X 熒光在線品位分析儀取樣系統研制及應用

周德君 程小舟

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000;2.中鋼礦院(馬鞍山)智能應急科技有限公司,安徽 馬鞍山 243000;3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司,安徽 馬鞍山 243000;4.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室,安徽 馬鞍山 243000)

在選礦作業中,礦漿品位是選礦工藝流程中的關鍵參數,傳統監測采用人工目測與實驗室化驗相結合的方式。人工目測的精度取決于作業人員的經驗,精度難以得到保證。實驗室化驗精度高但時間滯后性大,難以達到實時指導生產的目的。在線品位分析儀的應用解決了這一難題,它可以實時監測品位數據,對于指導生產、調節藥劑、控制產品質量和提高產品回收率起著重要的作用。礦漿取樣系統作為在線品位分析儀的核心組件之一,對于礦漿品位測量的實時性和代表性起著至關重要的作用,是品位分析測量的基礎。由于取樣系統工況復雜,管路堵塞、磨損和斷流現象頻繁,嚴重影響品位分析儀的正常運行,是國內外在線品位分析系統中亟待攻克的技術難題。

目前在線品位分析儀取樣系統主要有2 種,一種是集中引流式取樣系統,典型產品有芬蘭奧托昆譜Courier 系列在線品位分析儀與北京礦冶科技股份有限公司BOXA 型在線品位分析儀[1]。另一種為近流式取樣系統,代表產品有中鋼集團馬鞍山礦山研究總院設計開發WDPF 多道多探頭在線品位分析儀系統[2]。

集中引流式取樣系統由一次取樣器、礦漿輸送管路、多路分配器、控制單元等部分組成。管道式取樣器,在各工藝管道上截取礦漿,通過管路自流進入多路分配器,多路器輪流切換各流道的礦漿至分析儀主機進行檢測。集中引流方式取樣的優點是同一套分析儀主機設備實現多個流道的礦漿檢測,可安裝在恒溫的室內運行,設備運行環境好。但集中引流的取樣方式弊端也很明顯,取樣系統結構復雜,礦漿輸送管路長,易造成礦漿沉積堵塞管路,影響設備的正常運行。特別在浮選作業中,長距離輸送時,礦漿中富含高品位的泡沫會在管壁上附著,造成實際到達分析設備的物料品位降低,影響取樣的代表性。多個流道輪流切換方式,一個分析周期可能達到數十分鐘,品位數據的實時性較差[3-6]。

近流式取樣系統由動力水源、水射器、樣品盒、管路及閥門組成。系統采用動力水源高速流過水射器產生負壓的方式提升礦漿,取樣系統為連續取樣的工作方式。優點是管路距離短,礦漿不會分層沉積,取樣實時性和代表性強,維護簡單。缺點是當礦漿中礦石粒度較大時,連續運行會造成水射器噴咀加速磨損,礦漿中雜質較多時,易造成水射器頻繁堵塞,增加設備的維護量[7-9]。

針對上述取樣系統存在的問題,中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司設計開發了PFQ-3 型礦漿取樣系統。該系統由提升泵、緩沖罐、氣缸、取樣刀口、液位傳感器、閥門、管件及電氣控制系統組成。取樣點設置在工藝檢測點的攪拌桶內。通過泵提升礦漿至緩沖罐,緩沖罐的取樣刀口截取礦漿通過管路進入樣品盒進行分析檢測。取樣系統按照設定的時序和控制流程自動周期性完成循環取樣工作。該系統通過現場試驗表明,系統具有結構簡單、傳輸路徑短、不易堵塞等優點,在滿足取樣實時性和代表性的前提下,系統的可靠性有了顯著提高。本文將通過對PFQ-3 型礦漿取樣系統的原理及設計方案進行詳細介紹,為系統的進一步研究改進和推廣應用提供借鑒。

1 取樣系統結構及工作原理

PFQ-3 型礦漿取樣系統采用高可靠性和易于維護性的設計原則設計。系統結構見圖1,由泵、緩沖罐、坡度調節裝置、取樣刀口、氣缸執行機構、沖洗水裝置,霧化消泡裝置、液位傳感器、閥門、連接管路及控制系統構成。為保證原始樣品的均勻性和代表性,取樣點一般設置在工藝流程的攪拌桶內。因此,不需要在流程管道截流,不影響管道通徑,使用及維護檢修不影響正常生產作業。

