鈾水冶廠浸出礦漿氧化還原電位在線檢測儀表改進與應用

陳福平，周麗華，苑海濤，王 欣

(核工業北京化工冶金研究院，北京 101149)

中國鈾礦水冶廠在采用酸法浸出工藝時，為了保證金屬鈾的浸出率，在鈾礦漿浸出階段通常添加二氧化錳、氯酸鈉等氧化劑控制礦漿氧化還原電位(ORP)，使鈾轉化成高價的鈾酰離子[1]。浸出礦漿ORP不僅直接影響金屬鈾的浸出率，還制約著后續工序的產量和質量。在整個生產過程中，對各級浸出槽礦漿ORP的準確檢測和控制對產品質量至關重要。浸出礦漿ORP的連續檢測以及氧化劑添加量的自動調節是實現過程自動控制的重要一環，不僅提高鈾的浸出率；而且減少酸和氧化劑的消耗、降低生產成本。目前國內大部分鈾水冶廠都沒有實現對浸出礦漿ORP值的在線檢測和控制，其主要原因:1)浸出礦漿以及鈾礦石酸化反應生成的一些反應產物會結垢附著在ORP電極上，這些附著物會使電極的敏感膜發生鈍化，進而會顯著影響電極的動態響應特性以及測量精度；2)浸出礦漿溫度較高，并伴有強烈機械攪拌，使ORP電極使用壽命短、誤差大、穩定性差、維護量大等；3)常規ORP計二次儀表采用模擬電路,儀表測量和校準操作復雜，且受傳統儀器硬件的限制，傳感器電極系統增加定時自動清洗困難較大。因此，改進鈾水冶廠浸出過程礦漿ORP在線檢測儀表具有重要意義，不僅能夠滿足鈾水冶廠浸出礦漿氧化還原電位準確測量的要求；同時也有助于提高中國鈾礦水冶廠浸出生產過程自動化水平。

1 儀表測量原理及設計理念

溶液中的ORP是表征溶液中的氧化能力或者還原能力的指標[2-3]。在氧化還原反應過程中，氧化劑接收電子能力越強，其氧化性就越強；還原劑給出電子能力越強，其還原性就越強。可以通過對溶液體系ORP的測量來判斷氧化性與還原性強弱，溶液中標準氫電極電位與氧化還原電對組成的電極電位之間的差值就是ORP。

溶液的氧化還原電位測量原理如圖1所示。

圖1 氧化還原電位測量原理

以鉑電極為測量電極，銀/氯化銀電極為參比電極，測量電極、參比電極與溶液組成原電池，用差動放大器AR測定鉑電極相對于銀/氯化銀電極的ORP，然后再換算成相對于標準氫電極的ORP。

一般可以通過能斯特方程得出ORP與其影響因素的關系[4-6]。在具體測量時，體系濃度、溫度等因素會對ORP值產生影響，根據能斯特方程，溶液ORP計算公式為

E=E0+(RT/nF)lnc(O)/c(R)

(1)

式中：E—實際溶液ORP，mV；E0—氧化還原電對的標準電極電勢，mV；R—氣體常數，8.314 J/(K·mol)；n—電化學當量數，mol-1；T—絕對溫度，K；F—法拉第常數，96 500 C/mol；c(O)—氧化劑濃度，mol/L；c(R)—還原劑濃度，mol/L。因此，溶液ORP值與氧化物質以及還原物質的濃度有密切關系。測量電極和參比電極之間遵循能斯特方程，產生的電位信號經具有高輸入阻抗的前置差動放大器處理后由二次儀表顯示溶液ORP值，實現對溶液ORP值檢測。

