CN109840377B - 一种磨机混合填充率在线软测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨机混合填充率在线软测量方法，包括：首先获取磨机几何参数、操作参数和矿石及磨矿介质参数，并通过数值计算建立不同衬板使用周期内矿物分布角度数据库；在计算开始时设定磨机几何参数、磨机操作参数和衬板更换日期；与选矿厂的磨机设备DCS通讯，获取磨机实时运行数据；结合计算数据与实时数据在线计算磨机内混合填充率数值；在操作系统中显示磨机内部混合填充率计算结果并给出相关图示，供选矿厂磨机操作人员或优化控制人员参考。该方法能够实现磨矿过程磨机混合填充率的在线软测量，弥补磨机状态关键参数缺失，为保证磨矿设备和流程高效、稳定运行提供必要的数据支持。

Description

一种磨机混合填充率在线软测量方法

技术领域

本发明涉及矿物加工在线检测领域，尤其涉及一种磨机混合填充率在线软测量方法。

背景技术

磨矿流程作为矿物加工过程核心流程之一，其电力消耗可以占据选厂电力消耗的50％以上。再加上大型磨机设备投资，磨机衬板和磨矿介质的日常损耗，磨矿流程的生产经济性是选厂必须要考虑的经营因素。要提高磨矿流程生产效率，对磨机等大型设备的精细化操作就显得十分必要，需要对磨矿流程的一些变量进行在线检测。磨机混合填充率指包括矿物、水、磨矿介质在内的磨机正常工作时内部填充物占据磨机总体容积的百分比，是一项衡量磨机成产状态和提高磨矿效率的重要指标。由于大型磨机工作时处于封闭状态，内部填充物不可见，只能通过间接方法进行估计。

目前，可以通过几种方法对磨机混合填充率值进行估计。其一，利用电耳在线收集磨机工作时产生的噪声信号，通过噪声信号判断磨机混合填充率。但此种方法受环境噪声干扰较大，容易产生误判，而且对使用者的工业经验要求较高。其二，利用安装在磨机筒壁上的磨机震动信号监测装置获得由于填充物抛落对磨机衬板产生的冲击信号，再通过对该信号的分析进行混合填充率的判断。该方法避免了环境噪声干扰，但需要安装震动信号检测装置，信号发送装置和接收装置，以及用于分析数据的计算机。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种磨机混合填充率在线软测量方法，。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种磨机混合填充率在线软测量方法，包括：

预先计算得出每天的目标磨机的内部负载提升角度β_i，i∈[1，n]，n为衬板使用周期；

获取所述目标磨机的几何参数、操作参数和衬板更换日期，所述几何参数包括：磨机有效直径D和磨机有效长度L；所述操作参数包括：磨机操作转速N_c、磨矿介质密度ρ_b、矿石密度ρ_m；

与选矿厂的磨机通讯连接，实时获取该磨机的当前系统日期T₂和当前磨机功率P；

利用获取的目标磨机的几何参数、操作参数、衬板更换日期和实时获取的磨机的当前系统日期T₂，计算得出衬板使用天数i和磨机内部矿物、矿浆和钢球混合物的平均密度ρ_ap；

利用实时获取的数据和计算得出的数据，按下述公式计算得出磨机内部混合填充率J_i：

HP_i＝0.238D^3.5(L/D)N_cρ_ap(J_i-1.065J_i ²)sinβ_i；

上式中，Η为磨机电功率传输效率，单位为％，其值为经验参数，取值范围为0.5-5；Pi为当前磨机功率；D为磨机有效直径；L为磨机有效长度；Nc为磨机操作转速；ρ_ap为磨机内部矿物、矿浆和钢球混合物的平均密度；β_i为每天的目标磨机的内部负载提升角度。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的磨机混合填充率在线软测量方法，其有益效果为：

