CC BY
76
УДК 502.55
В.В. Бирюков, А.А. Петров
ФГБУН Г орный институт Кольского научного центра РАН
ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАЗРАБОТКИ И ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СОХРАНЕНИЯ И ОСВОЕНИЯ РУДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ*
Аннотация
Для информационного обеспечения комплекса исследований, проводимых при разработке технологических процессов сохранения и освоения рудных и техногенных месторождений, создана интегрированная информационная среда на основе, которой осуществляется моделирование исследуемых процессов с использованием программного комплекса MODSIM, позволяющего синтезировать топологии технологических схем переработки минерального сырья с возможностью минимизации технико-экономических затрат.
Ключевые слова:
минеральное сырье, переработка, информационная система, базы данных, технологическая схема, вычислительный эксперимент, моделирование процесса, обогатительное оборудование.
V.V. Birukov, A.A. Petrov
INFORMATION SUPPORT OF TECHNOLOGY PROCESSES DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION FOR ORE AND MAN-MADE DEPOSITS CONSERVATION AND DEVELOPMENT
Abstract
In order to provide information support of study complex carried out during technology development of conservation and exploitation of ore and man-made deposits there has been created an integrated information environment that serves as a basis for modeling of processes under study using software MODSIM. The software allows synthesizing of topology of mineral processing flow sheets with minimization of engineering and economical costs.
Key words:
mineral raw material, processing, information system, database, flow sheet, numerical experiment, process modeling, processing equipment.
Для обеспечения современного уровня рентабельности и экономической эффективности при освоении и эксплуатации минерально-сырьевой базы России решающее значение придается созданию энергоресурсосберегающих экологически безопасных технологий комплексной переработки минерального и техногенного сырья и решения экологических проблем при освоении месторождений полезных ископаемых.
С целью информационного сопровождения комплекса исследований по созданию технологий сохранения и переработки рудного и техногенного минерального сырья разработаны база данных вещественного состава минерального
* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №12-07-98800-р_север_а «Разработка моделей и информационной технологии прогнозирования параметров производственных процессов обогащения руд».
сырья предприятий Кольского ГПК и база данных технологических процессов сохранения и переработки минерального сырья. Базы данных интегрированы в информационную систему в соответствии с концептуальной моделью, определяющей взаимодействие структурных блоков формализованных данных (рис. 1.).
Основное функциональное назначение информационной системы -формирование единого информационного поля для хранения и обработки данных, получаемых от разных групп специалистов в ходе исследований и опытно-промышленных испытаний, проводимых с целью повышения эффективности добычи и переработки минерального сырья рудных и техногенных месторождений при снижении техногенной нагрузки на природную среду.
Минеральный состав Структурно-текстурные особенности Физико-механические свойства
: Способность к :
: ошламованню : Крепость
Электрические свойства : Пористость, влажность
Магнитные свойства Степень контрастности
I
Форма и размер зерен
Характер границ и срастаний зерен
Степень однородности; наличие включений
Химический сосгав
количественное
соотношение
минералов
Степень : ркислснности....:
Морфология
агрегатов
Поверхностная
активность
Особенности
сростаний
Соотношение
контрастных
минералов
Изоморфизм.
..ІЮЛІГГНПИЗМ...
Зональность,
особенности
срастании
База данных вещественного состава минерального сырья
Блок принятия решений при разработке технологий сохранения и освоения минерального сырья
База данных технологических процессов
:
классификация
СПИС. ІПМСЛЬЧСШІС
Обесшламливанис, облирка!
[Ультразвуковая обработ^
[’^мйч«ш’Ж£а’5отга"]
1
/ ПОДГОТОВКА минеральною сырья / / ИЗВЛЕЧЕНИЕ ПК їй минерального сырья / / СКЛАДИРОВАНИЕ / техногенного минерального/ сырья / / СОХРАНЕНИЕ / тех неї енного минерального/ сырья /
Флотация
Гравитация Насыпное
[Магнитная сепарация ]
Намывное
[Электрическая сепарацшП
Закрепление | связующими материалами
|_ Создание биогеобарьера
і Закладка в і | подземные выработки ]
Рис. 1. Концептуальная модель информационной системы поддержки принятия решений при разработке технологий сохранения и переработки рудного и техногенного минерального сырья
В состав информационной системы включены также данные о техногенных месторождениях, по которым ведется контроль перераспределения полезных элементов в складированных отходах под влиянием разнообразных природных факторов, таких как окислительно-восстановительные процессы,
выщелачивание, фильтрационные электрические поля, плоскостной смыв и другое. Информация о наличии веществ различного класса опасности в сырье техногенных месторождений позволяет прогнозировать степень воздействия на природную среду и определяет технологии снижения этого воздействия.
