WO2012072315A2 - Nutzung von temperaturmessungen zur indirekten messung von prozessvariablen in mahlanlagen - Google Patents

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WO2012072315A2
WO2012072315A2 PCT/EP2011/067248 EP2011067248W WO2012072315A2 WO 2012072315 A2 WO2012072315 A2 WO 2012072315A2 EP 2011067248 W EP2011067248 W EP 2011067248W WO 2012072315 A2 WO2012072315 A2 WO 2012072315A2
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energy
mass
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Harald Held
Michael Metzger
Florian Steinke
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B02—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING; PREPARATORY TREATMENT OF GRAIN FOR MILLING
    • B02C—CRUSHING, PULVERISING, OR DISINTEGRATING IN GENERAL; MILLING GRAIN
    • B02C25/00—Control arrangements specially adapted for crushing or disintegrating
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/041—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a variable is automatically adjusted to optimise the performance

Definitions

  • the invention relates to grinding plants such as ⁇ tube mill, ball mills (English name: "ball mill”) or SAG mills (English name: “semi-autogenous grinding mill”), which are suitable for grinding coarse-grained materials such as ores or cement , Milling and crushing ore is an important step in the mining industry.
  • SAG mills and Ku ⁇ gelmühlen be used for this purpose.
  • tube mills or drum mills which in simplified terms consist of a rotating cylinder (drum) which is filled with the ore to be ground. By the rotation of the drum moves material to be ground in the mill to the top and then falls on the remaining Materi al ⁇ on the bottom of the mill due to gravity.
  • drum rotating cylinder
  • Can characteristic variables of the shredding process for example, approximately the masses of rock and water within a mill, be the material flows in and out of the mill or the Zerêtsrate of coarse rock ⁇ particles into fine rock particles. It should be an improved process modeling and on this basis a better control of the crushing process allows who.
  • a major control objective is to reduce the enormous energy requirements, especially of ore milling, which is the first step in ore processing.
  • the object is achieved by a method according to the main claim and a device according to the independent claim.
  • a method for operating a mill with continuous input and output mass flows comprising the following steps:
  • a mill for carrying egg ⁇ nes method of the invention wherein the continuous mill input and output mass flows, and
  • a measuring device for measuring off-mill characteristic process variables
  • the computer means for estimating respective characteristic process variables by inserting the measured values into a respective power balance equation assuming that the respective other process variables are known or negligible; a control device for controlling the mill by means of the estimated characteristic process variable.
  • the advantage of the method according to the invention in comparison to other non-temperature-based methods is the simplicity of the temperature measurements, their relative cost-effectiveness and their high accuracy. According to the method of the invention, only the temperatures of water-like mass flows need to be measured.
  • a measurement of a net power output which takes place outside the mill, can take place Mill engine as well as temperatures and mass flows as characteristic process variables.
  • an au ßer entitled the mill taking place measuring temperatures of each Weil the mill materials supplied and the mill verlas sender materials as characteristic process variables he follow.
  • an au ßer entitled the mill taking place mass flow measurements of each of the mill supplied materials and / or in each case the mill leaving materials as characteristic process variables take place.
  • a au can be carried ßerrenz the mill forming performance measuring an ambient tempera ture ⁇ the mill as the characteristic process variables to Be ⁇ humor a heat dissipation of the mill.
  • an estimate of a power or energy for breaking Ge stone connections and / or for a phase transition to B mood of a useful power of the mill can be done.
  • an estimation of a mass flow leaving the mill of rock can be carried out to determine a useful power of the mill
  • the mill supplied materials rock, steel balls and water ser and exiting the mill material be a blend of ge ⁇ brochenem rock, water and steel balls.
  • the mill may be a tube mill, a ball mill or a SAG mill.
  • Figure 1 shows an embodiment of an inventive
  • Figure 2 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a grinding plant according to the invention. The relevant mass and energy flows are shown.
  • the temperatures of the inputs and outputs of the mill are measured, and these measurements are used to estimate variables of the comminution process, which can be ⁇ not directly measure ge.
  • This can be achieved by means of energy balancing in conjunction with mass balancing.
  • mass balancing For example, with an extended Kalman filter basic structure.
  • the proposed measurement setup is shown schematically in FIG.
  • the change in the energy content of the mill and its content namely rock, water and steel balls, is the net of the influence of energy and of the energy outflow.
  • ⁇ A are the engine power minus the power loss in the transmissions and the bearing, and the heat content of the feed ore, water and the steel balls ⁇ .
  • the energy required to break material joints during milling must be subtracted from the total energy. ⁇ to additionally an even greater amount of energy must be removed ⁇ to that is lost during a grinding of phase transitions of the ore material close to the breaking point.
  • ⁇ °d the energy must be deducted that for the evaporation of water, and the energy that is dissipated in ⁇ the form of heat or sound entwe of the mill housing.
  • the resulting net energy is then used to change the temperature of the mill contents ⁇ structure, that is, the temperature of the stones, the water, the steel balls and the Mühlenkör- pers.
