Автоматизация технологического процесса обогащения марганцевой руды АО «Казмарганец»

9 Введение Существующие системы АСУТП обогатительных фабрик, созданные в 70-х годах, отличались применением современными для этого периода времени средствами автоматизации. Эти системы достаточно динамично развивались, модернизировались и во многом определяли высокие технологические показатели обогатительной фабрики. Однако за последние 10 лет произошла деградация систем автоматизированного управления, связанная с физическим износом средств автоматики из-за недостаточного финансирования, и отсутствием единой политики в области АСУТП. Внедрение локальных проектов на отдельных технологических процессах на базе современных средств автоматизации в 2000–2003 годах не позволило оптимизировать процесс обогащения в целом по обогатительной фабрике. Формирование единой политики в области автоматизации, необходимость увеличения извлечения металлов при постоянных объёмах добычи руды, наличие современных средств автоматизации, позволяющих достаточно просто организовать системы АСУТП, сделали возможным выполнение перехода на качественно новый уровень производства без остановки технологического процесса. Цель внедрения системы автоматизации (СА) процесса обогащения обогатительной фабрики АО «Казмарганец» - повышение технологических показателей работы обогатительного передела. Увеличение извлечения металлов, повышение качества выпускаемых фабрикой концентратов, сокращение удельных затрат нормируемых материалов будет достигнуто за счет эффективного компьютерного управления технологическими процессами, использования современного парка контрольной и измерительной техники. Назначение дипломной работы - проектирование автоматизированной системы управления процессом обогащения марганцевой руды. Объектом проектирования является отделение обогащения и измельчения обогатительной фабрики АО «Казмарганец». Основной целью дипломной работы является вывод о рациональности применения системы автоматизации для оптимизации технологических параметров и стабильного управления технологической линией, с анализом важнейших факторов и закономерностей процесса измельчения. Предлагаемые для реализации технические решения не только позволят достичь стабильно высоких технологических показателей работы фабрики, но и обеспечат качественно новый уровень управления, основанный на современных информационных технологиях. 10 1 Анализ, составляющий процесса обогащения на обогатительной фабрике 1.1 Назначение процесса обогащения Измельчение относится к числу основных технологических процессов обогатительных фабрик. Являясь весьма энергоёмким процессом, формирующим конечные показатели процесса обогащения, измельчение определяет технологические и технико-экономические показатели работы фабрики. От показателей измельчения зависят результаты всей дальнейшей переработки обогащаемого продукта, прежде всего такие, как производительность фабрики, извлечение ценного компонента, содержание его в концентрате, потери в хвостах. Поэтому важное значение приобретает вопрос оптимальных режимов работы измельчительных агрегатов. Задача обогащения руды как подготовительной операции состоит в обеспечении наиболее полного раскрытия поверхности зерен извлекаемых минералов. Основное технологическое оборудование процесса обогащения составляют мельницы (шаровые и стержневые) и классифицирующие аппараты (спиральные классификаторы и гидроциклоны). В зависимости от конкретных условий переработки руды мельницы могут работать либо в открытом цикле (без возврата песковой фракции в мельницу), либо в замкнутом цикле с классификатором (с возвратом песков классификатора в мельницу). Возможна также схема полузамкнутого цикла, когда в мельницу возвращается только часть песковой фракции. Так как на флотационных обогатительных фабриках преобладает мокрое измельчение, среда (пульпа), в которой протекает технологический процесс, является двухфазной. Пульпой называется смесь минеральных частиц и воды, в которой твёрдые частицы находятся во взвешенном состоянии и равномерно распределены в объёме воды. Взвешивание минеральных частиц в воде достигается перемешиванием пульпы или движением её с достаточной скоростью. Чем крупнее частицы, тем легче пульпа расслаивается. Равномерно перемешенная пульпа обладает многими свойствами жидкости более тяжёлой, чем вода. Состав пульпы характеризуется следующими показателями: содержанием твёрдого в пульпе по массе, т.