该方法充分考虑磨机的设计因素、操作因素、矿石性质与磨矿介质填加情况，利用在线测量数据与理论建模数据相结合的方式对磨机内部混合填充率进行在线软测量，为磨机操作人员及优化控制人员提供磨矿流程关键参数，有利于稳定和优化磨矿流程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的所述用于一种磨机混合填充率在线软测量方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的所述用于一种磨机混合填充率在线软测量方法的磨机新旧衬板CAD建模示意图；

图3为本发明实施例提供的所述用于一种磨机混合填充率在线软测量方法的矿物分布角度计算示意图；

图4为本发明实施例提供的所举实例中半自磨机混合填充率在线计算结果的显示界面截图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如图1所示，本发明实施例提供一种磨机混合填充率在线软测量方法，包括：

预先计算得出每天的目标磨机的内部负载提升角度β_i，i∈[1，n]，n为衬板使用周期；

获取所述目标磨机的几何参数、操作参数和衬板更换日期，所述几何参数包括：磨机有效直径D和磨机有效长度L；所述操作参数包括：磨机操作转速N_c、磨矿介质密度ρ_b、矿石密度ρ_m；

与选矿厂的磨机通讯连接，实时获取该磨机的当前系统日期T₂和当前磨机功率P；

利用获取的目标磨机的几何参数、操作参数、衬板更换日期和实时获取的磨机的当前系统日期T₂，计算得出衬板使用天数i和磨机内部矿物、矿浆和钢球混合物的平均密度ρ_ap；

利用实时获取的数据和计算得出的数据，按下述公式计算得出磨机内部混合填充率J_i：

HP_i＝0.238D^3.5(L/D)N_cρ_ap(J_i-1.065J_i ²)sinβ_i；

上式中，Η为磨机电功率传输效率，单位为％，其值为经验参数，取值范围为0.5-5；Pi为当前磨机功率；D为磨机有效直径；L为磨机有效长度；Nc为磨机操作转速；ρ_ap为磨机内部矿物、矿浆和钢球混合物的平均密度；β_i为每天的目标磨机的内部负载提升角度。

上述方法中，计算得出每天的目标磨机的内部负载提升角度β_i的方式如下：

获取新衬板高度h₁、最终磨损衬板高度h_n、新衬板斜面角度α₁、最终磨损衬板斜面角度α_n和衬板使用周期n；

利用所述的新衬板高度h₁、最终磨损衬板高度h_n、新衬板斜面角度α₁、最终磨损衬板斜面角度α_n依据线性磨损关系在衬板使用周期内建立相同时间间隔的多个衬板CAD模型；

将多个衬板CAD模型导入离散元模拟软件，利用离散元方法建立模型，得到多个衬板使用时间节点下磨机内物料分布模拟结果图；

在模拟结果图中利用作图法测量出每个衬板对应的负载提升角度β；

对全部衬板对应的负载提升角度β进行样条函数插值计算，得出衬板使用周期内每天的目标磨机的内部负载提升角度β_i。

上述方法中，依据的线性磨损关系是按照以下公式计算出磨机运行时衬板使用第i天衬板的磨损量：

hi＝h1-i*((h1-hn)/n)；

αi＝α1-i*((α1-αn)/n)；

i∈(1,n)；

上式中，h_i为第i天衬板的高度，α_i为第i天衬板斜面角度。

上述方法中，时间间隔为30天。

上述方法中，在模拟结果图中利用作图法测量出负载提升角度β为：连接模拟结果图中矿肩点与矿趾点，找到连接线的中间点，测量磨机中心点竖直方向与磨机中心点和所述连接线中间点连线所夹的角度。

上述方法中，对全部衬板对应的负载提升角度β进行样条函数插值计算，采用三次样条函数插值，具体为：

在m个数据节点{x₁,x₂,…,x_m}上对应的函数值为{y₁,y₂,…,y_m}，所求函数在[x_j,x_j+1](j＝1,2,…,m-1)上有表达式S(x)，设S_j(x)＝a_jx³+b_jx²+c_jx+d_j，(j＝1,2,…,m-1)，且满足下列条件：