圖1 取樣系統結構Fig.1 Sampling system structure

系統的工作原理為:礦漿提升泵取得選礦工藝流程中有代表性的礦漿樣品輸送到緩沖罐。當液位傳感器在系統規定的時間內檢測到緩沖罐內液位達到設定的液位高度時,霧化消泡噴頭啟動,消除液面礦漿泡沫,取樣執行機構氣缸動作,驅動取樣刀口旋轉,連續截取礦漿流橫斷面礦漿。通過管路送入在線品位儀樣品盒供設備進行檢測分析,樣品盒和溢流口流出的礦漿重新回流到工藝流程。

正式取樣前,先對隔膜泵及緩沖罐沖洗一次,防止前一次的樣品殘留混入本次樣品中。取樣分析結束后,控制系統再次沖洗泵及取樣緩沖罐,防止礦漿殘留堵塞泵及管路。沖洗結束后,自動回到等待狀態,等待下個周期的取樣。

2 礦漿提升泵的選型

取樣系統采用泵輸送的方式提取礦漿,由于礦漿為固液兩相的混合液,濃度高,密度大,普通的轉子泵連續工作會有較大磨損,礦漿專用渣漿泵體積大,能耗高,檢修維護復雜,難以適應低流量應用場景。因此,泵的選型至關重要。通過比較試驗多種泵后,選擇氣動隔膜泵作為取樣提升泵。

氣動隔膜泵屬于容積泵,采用壓縮空氣作為動力源,依靠膜片往復運動改變密封的腔體容積來實現進料和出料。氣動隔膜泵由吸入口、排放口、介質室和空氣室構成。隔膜泵的工作過程如圖2所示:當壓縮空氣驅動膜片向左運動時,左邊腔室容積被壓縮,介質被擠出,右邊腔室容積增大,介質被吸入;當壓縮空氣進驅動膜片向右運動時,右邊腔室容積被壓縮,物料被輸出,左邊腔室容積增加,物料被吸入。壓縮空氣通過導向閥自動切換,實現物料的持續輸送。

圖2 隔膜泵工作原理Fig.2 Diaphragm pump working principle

隔膜泵與普通轉子泵相比具有結構簡單、工作可靠、易損件少,安裝、維護方便的特點。隔膜泵在啟動時不需要灌引水,可直接在浮選槽或攪拌桶上方吸取礦漿;輸送物料通過性能好,運行時沒有切削動作,輸送較大的顆粒物時,對泵磨損非常小;啟停只需控制氣源閥門打開和關閉,揚程、流量可通過氣源壓力來調節,可空載運行,超負荷泵會自動停機,具有自保護功能。

由于礦漿濃度高、礦漿中物料粒度大,礦漿中添加的各種藥劑具有較強的腐蝕性。因此,在選型和使用時應注意,泵體材料宜選用不銹鋼材料,以提高耐腐蝕性能。隔膜泵的膜片、球體和閥座宜選用四氟材料,四氟材料具有極低的摩擦系數和穩定的化學性能,可以有效降低礦物顆粒對泵的磨損,延長泵的使用壽命。泵在選型時應注意查閱流體出口壓力與空氣消耗量關系曲線。泵在使用時,入口壓力不應超過0.8 MPa,不低于0.4 MPa,使用獨立氣源時,應注意空氣壓縮機的排氣量應留有20%以上的余量。使用公共氣源時,工作時造成的壓力降不應低于其他用氣設備的最低工作壓力。

3 緩沖罐設計

緩沖罐體采用長筒形設計,罐體設計有進料口、取樣口、檢修口、溢流口。罐體采用傾斜安裝的方式,罐體與支架通過軸連接,并設計有傾角調節機構。緩沖罐連接沖洗裝置、霧化消泡噴頭、液位傳感器、取樣刀口及執行機構。

進料口設計管徑為DN40,標準配置為40 口徑的泵。可通過變徑適配不同口徑泵,以適應不同位置的取樣點對泵的流量和揚程的需求。溢流口位于緩沖罐軸線偏上的位置,當礦漿液位高于溢流口時,多余的礦漿通過溢流口回到生產流程中,溢流口偏上的設計使緩沖罐內的礦漿流壓力恒定,確保進入樣品盒中的礦漿壓力和流速穩定。

