礦漿濃度檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用研究

汪 洋，黃宋魏，唐 敏，朱佳欽，尉佳怡

(昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093)

0 引言

礦漿是礦物顆粒與水組成的非均相固液懸浮液。礦漿濃度是礦漿中固體礦粒的含量占比。為了穩(wěn)定和提高選礦生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，選礦作業(yè)的工藝流程中需要經(jīng)常測(cè)定礦漿濃度。在磨礦過程中，礦漿濃度影響磨機(jī)效率和浮選試驗(yàn)指標(biāo)[1]。浮選作業(yè)時(shí)，礦漿濃度過低會(huì)造成生產(chǎn)效率低、精礦產(chǎn)量少、藥劑用量過大。礦漿濃度過高會(huì)造成精礦質(zhì)量差、回收率低[2]。重選作業(yè)中，礦漿濃度決定了分級(jí)溢流的細(xì)度[3]。礦漿濃度的高低還影響過濾速度和濾餅水分。因此，實(shí)時(shí)檢測(cè)并控制礦漿濃度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)選礦廠智能化、提高精礦產(chǎn)品質(zhì)量和工廠的經(jīng)濟(jì)效益等都有著極為重要的意義。

目前，礦漿濃度檢測(cè)方法主要有超聲波法、射線法、光電法、諧振法、差壓法、稱重法等。基于這些檢測(cè)方法開發(fā)的礦漿濃度檢測(cè)儀表被廣泛應(yīng)用于選礦廠。得益于智能化儀表的發(fā)展，選礦廠的效益和智能化程度得到提高。實(shí)際應(yīng)用過程中，不同種類礦石在浮選作業(yè)時(shí)的礦漿濃度、透明度相差較大，且常常伴有氣泡、沉淀、腐蝕和結(jié)垢等現(xiàn)象。若儀表選用不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致礦漿濃度檢測(cè)儀安裝與維護(hù)困難，其長期運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性和可靠性會(huì)變差，影響儀表的檢測(cè)精度。

因此，本文分析了基于不同檢測(cè)方法開發(fā)的礦漿濃度儀工作原理，總結(jié)了儀表自身設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用中存在的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)礦漿的性質(zhì)和工藝流程給出了儀表選型建議。

1 礦漿濃度檢測(cè)原理及應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 超聲波檢測(cè)法

1.1.1 工作原理

超聲波信號(hào)在礦漿中傳播時(shí)，其聲速和聲強(qiáng)等物理量都會(huì)發(fā)生衰減。通過檢測(cè)超聲波的衰減量，建立超聲波衰減機(jī)理的理論模型，即可根據(jù)衰減量計(jì)算出礦漿濃度[4-5]。直射式超聲波礦漿濃度檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 直射式超聲波礦漿濃度檢測(cè)原理圖

由圖1可知，礦漿一側(cè)的超聲波發(fā)射換能器發(fā)射出超聲波信號(hào)，另一側(cè)的接收換能器接收超聲波信號(hào)。信號(hào)處理裝置負(fù)責(zé)超聲波信號(hào)處理并計(jì)算出礦漿濃度。

1.1.2 超聲波檢測(cè)法應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)

超聲波檢測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)如下。

①優(yōu)點(diǎn)。超聲波檢測(cè)法采用超聲波作為測(cè)量介質(zhì)，安全可靠，檢測(cè)量程較寬，工作穩(wěn)定且能連續(xù)在線檢測(cè)礦漿濃度。儀表可采用夾抱或浸入式安裝，體積小、安裝簡(jiǎn)單。儀表夾抱式安裝時(shí)不直接和礦漿接觸，所以耐腐蝕性強(qiáng)，使用壽命更長。

②缺點(diǎn)。超聲波檢測(cè)法要求超聲波傳感器具有全密封、高透聲等性能。超聲波探頭裝置需要根據(jù)被測(cè)礦漿礦物類別給定，并且裝置需要經(jīng)常標(biāo)定，后期維護(hù)很繁瑣。礦漿中存在過多氣泡會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確。

