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周德君 程小舟
(1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司,安徽 马鞍山 243000;2.中钢矿院(马鞍山)智能应急科技有限公司,安徽 马鞍山 243000;3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司,安徽 马鞍山 243000;4.金属矿山安全与健康国家重点实验室,安徽 马鞍山 243000)
在选矿作业中,矿浆品位是选矿工艺流程中的关键参数,传统监测采用人工目测与实验室化验相结合的方式。人工目测的精度取决于作业人员的经验,精度难以得到保证。实验室化验精度高但时间滞后性大,难以达到实时指导生产的目的。在线品位分析仪的应用解决了这一难题,它可以实时监测品位数据,对于指导生产、调节药剂、控制产品质量和提高产品回收率起着重要的作用。矿浆取样系统作为在线品位分析仪的核心组件之一,对于矿浆品位测量的实时性和代表性起着至关重要的作用,是品位分析测量的基础。由于取样系统工况复杂,管路堵塞、磨损和断流现象频繁,严重影响品位分析仪的正常运行,是国内外在线品位分析系统中亟待攻克的技术难题。
目前在线品位分析仪取样系统主要有2 种,一种是集中引流式取样系统,典型产品有芬兰奥托昆谱Courier 系列在线品位分析仪与北京矿冶科技股份有限公司BOXA 型在线品位分析仪[1]。另一种为近流式取样系统,代表产品有中钢集团马鞍山矿山研究总院设计开发WDPF 多道多探头在线品位分析仪系统[2]。
集中引流式取样系统由一次取样器、矿浆输送管路、多路分配器、控制单元等部分组成。管道式取样器,在各工艺管道上截取矿浆,通过管路自流进入多路分配器,多路器轮流切换各流道的矿浆至分析仪主机进行检测。集中引流方式取样的优点是同一套分析仪主机设备实现多个流道的矿浆检测,可安装在恒温的室内运行,设备运行环境好。但集中引流的取样方式弊端也很明显,取样系统结构复杂,矿浆输送管路长,易造成矿浆沉积堵塞管路,影响设备的正常运行。特别在浮选作业中,长距离输送时,矿浆中富含高品位的泡沫会在管壁上附着,造成实际到达分析设备的物料品位降低,影响取样的代表性。多个流道轮流切换方式,一个分析周期可能达到数十分钟,品位数据的实时性较差[3-6]。
近流式取样系统由动力水源、水射器、样品盒、管路及阀门组成。系统采用动力水源高速流过水射器产生负压的方式提升矿浆,取样系统为连续取样的工作方式。优点是管路距离短,矿浆不会分层沉积,取样实时性和代表性强,维护简单。缺点是当矿浆中矿石粒度较大时,连续运行会造成水射器喷咀加速磨损,矿浆中杂质较多时,易造成水射器频繁堵塞,增加设备的维护量[7-9]。
针对上述取样系统存在的问题,中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司设计开发了PFQ-3 型矿浆取样系统。该系统由提升泵、缓冲罐、气缸、取样刀口、液位传感器、阀门、管件及电气控制系统组成。取样点设置在工艺检测点的搅拌桶内。通过泵提升矿浆至缓冲罐,缓冲罐的取样刀口截取矿浆通过管路进入样品盒进行分析检测。取样系统按照设定的时序和控制流程自动周期性完成循环取样工作。该系统通过现场试验表明,系统具有结构简单、传输路径短、不易堵塞等优点,在满足取样实时性和代表性的前提下,系统的可靠性有了显著提高。本文将通过对PFQ-3 型矿浆取样系统的原理及设计方案进行详细介绍,为系统的进一步研究改进和推广应用提供借鉴。