礦漿為礦石和水的固液兩相懸濁液,當礦漿的流速、礦石性質、礦漿濃度、粒度等條件變化的情況下,易出現多種不均質流態,甚至會產生分層沉積堵塞管路的情況。因此,確定合理的工藝坡度是關鍵。礦漿流量、濃度、品位、粒度等變化都直接影響工藝坡度設計。若礦漿流速過低,礦漿中的懸浮顆粒不能保持懸浮狀態,沉積在管路或緩沖罐底部造成堵塞。當礦石性質一定時,影響自流設計坡度的主要因素是礦漿的濃度和礦石的粒度,如果粒度大小一定時,濃度大所需自流坡度較大,濃度小則坡度小。若濃度大小一定時,則粒度大所需自流坡度大,反之則小。工藝坡度也不能過大,當坡度大于沉淀物的自然安息角,沉淀物將向下滑動堆積,形成堵塞。同時,過大的坡度易引起虹吸、喘振的隱患。礦漿自流管路敷設坡度見圖3,樣品盒管路應敷設在適宜的角度區域。

圖3 礦漿管路坡度Fig.3 Slurry line slope

針對礦漿流動的特點,緩沖罐設計了一套坡度調節裝置,作業人員根據實際礦漿的特點,靈活調整工藝坡度,以更好地適應當前礦漿取樣的要求。

坡度調節裝置的結構見圖4,由支架、絲桿、調節螺母、固定軸、旋轉軸構成。緩沖罐的一端通過固定軸與支架連接,另一端連接有旋轉軸、絲桿、調節螺母支撐在支架上。當需要增加坡度時,調節絲桿螺母增大緩沖罐進料口一側的高度,增大罐體與支架的角度;反之,當需要減小坡度時,調節絲桿螺母降低緩沖罐進料口一側的高度,減少緩罐體與支架的夾角。該裝置具有結構簡單可靠、調節范圍大、適應性強的特點。

圖4 坡度調節裝置Fig.4 Slope adjustment device

4 沖洗水系統

取樣系統的堵塞是困擾在線熒光分析行業難題。合理的沖洗水設計,是防止取樣系統堵塞的措施之一。本系統設計有2 路沖洗水系統。一路為隔膜泵沖洗水,一路為緩沖罐沖洗水。

由于隔膜泵特殊的構造,腔體的沖洗是沖洗水系統設計的難點之一。隔膜泵內部有4 個球形單向閥,靠壓縮空氣驅動膜片帶動4 個閥的切換來實現礦漿的吸入和輸出,其原理決定著流體只能單向流動,不能像傳統的轉子泵通過反沖洗的方式清洗內部腔體。由于礦漿為固液混合的懸濁液,在泵內不可避免地發生部分沉積,如沖洗不及時造成堵塞,需要分解泵體進行清洗,維護和檢修難度較大。

為解決泵內沖洗的難題,在入口端設計了正向沖洗水系統。該沖洗水系統由高壓水源、電磁閥、管路、單向閥和控制電路組成,見圖5。

圖5 隔膜泵沖洗水系統Fig.5 Diaphragm pump flushing water system

取樣作業時,取樣控制系統關閉沖洗水電磁閥,打開氣源電磁閥,啟動隔膜泵。泵入口端的負壓使單向閥打開,隔膜泵連續提升礦漿進行取樣作業。當一個取樣周期取樣結束后,控制系統關閉氣源電磁閥,隔膜泵停止運行。控制系統打開沖洗電磁閥,單向閥截止,沖洗水流進入泵體,實現隔膜泵腔體連續沖洗功能。

緩沖罐沖洗水系統是取樣系統,用于沖洗取樣刀口、緩沖罐、樣品盒及管路,防止礦漿沉積堵塞。該系統由高壓水源、電磁閥、管路、噴頭和控制電路組成。在取樣前或一個取樣周期取樣結束,且隔膜泵沖洗完成后,控制系統發出控制指令,打開沖洗電磁閥進行沖洗作業,達到系統設定的沖洗時間后關閉沖洗水閥門,等待下一個沖洗周期。

