­лока — щелочность пульпы"

2. Библиографический и патентный обзор по автоматическому контролю и управлению технологическим комплексом

2.1 Характеристика работы аналогичных систем контроля и управления технологическим комплексом на отечественных и зарубежных фабриках

В настоящее время в России и за рубежом на рудообогатительных фабриках для оперативного контроля и регулирования технологического процесса применяются преимущественно анализаторы твердой фазы пульпы, использующие метод рентгенофлюоресцентного анализа.

На отечественных обогатительных фабриках получили распространение анализаторы АР-31 и АР-31Н (НПП «Буревестник»). Прибор измеряет концентрацию элементов (от кальция до урана) в пульпе. Одновременно контролируется до восьми элементов. Число проточных кювет достигает 15 на один прибор. Рентгеновская трубка и блок детекторов, установленные на подвижной каретке, сканируют последовательно пробы в проточных кюветах и систему калибровки. Продолжительность цикла измерений -20 -30 мин.

Применяемый на зарубежных фабриках анализатор «Курьер ЗОХР» («Ои1окитри Мт1есп») позволяет контролировать 24 точки технологического процесса. Измерительный блок рассчитан на определение содержаний пяти элементов и величины плотности пульпы. Анализатор работает на байпасном потоке с системой пробоотбора. При опробовании 24 точек цикл измерения составляет 25 мин.

Рентгенофлюоресцентный анализатор ХКА-1600 («Оепуег Аи1оте1пх») способен измерять в твердой фазе флотационной пульпы содержания шести элементов. Анализатор позволяет контролировать от одного до шести потоков, последовательно направляя их в измерительную ячейку.

Главными недостатками перечисленных систем контроля с пробоотбором являются:

• частая блокировка потока пульпы от точки пробоотбора до измерительной кюветы вследствие зарастания труб или забивки щепоотделителя;

• разубоживание отбираемой пробы остатками предыдущей пробы или водой;

• значительная продолжительность цикла измерений.

Анализаторы, осуществляющие непрерывный контроль пульпы непосредственно в контролируемом технологическом потоке, лишены указанных недостатков.

Наиболее известный из зарубежных анализатор Атс1е1-15А («Тпегто-Сатта Ме1псз») предназначен для измерения в руде и продуктах обогащения содержаний элементов с атомной массой более 40. Источником рентгеновского излучения в приборе является изотоп цезий-137 с характерной энергией излучения 662 кэВ. В качестве детектора вторичного излучения используется кремний-литиевый элемент.

К недостаткам прибора следует отнести невысокую точность при измерении малых содержаний металлов, обусловленную малой мощностью изотопного излучателя, и потербность в системе охлаждения, использующей жидкий азот или воздух при расходе охладителя 1 л/сутки.

Повышение эффективности управления флотацией достигается за счет одновременного оперативного контроля параметров твердой и жидкой фаз пульпы и применения методов регулирования, использующих физико-химические модели процесса. Реализация современных алгоритмов управления обеспечивается комбинированными системами контроля и регулирования, например системой автоматического управления процессом флотации РА-931, разработанной ЗАО «Элскорт».

Измерительный блок системы РА-931 состоит из многоканального рентгенофлюоресцентного анализатора, предназначенного для контроля элементного состава твердой фазы пульпы, и электрохимического анализатора состава жидкой фазы пульпы. Благодаря конструктивным особенностям измерительного блока система без затруднений оснащается измерителями расхода, давления и температуры пульпы.

Рентгенофлюоресцентный анализатор определяет элементы от титана до урана. Продолжительность измерения - 15-300 с. Одновременно определяются содержания трех элементов и плотность пульпы. Минимальный предел обнаружения составляет 0,01-0,2 % для пульпы и 0,005-0,1 % для растворов. Стандартное относительное отклонение не превышает 1 %.

Анализатор состава жидкой фазы пульпы представляет собой электрохимический датчик, отделенный от анализируемого потока фильтрующей диафрагмой. Концентрации ионов водорода и серы определяются потенциометрическим или вольтам-перометрическим методом. Специальная система прокачки растворов через внутренние полости электрохимического датчика обеспечивает очистку электродов, калибровку датчиков и регенерацию фильтрующих поверхностей.

