شبيه سازي فرآوري مواد معدني

   امروز در جهان هيجان انگيزي زندگي مي کنيم که هر رويدادي در آن قابل شبيه سازي است. دليل اين ادعا گسترش بيش از پيش اين رشته در همه علوم و بخصوص مهندسي است.

بي شک علم مهندسي فرآوري مواد معدني نيز يکي از شاخه هاي مهم مهندسي و صنعت است که از اين امر مستثنا نيست. همين مقدمه کوتاه براي توجيه علمي و اقتصادي مدل شبيه سازي در فرآوري مواد معدني که به همت محققان دانشگاه صنعتي اميرکبير طراحي و توليد شده ، کفايت مي کند. گذشته از اين ، صنعت فرآوري مواد معدني نقش بسيار مهمي در توليد مواد معدني با ارزش افزوده ايفا مي کند و اهميت اين طرح زماني نمايان تر مي شود که بدانيد بيش از 2 درصد کل انرژي مصرفي جهان ، صرف خردايش مواد مي شود و از اين رو بهينه سازي و کاهش مقداري از اين انرژي بسيار مهم و اقتصادي خواهد بود.

اصطلاح فرآوري مواد معدني ترجمه عبارت Mineral Processing است که از يک دهه گذشته تاکنون در کشور ما مطرح شده است. در واقع مواد معدني استخراج شده از معادن براي اين که قابل استفاده در صنعت باشند، بايد فرآوري شوند. بخش فرآوري در معدن با هدف حذف مواد ناخواسته (باطله) و افزايش عيار ماده معدني (توليد کنسانتره) نقش واسطه بخش معدن و صنايع مختلف را ايفا مي کند.

در اين ميان اهميت فلزات يا کاربردهاي متعدد بويژه در مصارف جديد بر هيچ کس پوشيده نيست و بخش فرآوري معدن فراهم کننده خوراک اوليه تمام کارخانجات ذوب و تغليظ فلزات در صنعت متالورژي است. به طور کلي مجموعه عمليات فيزيکي ، شيميايي و فيزيکي شيميايي است که روي ماده معدني انجام ميشود تا قابل مصرف در صنعت شود. اين مجموعه عمليات شامل مراحل خردکردن ، جدايش ثقلي ، جدايش مغناطيسي و الکترواستاتيکي است.

براي توليد محصول يک روش يا ترکيبي از چند روش (متناسب با ويژگي هاي ماده معدني) طراحي و اجرا مي شود. در حال حاضر، فرآوري به هر عملي گفته مي شود که روي ماده معدني صورت مي گيرد تا آن را قابل مصرف در صنعت کند يا خاصيت جديدي براي آن ايجاد کند، در نتيجه گستره عمل آن بسيار وسيع تر از آن چيزي است که قبلا براي ما متصور بود.

انتخاب بهترين روش

شبيه سازي و مدل سازي ابزار مناسبي براي طراحي ، تحليل ، بهينه سازي و کنترل مدارها و واحدهاي عملياتي فرآوري مواد معدني است که از حدود 40 سال گذشته مورد توجه قرار گرفته است. هدف اصلي همه روشهاي شبيه سازي ، انتخاب بهترين روش و تجهيزات با بيشترين درجه اطمينان و کمترين هزينه است. مدلهاي شبيه سازي در فرآوري مواد معدني به طور کلي به سه نوع مدلهاي تجربي ، پديده شناختي و بنيادي تقسيم بندي مي شوند.

کشورهاي پيشرفته در زمينه معدن و فرآوري مواد معدني از جمله کانادا، استراليا، فرانسه و امريکا جزو پيشگامان در زمينه مدلسازي و شبيه سازي محسوب مي شوند. در کانادا طرح شبيه سازي فناوري زغال و کانه (SPOC) در سال 1980 آغاز شد. اين طرح که يکي از اولين فعاليت هاي مشترک بين صنعت ، دانشگاه و دولت بود که براي تهيه بسته نرم افزاري کاملي از برنامه هاي کامپيوتري مناسب و مفيد صورت گرفت و شبيه سازي در عمليات صنعتي را آسان کرد. فعاليت هاي مشابهي در اين خصوص درکشورهاي ديگر نيز صورت گرفت. در سال 1984 در امريکا نرم افزار MODSIMارائه شد. اين برنامه يک شبيه ساز حالت پايدار مدارهاي فرآوري مواد معدني بود که در سال 1985 به صورت تجاري درآمد. در استراليا هم در سال 1986 اولين نسخه شبيه ساز با عنوان JKSimMet ارائه شد.