На основе анализа информационной структуры классов объектов, выделенных в процессе изучения предметной области, разработаны инфоло-гические модели баз данных, входящих в состав информационной системы. Для каждого класса объектов в инфологической модели определен набор атрибутов и создана таблица, заданы первичные и внешние ключи, на их основе установлены логические связи.
При проектировании инфологической модели базы данных вещественного состава минерального сырья предприятий Кольского ГПК были выделены следующие сущности (классы объектов предметной области):
- месторождение - общая информация о месторождениях представленных в базе данных;
- группа месторождений описывает первый уровень в иерархии классификационной модели месторождений;
- подгруппа месторождений обозначает второй уровень классификации месторождений;
- предприятие содержит информацию о предприятии, на балансе которого находится месторождение.
Минеральное сырье - основной объект модели, атрибутами этого объекта описываются все характеристики вещественного состава минерального сырья рудного или техногенного месторождения. Физико-механические свойства -описывает физико-механические свойства исследуемого минерального сырья; структурно-текстурные особенности - определяет структурно-текстурные характеристики минерального сырья, такие как форма и размер зерен, характер границ и срастаний зерен и т.д. Объекты модели: минералогический состав, химический состав и гранулометрический состав определяют основные характеристики вещественного состава минерального сырья. Объект технологическая карта описывает совокупность реализованных технологических процессов при сохранении и освоении минерального сырья рудных и техногенных месторождений.
Схема информационно-логической модели базы данных вещественного состава минерального сырья представлена на рис. 2.
Объекты «Группа месторождений», «Подгруппа месторождений» описывают классификационные признаки месторождений. Объект «Предприятие» определяет справочную информацию о месторождении. У минерального сырья может быть определен ряд характеристик, описанных п-м числом параметров, при этом каждый параметр регистрируется и строго привязывается к определенному типу минерального сырья конкретного месторождения. Классификация видов минерального сырья необходима для гибкого формирования запросов к базе данных, что позволяет более точно определять спектр необходимых данных при исследовании характеристик минерального сырья месторождения.
1 уровень классификации МЕСТОРОЖДЕНИЕ
ГРУППА МЕСТ-Я Код Наименование Группа Подгруппа Предприятие Состояние Регион Дата основания Дополнительная информация
Код Наименование
1 ч Балансовая принадлежность
ПРЕДПРИЯТИЕ
Код Наименование Профиль
1 ч
-1-
II уровень ПОДГРУППА МІСІ-И ^классификации^ ^ ^
Наименование
свойства минерального сырья
л
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА
Код Наименование Значение параметра Дополнительная информация
характеристика вещественного состава
Обеспеченность
А.
МИНЕРАЛЬНОЕ СЫРЬЕ
Код Месторождение Объем запасов Структу рно-тексту рные особенности Фюико-механнческие свойства Минералогический состав Химический состав
Гранулометрический состав Технологическая карта
свойства минерального сырья
СТРУКТУРНО-ТЕКСТУРНЫЕ
ОСОБЕННОСТИ
Код Наименование Значение параметра Дополнительная информация
характеристика вещественного состава
МИНЕРАЛОГИЧЕСКИИ СОСТАВ У + характеристика технологические вещественного состава Г ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ
Код Наименование Значение параметра Код Наименование Значение параметра Дополнительная информация
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ Ко/1 Наименование Значение параметра Дополнительная информация ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТА
Код Наименование Технологический процесс
Рис. 2. Информационно-логическая модель базы данных вещественного состава минерального сырья предприятий Кольского ГПК
Проектирование информационно-логической модели базы данных технологических процессов (ТП) сохранения и переработки минерального сырья также проводилось с учетом знаний о предметной области (рис. 3.)