S(x_j)＝y_j，(j＝1,2,…,m)；

S(x_j-0)＝S(x_j+0)，(j＝1,2,…,m-1)；

S‘(x_j-0)＝S’(x_j+0)，(j＝1,2,…,m-1)；

S‘’(x_j-0)＝S‘’(x_j+0)，(j＝1,2,…,m-1)；

S‘’(x₁)＝0；

S‘’(x_n)＝0；

通过求解上述方程组获得m个数据节点内每两个数据节点之间的三次函数表达式，进而得到数据节点区间内其他数据节点的函数值。

这里利用样条函数公式分别对5个点P0，P1，P2，P3，P4进行插值计算得出β_i，i∈[1，n]，五个节点这里取值为(1，β1)，(30，β30)，(60，β60)，(90，β90)，(120，β120)。利用三次样条函数插值计算得到β_i，i∈[1，120]。可以知道，上述样条函数插值点选取为5个点，仅为一种实施例，按照一般建模方法，此处可以使用4个数据节点或6，7甚至更多数据节点作为插值点。但需要注意的是，使用更多插值点会需要更多的离散元数值计算结果，因此需要耗费更多的计算资源。此处插值点个数应兼顾插值方法需求和计算资源之间的平衡。

上述方法还包括：将计算得出的磨机内部混合填充率直接显示给操作人员。具体是在操控的系统中显示磨机内部混合填充率计算结果并给出相关图示，供选矿厂磨机操作人员或优化控制人员参考。

本发明方法通过使用已有的磨矿流程在线检测数据，结合理论建模方法，能够实现工业磨机内部混合填充率的在线实时计算，实现了磨机混合填充率的在线检测，弥补磨机状态关键参数缺失，为磨机工作状态识别、磨机稳定运行控制、磨机优化控制等提供必要的量化指标。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的方法为：首先获取磨机几何参数、操作参数和矿石及磨矿介质参数，并通过数值计算建立不同衬板使用周期内矿物分布角度数据库；在计算开始时设定磨机几何参数、磨机操作参数和衬板更换日期；与选矿厂的磨机设备DCS通讯，获取磨机实时运行数据；结合计算数据与实时数据在线计算磨机内混合填充率数值；在操作系统中显示磨机内部混合填充率计算结果并给出相关图示，供选矿厂磨机操作人员或优化控制人员参考。

如图1所示，本发明实施例的磨机混合填充率在线软测量方法的流程，具体包括以下步骤：

步骤11：获取磨机几何参数、操作参数、矿石及磨矿介质参数，并建立相关数据库；

首先获取目标磨机几何参数：

D磨机有效直径，m

L磨机有效长度，m

h₁新衬板(或提升条)高度，cm

h_n最终磨损衬板(或提升条)高度，cm

α₁新衬板(或提升条)斜面角度，°

α_n最终磨损衬板(或提升条)斜面角度，°

n衬板使用天数

获取磨机操作参数：

T₁衬板更换日期

N_c磨机操作转速(临界转速百分比)，％

Η磨机电功率传输效率，％

获取矿石及磨矿介质参数：

ρ_m矿石密度，ton/m³

ρ_b磨矿介质密度，ton/m³

ρ_p矿浆密度，ton/m³

d磨矿介质直径，cm

S_b钢球添加量，ton

获取上述参数后存储于参数数据库；

步骤12：建立不同衬板使用周期内衬板(或提升条)磨损情况以及矿物分布角度数据库；

在该步骤中，①首先利用已经获取的新衬板(或提升条)高度h₁，新衬板(或提升条)斜面角度α₁，最终磨损衬板(或提升条)高度h_n，最终磨损板衬板(或提升条)斜面角度α_n，以及利用线性磨损原理按照以下公式计算出磨机运行时衬板使用第i天衬板(或提升条)的磨损量：

hi＝h1-i*((h1-hn)/n)

