CC BY
53
УДК 622.7:519.711.2
В.В. Бирюков1, В.Ф. Скороходов1, Р.М. Никитин1, А.Г. Олейник2
1 Горный институт КНЦ РАН
2 Институт информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского НЦ РАН
ФОРМИРОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПЕРЕРАБОТКИ РЕДКОЗЕМЕЛЬНОГО МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА*
Аннотация
Необходимость вовлечения в переработку редкоземельного минерального сырья с низким содержанием полезных компонентов требует совершенствования технологий его переработки. Задача оценки эффективности технологических схем переработки является многокритериальной и сложной. При ее решении необходимо комплексно учитывать технологические, экономические и экологические критерии эффективности. В результате применения методов системного анализа установлено, что модель, адекватную многокритериальной задаче определения эффективной технологической схемы целесообразно строить на основе структурных блоков, соответствующих этапам и режимам функционирования системы.
Ключевые слова:
технологическая схема, системный анализ, критерий оптимальности, уровень декомпозиции модели, эмерджентность, структурная и параметрическая оптимизация, стадии обогащения полезных ископаемых.
V.V. Birukov, V.F. Skorokhodov, R.M. Nikitin, А-G. Oleynik
CREATION OF THE FLOW CHART MODELS FOR RARE-METAL MINERAL RAW MATERIAL PROCESSING USING SYSTEM ANALYSIS METHODS
Abstract
The need to involve rare-metal mineral raw materials with a low content of useful components in processing requires the improvement of processing technologies. The task to assess the efficiency of a technological processing flow charts is multi-criteria and complex. It is necessary to consider comprehensively the technological, economic and environmental criteria of efficiency when solving the task. The system analysis methods application has made it possible to establish that it is reasonable to build a model adequate to the multi-criteria task of determining the efficient flow chart on the basis of structural blocks corresponding to the stages and modes of the system functioning.
Keywords:
technological flowchart, system analysis, criterion of optimality, level of model decomposition, structural and parametric optimization, mineral processing stages.
Россия располагает уникальной ресурсной базой для создания современных производств в сфере добычи, переработки и последующего применения редкоземельных элементов. Эффективное использование этой базы позволит наилучшим образом сочетать природно-ресурсный потенциал страны и
* Работа выполнена в рамках Соглашения с Российским научным фондом № 14-17-00761.
настоятельную потребность в модернизации экономики и переводе ее на инновационный путь развития.
Характерной особенностью как эксплуатируемых в настоящее время, так и новых месторождений титанового и редкоземельного сырья в России является его сложный многокомпонентный состав. Это предопределяет необходимость его комплексной переработки с получением ниобия, тантала, ванадия, титана, редкоземельных элементов (РЗЭ) и их соединений. В современных условиях эффективность использования природных ресурсов в России в целом уступает зарубежному опыту, где удельный расход природных ресурсов на единицу валового внутреннего продукта ниже российского в 2-3 раза. С другой стороны, очевидно, что существенные различия в составе традиционного и нового сырья с меньшими концентрациями полезных компонентов в последнем делают использование мирового опыта для переработки нетрадиционного сырья в России малоэффективным. Такая ситуация обостряется ввиду сложившихся политических и экономических взаимоотношений стран - лидеров производства редкоземельных и редкометальных элементов, которые являются основой современной металлургии и наукоемких отраслей промышленности. Таким образом определяется стратегическая необходимость поддержки и дальнейшего развития предприятий горнодобывающей отрасли России, специализирующихся на производстве редкоземельных и редкометальных элементов.
Значимым игроком внутреннего рынка редкоземельных и редко-метальных элементов является ООО Ловозерский ГОК. Утвержденные запасы лопаритовых руд Ловозерского месторождения согласно ГКЗ - 17 млн. тонн; годовая добыча - 0,5 млн. тонн; обеспеченность балансовыми запасами - не менее 30 лет. Технология их гравитационного обогащения традиционно основана на последовательном сокращении крупности. Существующая контрастность в значениях плотности и магнитной восприимчивости минеральных компонентов лопаритовых руд предопределяет возможность использования в технологической схеме переработки комбинированных процессов разделения, включающих в себя гравитационные, магнитные, электрические и флотационные методы обогащения, которые реализуются соответственно в потоках малой толщины и при использовании полей высокой напряженности. Результатом переработки лопаритовых руд является лопари-товый концентрат, удовлетворяющий ТУ 1763-001-71899056-2005.