ВИД ТЕХ. ПРОЦЕССА
Кол Класс ТП
Наименование Дополнительная информация
т
Определение ТП
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИ ПРОЦЕСС
Код
Описание
Вил ТП
Параметры
Формирование ТП
Целевое распределение ТП
КЛАСС ТЕХ. ПРОЦЕССА
Код
Наименование
Дополнительная информация
КАРТА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА Код Технологический процесс Месторождение Тип реализации Результат реализации Параметры технологического процесса
Технолог Дополнительная информация
т
Апробация ТП
Назначение ТП
т
Харктеристика ТП
ТИП РЕАЛИЗАЦИИ ТП РЕЗУЛЬТАТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ТП ПАРАМЕТРЫ ТЕХ. ПРОЦЕССА
Код Наименование Дополнительная информация Код Наименование Дополнительная информация Код Вид параметра Значения параметров Технолог Дата регистрации Дополнительная информация
Рис. 3. Информационно-логическая модель базы данных технологических процессов сохранения и переработки минерального сырья
Реляционная структура базы данных вещественного состава минерального сырья предприятий Кольского ГПК характеризуется иерархической подчиненностью данных. На вершине иерархии находится таблица с регистрируемыми месторождениями. С ней взаимосвязаны таблицы с описательными и справочными данными, а также таблицы, определяющие группу и подгруппу месторождения.
Основываясь на классификационном делении параметров месторождений, в структуре базы данных созданы таблицы, определяющие классы параметров (гранулометрический состав, химический, физический составы и т.д.) и виды параметров минерального сырья. Каждый класс параметров содержит несколько видов. Например, класс химических параметров разделяется поэлементно на виды, которые представляются химическими элементами. Класс физических параметров характеризуется такими видами как морфология агрегатов, поверхностная активность и т.д. Все регистрируемые значения параметров хранятся в отдельных таблицах. Каждая такая таблица содержит значения параметров определенного класса, описывающих конкретный объект.
Информационным наполнением базы данных вещественного состава минерального сырья предприятий Кольского ГПК является:
- кадастровая информация, которая характеризует состав и свойства исходного сырья горнодобывающих, горноперерабатывающих, металлургических и других типов предприятий (горные породы, руда, концентраты и т.д.) и отходов промышленных производств (хвосты, шламы, шлаки и т.д.);
- данные о минералогическом, химическом и гранулометрическом составах минерального сырья, его физико-механических свойствах, структурнотекстурных особенностях;
- данные мониторинга, позволяющие выявить закономерности изменения во времени химико-минералогического и петрографического составов и физических свойств минерального сырья, степень химического выветривания складированного минерального сырья, распределение минеральных элементов по горизонтам, техногенную нагрузку на природную среду;
Реляционная структура взаимодействия информационных блоков системы позволяет решать задачи по систематизации получаемой информации об исследуемых объектах и анализу лимитирующих факторов, определяющих оптимальный выбор технологических режимов.
Получение новых данных в ходе мониторинга месторождений и изучения вещественного состава минерального сырья, внедрение новых технологических решений переработки минерального сырья обуславливают необходимость постоянного развития информационной системы. В контексте этого развития предполагается использование данных космического мониторинга, современных ГИС, экспертных систем на основе математических моделей исследуемых объектов.
Для моделирования технологических процессов выбрана программа MODSIM, позволяющая формировать технологическую цепь из набора моделей обогатительного оборудования, соединяемых материальными потоками, и рассчитывающая детальные массовые балансы. Работа данного программного комплекса основывается на дискретизации функций распределения исходного
сырья по крупности, плотности, магнитной восприимчивости, флотируемости и другим свойствам. Соответствующая информация содержится в базе данных вещественного состава минерального сырья предприятий Кольского ГПК.
В алгоритм программной среды МОБ81М заложена библиотека модулей технологического оборудования и математический аппарат для моделирования работы дробильно-измельчительного, классифицирующего, флотационного и сепарационного оборудования. Идентификация моделей оборудования производится на основе разработанных баз данных существующего оборудования магнитного, гравитационного, флотационного обогащения.