PFQ-3 型矿浆取样系统采用高可靠性和易于维护性的设计原则设计。系统结构见图1,由泵、缓冲罐、坡度调节装置、取样刀口、气缸执行机构、冲洗水装置,雾化消泡装置、液位传感器、阀门、连接管路及控制系统构成。为保证原始样品的均匀性和代表性,取样点一般设置在工艺流程的搅拌桶内。因此,不需要在流程管道截流,不影响管道通径,使用及维护检修不影响正常生产作业。
图1 取样系统结构Fig.1 Sampling system structure
正式取样前,先对隔膜泵及缓冲罐冲洗一次,防止前一次的样品残留混入本次样品中。取样分析结束后,控制系统再次冲洗泵及取样缓冲罐,防止矿浆残留堵塞泵及管路。冲洗结束后,自动回到等待状态,等待下个周期的取样。
取样系统采用泵输送的方式提取矿浆,由于矿浆为固液两相的混合液,浓度高,密度大,普通的转子泵连续工作会有较大磨损,矿浆专用渣浆泵体积大,能耗高,检修维护复杂,难以适应低流量应用场景。因此,泵的选型至关重要。通过比较试验多种泵后,选择气动隔膜泵作为取样提升泵。
气动隔膜泵属于容积泵,采用压缩空气作为动力源,依靠膜片往复运动改变密封的腔体容积来实现进料和出料。气动隔膜泵由吸入口、排放口、介质室和空气室构成。隔膜泵的工作过程如图2所示:当压缩空气驱动膜片向左运动时,左边腔室容积被压缩,介质被挤出,右边腔室容积增大,介质被吸入;当压缩空气进驱动膜片向右运动时,右边腔室容积被压缩,物料被输出,左边腔室容积增加,物料被吸入。压缩空气通过导向阀自动切换,实现物料的持续输送。
隔膜泵与普通转子泵相比具有结构简单、工作可靠、易损件少,安装、维护方便的特点。隔膜泵在启动时不需要灌引水,可直接在浮选槽或搅拌桶上方吸取矿浆;输送物料通过性能好,运行时没有切削动作,输送较大的颗粒物时,对泵磨损非常小;启停只需控制气源阀门打开和关闭,扬程、流量可通过气源压力来调节,可空载运行,超负荷泵会自动停机,具有自保护功能。
由于矿浆浓度高、矿浆中物料粒度大,矿浆中添加的各种药剂具有较强的腐蚀性。因此,在选型和使用时应注意,泵体材料宜选用不锈钢材料,以提高耐腐蚀性能。隔膜泵的膜片、球体和阀座宜选用四氟材料,四氟材料具有极低的摩擦系数和稳定的化学性能,可以有效降低矿物颗粒对泵的磨损,延长泵的使用寿命。泵在选型时应注意查阅流体出口压力与空气消耗量关系曲线。泵在使用时,入口压力不应超过0.8 MPa,不低于0.4 MPa,使用独立气源时,应注意空气压缩机的排气量应留有20%以上的余量。使用公共气源时,工作时造成的压力降不应低于其他用气设备的最低工作压力。
缓冲罐体采用长筒形设计,罐体设计有进料口、取样口、检修口、溢流口。罐体采用倾斜安装的方式,罐体与支架通过轴连接,并设计有倾角调节机构。缓冲罐连接冲洗装置、雾化消泡喷头、液位传感器、取样刀口及执行机构。
进料口设计管径为DN40,标准配置为40 口径的泵。可通过变径适配不同口径泵,以适应不同位置的取样点对泵的流量和扬程的需求。溢流口位于缓冲罐轴线偏上的位置,当矿浆液位高于溢流口时,多余的矿浆通过溢流口回到生产流程中,溢流口偏上的设计使缓冲罐内的矿浆流压力恒定,确保进入样品盒中的矿浆压力和流速稳定。
利用圆钢加固，焊缝的宽度≥d/3，焊缝长度≥3d，d为圆钢直径；
