CC BY
31
УДК 681.586.35: 681.586.732
А.А. Германов, А.А. Трушин, Н.О. Тихонов, А.А. Трегубов
новые технические средства автоматического контроля технологических параметров в обогатительном производстве
Аннотация. Рассмотрены перспективные технические средства, разработанные специалистами НПО «РИВС» с целью повышения эффективности автоматического контроля различных стадий обогатительного производства: «Система контроля физико-химических параметров жидкой фазы пульпы и оборотной воды» и «Система контроля гранулометрического состава и плотности пульпы». Первый комплекс дает оперативные данные о состоянии жидкой фазы пульпы или оборотной воды по ряду основных параметров: остаточная концентрация свободного CaO, водородный показатель pH, электрическая проводимость, температура — с целью их дальнейшей стабилизации на наиболее эффективном уровне для флотационного разделения минералов. Система базируется на автоматизации процессов, применяемых при лабораторном титриметрическом анализе, который является основным методом контроля остаточной концентрации СаО в промышленных условиях. Второй комплекс позволяет отслеживать гранулометрический состав и плотность измельченного продукта с выхода передела измельчения и дает понимание о готовности продукта по крупности помола для дальнейших технологических операций. Система базируется на методике прямого измерения линейных размеров частиц в отобранной пробе измельченного продукта, но с предварительной подготовкой пробы по плотности. Разработанные средства прошли этапы от первичных лабораторных прототипов до промышленных образцов. Результатом работы стали успешные внедрения на ряде обогатительных комбинатов, что привело к повышению эффективности стабилизации состояния оборотной воды благодаря первой системе, а также улучшению качества подготовки измельченного продукта с применяем второй системы. Рассмотрены преимущества и недостатки альтернативных методов контроля указанных выше параметров.
Ключевые слова: обогащение полезных ископаемых, остаточная концентрация свободного CaO, щелочность, показатель pH, гранулометрический состав пульпы, крупность помола, плотность пульпы, измельчение руды, флотация.
Введение
Любое обогатительное производство включает в себя контроль состояния продукта на разных технологических стадиях. Чем более точен и оперативен данный контроль, тем более эффективно само производство, так как открываются возможности для стабилизации различных технологических параметров на необходимом уровне и поддержания определенных режимов по переработ-
DOI: 10.25018/0236-1493-2019-02-0-114-122
ке конкретных технологических сортов руд. В сфере приборостроения появляются все более новые и совершенные системы измерений, позволяющие оперативно собирать и анализировать данные, которые ранее были доступны только в условиях лаборатории. Но стоит обратить особое внимание на то, что контроль продуктов в сфере обогащения крайне сложен из-за их физических и химических параметров: крепость руд,
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 2. С. 114-122. © А.А. Германов, А.А. Трушин, Н.О. Тихонов, А.А. Трегубов. 2019.
разнообразный химический состав руд и водной среды, высокое содержание твердого и многокомпонентность пульпо-вых сред, непостоянные свойства продукта по плотности, абразивное влияние среды на средства контроля, наличие реагентов [1]. Вышеуказанные факторы приводят к усложнению аналитических систем, которые становятся мультиком-понентными и образуют расширенные автоматизированные комплексы, которые могут включать в себя систему представительного пробоотбора и прободостав-ки, системы подготовки пробы и окружающей среды, измерительные системы, системы промывки и т.д. [2—3]. Именно поэтому разрабатываемые средства классифицируются как системы или комплексы, а не приборы.