При этом производство концентрата по существующей технологии в значительной мере зависит от особенностей рудного сырья, которое характеризуется невысоким содержанием полезных компонентов - 180 г/т Та205, 2,4 кг/т №205 и ~10 кг/т ТЯ20э, среди которых преобладают цериевые лантаноиды и лишь 2,3% - иттриевые. Также обращает на себя внимание, что в хвостах Ловозерского ГОК содержится недоизвлеченный (до 50^70%) лопарит, включающий Та, ТЯ, Ть С учетом приведенных показателей, в сравнении с мировыми производителями, уровень конкурентоспособности Ловозерского ГОКа на сегодняшний день весьма низок, что определят задачу оптимизации его существующей технологической цепи.
Для решения этой задачи авторы предлагают использовать положения и методы системного анализа с целью моделирования топологий технологических схем переработки редкоземельного минерального сырья, позволяющего выявлять критерии их оптимальности. Эффективным инструментом названного подхода являются автоматизированные системы информационной поддержки синтеза оптимальных (с точки зрения заданного критерия) схем и циклов процессов обогащения. Тем самым данная работа является логическим продолжением и развитием представлений о проблеме оптимизации горнорудных производств, представленных в работах российских и зарубежных авторов [1, 2, 3].
Обобщенная структура разделения минерального сырья представляется в виде процесса преобразования исходного сырья в продукты разделения с потреблением определенных технологических ресурсов и отражается в концептуальной модели процессов обогащения. Каждый из объектов обогатительного процесса обладает набором качественных и количественных характеристик, которые могут быть представлены в концептуальной модели как атрибуты соответствующих информационных объектов. Использование концептуальной модели обосновано возможностью реализации в ней достаточно глубокой декомпозиции, вплоть до концептуального описания конкретных процессов и ресурсов. Описание характеристик в этой модели носит декларативный характер, а их конкретные значения заносятся в соответствующие базы данных.
Сегодня существуют обширные базы данных обогатительного оборудования, разработанного как в России, так и за рубежом, содержащие исчерпывающую информацию о используемых в оборудовании методах разделения, типах, возможностях и эксплуатационных характеристиках оборудования. Системный подход к формированию оптимальной технологической цепи переработки рудного сырья основывается на выборе необходимого обогатительного оборудования, представленного в названных базах данных, и на разработке топологии технологической схемы.
При системном подходе объект исследования рассматривается как система, которую можно определить комплексом элементов, объединенных связями и взаимодействующих между собой так, чтобы могла реализоваться ее функция. Представление сложного технологического объекта, такого как горно-перерабатывающее производство, как системы, предполагает использование ряда категорий, среди которых основными являются структурное представление, связанное с выделением элементов системы и связей между ними, и функциональное представление системы с выделением совокупности ее функций и ее компонентов. С учетом того, что реальный объект обладает бесконечным набором свойств различной природы, система как образ объекта задается на конечном множестве отобранных для наблюдения свойств, присущих образующим ее структуру компонентам. Под структурой системы понимается устойчивое множество отношений, которое сохраняется длительное время неизменным, по крайней мере, в течение интервала наблюдения. Структура системы определяет заданный уровень сложности по составу отношений на множестве элементов системы или, что эквивалентно, уровень разнообразий проявлений объекта.
Методы разделения минерального сырья основаны на контрастности физических и физико-химических свойств минералов. Технологические схемы переработки представляют ряд последовательных и циклических подготовительных, основных и вспомогательных операций, набор которых зависит от состава руд, вторичного сырья и содержания в них полезных компонентов. Однако, активная добыча полезных ископаемых приводит к изменению качества руд и повышению затрат на их добычу и переработку, что влечет снижение технологических показателей обогащения. Таким образом для всех без исключения предприятий горнопромышленного комплекса неизбежно приходит время модернизации и реконструкции с целью обеспечения своей конкурентоспособности.