1.2 射線檢測(cè)法

1.2.1 工作原理

射線式礦漿濃度檢測(cè)原理如圖2所示。采用射線檢測(cè)法的礦漿濃度儀主要由放射源、探測(cè)器、檢測(cè)儀表三部分組成。

圖2 射線式礦漿濃度檢測(cè)原理圖

由圖2可知：礦漿一側(cè)的放射源發(fā)出射線，當(dāng)射線穿透礦漿時(shí)部分射線被礦漿吸收；另一側(cè)的探測(cè)裝置檢測(cè)到的射線強(qiáng)度為I。由式(1)可計(jì)算出礦漿的密度。根據(jù)特定條件下礦漿密度和射線強(qiáng)度變化的關(guān)系即可得到礦漿的濃度[6]。

(1)

式中：I0為入射射線強(qiáng)度；I為穿過礦漿后的射線強(qiáng)度；μ為礦漿吸收系數(shù)，m2/kg；ρ為礦漿密度，kg/m3。

1.2.2 射線檢測(cè)法應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)

射線檢測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)如下。

①優(yōu)點(diǎn)。射線檢測(cè)法使用半衰期為幾十年的放射性同位素作為放射源，后期很少需要維護(hù)。儀器測(cè)量精度高，使用壽命長且性能相對(duì)穩(wěn)定，適合大部分礦漿濃度的測(cè)量。儀表可安裝在直徑達(dá)幾米的容器上，安裝過程中不需要中斷礦漿的流動(dòng)。

②缺點(diǎn)。礦漿成分變化、氣泡較多和礦漿不均勻時(shí)對(duì)檢測(cè)精度影響較大。射線檢測(cè)法采用放射性同位素，使用前需要向環(huán)保部門申請(qǐng)，批準(zhǔn)后才能購買使用，使用過程中還需要經(jīng)常接受有關(guān)部門的檢查。射線檢測(cè)法還存在核輻射防護(hù)和環(huán)保等方面的問題。

1.3 光電式檢測(cè)法

1.3.1 工作原理

光電式檢測(cè)通常是在Mie散射和弗瑯禾費(fèi)衍射公式的理論基礎(chǔ)上對(duì)礦漿濃度進(jìn)行測(cè)量。光穿過含有顆粒的介質(zhì)后，透射光的強(qiáng)度會(huì)因?yàn)轭w粒存在對(duì)光的吸收而衰減。它的衰減情況與礦漿顆粒的大小和濃度有關(guān)[7-8]。因此，根據(jù)激光衰減的比率建立礦漿的濃度模型，通過濃度模型計(jì)算即可得到礦漿的濃度。光電式礦漿濃度檢測(cè)原理如圖3所示。采用光電式檢測(cè)法的濃度儀主要組成部分包括激光光源、擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)、傅里葉透鏡和光電探測(cè)器。

圖3 光電式礦漿濃度檢測(cè)原理圖

1.3.2 光電式檢測(cè)法應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)

光電式檢測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)如下。

①優(yōu)點(diǎn)。光電式檢測(cè)法屬于非接觸式連續(xù)在線測(cè)量，測(cè)量速度快，不受礦漿種類的影響；對(duì)低濃度礦漿的檢測(cè)精度較高且無任何污染，符合礦山綠色發(fā)展的主題。儀表不直接與礦漿接觸，便于安裝維護(hù)，儀器使用壽命長。

②缺點(diǎn)。光電式檢測(cè)法測(cè)量量程較小，準(zhǔn)確度易受被測(cè)礦漿的透明情況和固體顆粒的形狀、大小、折射率、氣泡等影響；在光源發(fā)射的透明窗口易殘留礦漿顆粒，會(huì)對(duì)礦漿濃度的測(cè)量造成極大的誤差；受礦漿濃度影響較大，對(duì)高度稀釋的礦漿檢測(cè)性能更好。