圖6 緩沖罐沖洗水噴頭(單位:mm)Fig.6 The buffer tank to flushes the water nozzle

影響沖洗效果的主要有兩個因素:沖洗噴頭的合理選用是因素之一,噴頭既要保證水流強度,也要保證能夠覆蓋沖洗面。經過試驗測試,噴頭選用1/4 英寸60°扇形噴咀。扇形噴頭具有噴霧通道大而流暢,噴出的液霧分布均勻,液滴大小適中,形成均勻的、能產生較強沖擊力的廣角扇形噴霧形狀,能更好地覆蓋沖洗面。沖洗水壓的大小是影響沖洗效果的另一個因素,沖洗水的水壓應不低于0.15 MPa,壓力不滿足要求時,可采用管道式增壓泵加壓,增壓泵的流量應大于10 L/min,在出口堵轉的情況下泵能夠正常運行。

5 霧化消泡系統

X 熒光品位檢測過程中,礦漿中的氣泡往往會造成流體壓力不穩定、光譜基線漂移、尖銳的噪聲峰、分析靈敏度下降等負面影響。因此,取樣系統必須采取可靠的措施解決泡沫對分析測量的影響。

緩沖罐是氣泡消除的第一道措施,礦漿進入緩沖罐后,流速減緩,消除了漩渦,利用液體的緩沖作用使氣泡上浮到礦漿表層。罐頂設計安裝一只離心霧化噴頭,當壓力水流進入噴頭后,被分接成沿內壁運動的旋轉水流,在離心力作用下由噴口噴出而形成霧化水霧,利用霧化水消除礦漿表層的泡沫。霧化消泡系統采用120°霧化角噴頭,見圖7,確保細水霧能覆蓋整個礦漿液面。

圖7 霧化除泡沫噴頭(單位:mm)Fig.7 Atomize foam to removal nozzles

6 取樣執行機構設計

取樣執行機構包括氣缸、軸、連桿、取樣刀口,是取樣系統的核心組件,圖8(a)。當開始取樣時,取樣控制系統打開電磁閥接通壓縮空氣,使氣缸動作。氣缸驅動連桿使取樣刀口旋轉至垂直于緩沖罐軸線位置。取樣刀口垂直于礦漿流動方向,切割整個礦漿流至分析儀管路。取樣結束后,電磁閥切換,氣缸驅動連桿旋轉,使刀口抬起,等待下一個周期的取樣。

圖8 取樣執行機構Fig.8 Sampling execution agency

在實際應用時,礦漿中的木屑、導爆管等柔性雜質易掛在刀口上造成堵塞,影響取樣系統正常運行。針對現場雜質較多的應用場景,對取樣刀口的結構進行優化。將樣刀由標準型直角刀口改為弧形刀口,并將內腔由傾斜面改為弧形面,見圖8(b)。當礦漿中雜質掛到刀口上時,在礦漿的沖擊及沖洗水的沖洗下,弧形刀口更有利于雜質與刀口分開。內腔的弧形面有利于礦漿更平滑地過渡到分析管路,減少氣泡和漩渦,使礦漿流更加穩定,取樣代表性更強。

7 液位傳感器選型

液位傳感器主要用于監測泵是否正常運行、取樣是否斷流、樣品的量是否達到滿足取樣分析的液位高度,是取樣系統的反饋器件。液位傳感器在礦漿中工作,要求不易堵塞,可靠性要高,抗干擾能力強,減少誤動作的發生。

普通浮球液位開關容易受到礦漿的腐蝕造成卡阻、動作失效。超聲波或雷達的液位計成本高,且不適用于這種超近距離的液位高度頻繁變化的應用場合。經過反復比選,音叉液位傳感器是礦漿液位測量的最佳方案。

音叉式液位開關是一種新型的液位檢測開關。其工作原理是:安裝在音叉體基座上的一對壓電陶瓷驅動音叉體在固有的諧振頻率下振動,當音叉體浸入至被測液體時,諧振體總質量發生變化,質量發生變化導致音叉的頻率和振幅發生變化。該頻率變化通過相應的檢測電路檢出,當達到設定的閾值后,輸出開關量信號至系統的反饋回路中,見圖9。