е. отношением массы твёрдого вещества к массе всей пульпы, в которой заключается это количество твёрдого; разжижением, т.е. отношением массы жидкого к массе твёрдого в некотором количестве пульпы; плотностью пульпы при известной плотности твёрдого. Наличие жидкой фазы усложняет механизм явлений, происходящих при измельчении, приводит к необходимости учёта гидростатических и гидродинамических закономерностей. Входные воздействия процесса измельчения включают расход руды и воды в мельницу, гранулометрический состав и твёрдость руды. При работе 11 мельницы в замкнутом цикле с классификатором указанные выше параметры дополняются циркулирующей нагрузкой и расходом воды в слив мельницы и пески и классификатора. Последний параметр часто объединяют с расходом воды в мельницу и рассматривают как единое входное воздействие: общий расход воды в мельницу. Показателями процесса измельчения обычно служат гранулометрический состав и плотность продукта измельчения (при работе мельницы в открытом цикле продуктом измельчения является слив мельницы, а при работе в замкнутом цикле – слив классификатора), производительность по материалу заданной крупности. Объектом для автоматизации является отделение обогащения главного корпуса №3, схема цепей и аппаратов цикла обогащения представлена на рисунке 1.1. 1 – подбункерный конвейер; 2 – питающий конвейер; 3 – мельница; 4 – классификатор; 5 – отсадочная машина; 6 – насос; 7 – электродвигатель Рисунок 1.1 Схема цепей и аппаратов цикла обогащения Цикл обогащения на обогатительной фабрике представлен следующими основными аппаратами: - мельница МШР 2,7 х 3,6, производительностью – 35 тн /час; - классификатор - 1КСН 2,5; - отсадочная машина МОД-2М, 2 камеры производительностью 25 т/ч. 12 Рассмотрим технологию измельчения и классификации для выявления существенных факторов разработки системы автоматизации. 1.2 Анализ важнейших факторов обогащения Для управления процессом обогащения материала в шаровой мельнице и подбора условий наивыгоднейшей её работы необходимо знать, как протекает данный процесс во времени, т.е. знать его кинетику. [1] Исходный материал, подлежащий обогащения, может состоять либо исключительно из зерен крупного класса, либо из смеси крупного класса и готового продукта. Если при работе шаровой мельницы периодического действия будем отбирать через определённые интервалы времени пробы обогащенного материала, определять в них массу крупного класса и результаты представлять в виде графика, то получим кривые, изображающие зависимость массы Q остатков крупного класса от продолжительности обогащения t, в соответствии с рисунком 1.2. 102,5 5Время измельчения, минСуммарный остаток крупного класса, %7,5 12,5 15+0,074мм+0,1мм+0,15мм+0,21мм+0,29мм+0,41мм20 30 352030405060708090100 Рисунок 1.2 Зависимость массы крупного класса в разгрузке мельницы от времени измельчения Эти графики показывают закономерное уменьшение количества крупного класса в обогащенном материале и имеют общую для всех руд форму 13 гиперболической кривой, что указывает на существование устойчивой связи между количеством недообогащенного материала и временем обогащения. Вид кривых зависит от свойств обогащенного материала и условий обогащения. Можно предположить, что скорость измельчения (скорость убывания крупного класса) пропорциональна массе недоизмельчённого крупного класса, находящегося в данный момент в мельнице. На основании такого определения имеем зависимость kQdtdQ, (1.1) где Q – масса остатка крупного класса в момент t; t – продолжительность измельчения; k - постоянный коэффициент, зависящий от условий измельчения. Одним из важных управляющих воздействий, при помощи которого может изменяться крупность продукта на выходе мельницы, является расход воды в мельницу. Густая пульпа (с большим содержанием твёрдого) проходит через мельницу медленнее, чем жидкая. Поэтому при малом расходе воды руда дольше находится под ударным и истирающим воздействием шаров, и готовый продукт получается более тонким. Наоборот, при разжижении пульпы содержание мелких классов в разгрузке мельницы начинает падать. Рассмотрим работу шаровой мельницы в замкнутом цикле с классификатором. Работа мельницы в замкнутом цикле характеризуется отбором продукта назначенной крупности и возвращением