Разработка технологических схем переработки полезных ископаемых требует научно обоснованного методического подхода. Основным источником получения необходимой для его развития и применения информации традиционно является физическое моделирование последовательных технологических операций, со значительными ограничениями возможностей учета переходных процессов работы и взаимосвязей оборудования, а также изменения вещественного состава минерального сырья. Исследования по разработке технологий переработки минерального сырья на основе физического моделирования являются трудоемким, затратным и долговременным процессом, что обуславливает их низкую эффективность. В этой связи актуализируется возможность использования в исследовательских целях методов математического моделирования, что приводит к необходимости внедрения информационных технологий в процессы решения инжиниринговых задач проектирования обогатительного оборудования и разработки технологических схем переработки полезных ископаемых.
Применение информационных технологий при решении инжиниринговых задач оптимизации процессов переработки полезных ископаемых подразумевает проведение исследований по нескольким направлениям, таким как:
- аккумулирование в специализированных базах данных накопленной в ходе многолетних исследований информации о геолого-минералогическом составе рудного сырья, а также физических, химических и физико-химических свойствах минералов, входящих в его состав;
- создание специализированных баз знаний, содержащих информацию о методах переработки минерального сырья с известными физическими, химическими и физико-химическими свойствами;
- совершенствование технологического оборудования и разработка разделительных аппаратов с использованием CAD-CAM-CAE комплексов, позволяющих в рамках единой программной среды совместить средства автоматизированного проектирования со средствами компьютерного моделирования физических процессов;
- разработка моделей и создание автоматизированных систем управления технологическими аппаратами и технологическими цепями переработки минерального сырья;
- имитационное моделирование технологических цепей обогатительных производств с целью определения наиболее эффективных режимов реализации производственных процессов.
Базовыми целями инжиниринга являются разработка, улучшение и реализация технологических, организационных и финансово-экономических моделей технических систем и объектов, что достигается посредством, в том числе, системного анализа при изучении различных явления абстрагировано от их природы, на основе формальных взаимосвязей между различными составляющими их факторами и характера их изменения под влиянием внешних условий. Интенсификация процессов (Process Intensification), как составляющая инжиниринга, подразумевает использование нового оборудования и методик, благодаря которым можно создавать экологически безопасные и энергетически эффективные производства, а также обеспечить рост производительности труда, снижение энергозатрат, потерь и количества побочных продуктов производства. Вопросы применения инжиниринговых подходов в теории обогащения полезных ископаемых достаточно широко освещены в работах представителей российской и американской науки [4, 5, 6, 7].
Осуществление параметрической оптимизации системы, заключающейся в расчете оптимальных технологических параметров исследуемого объекта (выходы, содержания, извлечения полезных компонентов руд) позволяет обосновать использование технологических критериев эффективности функционирования единиц оборудования технологических цепей как элементов структурной схемы (рис. 1), по которым производится оценка соответствия функционирования желаемому результату (цели).
Исходный материал а,%; у=100%; Q^/ч
Вход Пр оцесс или Выход -^ операция -
>
Обогатительная операция
вк,%; у,% Рх,%; 100-y%
Концентрат Бк,%; ^т/ч
Хвосты
Q-P^/ч
Рис. 1. Входные и выходные параметры разделительного процесса а - содержание полезного компонента в питании; вк - содержание полезного компонента в концентрате; вх - содержание компонента в хвостах; ек - извлечение полезного компонента в концентрат
К показателям эффективности функционирования единиц обогатительного оборудования (которые всегда следует рассматривать комплексно ввиду их неуниверсальности и объективной необходимости в их взаимодополнении) в теории обогатительных процессов относятся: кривые обогатимости, сепара-ционные характеристики, кривые селективности.