圖9 音叉液位傳感器原理框圖Fig.9 Tuning fork level sensor block diagram

由于音叉液位計無活動部件,無須維護和調整,幾乎適用于所有的液體介質。同時,不受被測液體的流動、氣泡、振動的影響,是機械式液位開關理想的升級替代產品。

8 取樣控制系統設計

取樣控制系統包括硬件電路及軟件系統。硬件電路原理圖見圖10,Q1-Q5為PNP 型中功率三極管,KA1-KA5為小型機械式繼電器,通過繼電器實現取樣輸出電路的電氣隔離;YV1-YV5為電磁閥,YV1 控制隔膜泵的啟停、YV2 控制霧化消泡噴頭的通斷、YV3 控制取樣刀口氣缸的動作、YV4 控制隔膜泵沖洗水;YV5 控制緩沖罐沖洗水;LS1為音叉式液位開關,用于檢測緩沖罐液位。R1-R6為限流電阻,D1-D6為續流二極管,防止三級管在關斷時繼電器線圈產生的反電勢擊穿三極管及主控板芯片。CON1為控制板連接端子,接品位儀主控板。

圖10 取樣控制電路Fig.10 Sampling control circuitry

取樣控制電路控制端低電平有效,以CON1 的K1 端為例說明取樣控制電路工作過程:當K1 端子為高電平時,三極管Q1 截至,繼電器觸點斷開,電磁閥關斷壓縮氣源,隔膜泵停止工作。當K1 端子為低電平時,三極管Q1 導通,繼電器KA1 觸點閉合,電磁閥YV1 得電,閥門打開。壓縮空氣通過閥門送入隔膜泵,驅動隔膜泵工作,當礦漿液位達到設定高度時,音叉輸出端子接通,KA6 線圈通電,觸點閉合,通過CON1 端子將信號反饋給主控板。

嵌入式軟件系統按規定的時序控制取樣機構取得有代表性的礦漿進入分析儀的探頭,分析儀探頭測定出礦漿的熒光光譜,計算機系統根據標定的模型計算出當前礦漿的品位值。取樣完成后分別執行隔膜泵沖洗及緩沖罐體沖洗功能,沖洗結束后等待下個周期取樣。程序控制框圖見圖11所示。

圖11 取樣系統控制流程Fig.11 Sampling system control flowchart

9 工業現場試驗效果

2021 年5 月,設計的新型礦漿在線取樣系統在銅陵有色某選礦廠原礦點進行現場試驗,檢驗取樣系統取樣的代表性以及連續運行的穩定性情況。現場采用同步取樣對比試驗的方式來驗證,樣品來自原礦攪拌桶。試驗方法:每天取一組礦樣,連續取樣2 周,現場原礦點取樣機與PFQ-3 取樣系統同步取樣,取樣數據見表1,對比折線圖見圖12。可以看出,取樣系統出口處的樣品品位與取樣機取樣的礦漿品位變化趨勢一致,偏差結果滿足設計及使用要求。

圖12 原礦品位取樣對比折線圖Fig.12 Raw ore grade sampling versus line chart

表1 原礦點取樣機與PFQ-3 型取樣系統取樣結果對比Table 1 Comparison of sampling results of the origin point sampling machine and the PFQ-3 sampling system

10 結 論

取樣系統作為X 熒光在線品位分析系統中必不可少的組成部分,承擔著關鍵工藝監測點礦漿的在線取樣。PFQ-3 型礦漿取樣系統的設計,融合了近流式取樣與集中式取樣的優點,無論從結構原理還是現場工業試驗結果均表明,取樣系統運行穩定,抗堵塞能力強;取樣系統的實時性和代表性滿足選廠對關鍵工藝點礦漿取樣的要求。取樣系統結合在線品位分析儀輸出的實時品位數據對于選礦生產作業具有很強的指導意義。

PFQ-3 型礦漿取樣系統在取樣的可靠性和代表性方面得到顯著提升,但在礦漿濃度變化較大時需要用戶手動調節緩沖罐坡度,在實際使用中用戶往往不能及時發現和調整。針對這一問題,今后將進一步研究改進,將緩沖罐坡度手動調節裝置改為步進電機驅動的方式調節,取樣系統根據品位儀反饋的濃度數據自動調整緩沖罐坡度,以進一步提高取樣系統自適應能力。