利用等边角钢加固，焊缝的宽度≥（d+1）mm，焊缝的长度≥2b，d为肢厚，b为肢宽。
矿浆为矿石和水的固液两相悬浊液,当矿浆的流速、矿石性质、矿浆浓度、粒度等条件变化的情况下,易出现多种不均质流态,甚至会产生分层沉积堵塞管路的情况。因此,确定合理的工艺坡度是关键。矿浆流量、浓度、品位、粒度等变化都直接影响工艺坡度设计。若矿浆流速过低,矿浆中的悬浮颗粒不能保持悬浮状态,沉积在管路或缓冲罐底部造成堵塞。当矿石性质一定时,影响自流设计坡度的主要因素是矿浆的浓度和矿石的粒度,如果粒度大小一定时,浓度大所需自流坡度较大,浓度小则坡度小。若浓度大小一定时,则粒度大所需自流坡度大,反之则小。工艺坡度也不能过大,当坡度大于沉淀物的自然安息角,沉淀物将向下滑动堆积,形成堵塞。同时,过大的坡度易引起虹吸、喘振的隐患。矿浆自流管路敷设坡度见图3,样品盒管路应敷设在适宜的角度区域。
图3 矿浆管路坡度Fig.3 Slurry line slope
针对矿浆流动的特点,缓冲罐设计了一套坡度调节装置,作业人员根据实际矿浆的特点,灵活调整工艺坡度,以更好地适应当前矿浆取样的要求。
坡度调节装置的结构见图4,由支架、丝杆、调节螺母、固定轴、旋转轴构成。缓冲罐的一端通过固定轴与支架连接,另一端连接有旋转轴、丝杆、调节螺母支撑在支架上。当需要增加坡度时,调节丝杆螺母增大缓冲罐进料口一侧的高度,增大罐体与支架的角度;反之,当需要减小坡度时,调节丝杆螺母降低缓冲罐进料口一侧的高度,减少缓罐体与支架的夹角。该装置具有结构简单可靠、调节范围大、适应性强的特点。
图4 坡度调节装置Fig.4 Slope adjustment device
取样系统的堵塞是困扰在线荧光分析行业难题。合理的冲洗水设计,是防止取样系统堵塞的措施之一。本系统设计有2 路冲洗水系统。一路为隔膜泵冲洗水,一路为缓冲罐冲洗水。
由于隔膜泵特殊的构造,腔体的冲洗是冲洗水系统设计的难点之一。隔膜泵内部有4 个球形单向阀,靠压缩空气驱动膜片带动4 个阀的切换来实现矿浆的吸入和输出,其原理决定着流体只能单向流动,不能像传统的转子泵通过反冲洗的方式清洗内部腔体。由于矿浆为固液混合的悬浊液,在泵内不可避免地发生部分沉积,如冲洗不及时造成堵塞,需要分解泵体进行清洗,维护和检修难度较大。
为解决泵内冲洗的难题,在入口端设计了正向冲洗水系统。该冲洗水系统由高压水源、电磁阀、管路、单向阀和控制电路组成,见图5。
图5 隔膜泵冲洗水系统Fig.5 Diaphragm pump flushing water system
取样作业时,取样控制系统关闭冲洗水电磁阀,打开气源电磁阀,启动隔膜泵。泵入口端的负压使单向阀打开,隔膜泵连续提升矿浆进行取样作业。当一个取样周期取样结束后,控制系统关闭气源电磁阀,隔膜泵停止运行。控制系统打开冲洗电磁阀,单向阀截止,冲洗水流进入泵体,实现隔膜泵腔体连续冲洗功能。
缓冲罐冲洗水系统是取样系统,用于冲洗取样刀口、缓冲罐、样品盒及管路,防止矿浆沉积堵塞。该系统由高压水源、电磁阀、管路、喷头和控制电路组成。在取样前或一个取样周期取样结束,且隔膜泵冲洗完成后,控制系统发出控制指令,打开冲洗电磁阀进行冲洗作业,达到系统设定的冲洗时间后关闭冲洗水阀门,等待下一个冲洗周期。
图6 缓冲罐冲洗水喷头(单位:mm)Fig.6 The buffer tank to flushes the water nozzle