  • the energy difference may be stored in the kinetic energy of the particles within the mill.
  • Figure 1 represents as a rectangle a mill 1, which can be ⁇ example, a pipe, a ball or a SAG mill.
  • the material to be ground which may be, for example, rock 5 or ore, lenti ⁇ Siert.
  • the interior 3 steel balls 7 and 9 water are supplied.
  • the mass flows and the temperatures of the mill 1 supplied materials rock 5, blasting balls 7 and 9 water are measured by measuring devices, which are shown for the mass flow measurement 11 as a scale and for the temperature measurement 13 as a thermometer.
  • at least one motor 15 of the mill 1 receives electrical energy.
  • energy or power 17 supplied which can be measured by means of a power ⁇ diameter 19, which is shown as a zigzag arrow in FIG.
  • a useful energy 21 of Mill 1 is the energy 21 available for breaking connections.
  • energy for generating phase transitions from a solid to a liquid state of the material to be ground may be added to the useful energy.
  • the useful energy 21 is represented by a black arrow from the mill.
  • Another measure of an Efficient ⁇ ness of the mill 1 is of the mill interior 3 exiting stream of material from a mixture 23 of broken rock, water and steel balls. The mass flow 23 leaving the mill can be weighed with a balance 25 and measured with a thermometer 27 with respect to its temperature. More discharged from the mill interior 3 power losses or loss of energy is the heat loss 29, which are detected by measurement with ⁇ means of a thermometer 31 Kgs ⁇ NEN, and caused by a mill movement Schallab ⁇ radiation 33rd
  • the mill 1 On the basis of FIG. 1, power balance equations and mass balance equations can be established, the evaluation of which is used for a control of the mill 1 optimized with regard to an efficiency of the mill 1.
  • the mill 1 the following devices: a computer device 35 with a built-in process model based on the findings ⁇ ge having characteristic of the process variable power balance equations for detecting a mill state, wherein in each case a change of the energy content of the Müh- len len and their contents of a difference from energy and energy flow corresponds output, the computer ⁇ device 35 is provided with an additional integrated process model based on mass flows as characteristic process variables having mass balance equations for detecting the mill state, each with a change in material masses in the interior 3 of the mill 1, a difference of mass flows in and mass flow from the mill 1 corresponds.
  • the computer device 35 estimates respective characteristic process variables by means of insertion of measured values from a respective power balance equation under the assumption that the respective walls ⁇ ren process variables are known or negligible.
  • a measuring device 37 with measuring devices 11, 13, 19, 25, 27, 31, 33 to outside the mill inner space 3 taking place Mes ⁇ sen of characteristic process variables 5, 7, 9, 17, 23, 29, 33.
  • Arrow 22 represents losses due to the evaporation of water.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • a mill is viewed under the fol ⁇ constricting assumptions:
  • the ⁇ ses knowledge would be extremely useful, as it allows direct access to the crushing efficiency, that is, on the proportion that is actually used to generate small particles and is not wasted to warm up the material of the engine power. Obtaining this knowledge directly from temperature measurements is unknown in the art. For direct estimation of the performance
  • a method for operating a mill with continuous input and output mass flows may comprise the following steps in a particularly advantageous manner: - Step Sl: Use of a process model based on the findings ⁇ ge having from characteristic process variable power balance equations for detecting a mill state, wherein in each case a change of the energy content of the Müh ⁇ lenmasse and their contents compositions, a difference of energy gieeinl and energy discharge corresponds;
  • Step S2 additional use of a process model on the basis of mass flows as characteristic Pro ⁇ zessvariablen having mass balance equations for detecting the mill state, wherein each change of the content of masses of the mill, a difference between the mass flows in and mass flow corresponds from the mill;
  • Step S3 forming success outside the mill measuring cha ⁇ acteristic process variables
  • Step S4 estimating respective characteristic process variables by means of substituting the measured values into a respective power balance equation under the assumption that the respective other process variables are known or vernachläs ⁇ ligible;
  • Step S5 Control the mill by means of the estimated characteristic process variables.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Mühle (1) mit kontinuierlichen Eingabe- und Ausgabe-Massenströmen (5, 7, 9, 23), sowie die Mühle (1), wobei ein Prozessmodell auf der Grundlage von Leistungsbilanzgleichungen und Massen- bilanzgleichungen verwendet wird. Außerhalb der Mühle (1) können charakteristische Prozessvariablen (11, 13, 19, 25, 27, 31) einfach gemessen werden. Noch unbekannte charakteristische Prozessvariablen können mittels Einsetzen der gemessenen Werte in eine jeweilige Leistungsbilanzgleichung unter der Annahme ermittelt werden, dass die jeweils anderen Prozessvariablen bekannt oder vernachlässigbar sind. Auf dieser Grundlage kann die Mühle (1) zur Bereitstellung einer hohen Ausgabeleistung optimiert angesteuert werden.