Контроль физико-химических
параметров пульпы
Как известно, на многих обогатительных фабриках применяется оборотное водоснабжение. Значение оборотной воды в технологическом процессе является весьма существенным, так как именно она формирует жидкую среду пульпово-го продукта на различных технологических стадиях. Ее химический состав зависит от применяемой технологической схемы, вещественного состава перерабатываемых руд, обусловлен видами при-меняемыхреагентов.Проблемаподбора требуемого состава оборотной воды является весьма актуальной для большинства горно-обогатительных предприятий [4—5]. Одним из основных параметров в составе жидкой фазы является остаточная концентрация свободного CaO, который формирует щелочность среды. Для примера, на «Николаевской» обогатительной фабрике содержание СаО во входной оборотной воде в определенные периоды времени колебалось в широких пределах от 84 до 1000 мг/л, в зависимости от времени года. Как по-
казали исследования, высокая концентрация данного компонента приводит к серьезным потерям цинка в выходных концентратах [6].
Для решения этой проблемы необходимо, в первую очередь, обеспечить достоверное измерение содержания компонента, но на сегодняшний день имеется очень мало оперативных методик для фабричных условий. Основная — ручной лабораторный замер титриметрическим способом [7], требующим наличия лаборатории и персонала. Вторая — использование pH метра, который может работать в ограниченном диапазоне концентрации. И последняя — применение электрода проводимости, который по данным ряда исследований не способен работать в условиях высоких концентраций солей металлов в руде.
Именно поэтому было принято решение для создания системы контроля физико-химических компонентов [11] путем воспроизведения процедур, выполняемых при титриметрическом лабораторном анализе. Если отталкиваться от базовой методики, то она включает в себя ряд последовательных стадий: ручной отбор пробы пульпы; фильтрацию для получения осветленной жидкой фазы; добавление реагента-индикатора, дающего окраску пробы; постепенное добавление реагента-титранта, который ее нейтрализует; определение содержания остаточной концентрации свободного CaO по количеству затрачиваемого реагента-титранта до прохождения точки насыщения (эквивалентности), когда полностью нейтрализуется окраска.
В разработанном комплексе все вышеуказанные этапы реализованы в автоматическом виде, что дает возможность оперативного контроля состояния пульповой среды или оборотной воды в любой точке производства. Комплекс оборудован: системой дистанционного пробоотбора и прободоставки; само-
очищающимся фильтрационным элементом; прецизионными дозирующими насосами для подачи реагентов; оптической системой определения точки насыщения в составе прозрачной измерительной кюветы для проведения анализа; водной и химической системой отчистки (см. рис. 1). Данный состав позволяет практически свести к нулю субъективные погрешности, возникающие при анализе персоналом фабрики: выбор места отбора пробы, точность до-
зировки, определение точки насыщения «на глаз» и т.д.
Кроме контроля содержания свободного CaO, в систему были интегрированы pH метр и электрод проводимости для тех технологических участков, где данные приборы будут работать корректно (как показывает практика — см. таблицу, где pH среды не выше 12 единиц). Стоит отметить, что электроды после нескольких циклов измерений кроме водной повергаются еще и химиче-
Рис. 1. Автоматический комплекс контроля физико-химических компонетов жидкой фазы пульпы и оборотной воды: общее фото системы на производственной площадке (a); измерительная (верхняя) и дозировочная (нижняя) секции в составе системы (б); вакуумная проботборная система (в); измерительные кюветы — правая для автоматического титриметрического анализа, левая для электрода проводимости (лабораторный прототип) (г)
Fig. 1. The system for monitoring the physic-chemical parameters of liquid phase of slurries and circulating water: factory photo (a); measurement (up) and dosage sections (down) of the system (b); vacuum sampler unit (v); measurement vessels — right for the automatic titrimetric analysis, left for the conductivity electrode (laboratory prototype) (g)
Модификатор
А
Главный корпус
Дозатор
Измельчительно-Флотационное Отделение
Отвальные
СУПР-РИФ
Зумпф 5 ПНС №2
Насос
Насос
Оборотная вода
Насос " ¿ягжж^й •¡^¿¿гэвищтй'й
Рис. 2. Структурная схема комплексной системы стабилизации оборотной воды на «Николаевской» ОФ; АСК-РИФ 1—3 — места установок измерительных комплексов
Fig. 2. The structure scheme for the complex stabilization system of circulating water on the «Nikolayev» factory; ASK-RIF1—3 — set places for the measurement complexes
ской промывке, благодаря чему они не покрываются налетами и отложениями, что чаще всего делает их неработоспособными в условиях стационарной установки в процесс, как это реализовано на большинстве объектов.