Измерения осуществляются непосредственно в технологических потоках без проведения операций пробоотбора и пробоподготовки. Общая структура системы контроля на основе анализатора РА-931 приведена на рис- 7. Зона измерения соответствует конструктивным элементам, формирующим технологический поток (трубе, расширительной емкости и т. п.), и, в частности, располагается непосредственно в продуктопроводах технологической схемы. Укрупнение флотационных секций сделало возможным переход на поточные анализаторы, контролирующие от одной до четырех точек технологического процесса. Поточные анализаторы практически снимают проблему представительности анализа, особенно при правильном расположении прибора в контролируемом технологическом потоке.

. 1
БУСОИ
Процессор АМО К5	ИАЦП 4гЮ34
АЦП рас­ходомер	Сетевой | | адаптер | АЦП э/х блока
Контроль­ный блок

Рисунок 6 – Схема системы автоматического контроля состава твердой и жидкой фаз продуктов обогащения РА-931: 1 — трубопровод; 2 — измерительная зона; 3 — измерительный узел датчика состава твердой фа­зы; 4 - - запорное приспособление; 5 - изме­рительный узел датчика состава жидкой фазы; 6 — расходомер. БУСОИ — блок управления, сбора и обработки информации; ИАЦП — импульсно-аналогово-цифровой преобразователь; АЦП — аналогово-цифровой преобразователь.

На рис. 7 показан вариант размещения поточного анализатора в зумпфе, куда подается основной или байпасный технологический поток. Специальная конструкция зумпфа обеспечивает представительность анализируемой пробы без использования специальных приспособлений.

Рисунок 7 – Схема установки рентгенофлюоресцентного анализатора системы РА-931 в специальном зумпфе: 1 — отсек приема и дегазации; 2 — отсек формирования восходящего потока; 3 — выпускной отсек; 4 — рентгенофлюоресцентный анализатор

На рис. 8 представлены результаты испытаний рентгенофлюоресцентного анализатора системы РА-931 на технологическом продукте переменного состава — хвостах цинковой флотации Учалинской фабрики. Выбор объекта контроля был обусловлен значительной нестабильностью содержаний металлов. Анализ результатов показывает возможность надежного и точного измерения малых концентраций ценных компонентов, что особенно важно для контроля и регулирования операции коллективной флотации.

Рисунок 8 – Результаты сравнительных испытаний анализаторов АР-31 и РА-931 на камерном продукте цинковой флотации на Учалинской ОФ

◊ — результаты химического анализа; □— результаты измерений РА-931; Δ — результаты измерений АР-31

Программное обеспечение системы РА-931 совместимо с операционными системами современных обогатительных фабрик и позволяет реализовать сбор, накопление и обработку информации о состоянии технологического процесса и его автоматическое регулирование. Расширенная номенклатура контролируемых параметров дает возможность использовать современные алгоритмы управления, в том числе основанные на физико-химических моделях. Учет межпараметрических связей позволяет повысить точность расчета балансовых показателей и непосредственно контроля и управления технологическим процессом.

В алгоритмах программного обеспечения используется методика сравнительного анализа балансов, рассчитанных в переопределенной системе, позволяющая не только уточнить данные расчетов, но и выявить анализатор, имеющий большую погрешность измерений и требующий проведения калибровки.

С помощью системы, состоящей из трех анализаторов твердого и расходомеров, осуществляется уточненный балансовый анализ технологических показателей процесса флотации и реализуются алгоритмы экспертного или оптимального управления параметрами флотации (расходами реагентов, воды, уровнем пульпы). Эффективное управление процессом флотации с использованием комбинированных систем контроля параметров пульпы возможно на основе применения оптимизационной программы АВВЕРЮТ, реализованной на автоматизированной флотационной установке ЗАО «Элскорт» (рис. 9).

