礦漿濃度檢測技術及其應用研究

汪 洋，黃宋魏，唐 敏，朱佳欽，尉佳怡

(昆明理工大學國土資源工程學院，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。為了穩定和提高選礦生產的質量和效率，選礦作業的工藝流程中需要經常測定礦漿濃度。在磨礦過程中，礦漿濃度影響磨機效率和浮選試驗指標[1]。浮選作業時，礦漿濃度過低會造成生產效率低、精礦產量少、藥劑用量過大。礦漿濃度過高會造成精礦質量差、回收率低[2]。重選作業中，礦漿濃度決定了分級溢流的細度[3]。礦漿濃度的高低還影響過濾速度和濾餅水分。因此，實時檢測并控制礦漿濃度保持在規定的范圍內，對指導生產工藝的穩定運行、實現選礦廠智能化、提高精礦產品質量和工廠的經濟效益等都有著極為重要的意義。

目前，礦漿濃度檢測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?；谶@些檢測方法開發的礦漿濃度檢測儀表被廣泛應用于選礦廠。得益于智能化儀表的發展，選礦廠的效益和智能化程度得到提高。實際應用過程中，不同種類礦石在浮選作業時的礦漿濃度、透明度相差較大，且常常伴有氣泡、沉淀、腐蝕和結垢等現象。若儀表選用不當會導致礦漿濃度檢測儀安裝與維護困難，其長期運行時穩定性和可靠性會變差，影響儀表的檢測精度。

因此，本文分析了基于不同檢測方法開發的礦漿濃度儀工作原理，總結了儀表自身設計和實際應用中存在的優缺點，并結合現場礦漿的性質和工藝流程給出了儀表選型建議。

1 礦漿濃度檢測原理及應用優缺點

1.1 超聲波檢測法

1.1.1 工作原理

超聲波信號在礦漿中傳播時，其聲速和聲強等物理量都會發生衰減。通過檢測超聲波的衰減量，建立超聲波衰減機理的理論模型，即可根據衰減量計算出礦漿濃度[4-5]。直射式超聲波礦漿濃度檢測原理如圖1所示。

圖1 直射式超聲波礦漿濃度檢測原理圖

由圖1可知，礦漿一側的超聲波發射換能器發射出超聲波信號，另一側的接收換能器接收超聲波信號。信號處理裝置負責超聲波信號處理并計算出礦漿濃度。

1.1.2 超聲波檢測法應用的優缺點

超聲波檢測法的優缺點如下。

①優點。超聲波檢測法采用超聲波作為測量介質，安全可靠，檢測量程較寬，工作穩定且能連續在線檢測礦漿濃度。儀表可采用夾抱或浸入式安裝，體積小、安裝簡單。儀表夾抱式安裝時不直接和礦漿接觸，所以耐腐蝕性強，使用壽命更長。

②缺點。超聲波檢測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被測礦漿礦物類別給定，并且裝置需要經常標定，后期維護很繁瑣。礦漿中存在過多氣泡會導致檢測結果不準確。

1.2 射線檢測法

1.2.1 工作原理

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

圖2 射線式礦漿濃度檢測原理圖

由圖2可知：礦漿一側的放射源發出射線，當射線穿透礦漿時部分射線被礦漿吸收；另一側的探測裝置檢測到的射線強度為I。由式(1)可計算出礦漿的密度。根據特定條件下礦漿密度和射線強度變化的關系即可得到礦漿的濃度[6]。

(1)

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

1.2.2 射線檢測法應用的優缺點

射線檢測法的優缺點如下。

①優點。射線檢測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。儀器測量精度高，使用壽命長且性能相對穩定，適合大部分礦漿濃度的測量。儀表可安裝在直徑達幾米的容器上，安裝過程中不需要中斷礦漿的流動。

②缺點。礦漿成分變化、氣泡較多和礦漿不均勻時對檢測精度影響較大。射線檢測法采用放射性同位素，使用前需要向環保部門申請，批準后才能購買使用，使用過程中還需要經常接受有關部門的檢查。射線檢測法還存在核輻射防護和環保等方面的問題。