Description

Beschreibung
Nutzung von Temperaturmessungen zur indirekten Messung von Prozessvariablen in Mahlanlagen
Die Erfindung betrifft Mahlanlagen wie beispielsweise Rohr¬ mühlen, Kugelmühlen (englische Bezeichnung: "ball mill") oder SAG-Mühlen (englische Bezeichnung: " semi-autogenous grinding mill"), die zum Zermahlen von grobkörnigen Materialien wie beispielsweise Erzen oder Zement geeignet sind. Das Mahlen und Zerkleinern von Erz ist ein wichtiger Schritt in der Bergbauindustrie. Meistens werden hierfür SAG-Mühlen und Ku¬ gelmühlen verwendet. In beiden Fällen handelt es sich um Rohrmühlen beziehungsweise Trommelmühlen, welche vereinfacht betrachtet aus einem rotierenden Zylinder (Trommel) bestehen, der mit dem zu mahlenden Erz befüllt wird. Durch die Rotation der Trommel bewegt sich zu mahlendes Material in der Mühle nach oben und fällt anschließend auf das verbleibende Materi¬ al auf dem Boden der Mühle infolge der Schwerkraft. Der Auf¬ schlag der Partikel sowie die Reibung innerhalb der zirkulie¬ renden Ladung führen zu einem Zerbrechen beispielsweise des Erzes. Um die Effizienz des Mahlens zu verbessern, werden in vielen Mühlensystemen zusätzlich Stahlkugeln dem Material in der Mahlanlage beigegeben.
Zum Zwecke einer optimalen Steuerung ist es wichtig, in der Lage zu sein, charakteristische Variablen des Zerkleinerungs¬ prozesses wie beispielsweise die Massen von Gestein und Was¬ ser innerhalb der Mühle, die Materialflüsse in und aus der Mühle oder die Zerbrechensrate von groben Gesteinsteilchen in feine Gesteinsteilchen zu messen. Infolge der rauen Bedingungen innerhalb der Mühle ist es im Allgemeinen nicht einfach, direkte Messungen innerhalb der Mühle auszuführen. Des Weite¬ ren können außerhalb der Mühle die großen Materialströme, insbesondere im Ausmaß von tausenden von Tonnen pro Stunde, nicht detailliert analysiert werden. Es existiert eine Vielzahl von (indirekten) Messvorrichtunge für eine Erfassung von Prozessvariablen von Mahlanlagen. Auf herkömmliche Weise werden die Eingabe-/Ausgabe-Massen- zufuhren, das Mühlengewicht, die Leistungsaufnahme und die Geschwindigkeit einer Zerkleinerungsmühle gemessen. Diese Messungen werden typischerweise in einem makroskopischen Zu- standsraummodell einbezogen, das die Massen von Bruchstücken mit unterschiedlichen Größen innerhalb der Mühle mittels Mas senbilanzgleichungen berücksichtigt ([1] [2]) .
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auf einfache und wirksame Weise, bei einem Mahlverfahren oder einer Mahlanlage, charakteristische Prozessvariablen eines Zerkleinerungs¬ prozesses zum Zwecke einer optimalen Steuerung des Mahlvorgangs zu erfassen. Charakteristische Variablen des Zerkleine rungsprozesses können beispielsweise die Massen von Gestein und Wasser innerhalb einer Mühle, die Materialflüsse in und aus der Mühle oder die Zerbrechensrate von groben Gesteins¬ teilchen in feine Gesteinsteilchen sein. Es sollen ein verbessertes Prozessmodellieren und auf dieser Grundlage eine bessere Steuerung des Zerkleinerungsprozesses ermöglicht wer den. Ein Hauptsteuerungsziel ist die Reduzierung der enormen Energieerfordernisse insbesondere des Erzmahlens, dem am teu ersten Schritt in der Erzverarbeitung .