Рисунок 9 – Принципиальная схема автоматизированной флотационной установки

Сутью разработанного адаптивно-детерминиро­ванного метода управления реагентным режимом флотации (АВВЕРЬОТ) является осуществление автоматического регулирования на двух уровнях. Нижний уровень осуществляет регулирование рас­ходов реагентов на основе контроля ионного со­става жидкой фазы пульпы. Задачей регулирования является поддержание в жидкой фазе пульпы кон­центраций или соотношений концентраций компо­нентов ионного состава (А, В, С), задаваемых урав­нениями типа:

рН = сonst; рS = соnst;

aрS + bрН = соnst; арС + bрН = соnst.

Здесь рS — отрицательный десятичный логарифм концентрации сульфидных ионов; рС — отрица­тельный десятичный логарифм концентрации ионов собирателя.

К примеру, нижний уровень осуществляет регулирование расхода извести с использованием модели

K₁ = рН - 0,79рС

с периодом регулирования T₁.

Принцип работы второго контура регулирования заключается в определении и внесении в функцию-задатчик нижнего уровня значения параметра К₁, при котором обеспечивается наибольшая экономическая эффективность процесса. В качестве критерия экономической эффективности процесса целесообразно использовать функцию потерь ценных компонентов (Q₁), выраженную в виде стоимости теряемых металлов. Для двухкомпонентной руды в упрощенном виде функция выглядит следующим образом:

Q_t=ε^*_Me1Ц_Me1α_Me1+ ε^*_Me2Ц_Me2α_Me2

где ε^*_Me1Ц_Me1α_Me1- соответственно потери, цена и содержание в исходной руде первого металла; ε^*_Me2Ц_Me2α_Me2-то же для второго металла.

Цена металла в концентрате, в свою очередь, является функцией содержания основного металла и примесей (β_Me1), и ее определение не представляет сложности.

Для коллективной медно-цинковой флотации весьма важным параметром является извлечение пирита в коллективный концентрат. С одной стороны, это прямые потери пиритного концентрата, с другой, что более важно, - снижение качества медного и цинкового товарных концентратов или увеличение расходов, связанных с удаление пирита. Критерий оптимизации в этом случае приобретает следующий вид:

Q_t= ε^*_CuЦ_Cuα_Cu+ ε^*_ZnЦ_Znα_Zn+ ε^*_PyЦ_Pyα_Py,

где ε^*_PyЦ_Pyα_Py – соответственно извлечение пирита в коллективный медно-цинковый концентрат, условная цена и содержание его в исходной руде.

Из рисунка 10 видно, что поддержание неоптимального значения рН ведет к росту приведенных потерь металлов, в стоимостном эквиваленте составляющих 0,7 доллара на 1 т перерабатываемой руды.

Для медно-цинкового разделения функции использовалась в преобразованном виде:

Q_t=ε^*_Cu+ε*_Zn(Ц_Znα_Zn/ Ц_Cuα_Cu).

Данная функция представляет собой приведенные с учетом реальной стоимости металлов потери меди и цинка в разноименных концентратах и используется аналогичным образом для определения оптимального значения щелочности пульпы.

Рисунок 10 – Зависимость извлечений меди (1), цинка (2) и пиритного железа (3) в концентрат и критерия оптимизации О, (4) от щелочности пульпы в коллективной флотации.

Таким образом, использование системы автоматического контроля и адаптивно-детерминированного метода регулирования позволяет за счет введения процесса флотации в оптимальных условиях повысить извлечение ценных компонентов на 1 — 2 %, а за счет учета экономических факторов увеличить стоимость извлекаемых компонентов на 2 — 3 %.