В качестве критериев эффективности используются различные эмпирические зависимости, каждая из которых по своей сути является характеристикой влияния качества на эффективность:
Е = ^—- — критерий Хепкера, Маджумдара, Баюла, Волоскова;
Е = ТЁ^-_—2 _ критерий Стивенса, Коллинза;
Е = 1 — Е = у(а/?2 + &/5 + с) - критерии Барского
Очевидно, что выбор технологических критериев разделения определяется экономическими соображениями - сопоставлением ценности извлекаемого компонента с себестоимостью процесса обогащения или ростом ценности концентрата с улучшением его качества.
Из определения «системы» следует, что главным ее свойством является целостность, единство, достигаемое посредством определенных взаимосвязей и взаимодействий ее элементов и проявляющееся в возникновении новых свойств, которыми в отдельности они не обладают. Это свойство эмерджентности -степени несводимости свойств системы к свойствам элементов, из которых она состоит.
Технологическая цепь представляет собой последовательный набор обогатительных аппаратов, в которых осуществляются два типа процессов -сокращение крупности исходной руды и разделение минерального сырья на основе контрастности тех или иных физических и физико-химических свойств. Под структурой системы (технологической цепи) понимаются устойчивые отношения (связи), которые сохраняются внутренне неизменными при ее функционировании.
Связь - одно из фундаментальных понятий в системном подходе. Система существует именно благодаря наличию прямых и обратных связей между ее элементами, которые выражают правила функционирования системы.
В контексте рассмотрения технологической цепи как системы прямые связи определяют передачу массы вещества и энергии от одного элемента к другому в направлении основного процесса. Обратные связи отражают изменение состояния системы в результате управляющего воздействия на нее.
Схемы обогащения минерального сырья классифицируются на основе признаков, к которым можно отнести:
1. Число используемых методов обогащения (монометодные и поли-методные схемы).
2. Число используемых в каждом методе процессов.
3. Количество и виды циклов, в которых выделяются минералы одного состава, либо минералы с близкими по значению разделительными признаками.
4. Число используемых в каждом процессе операций (основной, контрольной, перечистной). В основных операциях производится выделение основной массы ценных минералов в обогащенный продукт с получением чернового концентрата или хвостов. Для окончательного вывода ценных минералов из хвостов основной операции применяют операции контрольного обогащения, а для повышения качества обогащенного продукта - перечистки чернового концентрата.
Многостадиальные схемы применяют при обогащении тонковкрап-ленной руды и руд неравномерной вкрапленности. Число используемых стадий изменения крупности полезного ископаемого зависит от крупности минералов и размера вкрапленности ценных минералов в пустой породе. Каждая стадия содержит набор аппаратов для сокращения крупности и классификации по крупности, и сепарации. Окончательный выбор схемы переработки полезного ископаемого основывается на знании вещественного состава, определении методов (метода) процессов, операций обогащения, определении стадийности и числа циклов в технологической схеме, знании производительности проектируемой фабрики, технико-экономических условий региона, и ценности добываемого компонента.
Таким образом структурная оптимизация исследуемой системы - выбор оптимальной структуры проектируемого объекта и технологического процесса. Структура играет основную роль в формировании новых свойств системы, отличных от свойств ее элементов, в поддержании целостности и устойчивости ее свойств по отношению к изменению ее элементов в некоторых пределах. Однако, структурная схема, это еще не модель структуры, поскольку она практически не поддается формализации и является скорее инструментом перехода от содержательного к математическому описанию системы, чем инструментом анализа и синтеза структуры.
Поэтому изучение любой системы предполагает прежде создание ее модели, позволяющей произвести анализ и прогнозировать ее поведение в определенном диапазоне условий, решать задачи анализа и синтеза реальной системы. Важно, что степень адекватности модели определяется уровнем ее абстракции в том смысле, что модель, это описание системы, отражающее лишь определенную группу ее свойств, существенных в рамках, решаемых с помощью данной модели задач. При моделировании технологических схем определение существенных свойств базируется на трех отправных точках зрения: функциональной, морфологической и информационной. Особое место при выборе способа моделирования занимает построение математической модели - процесс установления соответствия данному реальному объекту некоторого математического объекта. Для исследования характеристик любой системы математическими методами, включая машинные, ее формализация обязательна. Для технологического процесса математическая модель, как правило, формируется в виде совокупности выявленных эмпирических закономерностей и фундаментальных законов, описываемых дифференциальными уравнениями. Вид
математической модели зависит как от природы реального объекта, так и от задач исследования, требуемой достоверности и точности решения задачи.
