Автоматический контроль и регулирование технологических показателей обогащения железных руд в процессе магнитной сепарации
Н.В. Осипова, канд. техн. наук, доцент, Институт ИТАСУ НИТУ «МИСиС»
Металлургия является одной из значимых отраслей промышленности Российской Федерации и за рубежом. Она включает в себя все стадии производственного процесса, начиная с добычи полезных ископаемых, и заканчивая выпуском трубопрокатной продукции. При этом основным материалом, применяемым в машиностроительной области, стали черные металлы (железо, сталь, чугун), часть из которых идет на экспорт.
Одним из главных этапов черной металлургии является обогащение руды. Цель его состоит в обеспечении требуемого содержания ценного компонента в кондиционных продуктах путем удаления большей части пустой породы. Разделение железорудного потока по магнитной восприимчивости осуществляется промышленными сепараторами. В зависимости от того, в какой среде происходит обогатительный процесс (воздушной или водной), используют мокрый и сухой магнитные сепараторы. Результатом их работы является получение концентрата с определенной массовой долей полезного компонента и отходов – отвальных хвостов с очень низким содержанием железа [11, 13].
Однако в связи с нестабильностью физико-механических и химико-минералогических свойств горных пород, поступающих на переработку, наблюдается отклонение выше указанных показателей обогащения от значений, устанавливаемых ГОСТами и техническими условиями [6].
Поэтому актуальная задача на сегодняшний день – создание надежных систем автоматизации процесса магнитного обогащения, которые позволяют стабилизировать содержание железа в концентрате на заданном уровне и минимизировать его потери в хвостах.
В качестве объекта управления выбран полупротивоточный магнитный сепаратор. Он предназначен для обогащения сливов гидроциклонов, классификаторов, дешламаторов с содержанием более 60–70 % частиц крупностью менее 0,074 мм [3]. Основными управляющими воздействиями для системы автоматического регулирования работы данного агрегата могут выступать напряженность магнитного поля и скорость вращения барабана сепаратора [4]. Первое из них будет стабилизировать качество концентрата. Второй тип управления следует применять для уменьшения потерь ценного компонента. При этом статическая характеристика, отражающая взаимосвязь между скоростью вращения барабана и содержанием железа в хвостах, имеет ярко выраженный экстремальный характер с точкой минимума функции [6].
Рис. 1 Структурная схема САУ магнитным сепаратором.
1 – барабан; 2 – магнитная система; 3 – ось барабана; 4 – зона сепаратора с напряженностью; 5 – коробка для смыва водой хвостов; 6 – коробка для смыва водой концентрата; 7 – ванна; АКЗ – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором; ДПТ – двигатель постоянного тока; ДТС – датчик тока статорной обмотки асинхронного двигателя; ДСА – датчик скорости асинхронного двигателя; ДТЯ – датчик тока якоря двигателя постоянного тока; ДС – датчик скорости двигателя постоянного тока; ТП – тиристорный преобразователь; АСМ-1 – анализатор содержания магнетита в хвостах.
Структурная схема САУ магнитным сепаратором приведена на рис. 1. Он имеет барабан 1, внутри которого вмонтирована магнитная система 2, закрепленная на оси 3, с напряженностью поля в зоне 4. Коробки 5 и 6 предназначены для смыва водой хвостов и концентрата соответственно. В нижней части сепаратора имеется ванна 7, через которую проходит разделяемый материал. Двигатель постоянного тока ДПТ служит для управления положением магнитной системы, а асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором АКЗ приводит сепаратор во вращение. Пульпа поступает под барабан и проходит через рабочую зону. При этом магнитные частицы притягиваются к нему и уносятся в концентрат. Немагнитная фракция оседает в хвостовом отделении [1].
САУ магнитным сепаратором включает две подсистемы для регулирования содержания железа магнетитового в концентрате и хвостах.
В качестве датчика железа в концентрате используется «система А. П. Шафоростова». Она содержит устройство забора проб, первичный преобразователь, состоящий из катушки и запорного клапана, которые разделены между собой перегородкой с магнитными экранами. Массовая доля полезного компонента определяется, исходя из относительных значений магнитной восприимчивости при различных стадиях осаждения твердого вещества, а также постоянных коэффициентов, рассчитанных экспериментальным путем на основе химического анализа. Замеры проб проводятся с интервалом от 10 с до 30 мин [10].
Для автоматического определения массовой доли железа магнетита в хвостах можно использовать анализатор АСМ1. В состав изделия входит устройство пробоотбора, датчик, электронный преобразователь, блок питания, узел промывки датчика. Диапазон измерения содержания ценного компонента в хвостах находится в пределах от 0 до 10 %, период измерения – от 2 до 10 мин [2].
При отклонении массовой доли полезного компонента в концентрате, промышленный контроллер пропорционально изменяет сигнал уставки по угловой скорости вращения ДПТ. При этом разности между данным параметром и переменной с датчика скорости ДС, заданием по току в обмотке двигателя и величиной с датчика тока якоря ДТЯ также отклоняются. Стабилизация тока осуществляется путем регулирования входного напряжения тиристорного преобразователя двигателя ТП [12, 14]. Изменение угловой скорости вращения ДПТ вызывает перемещение рабочего зазора между полюсами магнитной системы, регулируя напряженность поля, а, следовательно, качество концентрата.
Стабилизация содержания железа в хвостах происходит следующим образом. Пробными шагами в дискретные моменты времени, задаваемые в программе контроллера, увеличивается задание по угловой скорости вращения барабана сепаратора, измеряемой датчиком ДСА, и по току в статорной обмотке АКЗ, сигнал которого снимается с датчика ДТС, вызывая увеличение входного напряжения двигателя [5]. В контроллере предусмотрена возможность запоминания данной величины на один такт времени.
Если выходной параметр, измеренный в текущий момент отсчета, меньше сигнала, полученного на предыдущем этапе считывания, то содержание в хвостах полезного компонента падает. Это означает, что шаг осуществляется в правильном направлении. Как только параметр с датчика в следующем такте станет больше, то доля железа в хвостах увеличивается, значит, задание по скорости будет уменьшаться с тем же шагом. Таким образом, система все время поддерживает потери ценного компонента на минимуме.
В САУ магнитным сепаратором используется промышленный логический контроллер фирмы Siemens Simatic S7-300, включающий модули ввода и вывода аналоговых сигналов с датчиков SM 331, SM 332, процессор CPU 315-2 DR и блок питания PS 307 5А [7–9].
Применение САУ магнитным сепаратором позволит осуществить оптимизацию процессов обогащения рудных ископаемых. С внедрением указанной системы на обогатительных фабриках появится возможность поддерживать требуемое содержание ценного компонента в концентрате путем регулирования напряженности поля и уменьшить его потери в хвостах за счет управления скоростью вращения барабана сепаратора.