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch und eine Vorrichtung gemäß dem Nebenanspruch gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb einer Mühle mit kontinuierlichen Eingabe- und Ausgabe-Massenströmen beansprucht, das folgende Schritte aufweist:
- Verwenden eines Prozessmodells auf der Grundlage von cha¬ rakteristischen Prozessvariablen aufweisenden Leistungsbilanzgleichungen zur Erfassung eines Mühlenzustands , wobei je weils eine Veränderung eines Energieinhaltes der Mühlenmasse und deren Inhaltsmassen, einer Differenz aus Energieeinfluss und Energieausfluss entspricht; - zusätzliches Verwenden eines Prozessmodells auf der Grund¬ lage von Massenströmen als charakteristische Prozessvariablen aufweisenden Massenbilanzgleichungen zur Erfassung des Müh- lenzustands, wobei jeweils eine Veränderung der Inhaltsmassen der Mühle, einer Differenz aus Massenströme in und Massenstrom aus der Mühle entspricht;
- außerhalb der Mühle erfolgendes Messen von charakteristi¬ schen Prozessvariablen;
- Abschätzen jeweiliger charakteristischer Prozessvariablen mittels Einsetzen der gemessenen Werte in eine jeweilige Leistungsbilanzgleichung unter der Annahme, dass die jeweils anderen Prozessvariablen bekannt oder vernachlässigbar sind;
- Steuern der Mühle mittels der abgeschätzten charakteristi¬ schen Prozessvariablen.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine Mühle zur Ausführung ei¬ nes erfindungsgemäßen Verfahrens beansprucht, wobei die Mühle kontinuierliche Eingabe- und Ausgabe-Massenströme, sowie
- eine Rechnereinrichtung mit einem integrierten Prozessmodell auf der Grundlage von charakteristische Prozessvariablen aufweisenden Leistungsbilanzgleichungen zur Erfassung eines Mühlenzustands , wobei jeweils eine Veränderung eines Energie¬ inhaltes der Mühlenmasse und deren Inhaltsmassen, einer Differenz aus Energieeinfluss und Energieausfluss entspricht; und
- die Rechnereinrichtung mit einem zusätzlichen integrierten Prozessmodell auf der Grundlage von Massenströme als charak¬ teristische Prozessvariablen aufweisenden Massenbilanzglei¬ chungen zur Erfassung des Mühlenzustands, wobei jeweils eine Veränderung der Inhaltsmassen der Mühle, einer Differenz aus Massenströme in und Massenstrom aus der Mühle entspricht;
- eine Messvorrichtung zum außerhalb der Mühle erfolgenden Messen von charakteristischen Prozessvariablen;
- die Rechnereinrichtung zum Abschätzen jeweiliger charakteristischer Prozessvariablen mittels Einsetzen der gemessenen Werte in eine jeweilige Leistungsbilanzgleichung unter der Annahme, dass die jeweils anderen Prozessvariablen bekannt oder vernachlässigbar sind; - eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Mühle mittels der abgeschätzten charakteristischen Prozessvariablen, aufweist.
Erfindungsgemäß wird ein Leistungsbilanzmodell oder ein ent¬ sprechendes Energiebilanzmodell für die Mühle selbst vorge¬ schlagen. Ein derartiges Modell wird mit einem Massenbilanz- modell kombiniert. Auf diese Weise können für eine wirksame Steuerung der Mühle, unbekannte charakteristische Prozessva¬ riablen abgeschätzt, indem andere charakteristische Prozess¬ variablen außerhalb der Mühle einfach gemessen oder vernachlässigt werden.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine Kombination eines Leistungsbilanzmodells mit massenbilanzbasiertem Modellieren des Mühlenzustands zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe besonders vorteilhaft ist. Auf diese Weise kann ein notwendi¬ ges Wissen über Massenflüsse erhalten werden, die nicht di¬ rekt gemessen werden können. Es wird ein wirksameres Prozess¬ modellieren ermöglicht.
Bei einem Leistungsbilanzmodell können zusätzliche Tempera¬ turmessungen der Eingangsströme und Ausgangsströme von Mühlen oder Mahlanlagen für eine verbesserte Zustandsabschätzung und zur Steuerung der Mühle oder der Mahlanlage verwendet werden.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu anderen nicht temperaturbasierten Verfahren ist die Einfachheit der Temperaturmessungen, deren relative Kostengünstigkeit und ihre hohe Genauigkeit. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren brauchen lediglich die Temperaturen von wasserähnlichen Massenströmen gemessen werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein außerhalb der Mühle erfolgendes Messen einer Nettoleistungsabgabe eines Mühlenmotors sowie von Temperaturen und Massenströmen als charakteristische Prozessvariablen erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein au ßerhalb der Mühle erfolgendes Messen von Temperaturen von je weils der Mühle zugeführter Materialien und die Mühle verlas sender Materialien als charakteristische Prozessvariablen er folgen .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein au ßerhalb der Mühle erfolgendes Messen von Massenströmen von jeweils der Mühle zugeführten Materialien und/oder jeweils die Mühle verlassender Materialien als charakteristische Pro zessvariablen erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein au ßerhalb der Mühle erfolgendes Messen einer Umgebungstempera¬ tur der Mühle als charakteristische Prozessvariablen zur Be¬ stimmung einer Wärmeverlustleistung der Mühle erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein au ßerhalb der Mühle erfolgendes Messen der von der Mühle abge¬ strahlten Schallenergie als charakteristische Prozessvariabl zur Bestimmung einer Schallverlustleistung der Mühle erfolgen .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein schätzen einer Leistung oder Energie zum Aufbrechen von Ge Steinsverbindungen und/oder für einen Phasenübergang zur B Stimmung einer Nutzleistung der Mühle erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein schätzen eines die Mühle verlassenden Massenstroms von Ge¬ stein zur Bestimmung einer Nutzleistung der Mühle erfolgen
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können der Mühle zugeführte Materialien Gestein, Stahlkugeln sowie Was- ser und die Mühle verlassendes Material eine Mischung aus ge¬ brochenem Gestein, Wasser und Stahlkugeln sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Mühle eine Rohr-, eine Kugel- oder eine SAG-Mühle sein.