Первоначальный образец системы (рис. 1, г) был разработан в качестве прототипа для проведения лабораторных исследований и поиска оптимальных тех-
нических решений для промышленного образца.
В 2016 г. были проведены сравнительные испытания комплексов, входящих в состав автоматической системы модификации оборотной воды на «Николаевской» обогатительной фабрике (рис. 2). Комплексы установлены в трех точках технологического процесса и контролируют параметры жидкой фазы
Результаты сравнительных испытаний комплексов на Николаевской ОФ Comparison tests results on the «Nikolayev» factory
Расход кислоты, л/мин Точка контроля Время замера Лаб. замер СаО, мг/л Лаб. замеp pH АСК-3 СаО, мг/л АСК-3 pH Погрешность по СаО, %
0 Зумпф ПНС№1 15,40 877 12,25 896 12,28 2,16
3 15,55 756 12,27 772 12,28 2,11
6 16,22 532 12,25 547 12,22 2,81
9 16,49 378 12,24 388 12,19 2,64
12 17,06 336 12,17 343 12,09 2,08
15 17,20 266 12,11 276 12,05 3,75
19 17,30 196 11,84 189 11,78 3,57
среды на выходе пульповых хвостов и на входе оборотной воды с хвостохранилища.
На первых этапах испытаний осуществлялась модификация состояния пульповых хвостов посредством добавления концентрированной кислоты в процесс с помощью дозатора с нарастающей производительностью, при этом параллельно производились контрольные замеры состояния жидкой фазы пульпы по упомянутым параметрам как в условиях лаборатории, так и с помощью комплексов, установленных после точки дозировки. Результаты замеров в точке — зумпф ПНС № 1 сведены в таблицу, средняя относительная погрешность по замерам остаточной концентрации свободного CaO составила до 2,7%.
Данный комплекс успешно эксплуатируется на указанной фабрике и стабилизирует состояние оборотной воды, что позволяет повысить сквозное извлечение всех металлов и исключить влияние сезонного и других негативных факторов.
Контроль гранулометрического
состава твердой фазы пульпы
Весь цикл обогатительного производства, от добычи до выдачи продукта, состоит из многих операций, которые технологически взаимосвязаны между собой и выполняются в определенной последовательности. Нарушение работы какого-либо оборудования отражается на ходе всего процесса обогащения. Например, нарушение заданного режима измельчения вызывает отклонение тонкости помола руды от заданных регламентных значений, что влечет за собой снижение эффективности дальнейшего флотационного разделения [8].
Тонкость помола характеризуется гранулометрической характеристикой материала — кривая распределения частиц по крупности. Для получения данной характеристики в основном используется ручной ситовой метод. Кроме этого на
сегодняшний день имеется множество более современных способов, основанных на лазерной дифракции, ультразвуковом поглощении, седиментации и т.д. [1, 10]. Но они сложны для реализации оперативного контроля характеристики в условиях работы комбината, так как требуют множество пробоподготовитель-ных операций, что значительно увеличивает их стоимость, и поэтому приборы, основанные на данных методах, получили большее распространение в лабораториях.
Для фабричных условий преимущественно применяются приборы, способные контролировать гранулометрический состав прямым измерением линейных размеров частиц в потоке с использованием микрометрического щупа [9]. Но система имеет два основных недостатка: при постоянном нахождения в потоке материала измерительные поверхности прибора обрастают загрязняющими пульпу включениями, что требует частого обслуживания измерительных узлов; при достаточно высокой плотности потока микрометрический щуп фиксирует размеры только самых крупных частиц, которые «перекрывают» более мелкие зерна, и привязка всей гранулометрической характеристики осуществляется только к одному параметру — среднему размеру наиболее крупных частиц, что на практике может давать большие погрешности, особенно в условиях переменных свойств контролируемого материала.