1.3 光電式檢測法

1.3.1 工作原理

光電式檢測通常是在Mie散射和弗瑯禾費衍射公式的理論基礎上對礦漿濃度進行測量。光穿過含有顆粒的介質后，透射光的強度會因為顆粒存在對光的吸收而衰減。它的衰減情況與礦漿顆粒的大小和濃度有關[7-8]。因此，根據激光衰減的比率建立礦漿的濃度模型，通過濃度模型計算即可得到礦漿的濃度。光電式礦漿濃度檢測原理如圖3所示。采用光電式檢測法的濃度儀主要組成部分包括激光光源、擴束準直系統、傅里葉透鏡和光電探測器。

圖3 光電式礦漿濃度檢測原理圖

1.3.2 光電式檢測法應用的優缺點

光電式檢測法的優缺點如下。

①優點。光電式檢測法屬于非接觸式連續在線測量，測量速度快，不受礦漿種類的影響；對低濃度礦漿的檢測精度較高且無任何污染，符合礦山綠色發展的主題。儀表不直接與礦漿接觸，便于安裝維護，儀器使用壽命長。

②缺點。光電式檢測法測量量程較小，準確度易受被測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；在光源發射的透明窗口易殘留礦漿顆粒，會對礦漿濃度的測量造成極大的誤差；受礦漿濃度影響較大，對高度稀釋的礦漿檢測性能更好。

1.4 諧振式檢測法

1.4.1 工作原理

諧振式濃度儀是根據元器件震動衰減原理而設計的。激勵線圈激勵促使諧振體產生已知頻率的振動。當液體流經振子時，因流體質量的改變引起諧振頻率的變化。儀器采集系統采集這些頻率變化后，通過振動頻率與密度間的函數關系式計算出流經流體的密度值，再根據密度與濃度的關系計算出流經流體的濃度值[8]。

音叉體諧振式礦漿濃度檢測原理如圖4所示。

圖4 音叉體諧振式礦漿濃度檢測原理圖

1.4.2 諧振式檢測法應用的優缺點

諧振式檢測法的優缺點如下。

①優點。諧振式檢測法可實現礦漿的在線連續測量，結構簡單，測量速度快。儀表體積小巧，安裝簡單，即插即用，適用于大部分礦漿濃度的測量；不需要現場標定，測量精度高。

②缺點。諧振式檢測法由于音叉傳感器長時間和礦漿接觸，對音叉材料要求很高且音叉的形狀尺寸對結果的影響很大，不容易確定。由于音叉長期使用會出現磨損嚴重或粘結礦漿，會嚴重影響測量的結果，需要頻繁維護。由于礦漿濃度不均勻，諧振式檢測法在氣泡較多時測量不準確。

1.5 差壓式檢測法

1.5.1 工作原理

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

圖5 差壓式礦漿濃度檢測原理圖

在需要測量礦漿濃度的容器內相隔h的地方安裝兩個壓力傳感器，分別測得兩點之間的壓力數據并傳入變送器。由于礦漿的密度和高度差成反比、與礦漿的壓強差成正比，根據式(2)即可算得礦漿的密度。由礦漿密度和濃度的轉換式可知此時礦漿的濃度。

(2)

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

1.5.2 差壓式檢測法應用的優缺點

差壓式檢測法的優缺點如下。

①優點。差壓式檢測法可實現礦漿濃度的連續在線測量且對人體無危害。儀表結構簡單，在保證測量準確的同時經濟實惠；安裝簡單快捷且無需標定，后期維護工作量??；測量量程寬，不受礦漿種類限制。

②缺點。差壓式檢測法由于壓力傳感器直接與礦漿接觸，壓力測量也容易受流動等沖擊的影響，對傳感器的磨損和腐蝕比較嚴重，后期維護相對麻煩；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、礦漿的流速都會對管道有影響；只有在介質和水的密度差較大且礦漿比較均勻時才適用。

1.6 稱重式濃度檢測法

1.6.1 工作原理

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

圖6 稱重式礦漿濃度檢測原理圖

由圖6可知，稱重式礦漿濃度檢測儀由自動取樣裝置、稱重裝置、測控主機、攪拌裝置和沖洗裝置組成[10-11]。安裝在管道上的自動取樣裝置采集一定體積的礦漿并輸送到稱重裝置上。稱重傳感器測得重量數據后由測控主機計算出礦漿的密度，根據礦漿密度和濃度的關系式(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壁粘連導致的測量誤差。