Die vorliegende Erfindung wird anhand eines Ausführungsbei¬ spiels in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen :
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Mahlanlage ;
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Verfahrens .
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mahlanlage. Es werden die relevanten Masse- und Energieströme dargestellt .
Es wird vorgeschlagen, die Eingangs- und die Ausgangstempera¬ turen des Gesteins, der Stahlkugeln und des Wassers, die der Mühle zugeführt werden, zu messen. Diese Temperaturen können dann über eine Energiebilanz auf die Eingabe-/Ausgabe- Massenströme, die Leistungsaufnahme, die Mahlgeschwindigkeit und die Bruchrate bezogen werden. Die Gleichung kann dann in verschiedenen Aufbauten zur indirekten Messung einer der genannten Prozessvariablen verwendet werden, und zwar unter der Annahme, dass andere Prozessvariablen bekannt sind. Eine der¬ artige Abschätzungsprozedur wird direkt in ein Prozessmodell mit aufgenommen, das auf Massenbilanzgleichungen basiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zumindest einige der Temperaturen der Eingaben und Ausgaben der Mühle gemessen, wobei diese Messungen zur Abschätzung von Variablen des Zerkleinerungsprozesses verwendet werden, die nicht direkt ge¬ messen werden können. Dies kann mittels Energiebilanzierung in Verbindung mit Massenbilanzierungen erreicht werden, bei- spielsweise mit einer erweiterten Kalman-Filter-Grund- struktur. Der vorgeschlagene Messungsaufbau ist schematisch in Figur 1 dargestellt. Die Veränderung des Energieinhaltes der Mühle und deren In¬ halt, und zwar Gestein, Wasser und Stahlkugeln, ist das Netto des Energieeinflusses und des Energieausflusses. Auf der Ein¬ gabeseite befinden sich die Motorleistung, abzüglich des Leistungsverlustes in den Gangschaltungen und der Lager, und der Wärmeinhalt des zugeführten Erzes, Wassers und der Stahl¬ kugeln. Auf der Ausgabeseite ist die Wärme, die in dem Müh- lenausfluss, einer Mischung von zerkleinertem Erz, Wasser und kleinen Stahlteilchen enthalten ist. Des Weiteren muss die zum Brechen von Materialverbindungen während der Vermahlung benötigte Energie von der Gesamtenergie abgezogen werden. Zu¬ sätzlich muss eine noch größere Energiemenge abgezogen wer¬ den, die während einer Vermahlung für Phasenübergänge des Erzmaterials nahe den Bruchstellen verloren geht. Abschlie¬ ßend muss die Energie abgezogen werden, die zur Verdunstung von Wasser, und die Energie, die von dem Mühlengehäuse entwe¬ der in Form von Wärme oder Schall abgeführt wird. Die sich ergebende Nettoenergie wird dann zur Veränderung der Tempera¬ tur des Mühleninhalts verwendet, das heißt, die Temperatur der Steine, des Wassers, der Stahlkugeln und des Mühlenkör- pers . Alternativ kann die Energiedifferenz in der kinetischen Energie der Teilchen innerhalb der Mühle gespeichert sein.
Figur 1 stellt als Rechteck eine Mühle 1 dar, die beispiels¬ weise eine Rohr-, eine Kugel- oder eine SAG-Mühle sein kann. In einem Innenraum 3 der Mühle 1 sind das zu mahlende Material, das beispielsweise Gestein 5 oder Erz sein kann, lokali¬ siert. Zudem werden dem Innenraum 3 Stahlkugeln 7 und Wasser 9 zugeführt. Die Massenströme und die Temperaturen der der Mühle 1 zugeführten Materialien Gestein 5, Strahlkugeln 7 und Wasser 9 werden mittels Messeinrichtungen gemessen, die für die Massenstrommessung 11 als Waage und für die Temperaturmessung 13 als Thermometer dargestellt sind. Des Weiteren wird mindestens einem Motor 15 der Mühle 1 elektrische Ener- gie oder Leistung 17 zugeführt, die mittels eines Leistungs¬ messers 19 gemessen werden kann, der als ein Zickzackpfeil in Figur 1 dargestellt ist. Wird eine Leerlaufleistung des Mo¬ tors 15 von der gesamten Leistungsaufnahme 17 des Motors 15 abgezogen, erhält man die dem Mahlvorgang zugeführte elektro- mechanische Leistung, die einem Produkt aus Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit entspricht. Auf diese Weise können die Massenströme, die thermische Energie und die elektrische Energie, die dem Innenraum 3 zugeführt werden, ermittelt wer¬ den .