Специалистами НПО «РИВС» была разработана альтернативная система контроля (рис. 3) гранулометрической характеристики [12], которая также базируется на измерении линейных размеров частиц с помощью микрометрического щупа, но с рядом существенных отличий: предварительно происходит представительный отбор пробы; затем измеряется первоначальная плотность пульпы; далее проба разбавляется до достижения
Рис. 3. Система контроля гранулометрического состава и плотности пульпы Fig. 3. The system for controlling of the particle size distribution and density of slurries
Гранулометрическая характеристика продуктов
Рис. 4. Результаты сравнительных испытаний системы на золотосодержащей руде при двух различных режимах работы аппарата измельчения
Fig. 4. Comparison tests results of the system on gold metal ore in two different operation modes of the mill device
условий для проведения измерений линейных размеров частиц в режиме насосной циркуляции по замкнутому контуру; после окончания измерительных циклов происходит промывка всей системы. Благодаря соответствующей подготовке пробы, мы добиваемся выстраивания потока частиц в монослой в измерительной зоне микрометрического щупа, что позволяет контролировать не только размеры наиболее крупных частиц, но и мелкие классы крупности, которые в этом случае «не перекрыты». Также существенным плюсом является то, что система дает дополнительные данные о плотности продукта, и это хорошая альтернатива дорогостоящему радиоизотопному плотномеру.
Выдача результатов измерений от комплекса происходит не в режиме online, так как требуется дополнительное время на подготовительные операции, но в глобальном масштабе обогатительной фабрики колебания параметров технологических процессов не происходят мгновенно, что дает возможность для накопления данных по крупности и плотности продукта.
Данная система прошла успешные лабораторные и промышленные испытания на контроле сливного продукта насос-гидроциклонных установок.
Результаты сравнительных лабораторных испытаний представлены на графи-
список ЛИТЕРАТУРЫ
ке (рис. 4). Ситовые гранулометрические характеристики для пульпового продукта (золотосодержащая руда месторождения Муртыкты) при двух разных режимах работы аппарата измельчения отмечены сплошной линией. Контрольные точки по классам крупности по 0,8, 0,315, 0,2, 0,071, 0,02 мм, лежащие на штриховых кривых, получены от измерительной системы. Средняя абсолютная погрешность по контрольным классам крупности составляет 1,52%.
Заключение
Для создания данных систем была проделана большая инженерная работа по исследованию анализируемых сред и дальнейших условий эксплуатации, поиску различных вариантов наиболее удачных с экономической и практической точки зрения компоновок, изучался зарубежный опыт эксплуатации подобных систем на практике и в литературе, создавались лабораторные прототипы с целью проведения первичных измерительных тестов и поиска слабых мест. Но в итоге удалось создать аналитические комплексы способные решать реальные практические задачи в условиях обогатительных производств с целью повышения эффективности контроля различных технологических операций и как следствие с целью повышения качества выпускаемого продукта.
1. Lynch Alban Comminution Handbook. Australia: The Australasian Institution of Mining and Metallurgy, 2015, - 323 p.
2. Бондаренко А. В. Вариант развития автоматических систем аналитического контроля пульп // Горный журнал. - 2010. - № 10. - С. 75-80.
3. Бондаренко А. В., Захаров П. А., Шевелев Е. С. Создание автоматической системы опробования пульповых продуктов для горно-обогатительных комбинатов // Горный журнал. -2016. - № 11. - С. 75-79.
4. Ikumapayi F. K., Makitalo M., Johansson B., K. Hanumantha Rao. Recycling process water in complex sulphide ore flotation / XXVI International Mineral Processing Congress. (IMPC): Conference Proceedings, 2012, Book 2, Paper 691, p. 4411.