1.4 諧振式檢測(cè)法

1.4.1 工作原理

諧振式濃度儀是根據(jù)元器件震動(dòng)衰減原理而設(shè)計(jì)的。激勵(lì)線圈激勵(lì)促使諧振體產(chǎn)生已知頻率的振動(dòng)。當(dāng)液體流經(jīng)振子時(shí)，因流體質(zhì)量的改變引起諧振頻率的變化。儀器采集系統(tǒng)采集這些頻率變化后，通過振動(dòng)頻率與密度間的函數(shù)關(guān)系式計(jì)算出流經(jīng)流體的密度值，再根據(jù)密度與濃度的關(guān)系計(jì)算出流經(jīng)流體的濃度值[8]。

音叉體諧振式礦漿濃度檢測(cè)原理如圖4所示。

圖4 音叉體諧振式礦漿濃度檢測(cè)原理圖

1.4.2 諧振式檢測(cè)法應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)

諧振式檢測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)如下。

①優(yōu)點(diǎn)。諧振式檢測(cè)法可實(shí)現(xiàn)礦漿的在線連續(xù)測(cè)量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量速度快。儀表體積小巧，安裝簡(jiǎn)單，即插即用，適用于大部分礦漿濃度的測(cè)量；不需要現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，測(cè)量精度高。

②缺點(diǎn)。諧振式檢測(cè)法由于音叉?zhèn)鞲衅鏖L時(shí)間和礦漿接觸，對(duì)音叉材料要求很高且音叉的形狀尺寸對(duì)結(jié)果的影響很大，不容易確定。由于音叉長期使用會(huì)出現(xiàn)磨損嚴(yán)重或粘結(jié)礦漿，會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量的結(jié)果，需要頻繁維護(hù)。由于礦漿濃度不均勻，諧振式檢測(cè)法在氣泡較多時(shí)測(cè)量不準(zhǔn)確。

1.5 差壓式檢測(cè)法

1.5.1 工作原理

差壓濃度計(jì)[9]采用基于差壓原理的差壓式檢測(cè)法。常見的差壓式礦漿濃度檢測(cè)原理如圖5所示。

圖5 差壓式礦漿濃度檢測(cè)原理圖

在需要測(cè)量礦漿濃度的容器內(nèi)相隔h的地方安裝兩個(gè)壓力傳感器，分別測(cè)得兩點(diǎn)之間的壓力數(shù)據(jù)并傳入變送器。由于礦漿的密度和高度差成反比、與礦漿的壓強(qiáng)差成正比，根據(jù)式(2)即可算得礦漿的密度。由礦漿密度和濃度的轉(zhuǎn)換式可知此時(shí)礦漿的濃度。

(2)

式中：ρ為礦漿的密度，kg/m3;p為傳感器測(cè)得的壓力，N/m2;h為傳感器的距離，m;g為重力加速度，m/s2。

1.5.2 差壓式檢測(cè)法應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)

差壓式檢測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)如下。

①優(yōu)點(diǎn)。差壓式檢測(cè)法可實(shí)現(xiàn)礦漿濃度的連續(xù)在線測(cè)量且對(duì)人體無危害。儀表結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在保證測(cè)量準(zhǔn)確的同時(shí)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠；安裝簡(jiǎn)單快捷且無需標(biāo)定，后期維護(hù)工作量小；測(cè)量量程寬，不受礦漿種類限制。

②缺點(diǎn)。差壓式檢測(cè)法由于壓力傳感器直接與礦漿接觸，壓力測(cè)量也容易受流動(dòng)等沖擊的影響，對(duì)傳感器的磨損和腐蝕比較嚴(yán)重，后期維護(hù)相對(duì)麻煩；需要安裝在有高度差的豎直或傾斜管道上，管道的管徑摩擦系數(shù)、礦漿的流速都會(huì)對(duì)管道有影響；只有在介質(zhì)和水的密度差較大且礦漿比較均勻時(shí)才適用。