крупного продукта в ту же мельницу (циркулирующая нагрузка). Измельченный в мельнице материал поступает на отсадочную машину, для более эффективной работы классификатора. Отсадка – гравитационный процесс разделения смеси минеральных частиц по плотности в разделяющей среде, разрыхляемой действием вертикального пульсирующего потока воды. Разделяющей средой в процессе отсадки служит постель материала на решете отсадочной машины. Далее материал подаётся в классификацию (механический классификатор), где делиться на готовый мелкий продукт (слив) и на крупный продукт (пески), возвращаемый как избыточное зерно в мельницу для доизмельчения. Пески непрерывно циркулируют из классификатора в мельницу и обратно и выходят из цикла только после измельчения до требуемой крупности. Они проходят через мельницу многократно и при установившемся режиме замкнутого цикла количество их стабилизируется. Установившееся количество оборотных песков называется циркулирующей нагрузкой, которая может выражается относительной величиной С - отношением маccы песков к массе готового продукта (твёрдого в сливе классификатора), равной массе исходного материала: 14 QSC , (1.2) где С – отношение маccы песков к массе готового продукта; S – масса оборотных песков; Q - масса готового продукта. Чем больше циркулирующая нагрузка, тем меньшую долю составляет в ней готовый продукт при одной и той же эффективности классификации. Одной из главных особенностей измельчительного агрегата является экстремальная связь между производительностью мельницы по готовому классу и циркуляционной нагрузкой, в соответствии с рисунком 1.3. [2] gгgц gг - производительность мельницы по готовому классу; gц - циркуляционная нагрузка Рисунок 1.3 Связь между производительностью и циркуляционной нагрузкой Так как производительность мельницы прямо пропорциональна содержанию в ней крупного класса, технологическое значение циркулирующей нагрузки заключается в том, что она позволяет увеличить содержание крупного продукта в мельнице. При работе в замкнутом цикле производительность мельницы повышается без дополнительной затраты энергии, что на первый взгляд кажется необъяснимым. В действительности, при работе мельницы в замкнутом цикле уменьшается переизмельчение материала, готовый продукт, оставаясь кондиционным по размеру максимального предельного зерна, в среднем получается крупнее, средний диаметр его увеличивается, а удельная поверхность уменьшается. Полезна только та часть циркулирующей нагрузки, которая представлена крупным классом зерен, так как именно эти зерна подлежат измельчению и дают вновь образованный готовый продукт. 15 Добавка крупной части циркулирующей нагрузки к исходному материалу увеличивает количество комбинированной загрузки в мельницу, повышает скорость прохождения материала, сокращая, таким образом, продолжительность измельчения и уменьшая переизмельчение материала, что способствует повышению содержания крупного класса в материале, находящемся в мельнице, и увеличению её производительности. Добавка готового продукта к комбинированной загрузке мельницы, вследствии несовершенства классификации, хотя и увеличивает скорость прохождения материала через мельницу, в целом отрицательно влияет на работу мельницы. Проходя повторно через мельницу, готовый продукт переизмельчается, поглощая бесполезно энергию и затрудняя дальнейшие операции его обогащения. Повышение средней крупности руды, поступающей в мельницу, или увеличение твёрдости приводит к росту циркулирующей нагрузки, что при неизменной величине исходного питания мельницы рудой приводит к её переполнению. В случае понижения средней крупности и твердости циркулирующая нагрузка снизится и при неизменном питании мельницы рудой резерв производительности её не будет использован. Основным показателем процесса классификации принято считать средний диаметр твёрдых частиц, выделяемых в слив. Этот показатель зависит от плотности пульпы в сливе; чем больше плотность слива, тем больше количество крупных частиц уходит вместе со сливом, т.