結合中國鈾水冶廠實際情況，測量系統基于嵌入式系統的設計思想，依據設計目標，減少中間環節，精簡系統結構，合理優化軟件和硬件配置，使系統在可靠性、功能、成本、儀表體積、儀表功耗及現場安裝使用的便利性等方面滿足中國鈾礦水冶廠浸出工藝的需求[7]。在解決方案上，一是選擇適用于中國鈾礦水冶廠工況下長時間測量的ORP電極；二是為解決ORP電極在鈾礦漿體系因結垢而嚴重影響儀表可靠性及測量精度的問題，在ORP計傳感器電極上設計安裝自動清洗裝置；三是用單片機實現ORP計二次儀表智能化。

2 設計改進措施

2.1 電極選型

電極是工業ORP計中最重要的組成部件,與工藝介質直接接觸，傳感器電極的選型至關重要。根據中國鈾水冶廠浸出礦漿特殊工藝環境條件，考慮傳感器結構簡潔、使用安裝方便等因素，儀表傳感器選用復合型ORP電極。復合ORP電極集成了ORP測量電極和參比電極，測量電極可以在其敏感層表面進行電子吸收或釋放。敏感層通常由鉑金制作，鉑金本身只起到傳遞電子的作用而不參加氧化還原反應，可以經受化學腐蝕。參比電極一般采用銀/氯化銀電極。因此，選用國內某傳感器公司生產的ASRS2801型復合ORP電極。該復合型電極有以下特點：1)測量電極由鉑金制作，具有耐高溫、耐酸堿腐蝕和礦漿顆粒沖擊等優點；2)參比系統采用KCl高分子聚合物填充,使用非常方便，無需補充電解液；3)采用國際最先進的環形大面積Teflon隔膜，使電極具有穩定的液面接觸，抗污染，抗阻塞；4)電極測量范圍(-1 999～+1 999) mV，耐壓0.6 MPa，外殼材料選用耐酸堿、耐溫可達160 ℃以上的優質高分子工程塑料。電極結構及外形尺寸如圖2所示。

圖2 電極結構與外形尺寸示意

2.2 二次儀表智能化

配套的ORP計二次儀表，要匹配選定的ORP計傳感器電極,傳感器電極輸出的mV電壓信號，需經過二次儀表識別并放大計算轉換為相應的ORP值。

二次儀表采用單片機微處理器技術，用集成電路芯片對電極信號處理后送入單片機系統，用軟件實現電極信號的計算處理和儀表標定等功能，測量和標定采用單片機技術自動完成。相對傳統ORP計，二次儀表自動化程度較高，通過軟件實現對復合ORP電極清洗裝置的自動控制，包括對傳感器敏感元件的清洗時間、清洗間隔時間及清洗完成后進入正常測量狀態時間的設定，可實現在傳感器電極進行自動清洗期間保持儀表清洗之前輸出的4～20 mA電流信號狀態。智能型ORP計二次儀表測量原理如圖3所示。

圖3 智能型ORP計測量原理

模擬測量放大電路將復合ORP電極產生的電位信號轉換成0～2 V標準直流電壓信號后送入A/D轉換器，A/D轉換器輸出的數字信號送入單片機系統，單片機對輸入信號進行數字濾波、非線性校正等運算后，由液晶顯示器顯示出浸出礦漿ORP值；同時將顯示的ORP值送入D/A轉換器，D/A轉換器輸出的模擬電壓信號經V/I變換電路轉換為4～20 mA標準電流信號輸出。由單片機系統控制驅動電路，可完成儀表上限報警和實現對傳感器電極定時自動清洗功能。此外，儀表可通過操作鍵盤，完成儀表參數設定、標定、數據查詢、硬件測試及清洗設定等操作。