αi＝α1-i*((α1-αn)/n)

i∈(1,n)

以此量化磨损后每天衬板(或提升条)的高度h_i和衬板(或提升条)斜面角度α_i。

将以上方法获得的不同时期内衬板(或提升条)的高度h_i和衬板(或提升条)斜面角度α_i数据存于数据库内i∈[1，n]。

②利用磨机直径D，磨机长度L，新衬板(或提升条)高度h₁，新衬板(或提升条)斜面角度α₁，最终磨损衬板(或提升条)高度h_n，最终磨损板衬板(或提升条)斜面角度α_n，在衬板使用周期内，包括新衬板和更换的旧衬板在内，间隔相同时间建立5个时间节点下磨机截面CAD模型，这些模型中衬板(或提升条)高度和衬板(或提升条)斜面角度按照上述测量及计算值获得。例如，一种衬板使用周期为120天，在上述数据库内可获得h₁，h₃₀，h₆₀，h₉₀，h₁₂₀数据，以及α₁，α₃₀，α₆₀，α₉₀，α₁₂₀数据，建立5种衬板形状的CAD模型，如图2所示。

将5种磨机衬板CAD模型导入离散元方法(DEM)模拟软件，例如OpenFOAM或LIGGGHTS等，在5个磨机衬板几何条件下，利用离散元方法建立模型，数值地得到5个衬板使用时间节点下磨机内物料分布模拟结果。在模拟结果图片中利用作图法测量出负载提升角度β(由磨机负荷的动态重心(“肾”型物料分布)与竖直方向的夹角定义)，具体的测量方法为，连接模拟结果中矿肩点与矿趾点，找到连接线的中间点，测量磨机中心点竖直方向与磨机中心点和连接线中间点连线所夹的角度，如图3所示。至此，得到5个不同使用时间节点下磨机内部负载提升角度β。利用样条函数插值方法，计算得到衬板使用周期内每天磨机内部负载提升角度β_i。例如，一种衬板使用周期为120天，测量得到β₁，β₃₀，β₆₀，β₉₀，β₁₂₀数值(如图3所示)。

利用如下所示样条函数公式分别过5个点P0，P1，P2，P3，P4，插值计算β_i，i∈[1，n]。

P(t)＝[(-P0+3P1-3P2+3P3)t³+(3P0-6P1+3P2)t²+(-3P0+3P2)t+(P0+4P1+P2)]/6

X(t)＝[(-X0+3X1-3X2+3X3)t^3+(3X0-6X1+3X2)t^2+(-3X0+3X2)t+(X0+4X1+X2)]/6

Y(t)＝[(-Y0+3Y1-3Y2+3Y3)t^3+(3Y0-6Y1+3Y2)t^2+(-3Y0+3Y2)t+(Y0+4Y1+Y2)]/6

其中，P0，P1，P2，P3，P4的坐标分别为(X0，Y0)，(X1，Y1)，(X2，Y2)，(X3，Y3)，(X4，Y4)，这里取值为(1，β1)，(30，β30)，(60，β60)，(90，β90)，(120，β120)。利用P0，P1，P2，P3绘制第一条曲线，利用P1，P2，P3，P4绘制第二条曲线，综合插值计算得到β_i，i∈[1，120]。