1.6 稱重式濃度檢測(cè)法

1.6.1 工作原理

稱重式礦漿濃度檢測(cè)儀表種類繁多，但都是基于濃度壺法的測(cè)量原理。稱重式礦漿濃度檢測(cè)原理如圖6所示。

圖6 稱重式礦漿濃度檢測(cè)原理圖

由圖6可知，稱重式礦漿濃度檢測(cè)儀由自動(dòng)取樣裝置、稱重裝置、測(cè)控主機(jī)、攪拌裝置和沖洗裝置組成[10-11]。安裝在管道上的自動(dòng)取樣裝置采集一定體積的礦漿并輸送到稱重裝置上。稱重傳感器測(cè)得重量數(shù)據(jù)后由測(cè)控主機(jī)計(jì)算出礦漿的密度，根據(jù)礦漿密度和濃度的關(guān)系式(3)即可得到礦漿的濃度。其中，攪拌裝置和沖洗裝置避免了礦漿在稱重容器內(nèi)壁粘連導(dǎo)致的測(cè)量誤差。

(3)

式中：ρ礦為礦漿的密度,kg/m3；ρ水為水的密度,kg/m3；δ為礦石的密度,kg/m3；C為礦漿的百分比濃度。

1.6.2 稱重式濃度檢測(cè)法應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)

稱重式濃度檢測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)如下。

①優(yōu)點(diǎn)。稱重式濃度檢測(cè)法是較為直接的濃度檢測(cè)法，不會(huì)受到礦漿成分變化、礦漿不均勻等因素影響；由于具備消除氣泡和沉淀措施，也不受氣泡和沉淀的影響；可動(dòng)態(tài)連續(xù)檢測(cè)礦漿濃度，檢測(cè)精度高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)量范圍寬；相比較其他的檢測(cè)方法，影響檢測(cè)礦漿濃度的因素較少，安全環(huán)保。

②缺點(diǎn)。由于稱重式濃度檢測(cè)儀涉及器件較多，體積略大，安裝時(shí)會(huì)占用較大場(chǎng)地。取樣裝置、攪拌裝置和沖洗裝置等機(jī)械式執(zhí)行機(jī)構(gòu)長期和礦漿接觸，后期需要維護(hù)。礦漿取樣的代表性也會(huì)影響到總體檢測(cè)精度。

2 礦漿濃度檢測(cè)儀表的應(yīng)用建議

第一節(jié)介紹了幾種主要的礦漿濃度檢測(cè)方法，為礦漿濃度檢測(cè)儀表的應(yīng)用提供了一定的依據(jù)。但應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)各種各樣，應(yīng)用條件千差萬別。這給檢測(cè)儀表的正確選擇造成了困難。結(jié)合應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，本文提出以下幾點(diǎn)應(yīng)用建議。

①首先推薦使用基于稱重式礦漿濃度檢測(cè)法的儀表。該檢測(cè)法模仿工業(yè)常用的濃度壺進(jìn)行測(cè)量，不受礦漿成分變化的影響。此外，采用取樣攪動(dòng)方式可以避免礦漿夾帶氣泡和容易沉淀等問題，也不易受礦漿成分變化和分布不均勻造成的測(cè)量誤差影響。就檢測(cè)原理而言，稱重式濃度檢測(cè)法更為直接、精確。該檢測(cè)法的不足之處是采樣的代表性影響檢測(cè)精度，不適用于壓力較大和腐蝕性較強(qiáng)的場(chǎng)合，且安裝不方便。

②其次推薦使用基于核子射線檢測(cè)法的儀表。該檢測(cè)法是一種非接觸式測(cè)量方式，具有安裝簡(jiǎn)單、使用方便、維護(hù)工作量小等特點(diǎn)，適用于大部分礦漿的濃度檢測(cè)，特別是壓力較大、腐蝕性較強(qiáng)的場(chǎng)合。不足之處是對(duì)于礦漿成分變化較大、夾帶氣泡、容易沉淀的場(chǎng)合則不適用，同時(shí)存在放射性輻射的安全環(huán)保問題。另外，該儀表價(jià)格比較昂貴，使用前和使用過程中的工作比較繁瑣，存在核輻射防護(hù)、環(huán)保監(jiān)管、上崗培訓(xùn)等要求。