Любая математическая модель, как и всякая другая, описывает реальный объект с некоторой степенью приближения. Формирование структуры модели является частью решения общей задачи формального описания системы. Структура характеризует общую конфигурацию системы, а не определяет систему в целом. Если изобразить систему как совокупность блоков, осуществляющих некоторые функциональные преобразования, и связей между ними, то получим структурную схему, в обобщенном виде описывающую структуру системы.
Применение принципа блочного строения облегчает разработку моделей структурно сложных систем из блоков с минимальными связями между ними. Выделение таких блоков производится с учетом разделения модели по этапам и режимам функционирования системы. Членение на блоки, - декомпозиция, может осуществляться исходя из требуемой степени детализации описания структуры, наглядности отображения в ней особенностей процессов функционирования.
Системные исследования при решении проблемы разработки оптимальной топологии технологической схемы переработки комплексных руд сводится к созданию математической модели, имитирующей технологическую цепь аппаратов, и позволяющей оптимизировать ее на основании априорно выбранных экономических, физических, технологических и экологических критериев.
Выбор критериев оптимальности определяет необходимую глубину декомпозиции схемы. Так, к примеру, выбирая в качестве структурного элемента технологический аппарат, возможно использование только термодинамических, кинетических и статистических критериев разделения полезного компонента и породы. При этом использование экономических и экологических критериев невозможно исходя из принципа эмерджентности.
Переработка любого минерального сырья сводится к операциям сокращения его крупности, при котором происходит раскрытие минеральных зерен полезных компонентов, и операциям разделения по физическому или физико-химическому свойству.
Экономические критерии оптимальности построены по принципу максимизации прибыли, или минимизации себестоимость единицы готовой продукции. Таким образом, принимая в качестве основного критерия функционирования системы при статической постановке задачи минимум приведенных затрат на производство определенного количества готовой товарной продукции его использование становится невозможным для конкретных аппаратов технологической цепи.
Проводя анализ существующих технологических цепей предприятий обогащения полезных ископаемых можно выделить два основных способа их построения: цикличность и стадиальность. Технологическая цепь переработки минерального сырья может быть сведена к набору последовательно функционирующих стадий обогащения. Переход от одной стадии к другой сопровождается сокращением крупности перерабатываемого материала, классификацией по крупности и разделением по физическому или физико-химическому признаку. Использование циклов и стадий в качестве элементов
декомпозиции позволяет одновременно применять как технологические, так и экономические критерии оптимальности функционирования и осуществлять функциональную (по функциям), компонентную (по виду элементов) и структурную (по виду отношений между элементами) декомпозицию системы.
Глубина декомпозиции технологической цепи до стадий сокращения крупности позволяет достичь требуемого уровня детализации описания системы и использовать накопленные базы данных традиционных схем переработки минерального сырья, режимов обогащения и количества перечистных операций.
Последовательная декомпозиция системы в глубину привела к такой иерархии подсистем, нижним уровнем которой является структурный элемент -стадия сокращения крупности руды. Структурный элемент имеет один вход и три выхода (рис. 2).
Классификация по крупности
1+
Дробилка или мельница
Разделение по физическому свойству
Хвост
Пром Концентрат продукт
Классификация по крупности
.1+
Дробилка или мельница
Разделение по физическому свойству
Хвост
Пром Концентрат продукт
I
Стадия - структурный элемент технологической схемы
Ч I г
Рис. 2. Структурный элемент декомпозиции технологической схемы
Входы и выходы структурных элементов в технологической схеме соединены материальными потоками. Подобное построение технологической схемы в виде последовательно и параллельно соединенных стадий позволяет выработать единые для всех элементов качественные и количественные технические, технологические и экономические характеристики. На основе определенного закона функционирования могут быть получены выходные характеристики с учетом различных факторов. Так, например, используя в качестве одного из критериев эффективности - энергоэффективность, технологическая схема переработки железистых кварцитов может быть построена в
виде последовательных стадий сокращения крупности руды с выводом в каждой стадии как отвальных хвостов, так и, по мере возможности, товарного концентрата, что приводит к уменьшению циркуляционных нагрузок на мельницы и повышению эффективности раскрытия сростковых фракций руды (рис. 3).