Eine Nutzenergie oder Nutzleistung 21 der Mühle 1 ist die Energie 21, die zum Aufbrechen von Verbindungen zur Verfügung steht. Zusätzlich kann eine Energie zum Erzeugen von Phasenübergängen von einem festen zu einem flüssigen Zustand des zu mahlenden Materials zu der Nutzenergie hinzu addiert werden. Die Nutzenergie 21 ist durch einen schwarzen Pfeil aus der Mühle dargestellt. Ein weiteres Maß für eine Leistungsfähig¬ keit der Mühle 1 ist der den Mühleninnenraum 3 verlassende Materialstrom aus einer Mischung 23 von gebrochenem Gestein, Wasser und Stahlkugeln. Es können der die Mühle verlassende Massenstrom 23 mit einer Waage 25 gewogen und mit einem Thermometer 27 hinsichtlich dessen Temperatur gemessen werden. Weitere aus dem Mühleninnenraum 3 abgegebene Verlustleistungen oder Verlustenergien sind die Wärmeverluste 29, die mit¬ tels eines Thermometers 31 messtechnisch erfasst werden kön¬ nen, und eine durch eine Mühlenbewegung bewirkte Schallab¬ strahlung 33.
Auf der Grundlage der Figur 1 können Leistungsbilanzgleichungen und Massebilanzgleichungen aufgestellt werden, deren Auswertung für eine hinsichtlich eines Wirkungsgrades der Mühle 1 optimierte Steuerung der Mühle 1 genutzt wird. Dazu weist die Mühle 1 folgende Einrichtungen auf: Eine Rechnereinrichtung 35 mit einem integrierten Prozessmodell auf der Grundla¬ ge von charakteristische Prozessvariablen aufweisenden Leistungsbilanzgleichungen zur Erfassung eines Mühlenzustands , wobei jeweils eine Veränderung eines Energieinhaltes der Müh- lenmasse und deren Inhaltsmassen einer Differenz aus Energie- einfluss und Energieausfluss entspricht, wobei die Rechner¬ einrichtung 35 mit einem zusätzlichen integrierten Prozessmodell auf der Grundlage von Massenströmen als charakteristi- sehe Prozessvariablen aufweisenden Massenbilanzgleichungen zur Erfassung des Mühlenzustands bereitgestellt ist, wobei jeweils eine Veränderung der Materialmassen im Innenraum 3 der Mühle 1, einer Differenz aus Massenströme in und Massenstrom aus der Mühle 1 entspricht. Die Rechnereinrichtung 35 schätzt jeweilige charakteristische Prozessvariablen mittels Einsetzen von gemessenen Werten in eine jeweilige Leistungsbilanzgleichung unter der Annahme ab, dass die jeweils ande¬ ren Prozessvariablen bekannt oder vernachlässigbar sind. Eine Messvorrichtung 37 mit Messeinrichtungen 11, 13, 19, 25, 27, 31, 33 zum außerhalb des Mühleninnenraums 3 erfolgenden Mes¬ sen von charakteristischen Prozessvariablen 5, 7, 9, 17, 23, 29, 33. Eine Steuereinrichtung 39 zur Steuerung der Mühle 1 mittels der abgeschätzten charakteristischen Prozessvariablen. Pfeil 22 stellt Verluste durch Verdunsten von Wasser dar.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens . Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird eine Mühle unter den fol¬ genden Annahmen betrachtet:
1) Der Mühleninhalt und der Mühlenkörper sind perfekt ge¬ mischt, das heißt, sie weisen eine einheitliche Temperatur für alle Teile auf. Temperaturänderungen sind langsam genug, dass dieses Gleichgewicht aufrecht erhalten werden kann.
2) Alle kinetische Energie wird sofort in Wärme und Verbin¬ dungsbruchenergie umgewandelt. Dies ist realistisch, da eine typische Bewegung einer Mühlenbefüllung schnell im Vergleich zu den Mahlprozessen ist. Mit nur wenigen Kollisionen geht die meiste kinetische Energie der Teilchen in unelastischen Stößen verloren. 3) Gravitationsenergie der Ladung ist vernachlässigbar.
4) Es verdunstet kein Wasser.
Dann gilt folgende Gleichung (1)
—
Figure imgf000012_0001
-P Motor ;keineLast) /-P Verbindungsbruch+Phasenübergang
^ Stein Stein^ Stein n ^ Stein^)^
Wasser \ Wasser Wasser n Wasser )
+ τC ^ Kugel1F Kugel1T Kugel, m
(< ■ Stein'" Stein ^ ^ Wasser' "Wasser ^ ^ Kugel'" Kugel ^ ^ Muhle' " Muhle ) ^ wobei P Leistungen in KW, F die Zufuhrraten in t/h, 0 die Ausgaberaten in t/h, c die massenspezifischen Wärmekapazitäten in kWh/tK, T die Temperaturen in K, und m die Massen in der Mühle.
Gemäß dieser Vorgabe werden erfindungsgemäß zwei verschiedene Strategien zur Verwendung zusätzlicher Temperaturmessungen für die Prozesssteuerung von Zerkleinerungsmühlen angewendet.