е. возрастает средний диаметр твёрдых частиц. Работа классификатора регулируется количеством подаваемой воды, в зависимости от чего меняется плотность пульпы на сливе классификатора. Любое увеличение эффективности классификации даёт экономию в расходе энергии на измельчение благодаря уменьшению количества переизмельчаемого материала и позволяет использовать большую часть энергии, необходимой для вращения барабана мельницы, для измельчения некондиционных крупных зерен. Следует учитывать, что изменение количества песков приводит к дополнительному переходному процессу, вызванному изменением плотности слива в зависимости от количества и гранулометрического состава поступающей в классификатор пульпы. На рисунке видно, что измельчительный агрегат, работающий в замкнутом цикле с классификатором, имеет сравнительно сложную передаточную функцию, которую можно получить путём структурных преобразований замкнутой схемы измельчительного цикла. Рассмотрим переходной процесс шаровой мельницы, происходящий при подаче воды в классификатор, в соответствии с рисунком 1.4. [3] 16 15 30 45 60 75 90 150 120 T, минT, мин1400160018000Gв Gв – количество подаваемой в классификатор воды;  - плотность пульпы Рисунок 1.4 Переходной процесс по каналу: количество подаваемой в классификатор воды – плотность пульпы Характер кривой изменения плотности можно объяснить следующим образом: при увеличении подачи воды происходит кратковременное снижение плотности пульпы вследствие её разжижения. В это же время начинается процесс увеличения циркуляционной нагрузки и медленное увеличение плотности. Переходной процесс длится более часа. Колебания плотности слива классификатора в значительной мере сказываются на изменении величины циркулирующей нагрузки классификатора. Экспериментально установлено, что изменение плотности слива классификатора на 1% вызывает изменение количества циркулирующих песков до 30%. Становится ясным, какое важное значение приобретает вопрос автоматического поддержания на заданном уровне величины плотности слива классификатора. 1.3 Статистическое моделирование процесса измельчения Эффективное управление процессом измельчения с использованием вычислительной техники автоматизированных систем требует знания математической модели этого процесса, а наличие большого числа 17 возмущающих воздействий на него позволяет применять лишь статистическое моделирование. [4] Математическое описание технологических объектов автоматизации принципиально возможно детерминистическим и статистическим способами. При детерминистическом способе математическая модель составляется на основании имеющейся теории процесса, т.е. точного знания физико-химических, энергетических и эксплуатационных свойств объекта. Однако получение этим способом модели, которая связывала бы все управляющие и возмущающие воздействия и давала количественную оценку влияния отдельных параметров процесса на его результат, чрезвычайно затруднительно. Другой метод - статический - позволяет выявить закономерность воздействия одних параметров процесса на другие на основании большого статического материала, собранного в процессе длительной промышленной эксплуатации агрегата (пассивный эксперимент), либо благодаря специально спланированному эксперименту, позволяющему при минимальном количестве воздействий на агрегат выяснить интересующие закономерности (активный эксперимент). Экспериментальное исследование сложных объектов, не позволяющих осуществлять многократные воздействия и требующих больших материальных затрат на проведение опытов, обусловили разработку методов, которые позволяли бы не только обрабатывать экспериментальные данные, но и наилучшим образом организовывать эксперимент. Математический аппарат, используемый при такой организации эксперимента, базируется на композиции методов математической статистики и методов решения экстремальных задач. В настоящее время можно выделить два основных направления в математической теории планирования экспериментов: планирование экстремальных экспериментов и планирование экспериментов по выяснению механизма явлений или получению математического описания процесса. Экстремальные эксперименты можно планировать, зная переменные факторы, наиболее сильно влияющие на процесс. При этом прежде необходимо провести эксперименты по выяснению взаимосвязи факторов с параметрами оптимизации. Так как результаты наблюдений - величина случайная, а процессы стационарные, то связь средних значений исследуемых величин с контролируемыми переменными может быть описана некоторой функцией:  ,XXYE (1.3) где E(Y/X) – среднее значение исследуемой величины Y при значениях контролируемых переменных X, определяемых координатами вектора X;