将衬板(或提升条)高度计算结果，衬板(或提升条)斜面角度计算结果和矿物分布角度存储于参数数据库。

步骤13：设定磨机几何参数，磨机操作参数，衬板更换日期，并初始化计算程序；

在开始计算磨机内部混合填充率之前，首先应设定磨机几何参数，磨机操作参数，衬板更换日期，主要包括以下变量：

T₁衬板更换日期：

D磨机有效直径，m

L磨机有效长度，m

h₁新衬板(或提升条)高度，cm

h_n最终磨损衬板(或提升条)高度，cm

α₁新衬板(或提升条)斜面角度，°

α_n最终磨损衬板(或提升条)斜面角度，°

N_c磨机操作转速(临界转速百分比)，％

ρ_b磨矿介质密度，ton/m³

ρ_m矿石密度，ton/m³

将上述变量值写入内存，准备计算磨机混合填充率。

步骤14：与选矿厂磨机设备DCS通讯，获取磨机实时运行数据，读取实时数据，计算当前日期下模型参数值

与选矿厂磨机设备DCS通讯，获取磨机实时运行数据，读取实时数据，计算当前日期下模型参数值，主要读取的变量如下：

T₂当前系统日期；

P当前磨机功率，kW；

按照下述公式计算磨机当前衬板使用天数i：

i＝T₂-T₁；

步骤15：结合计算数据与实时数据在线计算磨机内混合填充率数值

首先计算磨机内部矿物、矿浆和钢球混合物的平均密度ρ_ap为：

ρ_ap＝{(1-f_v)ρ_bJ_b+(1-f_v)ρ_m(J_e-J_b)+ρ_pJ_pf_vJ_e}/J_e；

其中，ρ_m为矿石密度，单位为ton/m³；ρ_b为磨矿介质密度，ton/m³；ρ_p为矿浆密度，单位ton/m³；需要读取之前的数据输入值；

J_b＝S_b/(ρ_b×d³)钢球间隙体积分数，％；

f_v＝0.4×J_b钢球间隙体积分数，％；

J_p钢球间隙矿浆体积分数(估计值)，％；

利用上一步骤读取到的实时变量P(当前磨机功率，kW)，和计算值i(当前衬板使用天数)以及其他变量值，按照下述公式计算磨机内部混合填充率J：

HP_i＝0.238D^3.5(L/D)N_cρ_ap(J_i-1.065J_i ²)sinβ_i

在上述一元二次方程中，仅有磨机内部混合填充率J是未知变量，求解该一元二次方程获得实时磨机内部混合填充率J。

步骤16：在系统中显示计算结果供操作及优化人员参考。

经过上述步骤，可以获得每一个单位时间步长下磨机内部混合填充率在线计算值。例如，与选矿厂磨机设备DCS通讯，获取磨机实时运行数据的时间步长为5s，则每5s在线软测量系统计算并输出一次混合填充率计算值，做到与选矿厂数据采集时序一致。将在线软测量结果集成到工厂数据库后，操作及优化人员可以调用该数据进行操作或优化参考。

通过上述测量方法在某选矿厂的应用，图4所示为实施本发明测量方法的磨机混合填充率在线软测量工具的显示界面的示意图，在显示界面上可以清楚地看到磨机衬板使用天数，当前衬板使用时间以及工况下磨机内部混合填充率计算值。

综上所述，本发明的方法至少具有以下优点：

(1)通过定制磨机几何参数和建立衬板磨损状态模型，追踪不同衬板使用周期下的磨机内部混合填充率，监控磨机衬板磨损对磨机运行状态主要参数的影响。

(2)通过数值模拟方法建立不同衬板形状以及不同操作条件下磨机内部物料堆积角度变化数据库，根据不同的设备条件及操作条件获得影响磨机混合填充率的量化因素。

(3)通过实时获取磨机设备DCS数据，并以此数据计算磨机内部混合填充率，从而实现此变量的在线软测量，弥补了该重要磨机运行状态指标无法在线量化的缺憾，为磨机操作及优化控制提供合理的量化建议值。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种磨机混合填充率在线软测量方法，其特征在于，包括：

预先计算得出每天的目标磨机的内部负载提升角度β_i，i∈[1，n]，n为衬板使用周期；

获取所述目标磨机的几何参数、操作参数和衬板更换日期，所述几何参数包括：磨机有效直径D和磨机有效长度L；所述操作参数包括：磨机操作转速N_c、磨矿介质密度ρ_b、矿石密度ρ_m；

