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].

Структурная схема САУ магнитным сепаратором 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.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1. Avdohin V. M. Osnovy obogashhenija poleznyh iskopaemyh (tom 1): uchebnik dlja vuzov. M.: Izd-vo «Gornaja kniga», 2008, 417 p.
2. Analizator soderzhanija magnetita v pul'pe ASM-1. URL: http://www.rastr1.com/Analizator magnetita (assesed 01 October 2017)
3. Bogdanov O. S., Nenarokomov Ju. F. (Red.). Spravochnik po obogashheniju rud. Obogatitel'nye fabriki (Tom 4), M.: «Nedra», 1984, 360 p.
4. Karmazin V. V., Karmazin V. I. Magnitnye i jelektricheskie metody obogashhenija. Uchebnik dlja vuzov, M.: Nedra, 1988, 304 p.
5. Komponenty privodov mehatronnyh ustrojstv/ [Jelektronnyj resurs]: uchebnoe posobie/ S. V. Ponomarev [i dr.], Tambov: Izd-vo FGBOU VPO «TGTU», 2014
6. Marjuta A. N., Kachan Ju. G., Bun'ko V. A. Avtomaticheskoe upravlenie tehnologicheskimi processami obogatitel'nyh fabrik: Uchebnik dlja vuzov, M.: «Nedra», 1983, 277 p.
7. Osipova N. V. Metodicheskie ukazanija po vypolneniju kursovoj raboty po discipline «Programmnoe obespechenie dlja sistem avtomatizacii tehnologicheskih processov»: uchebnoe posobie, M.: Izd. Dom MISiS, 2015, 80 p.
8. Osipova N. V. Programmnoe obespechenie dlja sistem avtomatizacii tehnologicheskih processov (laboratornyj praktikum i konspekt lekcij) dlja studentov special'nosti 220201 «Upravlenie i informatika v tehnicheskih sistemah»: uchebnoe posobie, M.: Izd. Dom MISiS, 2015, 75 p.
9. Sistema avtomatizacii S7-300. Dannye modulej. Rukovodstvo A5E00352937-02. Izdanie 10, 2005. 524 s.
10. Shaforostov A. P., Gzogjan T. N, Gubin S. L. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', 2003, no 3, pp. 38 40.
11. Ahmed A. S. Seifelnassra, Eltahir M. Moslimb, Abdel-Zaher M. Abouzeid. Concentration of a Sudanese low-grade iron ore, International Journal of Mineral Processing. 2013. vol. 122, pp. 59-62.
12. Barman S. D., Hussain A., Ahmed T. Speed Control of DC Motor Using PWM Technique: Pulse Width Modulated DC Motor Control, LAP Lambert Academic Publishing. 2012. 56 p.
13. Xianlin Zhou , Deqing Zhu, Jian Pan, Yanhong Luo and Xinqi Liu. Upgrading of HighAluminum Hematite-Limonite Ore by High Temperature Reduction-Wet Magnetic Separation Process, Metals. 2016. vol. 57, no 6. pp. 1–12.
14. Yadav A. K., Chaubey A. K. Speed control of DC motor using PWM, International Journal of Advance Research in Science and Engineering. 2013. vol. 2, iss. 3. pp. 1 6.
Ключевые слова: магнитная сепарация, отвальные хвосты, концентрат, классификатор, гидроциклон, дешламатор, промышленный контроллер, асинхронный двигатель, тиристорный преобразователь, двигатель постоянного тока

Журнал "Горная Промышленность"№5 (135) 2017, стр.98