5. Boujounoui K. et al. The influence of water quality on the flotation performance of complex sulphide ores: Case study at Hajar Mine, Morocco // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2015, Vol. 115, No. 12, pp. 1243-1251.
6. Арустамян К.М., Романенко С.А. Подготовка оборотной воды с целью повышения технологических показателей на примере Николаевской обогатительной фабрики // Горный журнал. - 2016. - № 11. - С. 60-64.
7. Кантерев В. М., Казаков А. В., Кулаков М. В. Потенциометрические и титриметрические приборы. — М.: Машиностроение, 1969. — 308 с.
8. Тихонов О. Н. Автоматизация производственных процессов на обогатительных фабриках. - М.: Недра, 1985. - 422 с.
9. Топчаев В.П., Топчаев А. В., Лапидус М. В. Промышленный поточный автоматический гранулометр ПИК-074П - основа систем автоматического контроля и управления качеством измельчения материалов // Цветные металлы. - 2015. - № 9. - С. 48-52.
10. Dukhin A.S., Goetz P. J., Xiaohua Fang, Somasundaran P. Monitoring nanoparticles in the presence of larger particles in liquids using acoustics and electron microscopy // Journal of Colloid and Interface Science, 2010, Vol. 342, pp. 18-25.
11. Зимин А. В., Трушин А. А., Седов А. В., Поздняков А. А. Патент РФ № 2015129586/28, 17.07.2015. Устройство автоматического контроля физико-химических компонентов пульпы. 2016. Бюл. № 1.
12. Зимин А. В., Трушин А. А., Бондаренко А. В., Седов А. В. Патент РФ № 2012145340/28, 24.10.2012. Способ автоматического контроля крупности частиц в потоке пульпы. 2012. Бюл. № 15. ü^re
коротко об авторах
Германов Артур Александрович1 - руководитель сектора разработки и внедрения новой техники, e-mail: Arthur.Germanov@gmail.com,
Трушин Алексей Алексеевич1 - кандидат технических наук, советник генерального директора,
Тихонов Николай Олегович1 - кандидат технических наук, директор департамента рудоподготовки, Трегубов Андрей Антонович1 - инженер-конструктор, 1 НПО «РИВС».
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2019. No. 2, pp. 114-122.
Advanced technology for automatic control of operation parameters in mineral processing
Germanov A.A.1, Head of Advanced Technology Development Group,
e-mail: Arthur.Germanov@gmail.com,
Trushin A.A.1, Candidate of Technical Sciences, CEO Adviser,
Tikhonov N.O.1, Candidate of Technical Sciences,
Director of Comminution and Sizing Department,
TregubovA.A.1, Mechanical Design Engineer,
1 Scientific and Production Association «RIVS»,
199155, Saint-Petersburg, Russia.
Abstract. This article is dedicated to the perspective technical tools developed by RIVS specialists in order to increase the efficiency of automatic control of various stages of the mineral processing. It includes «The system for monitoring the physic-chemical parameters of liquid phase of slurries and circulating water» and «The system for controlling of the particle size distribution and density of slurries». The first system provides operational data on the state of the liquid phase of slurries or circulating water on a number of key parameters: CaO concentration, pH, electrical conductivity and temperature with the aim of their further stabilization at the most effective level for the flotation separation of minerals. It is based on the laboratory titrimetric analysis process automation, which is the main method for controlling CaO concentration in industrial conditions. In certain conditions, CaO concentration could be obtained from pH or conductivity. But in practice when pH is more then 12 or product contains metal salts these parameters
don't correlate with CaO concentration. The second system allows to control the particle size distribution and the density of the product from the output of the comminution and gives an understanding of the product quality for further technological operations. The system is based on the method of direct measurement of the linear dimensions of particles in a sample of product, but with preliminary sample preparation by density. The main idea is to prepare the flow of probe on monolayer when it goes through the measurement chamber that consists of the movable measuring rod and the baseplate where particles are pressed. It allows to avoid the coalescence of the small particles by the coarse particles, that is a problem of most devices, set directly on the flow. The developed tools went through stages from primary laboratory prototypes to industrial designs. The work resulted in successful implementations at a number of mineral processing plants, which led to an increase in the efficiency of stabilizing the state of recycled water through the first system, as well as improving the quality of the preparation of the grinding product using the second system. The article also discusses the advantages and disadvantages of alternative methods for monitoring the abovementioned parameters.