Таблица 1 Результаты патентного обзора

№ п/п	Объект изобретения	Особенность изобретения	Страна	Номер авторского свидетельства, патента, класс по МКИ4	Источник информации
1.1	Способы и устройства управления по уровню	Изменение положения разгрузочного шибера по уровню пульпы	Финлян­дия	42302	«Изобретения за рубежом», 1965
1.2	То же	То же	ПНР	66276, B03D 1/14	То же, 1973
1.3	»	Изменение положения пескового шибера по уровню пены	США	3255882, 209-1, B03D 1/00	»
1.4	»	То же	»	3530987, 209-467, ВОЗD 1/00	»
1.5	»	Увеличение периметра слива	СССР	1002019, ВОЗD 1/14	Б. И. № 19, 1983
1.6	»	Совместное изменение сливно­го и пескового шиберов	»	956024, B03D 1/00	Б. И. № 33, 1982
1.7	»	То же, с коррекцией по плот­ности пескового потока пульпы	СССР	1045937, B03D 1/00	Б. И. № 37, 1983
1.8	»	Снабжение двумя заслонками и стабилизирующей пластиной	»	1049108, ВОЗD 1/14	Б. И. № 39, 1983
2.1	»	Управление по уровню пульпы и толщине пенного слоя	США	3474902, 209-11	«Изобретения за рубежом», 1969
2.2	»	Тоже	СССР	258184, ВОЗD 1/14	Б. И. № I, 1970
3.1	»	То же, с коррекцией по цвету пены	»	415051, B03D ½ 1	Б. И. № 5, 1974
3.2	»	Изменение расхода реагента по расчетной толщине пены	Великобритания	1287274, 05D 5/02	«Изобретения за рубежом», 1972
3.3	»	То же	США	762705, ВОЗD 1/00	То же 1960
Продолжение таблицы 1
4.1	»	Управление по плотности двух­фазной пены под минерализованным слоем	СССР	84011, B03D 1/02	Б.И. № 34, 975
4.2	»	Управление по положению минерализованного слоя	СССР	036381, ВОЗD 13/00, B03D 1/02	Б. И. № 81, 983
4.3	»	Управление по содержанию ме­талла на высоте минерализо­ванного слоя	»	036382, 503В 13/00, B03D 1/02	Б. И. № 31, 983
5.1	Регулирование по уров­ню	Изменение расхода реагента по плотности двухфазной пе­ны	»	518232, ВОЗD 1/02	Б. И. № 23, 976
5.2	То же	Управление по расходу пенно­го продукта	США	3471010, 209-1 (НКИ)	«Изобретения за рубежом», 1969
5.3	»	Управление по временным функциям расхода пенного про­дукта	СССР	740284, ВОЗD 1/00	Б. И. № 22, 1980
5.4	»	Управление толщиной слоя пе­ны изменением расхода реагента	»	319347, ВОЗD 1/00	Б. И. № 33, 1971
5.5	»	Управление по расходу твердого и толщине слоя пены	»	290771, ВОЗD 1/14	Б. И. № 3, 1971
6.1	Регулирование по пара­метрам ионного состава	Остаточная концентрация ионов серы	»	199048, ВОЗD 1/14	Б. И. № 15, 1967
6.2	То же	То же	СССР	209345, ВОЗD 1/14	Б. И. № 15, 1968
6.3	»	Разность потенциалов индикаторных электродов	»	443371, ВОЗВ 13/04, G05N 11/13	Б. И. № 34, 1974
6.4	»	Поглотительная способность рудной пульпы	»	341527, ВОЗD 1/00	Б. И. № 19, 1972
6.5	Регулирование по пара­метрам ионного состава	Степень поглощения реагента в пульпе	СССР	403440, B03D 1/00	Б. И. № 43,
Продолжение таблицы 1
6.6	Управление процессом по параметрам ионного состава	Ионный состав пульпы	»	939084, ВОЗВ 13/00	Б. И. № 24, 1982
6.7	То же	Точное значение остаточной концентрации ксантогената за счет обработки пульпы растворимой солью железа или цинка	»	900861, В03D 1/00	Б. И. № 4, 1982
6.8	»	Электрохимический потенциал пульпы в различных точках	»	1063464, B03D 1/00	Б. И. № 48, 1983
6.9	»	Применение трехходового дозатора	СССР	1071319, B03D 1/00	Б. И. № 5, 1984
6.10	»	Электродный потенциал	США	3779265, 137-93, ВОЗD 1/00	«Изобретения за рубежом», 1973