Кроме того, подобное построение технологической схемы позволяет оптимизировать на основании критериев эффективности отдельных операций, внутреннее аппаратурное оформление структурного элемента - стадии сокращения крупности.
Исходная руда
--------------Ф-—------
Измельчение
I стадия
Т
Магнитная сепарация
Г
Тонкое грохочение
1
Г
МГ - сепарация
1
Товарный концентрат
Отвальные хвосты
На следующую стадию
...А.....
Л"
II стадия
I
Товарный концентрат
ч-
Отвальные хвосты
Измельчение
I
Магнитная сепарация
Г
Тонкое грохочение
Отвальные хвосты
МГ - сепарация
Товарный концентрат
Отвальные хвосты
с
п
стадий
<
п+1 стадия
Рис. 3. Перспективная технологическая схема переработки железистых кварцитов
Литература
1. Гершенкоп, А.Ш., Олейник А.Г., Скороходов В.Ф. и др. Автоматизированная система синтеза оптимальных схем и циклов процессов обогащения /А.Ш. Гершенкоп, А.Г. Олейник, В.Ф. Скороходов и др. // Имитационное моделирование в исследованиях проблем регионального развития. -Апатиты: КНЦ РАН, 1999. - С.101-107.
2. Гейн, К., Сарсон, Т. Структурный системный анализ: средства и методы /К. Гейн, Т. Сарсон. - М.: Эйтекс, 1992. -274 с.
3. Гершенкоп, А.Ш., Олейник, А.Г., Фридман, А.Я. Концептуальное моделирование процессов обогащения минерального сырья / А.Ш. Гершенкоп, А.Г. Олейник, А.Я. Фридман // Теоретические и прикладные модели информатизации региона. -Апатиты, 2000. - С.89-93.
4. Козин, В.З. Исследование руд на обогатимость: учебное пособие / В.З. Козин // Уральский гос. горный ун-т. - Екатеринбург, УГГУ, 2008. - 306 с.
5. Барский, Л.А. Системный анализ в обогащении полезных ископаемых /Л.А. Барский. - М.: Недра, 1978. - 476 с.
6. Барский, Л.А., Плаксин, И.Н. Критерии оптимизации разделительных процессов / Л.А. Барский, И.Н. Плаксин. - Наука: Москва, 1967. -116 с.
7. King, C. A model for the quantitative estimation of mineral liberation from mineralogical texture / C. King // Inter. Journ. of Miner. Process. -1979, №6. -P.207-208.
8. Опалев, А.С., Щербаков, А.В. Разработка и внедрение инновационной энергосберегающей технологии обогащения железистых кварцитов на АО «ОЛКОН» А.С. Опалев, А.В. Щербаков // Инновационные технологии обогащения минерального сырья: материалы научно - техн. конф. г. Екатеринбург, 2 -4 декабря, 2015. -С.20-27.
Сведения об авторах
Бирюков Валерий Валентинович - научный сотрудник, e-mail: birukovval@rambler.ru Valeri V. Birukov - researcher
Скороходов Владимир Федорович - д.т.н., старший научный сотрудник, е-mail: skorohodov@goi.kolasc.net.ru
Vladimir F. Skorokhodov - Dr. Sci. (Tech.), a senior researcher
Никитин Роман Михайлович - научный сотрудник, е-mail: remnik@vandex.ru Roman M. Nikitin - researcher
Олейник Андрей Григорьевич - д.т.н., врио директора института, e-mail: olevnik@iimm.ru
Andrey G. Oleynik - Dr. Sci. (Tech.), acting director