Key words: mineral processing, residual CaO concentration, alkalinity, pH, particle size distribution, grinding size, slurry density, comminution, flotation.
DOI: 10.25018/0236-1493-2019-02-0-114-122
references
1. Lynch Alban Comminution Handbook. Australia: The Australasian Institution of Mining and Metallurgy, 2015. 323 p.
2. Bondarenko A. V. Variant razvitiya avtomaticheskikh sistem analiticheskogo kontrolya pul'p [One way for improvement of slurry analytical control automatic systems], Gornyy zhurnal. 2010, no 10, pp. 75—80. [In Russ].
3. Bondarenko A. V., Zakharov P. A., SHevelev E. S. Sozdanie avtomaticheskoy sistemy oprobovaniya pul'povykh produktov dlya gorno-obogatitel'nykh kombinatov [Slurry samples testing automatic system development for mineral processing plants], Gornyy zhurnal. 2016, no 11, pp. 75—79. [In Russ].
4. Ikumapayi F. K., Makitalo M., Johansson B., K. Hanumantha Rao. Recycling process water in complex sulphide ore flotation. XXVI International Mineral Processing Congress. (IMPC): Conference Proceedings, 2012, Book 2, Paper 691, p. 4411.
5. Boujounoui K. et al. The influence of water quality on the flotation performance of complex sulphide ores: Case study at Hajar Mine, Morocco. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy, 2015, Vol. 115, No. 12, pp. 1243—1251.
6. Arustamyan K. M., Romanenko S. A. Podgotovka oborotnoy vody s tsel'yu povysheniya tekhnologich-eskikh pokazateley na primere Nikolaevskoy obogatitel'noy fabriki [Recycled water preparation for enhancement of operation indicators in case of «Nikolayev» factory], Gornyy zhurnal. 2016, no 11, pp. 60—64. [In Russ].
7. Kanterev V. M., Kazakov A. V., Kulakov M. V. Potentsiometricheskie i titrimetricheskie pribory [Potentio-metric and titrimetric devices], Moscow, Mashinostroenie, 1969, 308 p.
8. Tikhonov O. N. Avtomatizatsiya proizvodstvennykh protsessov na obogatitel'nykh fabrikakh [Automation of mineral processing unit operations], Moscow, Nedra, 1985, 422 p.
9. Topchaev V. P., Topchaev A. V., Lapidus M. V. Promyshlennyy potochnyy avtomaticheskiy granulometr PIK-074P — osnova sistem avtomaticheskogo kontrolya i upravleniya kachestvom izmel'cheniya materialov [Industrial flow automatic granulometer PIK-074P — base for comminution and grinding automatic control systems], Tsvetnye metally. 2015, no 9, pp. 48—52. [In Russ].
10. Dukhin A. S., Goetz P. J., Xiaohua Fang, Somasundaran P. Monitoring nanoparticles in the presence of larger particles in liquids using acoustics and electron microscopy. Journal of Colloid and Interface Science, 2010, Vol. 342, pp. 18—25.
11. Zimin A. V., Trushin A. A., Sedov A. V., Pozdnyakov A. L. Patent RU 2015129586/28, 17.07.2015.
12. Zimin A. V., Trushin A. A., Bondarenko A. V., Sedov A. V. Patent RU 2012145340/28, 24.10.2012.
A