2.3 自動清洗裝置設計

在選擇了合適的復合ORP電極和完成ORP計二次儀表智能化后，為了實現對復雜礦漿體系ORP值持續不斷的準確測量，需要解決礦漿體系在復合ORP電極上結垢的問題。在ORP計傳感器上設計安裝自動清洗裝置來解決鈾礦漿體系在ORP電極上結垢的問題，是實現對鈾浸出礦漿氧化還原電位穩定、準確測量的關鍵。就自動清洗方法而言，主要有超聲波清洗、機械清洗和溶液噴射清洗等[8-9]。超聲波清洗在使用上有很大的局限性，對油污、漿液類結垢不適用。機械清洗常用于一些污染物附著不牢固、污染不嚴重的場合。目前適用性較強、清洗效果良好的清洗方法是溶液噴射清洗法。清洗溶液多選用低濃度的堿性或酸性溶液，以沖刷方式除去電極上的污染物。因此，設計采用溶液噴射清洗方法解決電極結垢問題。由于受到現場不允許有任何雜質加入鈾礦漿體系等工藝條件的限制，清洗溶液采用工業自來水，通過高壓泵增壓后沖刷電極，除去電極上的礦漿污染物。高壓水清洗噴頭設計安裝于復合ORP電極敏感位置，使ORP電極敏感測量元件在測量礦漿介質時不會被包裹，以保證復合ORP電極測量礦漿介質ORP的準確性。由于二次儀表用于控制清洗器時繼電器接點容量有限，所以設計了清洗控制器控制高壓泵和電磁閥。電磁閥和高壓泵是由清洗控制器同步控制，并且由智能型ORP計二次儀表單片機系統完成對傳感器上復合ORP電極的定時自動清洗控制。

2.4 產品設計

綜合上述復合ORP傳感器電極、智能型ORP計二次儀表以及自動清洗裝置組成檢測系統，完成鈾礦漿體系ORP值的信號測量和轉換設計。帶自動清洗裝置的鈾礦漿體系ORP值測量系統如圖4所示。

圖4 帶自動清洗裝置的鈾浸出礦漿體系ORP值測量系統

3 現場試驗

為了驗證帶清洗裝置ORP計傳感器及二次儀表的改進效果，將改進后儀表在國內某鈾水冶廠浸出車間進行了工廠連續應用試驗。

浸出條件：硫酸浸出體系，浸出工序添加二氧化錳控制浸出礦漿ORP為+400～+600 mV，以保證鈾的浸出率。將改進后的儀表安裝于礦漿浸出塔，測量浸出礦漿ORP值，儀表測量范圍為-1 999～+1 999 mV，采用儀表在線測量ORP值與人工取樣實驗室分析ORP值對照方法，以檢驗儀表的可靠性和測量精度，從而驗證帶清洗裝置ORP計傳感器及二次儀表改進效果。試驗結果見表1。

從表1可看出，用改進后ORP儀表測量鈾浸出礦漿氧化還原電位，與人工取樣實驗室分析值基本一致，其絕對測量誤差≤±5 mV。改進后的儀表測量性能穩定，數據可靠，能夠滿足工業生產需要，達到了對其改進提高的設計目的。

表1 儀表測量與人工取樣分析試驗數據

4 結論

1)針對鈾礦水冶廠浸出礦漿的特殊性，對常規ORP計進行了升級改進。選擇適合于浸出礦漿工況下長時間使用的復合ORP電極，并在ORP傳感器電極上設計安裝自動清洗裝置，實現了二次儀表智能化，解決了傳感器電極因浸出礦漿酸堿腐蝕、溫度較高、礦石磨損而引起的電極使用壽命短、穩定性差、維護量大以及ORP電極在鈾浸出礦漿體系結垢等問題。

2)儀表的測量、標定和對電極系統定時自動清洗采用單片機技術自動完成，實現了儀表智能化。相對傳統ORP計二次儀表，在測量精度、儀表標定、儀表可操作性及穩定性和可靠性方面均有顯著提高。

3)改進后儀表已應用到國內鈾礦水冶廠浸出生產車間，實現了鈾水冶廠浸出礦漿氧化還原電位在線測量自動控制。改進后的儀表測量技術也可以應用到其他提取金屬的工藝自動控制過程中。