③對(duì)于礦漿比較均勻、濃度不高、無夾帶氣泡的場(chǎng)合，可以選用基于諧振式檢測(cè)法的儀表。該儀表安裝簡(jiǎn)單，即插即用，不需要現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，測(cè)量精度較高。

④對(duì)于礦漿比較均勻、濃度較高、成分變化較大、無夾帶氣泡、有腐蝕性、壓力較大的場(chǎng)合，可以選擇基于超聲波檢測(cè)法的儀表。該儀表不直接和礦漿接觸，耐腐蝕性強(qiáng)，使用壽命長。

⑤對(duì)于礦漿濃度低且比較均勻的場(chǎng)合，可以選用基于差壓式檢測(cè)法的儀表。若礦漿透明度較好，如選礦廠濃縮池溢流等，還可以選用基于光電式檢測(cè)法的儀表。這樣可以獲得比其他方法更高的檢測(cè)精度。

3 礦漿濃度檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向

3.1 向基于智能嵌入式系統(tǒng)的儀表方向發(fā)展

傳統(tǒng)的簡(jiǎn)易型礦漿濃度檢測(cè)儀表通過傳感器獲取信號(hào)，通過一系列的線性變換或計(jì)算最終得到礦漿濃度，得到的數(shù)據(jù)誤差較大。現(xiàn)代復(fù)雜的智能型濃度計(jì)在數(shù)據(jù)處理時(shí)采用專用算法，配合嵌入式微處理器的數(shù)據(jù)處理功能以及完善的通信端口，既可提高礦漿檢測(cè)的精度，又便于實(shí)現(xiàn)整個(gè)選礦廠智能儀器儀表設(shè)備的互聯(lián)互通，有利于選礦廠智能化。

3.2 向儀表的智能化自維護(hù)方向發(fā)展

大多數(shù)選礦廠生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)重缺乏智能儀器儀表維護(hù)和調(diào)整的相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員，一旦儀器儀表出現(xiàn)較大偏差或者故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。現(xiàn)代智能儀表能將正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)偏差時(shí)，儀表啟動(dòng)自診斷功能，自動(dòng)整定參數(shù)使其恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)[12]。如果通過自動(dòng)診斷功能不能修復(fù)好儀表出現(xiàn)的問題，此時(shí)智能儀表會(huì)導(dǎo)出儀表故障可能出現(xiàn)的問題，以協(xié)助人工處理。

3.3 向基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的方向發(fā)展

目前，伴隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”浪潮的興起，各行各業(yè)都在倡導(dǎo)萬物互聯(lián)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的提出為未來選礦工廠的智能化提供了新的思路，改變了傳統(tǒng)選礦生產(chǎn)中各種設(shè)備和儀器儀表相互交換信息和數(shù)據(jù)的方式。通過物與物互聯(lián)實(shí)現(xiàn)了儀表與儀表之間、儀表與控制系統(tǒng)之間的智能化、多方位、高精度互聯(lián)。各種選礦設(shè)備和儀器儀表在沒有控制系統(tǒng)干預(yù)的情況下，自主建立“對(duì)話”機(jī)制，產(chǎn)生決策行為[13]。

4 結(jié)論

各種礦漿濃度檢測(cè)儀表都有其應(yīng)用條件。由于選礦廠應(yīng)用環(huán)境惡劣，所處理的礦石以及流程千差萬別，需要根據(jù)實(shí)際情況和實(shí)際精度需要等方面進(jìn)行合理選擇。每種儀表都有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。選擇礦漿濃度檢測(cè)儀表時(shí)，還需要從準(zhǔn)確性、可靠性、安全性、實(shí)用性、可維護(hù)性以及儀表的擴(kuò)展用途(如自動(dòng)控制等)等多方面綜合考慮。另外，為了滿足所選用儀表的使用條件要求，適當(dāng)增加必要的輔助措施也是檢測(cè)儀表工業(yè)應(yīng)用的常用方法。需要注意的是，在選擇檢測(cè)儀表之前，對(duì)相關(guān)礦漿濃度檢測(cè)儀表實(shí)際應(yīng)用單位的實(shí)地考察是很有必要的。