影响冲洗效果的主要有两个因素:冲洗喷头的合理选用是因素之一,喷头既要保证水流强度,也要保证能够覆盖冲洗面。经过试验测试,喷头选用1/4 英寸60°扇形喷咀。扇形喷头具有喷雾通道大而流畅,喷出的液雾分布均匀,液滴大小适中,形成均匀的、能产生较强冲击力的广角扇形喷雾形状,能更好地覆盖冲洗面。冲洗水压的大小是影响冲洗效果的另一个因素,冲洗水的水压应不低于0.15 MPa,压力不满足要求时,可采用管道式增压泵加压,增压泵的流量应大于10 L/min,在出口堵转的情况下泵能够正常运行。
X 荧光品位检测过程中,矿浆中的气泡往往会造成流体压力不稳定、光谱基线漂移、尖锐的噪声峰、分析灵敏度下降等负面影响。因此,取样系统必须采取可靠的措施解决泡沫对分析测量的影响。
缓冲罐是气泡消除的第一道措施,矿浆进入缓冲罐后,流速减缓,消除了漩涡,利用液体的缓冲作用使气泡上浮到矿浆表层。罐顶设计安装一只离心雾化喷头,当压力水流进入喷头后,被分接成沿内壁运动的旋转水流,在离心力作用下由喷口喷出而形成雾化水雾,利用雾化水消除矿浆表层的泡沫。雾化消泡系统采用120°雾化角喷头,见图7,确保细水雾能覆盖整个矿浆液面。
图7 雾化除泡沫喷头(单位:mm)Fig.7 Atomize foam to removal nozzles
取样执行机构包括气缸、轴、连杆、取样刀口,是取样系统的核心组件,图8(a)。当开始取样时,取样控制系统打开电磁阀接通压缩空气,使气缸动作。气缸驱动连杆使取样刀口旋转至垂直于缓冲罐轴线位置。取样刀口垂直于矿浆流动方向,切割整个矿浆流至分析仪管路。取样结束后,电磁阀切换,气缸驱动连杆旋转,使刀口抬起,等待下一个周期的取样。
图8 取样执行机构Fig.8 Sampling execution agency
在实际应用时,矿浆中的木屑、导爆管等柔性杂质易挂在刀口上造成堵塞,影响取样系统正常运行。针对现场杂质较多的应用场景,对取样刀口的结构进行优化。将样刀由标准型直角刀口改为弧形刀口,并将内腔由倾斜面改为弧形面,见图8(b)。当矿浆中杂质挂到刀口上时,在矿浆的冲击及冲洗水的冲洗下,弧形刀口更有利于杂质与刀口分开。内腔的弧形面有利于矿浆更平滑地过渡到分析管路,减少气泡和漩涡,使矿浆流更加稳定,取样代表性更强。
液位传感器主要用于监测泵是否正常运行、取样是否断流、样品的量是否达到满足取样分析的液位高度,是取样系统的反馈器件。液位传感器在矿浆中工作,要求不易堵塞,可靠性要高,抗干扰能力强,减少误动作的发生。
普通浮球液位开关容易受到矿浆的腐蚀造成卡阻、动作失效。超声波或雷达的液位计成本高,且不适用于这种超近距离的液位高度频繁变化的应用场合。经过反复比选,音叉液位传感器是矿浆液位测量的最佳方案。
音叉式液位开关是一种新型的液位检测开关。其工作原理是:安装在音叉体基座上的一对压电陶瓷驱动音叉体在固有的谐振频率下振动,当音叉体浸入至被测液体时,谐振体总质量发生变化,质量发生变化导致音叉的频率和振幅发生变化。该频率变化通过相应的检测电路检出,当达到设定的阈值后,输出开关量信号至系统的反馈回路中,见图9。
图9 音叉液位传感器原理框图Fig.9 Tuning fork level sensor block diagram
由于音叉液位计无活动部件,无须维护和调整,几乎适用于所有的液体介质。同时,不受被测液体的流动、气泡、振动的影响,是机械式液位开关理想的升级替代产品。