Задание свойств исходной руды производится двумя способами:
1. По фракционным заданиям выходов и содержаний полезного компонента;
2. Использованием информации, полученной на современном аналитическом оборудовании, в том числе и на основе имидж - анализа.
Кроме пофракционного задания выходов и содержаний для корректной работы программы необходимо детальное описание физико-механических свойств, структурно-текстурных особенностей сростковых фракций.
Программа МОБ81М генерирует и использует в своей работе модель распределения частиц по крупности на основе распределения Розина -Раммлера. Генерация данного распределения, а также расчет модели раскрытия компонента на основе бета - распределения производится при моделировании работы дробильно - измельчительного оборудования. Имеющийся в МОБ81М набор моделей включает в себя модели стержневых и шаровых мельниц, использование которых с их индивидуальными настройками позволяет осуществлять идентификацию моделей с известным технологическим оборудованием. Настройки модели стержневой мельницы позволяют осуществить моделирование процесса, например, при износе загруженных стержней, изменении наклона мельницы, содержания твердого в пульпе.
Измельчение в шаровой мельнице рассчитывается на основе рассеивания энергии удара при фиксированных затратах энергии при загрузке железной руды определенных фракций с определенным энергопотреблением. В результате получено распределение по крупности частиц продукта на выходе из мельницы с учетом размера шаров, загрузки шаров, загрузки фракции продукта, добавления воды и скорости мельницы.
В программу МОБ81М заложены различные модели классифицирующего оборудования, такие как модель гидроциклона “Плитта” и модели грохочения на просеивающих поверхностях.
Модели грохочения основываются на вероятностных и эмпирических моделях процессов с учетом изменения конструкции. В пределах данной модели можно видеть влияние конструкции лотка, размеров грохота и угла наклона, скорости питания, формы частиц, типа сетки грохота, формы отверстий, загрузки грохота, открытой поверхности грохота и режимов вибрации на эффективность грохочения.
В программе предусмотрено использование новых разработанных аппаратов, основанное на возможности включения в технологическую цепь аппарата “черный ящик”, программируемого пользователем.
Для интеграции в программу MODSIM используются пофракционные сепарационные характеристики модели аппарата в виде “черного ящика”. В FORTRAN - программе задается положение точки полуизвлечения фракции на сепарационной характеристике и угол наклона касательной, проведенной в этой точке.
Созданная имитационная модель цикла измельчения, позволяет исследовать работу технологической цепи предприятия в зависимости от изменяющегося гранулометрического и химического составов поступающей дробленой руды, ее влажности и расхода.
Результатом работы модели являются детальные:
- гранулометрические характеристики всех технологических продуктов;
- технологические характеристики потоков;
- характеристики работы каждой единицы оборудования.
При проведении вычислительного эксперимента также рассчитываются циркуляционные нагрузки; объемные расходы воды с учетом требуемых соотношений «твердое / жидкое»; плотности пульп сливов классификаторов;
С использованием программного комплекса MODSIM в настоящий момент созданы и исследуются типовые варианты моделей обогатительных схем для наполнения базы данных методов переработки минерального сырья.
Работа над типовыми вариантами осуществляется поэтапно. На первом этапе моделируется работа единичных аппаратов в зависимости от их регулируемых настроек и параметров исходного питания. Следующим этапом является объединение группы аппаратов с оптимальными настройками в постепенно наращиваемую линейно - циклическую технологическую схему обогащения данного вида минерального сырья.
Такой подход позволяет синтезировать в программной среде оптимальную топологию схемы переработки любого вида сырья с учетом всех техникоэкономических показателей.
Таким образом, необходимым условием для синтеза топологий технологических схем переработки минерального сырья рудных и техногенных месторождений является обеспеченность информацией об исследуемых объектах. Эффективным инструментом для решения этих задач являются автоматизированные информационные системы. Информационная поддержка при разработке новых технологических решений обеспечивается базами данных с предметной актуализацией информации об исследуемых объектах.
Сведения об авторах
Бирюков Валерий Валентинович - научный сотрудник, е-mail: birukov@goi.kolasc.net.ru Valeriy V. Birukov - Researcher
Петров Алексей Александрович — ведущий программист,
е-mail: petrov@goi.kolasc.net .ru
Alexey A. Petrov - Leading software engineer