7.1	»	Управление по значению рН	СССР	218983, B03D 1/00	Б. И. № 18, 1968
7.2	»	То же, и по электропроводности	США	3844303, 137-5, 05D 11/02	«Изобретения за рубежом», 1974
7.3	»	То же	СССР	231462, B03D 1/14	Б. И. № 36, 1968
8.1	»	Скачок потенциала	»	593742	Б. И. № 7, 1978
8.2	»	Управление по спаду произ­водной концентрации реагента	»	997814, ВОЗВ 13/00	Б. И №9, 1983
8.3	То же	Управление по приращению по­тенциала	»	984493, ВОЗD 1/00	Б. И. № 48, 1982
8.4	»	Управление по отношению при­ращений индикаторного элек­трода	»	1036389, B03D 1/00	Б. И. № 31, 1983
9.1	Управление по содержа­нию твердого	Содержание полезного компо­нента в исходном питании	»	191869, B03D 1/10	Б. И. № 3, 1967
9.2	То же	Управление по содержанию по­лезного компонента совместно с расходом исходного питания	»	238646, B03D 1/00	Б. И. № 10, 1969
Продолжение таблицы 1
9.3	»	То же	»	770548, ВОЗD 1/00	Б. И. № 38, 1980
9.4	»	Управление по содержанию твердого в пульпе	ФРГ	1129905, B03D 1/00	«Изобретения за рубежом», 1982
9.5	»	То же	Франция	1289899, B03D 1/00	То же, 1980
9.6	»	Управление по содержанию твердой фазы в питании, про­дуктах обогащения	ГДР	68666	Изобретения за рубежом», 1969
9.7	»	То же	СССР	757195, B03D 1/00	Б. И. № 31, 1980
9.8	»	Управление по площади по­верхности твердой фазы	»	893266, B03D 1/14	Б. И. № 48, 1981
9.9	»	То же	СССР	1022741, B03D 1/14	Б. И. № 22, 1983
9.10	»	Управление по массе графита в исходном питании и концен­трате	»	973163, B03D 1/00	Б. И. № 42, 1982
9.11	Управление по содержа­нию твердого	Подача реагента в мельницу	СССР	403425	Б. И. № 43, 1973
9.12	То же	Изменение дисперсности реагента, подаваемого в процесс	»	1066654, ВОЗD 1/00	Б. И. № 2, 1984
9.13	»	Вещественный состав всех продуктов	США	3255881, 209-1	«Изобретения за рубежом», 1966
9.14	»	Содержание нерастворимых шламов	СССР	325036, ВОЗD 1/14	Б. И. № 3, 1972
10.1	Управление по флотируемости	Управление по соотношению флотируемости частиц по операциям	»	1005918, ВОЗD 1/00	Б. И. № 11, 1983
10.2	То же	Изменение распределения циркулирующих потоков по флотируемости	»	1039575, ВОЗD 1/00	Б. И. № 33, 1983
10.3	»	Управление по соотношению флотируемых и депрессируемых частиц	СССР	908398, B03B 13/00	Б. И. № 8, 1982
Продолжение таблицы 1
10.4	»	Управление по обогатимости	»	856565, ВОЗD 1/00	Б. И. № 31, 1981
11.1	Оптимальное управление процессом	Оптимизация с учетом запаздывания	»	252442, B03D 1/00	Б. И. № 29, 1969
11.2	То же	Управление по возмущению на основе качества и расхода исходного питания	»	202021, B03D 1/00	Б. И. № 19, 1967
11.3	»	Комбинированное управление с распознаванием	»	332436, ВОЗD 1/00	Б. И. № 10, 1972
11.4	»	Экстремальное управление	»	387338, ВОЗD 1/00	Б. И. № 27, 1973
11.5	»	Беспоисковое экстремальное регулирование	»	496537, ВОЗD 1/00	Б. И. № 47, 1975
11.6	»	Самонастраивающиеся системы с эталонной моделью	США	3551897, 340-172.5	«Изобретения за рубежом», 1968
11.7	»	Управление по программе в ви­де криволинейных поверхностей	СССР	272212, ВОЗD 1/00	Б. И. № 19, 1970
11.8	»	Управление по экономическим критериям	ПНР	67700, ВОЗD 1/14	«Изобретения за рубежом», 1972
11.9	»	Управление процессом с переменной структурой	СССР	688228, ВОЗВ 13/00	Б. И. № 36, 1979