در همان سال فرانسه نيز اولين نسخه شبيه ساز خود را با عنوان USIMPAC به بازار معرفي کرد. امروزه شبيه سازي بر مبناي مدلهاي دقت بالا که از نوع مدلهاي بنيادي هستند رو به گسترش است. هرچند اين مدلها داراي دقت بالايي هستند ولي به علت داشتن روابط پيچيده و صرف زمان زياد اجرا در مقياس صنعتي رايج نشده اند بنابر اين در صنعت همچنان شبيه سازهاي مبتني بر مدلهاي تجربي و پديده شناختي به علت سادگي روابط و در عين حال دقت قابل قبول کاربرد دارند.

بطورکلي هدف اصلي همه روشهاي شبيه سازي ، بهينه سازي و انتخاب بهترين روش و تجهيزات با بيشترين درجه اطمينان و کمترين هزينه است.

به گفته دکتر مهدي ايران نژاد، عضو هيات علمي دانشگاه صنعتي اميرکبير در شبيه ساز توليد شده در کشور که در چارچوب پايان نامه دانشجويي دوره کارشناسي ارشد در دانشکده مهندسي معدن ، متالورژي و نفت دانشگاه صنعتي اميرکبير انجام شده است هم هدف برآورد و بهينه سازي عملکرد مدارهاي متشکل از دستگاه هاي آسيا و هيدروسيکلون و پيش بيني رفتار تجهيزات در مدار بدون انجام عمليات فيزيکي است.

ايران نژاد درباره مدارهاي آسيا مي گويد: به منظور دستيابي به ماده معدني با ارزش لازم است که کاني مورد نظر از بقيه کانيهاي همراه جدا شود. لازمه اين عمل خردايش کانسنگ و رساندن آن به يک اندازه مناسب است. در صنعت اين عمليات در 2 مرحله سنگ شکني و آسيا انجام مي شود. در اين عمليات يکي از نکات اساسي ، کنترل اندازه مواد خروجي از آسياها براي ورود به مدار جدايش است تا ضمن توليد محصول مورد نظر از اتلاف انرژي براي خردايش ذرات ريز و توليد نرمه جلوگيري شود. اين مرحله در اغلب موارد در صنعت از سوي هيدروسيکلونها انجام ميشود. بنابراين يک يا چند آسيا و يک سيستم طبقه بندي کننده که در يک کارخانه براي دستيابي به ابعاد مورد نظر به کار مي روند، مدار آسيا ناميده مي شود.

هدف اصلي روشهاي شبيه سازي انتخاب بهترين روش بابيشترين درجه اطمينان و کمترين هزينه است

ايران نژاد مي افزايد: منظور از شبيه سازي حالت پايدار مدارهاي آسيا در صفحه گسترده ها، برآورد رفتار ذرات جامد و آب در مدارهاي پيوسته متشکل از آسيا و هيدروسيکلون پس از برقراري توازن جرمي جريان مواد جامد و آب در مدار با استفاده از امکانات و قابليت هاي محيط صفحه گسترده ها که رايج ترين آنها اکسل (Excel) است ، مي باشد.

در واقع در ارتباط با شبيه سازي مدارهاي آسيا کني نرم افزارهاي متعددي توسعه يافته اند که هر يک داراي مزايا و معايبي هستند؛ شبيه سازي و با نگرش بر رفع معايب نرم افزارهاي قبلي در صفحه گسترده محيط اکسل توسعه يافته است.