与选矿厂的磨机通讯连接，实时获取该磨机的当前系统日期T₂和当前磨机功率P；

利用获取的目标磨机的几何参数、操作参数、衬板更换日期和实时获取的磨机的当前系统日期T₂，计算得出衬板使用天数i和磨机内部矿物、矿浆和钢球混合物的平均密度ρ_ap；

利用实时获取的数据和计算得出的数据，按下述公式计算得出磨机内部混合填充率J_i：

上式中，Η为磨机电功率传输效率，单位为％，其值为经验参数，取值范围为0.5-5；Pi为当前磨机功率；D为磨机有效直径；L为磨机有效长度；Nc为磨机操作转速；ρ_ap为磨机内部矿物、矿浆和钢球混合物的平均密度；β_i为每天的目标磨机的内部负载提升角度。

2.根据权利要求1所述磨机混合填充率在线软测量方法，其特征在于，所述方法中，计算得出每天的目标磨机的内部负载提升角度β_i的方式如下：

获取新衬板高度h₁、最终磨损衬板高度h_n、新衬板斜面角度α₁、最终磨损衬板斜面角度α_n和衬板使用周期n；

利用所述的新衬板高度h₁、最终磨损衬板高度h_n、新衬板斜面角度α₁、最终磨损衬板斜面角度α_n依据线性磨损关系在衬板使用周期内建立相同时间间隔的多个衬板CAD模型；

将多个衬板CAD模型导入离散元模拟软件，利用离散元方法建立模型，得到多个衬板使用时间节点下磨机内物料分布模拟结果图；

在模拟结果图中利用作图法测量出每个衬板对应的负载提升角度β；

对全部衬板对应的负载提升角度β进行样条函数插值计算，得出衬板使用周期内每天的目标磨机的内部负载提升角度β_i。

3.根据权利要求2所述磨机混合填充率在线软测量方法，其特征在于，所述方法中，依据的线性磨损关系是按照以下公式计算出磨机运行时衬板使用第i天衬板的磨损量：

hi＝h1-i*((h1-hn)/n)；

αi＝α1-i*((α1-αn)/n)；

i∈(1,n)；

上式中，h_i为第i天衬板的高度，α_i为第i天衬板斜面角度。

4.根据权利要求2所述磨机混合填充率在线软测量方法，其特征在于，所述方法中，时间间隔为30天。

5.根据权利要求2至4任一项所述磨机混合填充率在线软测量方法，其特征在于，所述方法中，在模拟结果图中利用作图法测量出负载提升角度β为：连接模拟结果图中矿肩点与矿趾点，找到连接线的中间点，测量磨机中心点竖直方向与磨机中心点和所述连接线中间点连线所夹的角度。

6.根据权利要求2至4任一项所述磨机混合填充率在线软测量方法，其特征在于，所述方法中，对全部衬板对应的负载提升角度β进行样条函数插值计算采用三次样条函数插值，具体为：

在m个数据节点{x₁,x₂,…,x_m}上对应的函数值为{y₁,y₂,…,y_m}，所求函数在[x_j,x_j+1](j＝1,2,…,n-1)上有表达式S(x)，设S_j(x)＝a_jx³+b_jx²+c_jx+d_j，(j＝1,2,…,m-1)，且满足下列条件：

S(x_j)＝y_j，(j＝1,2,…,m)；

S(x_j-0)＝S(x_j+0)，(j＝1,2,…,m-1)；

S‘(x_j-0)＝S’(x_j+0)，(j＝1,2,…,m-1)；

S‘’(x_j-0)＝S‘’(x_j+0)，(j＝1,2,…,m-1)；

S‘’(x₁)＝0；

S‘’(x_n)＝0；

通过求解上述方程组获得m个数据节点内每两个数据节点之间的三次函数表达式，进而得到数据节点区间内其他数据节点的函数值。

7.根据权利要求1至4任一项所述磨机混合填充率在线软测量方法，其特征在于，所述方法还包括：

将计算得出的磨机内部混合填充率直接显示给操作人员。

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