取样控制系统包括硬件电路及软件系统。硬件电路原理图见图10,Q1-Q5为PNP 型中功率三极管,KA1-KA5为小型机械式继电器,通过继电器实现取样输出电路的电气隔离;YV1-YV5为电磁阀,YV1 控制隔膜泵的启停、YV2 控制雾化消泡喷头的通断、YV3 控制取样刀口气缸的动作、YV4 控制隔膜泵冲洗水;YV5 控制缓冲罐冲洗水;LS1为音叉式液位开关,用于检测缓冲罐液位。R1-R6为限流电阻,D1-D6为续流二极管,防止三级管在关断时继电器线圈产生的反电势击穿三极管及主控板芯片。CON1为控制板连接端子,接品位仪主控板。
图10 取样控制电路Fig.10 Sampling control circuitry
取样控制电路控制端低电平有效,以CON1 的K1 端为例说明取样控制电路工作过程:当K1 端子为高电平时,三极管Q1 截至,继电器触点断开,电磁阀关断压缩气源,隔膜泵停止工作。当K1 端子为低电平时,三极管Q1 导通,继电器KA1 触点闭合,电磁阀YV1 得电,阀门打开。压缩空气通过阀门送入隔膜泵,驱动隔膜泵工作,当矿浆液位达到设定高度时,音叉输出端子接通,KA6 线圈通电,触点闭合,通过CON1 端子将信号反馈给主控板。
嵌入式软件系统按规定的时序控制取样机构取得有代表性的矿浆进入分析仪的探头,分析仪探头测定出矿浆的荧光光谱,计算机系统根据标定的模型计算出当前矿浆的品位值。取样完成后分别执行隔膜泵冲洗及缓冲罐体冲洗功能,冲洗结束后等待下个周期取样。程序控制框图见图11所示。
图11 取样系统控制流程Fig.11 Sampling system control flowchart
2021 年5 月,设计的新型矿浆在线取样系统在铜陵有色某选矿厂原矿点进行现场试验,检验取样系统取样的代表性以及连续运行的稳定性情况。现场采用同步取样对比试验的方式来验证,样品来自原矿搅拌桶。试验方法:每天取一组矿样,连续取样2 周,现场原矿点取样机与PFQ-3 取样系统同步取样,取样数据见表1,对比折线图见图12。可以看出,取样系统出口处的样品品位与取样机取样的矿浆品位变化趋势一致,偏差结果满足设计及使用要求。
图12 原矿品位取样对比折线图Fig.12 Raw ore grade sampling versus line chart
表1 原矿点取样机与PFQ-3 型取样系统取样结果对比Table 1 Comparison of sampling results of the origin point sampling machine and the PFQ-3 sampling system
取样系统作为X 荧光在线品位分析系统中必不可少的组成部分,承担着关键工艺监测点矿浆的在线取样。PFQ-3 型矿浆取样系统的设计,融合了近流式取样与集中式取样的优点,无论从结构原理还是现场工业试验结果均表明,取样系统运行稳定,抗堵塞能力强;取样系统的实时性和代表性满足选厂对关键工艺点矿浆取样的要求。取样系统结合在线品位分析仪输出的实时品位数据对于选矿生产作业具有很强的指导意义。
PFQ-3 型矿浆取样系统在取样的可靠性和代表性方面得到显著提升,但在矿浆浓度变化较大时需要用户手动调节缓冲罐坡度,在实际使用中用户往往不能及时发现和调整。针对这一问题,今后将进一步研究改进,将缓冲罐坡度手动调节装置改为步进电机驱动的方式调节,取样系统根据品位仪反馈的浓度数据自动调整缓冲罐坡度,以进一步提高取样系统自适应能力。
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