Die erste schätzt die Leistung PVerbindUngSbmch+phaSenübergang direkt. Die¬ ses Wissen wäre extrem nützlich, als es direkten Zugriff auf die Zerkleinerungseffizienz ermöglicht, das heißt, auf den Anteil der Motorenergie, der tatsächlich zur Erzeugung von kleinen Teilchen verwendet wird und der nicht zum Aufwärmen des Materials verschwendet wird. Ein Gewinnen dieses Wissens direkt aus Temperaturmessungen ist nach dem Stand der Technik unbekannt. Zum direkten Abschätzen der Leistung
Pvetodungsbmch+Phasenübergang wird angenommen, dass die Massen in der Müh¬ le mittels paralleler Massenbilanzgleichungen geschätzt werden, und dass die Nettoenergieaufnahme, das heißt, Motorleis¬ tung minus Leerlaufleistung, die Eingabe/Ausgabe-Massenraten und -Temperaturen gemessen werden. Der Aufbau ist in Figur 1 dargestellt. Es kann dann der thermische Verlust des Mühlen- gehäuses mittels des Kühlgesetzes nach Newton abgeschätzt werden. Die Schallenergie kann typischerweise vernachlässigt werden. Abschließend kann die Leistung oder Energie direkt erhalten werden, die zum Brechen von Verbindungen benötigt wird oder für Phasenübergänge verwendet wird, und zwar mit¬ tels der vorstehenden Gleichung (1) .
Jedoch ist es bekannt, dass die Zerkleinerungswirkungsgrade in Kugel-/SAG-Mühlen eher klein sind. Diese liegen bei ungefähr 10%, wenn die zum Brechen von Teilchen in einer Kugel- /SAG-Mühle benötigte Energie mit der von einzelnen Teilchen- Bruchexperimenten verglichen wird. Einzelne Teilchen- Bruchexperimente sind ein nützlicher Vergleich, da hier kein umgebendes Material aufgewärmt wird und die erforderliche Energie weitgehend zu der Energie gleich ist, die zum Brechen von Verbindungen oder Haftungen und für Phasenübergänge erforderlich ist. Somit ist dieser erste Ansatz nicht für jede Mineralienverarbeitungsanlage möglich, infolge der eher gro¬ ßen erwarteten Ungenauigkeiten, wenn die Temperaturen und die Massenraten der Eingaben in die Mühle und der Ausgaben aus der Mühle gemessen werden.
Falls dieser erste Ansatz sich als nicht praktikabel erweist, wird ein weiteres robusteres Szenario wie folgt vorgeschla¬ gen: Es sei erneut angenommen, dass die Massen in der Mühle mittels paralleler Massenbilanzgleichungen geschätzt werden, und dass die Nettomotorleistung, Eingabemassenraten und die Temperaturen der Eingaben und Ausgaben gemessen werden. Mittels Berechnen des thermischen Verlustes des Mühlengehäuses mittels Newton' scher Gleichungen und Vernachlässigen der zum Brechen von Verbindungen oder Haftungen verwendeten Energie und der Schallenergie, kann dann die Ausgabe- Gesteinsflussrate geschätzt werden, die eine weitere Schlüs¬ selgröße zu Steuerungszwecken ist.
Em erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer Mühle mi kontinuierlichen Eingabe- und Ausgabe-Massenströmen, kann bei besonders vorteilhaft folgende Schritte umfassen: - Schritt Sl: Verwenden eines Prozessmodells auf der Grundla¬ ge von charakteristische Prozessvariablen aufweisenden Leistungsbilanzgleichungen zur Erfassung eines Mühlenzustands , wobei jeweils eine Veränderung eines Energieinhaltes der Müh¬ lenmasse und deren Inhaltsmassen, einer Differenz aus Ener- gieeinfluss und Energieausfluss entspricht;
- Schritt S2 : zusätzliches Verwenden eines Prozessmodells auf der Grundlage von Massenströmen als charakteristische Pro¬ zessvariablen aufweisenden Massenbilanzgleichungen zur Erfassung des Mühlenzustands, wobei jeweils eine Veränderung der Inhaltsmassen der Mühle, einer Differenz aus Massenströmen in und Massenstrom aus der Mühle entspricht;
- Schritt S3: außerhalb der Mühle erfolgendes Messen von cha¬ rakteristischen Prozessvariablen;
- Schritt S4: Abschätzen jeweiliger charakteristischer Prozessvariablen mittels Einsetzen der gemessenen Werte in eine jeweilige Leistungsbilanzgleichung unter der Annahme, dass die jeweils anderen Prozessvariablen bekannt oder vernachläs¬ sigbar sind;
- Schritt S5: Steuern der Mühle mittels der abgeschätzten charakteristischen Prozessvariablen .