صرفه جويي در انرژي

مطالعه شبيه سازهاي مشابه و آشنايي با نحوه طراحي و ارائه آنها، بررسي و مطالعه شبيه سازها بر مبناي مدلهاي رياضي تهيه و ارائه مي شوند و در حقيقت مدلهاي رياضي به کار گرفته شده در شبيه سازها هستند که قابليت و توانايي آنها را تعيين مي کنند. امروزه اهميت علم شبيه سازي بر هيچ کس پوشيده نيست. دليل اين ادعا گسترش بيش از پيش اين رشته در همه علوم و به خصوص مهندسي است. بي شک علم مهندسي فرآوري مواد معدني نيز به عنوان يکي از شاخه هاي مهم مهندسي و صنعت از اين امر مستثنا نيست.

بنابراين همين مقدمه کوتاه براي توجيه علمي و اقتصادي مدل شبيه سازي در فرآوري مواد معدني کفايت مي کند. به گفته ايران نژاد گذشته از اين ويژگي ، اهميت اين طرح زماني نمايان تر مي شود که بدانيد بيش از 2 درصد کل انرژي مصرفي جهان صرف خردايش مواد مي شود و از اين رو بهينه سازي و کاهش مقداري از اين انرژي بسيار مهم و اقتصادي خواهد بود. صرف نظر از موارد ذکر شده مهمترين توانايي اين شبيه ساز، تغيير شرايط اوليه و به دنبال آن مشاهده تغييرات حاصل در نتيجه و محصول است که مي تواند کاربر را در يافتن بهترين شرايط عملياتي کمک کند و به طور کلي ، اين شبيه ساز مي تواند در مطالعات بهينه سازي مدارهاي خردايش به کار گرفته شود در ضمن با توجه به محيط اکسل تغيير شرايط بسيار ساده و در دسترس است ، به خصوص در مقايسه با شبيه سازهايي که تحت محيط DOS اجرا مي شوند اين قابليت بيشتر به چشم مي خورد.

همچنين اين شبيه ساز قادر است براحتي داده هاي ورودي و خروجي برنامه را به صورت تصويري نشان دهد که در مقايسه با برنامه هاي مشابه مي تواند در تعبير و تفسير داده هاي ورودي و نتايج شبيه سازي کمک فراواني را در اختيار کاربر قرار دهد. از مزاياي ديگر اين شبيه ساز استفاده همزمان 2 مدل است که در شبيه سازهاي مشابه تنها از يکي استفاده شده است.

بررسي و مطالعه دقيق مدلهاي رياضي موجود براي آسياها و هيدروسيکلونها، انتخاب مدلهاي مناسب و تجزيه و تحليل دقيق آنها براي نوشتن برنامه ، تهيه نرم افزار محيط اکسل با استفاده از امکانات موجود و افزودن ماکروهاي گسترده با زبان VBA و تصديق و ارزيابي شبيه ساز با استفاده از داده هاي صنعتي و نرم افزارهاي مشابه از ديگر ويژگي هاي آن هستند.ايران نژاد در پايان با اشاره به ارائه 6 مقاله از نتايج اين طرح درمجلات و کنفرانس هاي بين المللي و داخلي مي افزايد: توجه به علم شبيه سازي در مهندسي فرآوري مواد معدني در دانشگاه ها و مراکز علمي ديگر با اهتمام اساتيد و دانشجويان مشتاق در کشور ما رو به گسترش است.

هر چند در مقايسه با کشورهاي پيشرفته عقب هستيم ، ولي با کمي سرعت و توجه مي توان اين عقب افتادگي را جبران کرد. مهمترين مساله در حال حضور عدم اقبال صنعت فرآوري مواد معدني کشور نسبت به استفاده شبيه سازي به طور اعم و استفاده از توليدات داخلي به طور اخص است.

اميد است با اهتمام بيشتر دولت و نهادهاي تاثيرگذار مانند رسانه ها و اطلاع رساني صحيح و گسترده در آينده شاهد پيشرفت روزافزون صنعت کشور و از جمله صنعت فرآوري مواد معدني و رسيدن به جايگاه واقعي و در شان اين کشور بزرگ معدني دنيا باشيم.