Literatur :
[1] Rajamani, RK und Herbst, J., Optimale Steuerung einer
Kugelmühlenmahlzirkulation . Punkt 1: Mahlzirkulationsmo- dellierung und dynamische Simulation, Chemieingenieurwissenschaft, 46(3), 861-70, 1991
[2] T.A.Apelt, Schlussfolgernde Messmodelle für SAG- Mahlanlagen, Thesenpapier, 2007.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb einer Mühle (1) mit kontinuierlichen Eingabe- und Ausgabe-Massenströmen,
- Verwenden eines Prozessmodells auf der Grundlage von cha¬ rakteristischen Prozessvariablen aufweisenden Leistungsbilanzgleichungen zur Erfassung eines Mühlenzustands , wobei je¬ weils eine Veränderung eines Energieinhaltes einer Mühlenmas¬ se und von Massen eines Inhalts der Mühle, einer Differenz aus Energieeinfluss (5, 7, 9, 19) und Energieausfluss (23, 21,, 22, 23, 29, 33) entspricht;
- zusätzliches Verwenden eines Prozessmodells auf der Grund¬ lage von Massenströmen als charakteristische Prozessvariablen aufweisenden Massenbilanzgleichungen zur Erfassung des Müh- lenzustands, wobei jeweils eine Veränderung der Inhaltsmassen der Mühle, einer Differenz aus Massenströmen in (5, 7, 9) und Massenstrom (23) aus der Mühle entspricht;
- außerhalb der Mühle (1) erfolgendes Messen (11, 13, 25, 27, 31, 33) von charakteristischen Prozessvariablen;
- Abschätzen jeweiliger charakteristischer Prozessvariablen mittels Einsetzen der gemessenen Werte in eine jeweilige Mas¬ senströme aufweisende Leistungsbilanzgleichung unter der Annahme, dass die jeweils anderen Prozessvariablen bekannt oder vernachlässigbar sind;
- Steuern der Mühle mittels der abgeschätzten charakteristischen Prozessvariablen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch
außerhalb der Mühle erfolgendes Messen einer Nettoleistungs- abgabe eines Mühlenmotors sowie von Temperaturen und Massen¬ strömen als charakteristische Prozessvariablen.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch
außerhalb der Mühle erfolgendes Messen von Temperaturen von jeweils der Mühle zugeführter Materialien und die Mühle verlassender Materialien als charakteristische Prozessvariablen.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch
außerhalb der Mühle erfolgendes Messen von Massenströmen von jeweils der Mühle zugeführten Materialien und/oder jeweils die Mühle verlassender Materialien als charakteristische Pro zessvariablen .
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch
außerhalb der Mühle erfolgendes Messen einer Umgebungstempe¬ ratur der Mühle als charakteristische Prozessvariablen zur Bestimmung einer Wärmeverlustleistung der Mühle.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch
außerhalb der Mühle erfolgendes Messen einer von der Mühle abgestrahlten Schallenergie als charakteristische Prozessva¬ riable zur Bestimmung einer Schallverlustleistung der Mühle.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch
Abschätzen einer Leistung oder Energie zum Aufbrechen von Ge Steinsverbindungen und/oder für einen Phasenübergang zur Bestimmung einer Nutzleistung der Mühle.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch
Abschätzen eines die Mühle verlassenden Massenstroms von Ge¬ stein zur Bestimmung einer Nutzleistung der Mühle.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
der Mühle zugeführte Materialien jeweils Gestein, Stahlkugel sowie Wasser und die Mühle verlassendes Material eine Mi¬ schung aus gebrochenem Gestein, Wasser und Stahlkugeln sind.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9 gekennzeichnet durch
Steuern der Mühle derart, dass ein Nutzleistung der Mühle maximal ist.
11. Mühle (1) zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die Mühle mit kontinuierlichen Eingabe- und Ausgabe-Massenströmen, mit
- einer Rechnereinrichtung (35) mit einem integrierten Prozessmodell auf der Grundlage von charakteristische Prozessva¬ riablen aufweisenden Leistungsbilanzgleichungen zur Erfassung eines Mühlenzustands , wobei jeweils eine Veränderung eines Energieinhaltes der Mühlenmasse und deren Inhaltsmassen, ei¬ ner Differenz aus Energieeinfluss und Energieausfluss ent¬ spricht; und
- die Rechnereinrichtung (35) mit einem zusätzlichen integrierten Prozessmodell auf der Grundlage von Massenströme als charakteristische Prozessvariablen aufweisenden Massenbilanz- gleichungen zur Erfassung des Mühlenzustands, wobei jeweils eine Veränderung der Inhaltsmassen der Mühle, einer Differenz aus Massenströme in und Massenstrom aus der Mühle entspricht;
- einer Messvorrichtung (37) zum außerhalb der Mühle erfolgenden Messen von charakteristischen Prozessvariablen;
- die Rechnereinrichtung (35) zum Abschätzen jeweiliger charakteristischer Prozessvariablen mittels Einsetzen der gemessenen Werte in eine jeweilige Massenströme aufweisende Leis¬ tungsbilanzgleichung unter der Annahme, dass die jeweils anderen Prozessvariablen bekannt oder vernachlässigbar sind;
- eine Steuereinrichtung (39) zur Steuerung der Mühle mittels der abgeschätzten charakteristischen Prozessvariablen.
12. Mühle (1) nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mühle (1) eine Rohr-, eine Kugel- oder eine SAG-Mühle ist .
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