(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 稱重式濃度檢測法應用的優缺點

稱重式濃度檢測法的優缺點如下。

①優點。稱重式濃度檢測法是較為直接的濃度檢測法，不會受到礦漿成分變化、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；可動態連續檢測礦漿濃度，檢測精度高，系統運行穩定，測量范圍寬；相比較其他的檢測方法，影響檢測礦漿濃度的因素較少，安全環保。

②缺點。由于稱重式濃度檢測儀涉及器件較多，體積略大，安裝時會占用較大場地。取樣裝置、攪拌裝置和沖洗裝置等機械式執行機構長期和礦漿接觸，后期需要維護。礦漿取樣的代表性也會影響到總體檢測精度。

2 礦漿濃度檢測儀表的應用建議

第一節介紹了幾種主要的礦漿濃度檢測方法，為礦漿濃度檢測儀表的應用提供了一定的依據。但應用現場各種各樣，應用條件千差萬別。這給檢測儀表的正確選擇造成了困難。結合應用經驗，本文提出以下幾點應用建議。

①首先推薦使用基于稱重式礦漿濃度檢測法的儀表。該檢測法模仿工業常用的濃度壺進行測量，不受礦漿成分變化的影響。此外，采用取樣攪動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量誤差影響。就檢測原理而言，稱重式濃度檢測法更為直接、精確。該檢測法的不足之處是采樣的代表性影響檢測精度，不適用于壓力較大和腐蝕性較強的場合，且安裝不方便。

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

③對于礦漿比較均勻、濃度不高、無夾帶氣泡的場合，可以選用基于諧振式檢測法的儀表。該儀表安裝簡單，即插即用，不需要現場標定，測量精度較高。

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

⑤對于礦漿濃度低且比較均勻的場合，可以選用基于差壓式檢測法的儀表。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法的儀表。這樣可以獲得比其他方法更高的檢測精度。

3 礦漿濃度檢測技術的發展方向

3.1 向基于智能嵌入式系統的儀表方向發展

傳統的簡易型礦漿濃度檢測儀表通過傳感器獲取信號，通過一系列的線性變換或計算最終得到礦漿濃度，得到的數據誤差較大?，F代復雜的智能型濃度計在數據處理時采用專用算法，配合嵌入式微處理器的數據處理功能以及完善的通信端口，既可提高礦漿檢測的精度，又便于實現整個選礦廠智能儀器儀表設備的互聯互通，有利于選礦廠智能化。

3.2 向儀表的智能化自維護方向發展

大多數選礦廠生產現場嚴重缺乏智能儀器儀表維護和調整的相關專業技術人員，一旦儀器儀表出現較大偏差或者故障時會導致整個系統無法正常運行?，F代智能儀表能將正常運行時的數據保存到數據庫中。當檢測到數據偏差時，儀表啟動自診斷功能，自動整定參數使其恢復到穩定狀態[12]。如果通過自動診斷功能不能修復好儀表出現的問題，此時智能儀表會導出儀表故障可能出現的問題，以協助人工處理。

3.3 向基于“互聯網+”的方向發展

目前，伴隨著“互聯網+”浪潮的興起，各行各業都在倡導萬物互聯。工業互聯網的提出為未來選礦工廠的智能化提供了新的思路，改變了傳統選礦生產中各種設備和儀器儀表相互交換信息和數據的方式。通過物與物互聯實現了儀表與儀表之間、儀表與控制系統之間的智能化、多方位、高精度互聯。各種選礦設備和儀器儀表在沒有控制系統干預的情況下，自主建立“對話”機制，產生決策行為[13]。

4 結論

各種礦漿濃度檢測儀表都有其應用條件。由于選礦廠應用環境惡劣，所處理的礦石以及流程千差萬別，需要根據實際情況和實際精度需要等方面進行合理選擇。每種儀表都有其優缺點和適用范圍。選擇礦漿濃度檢測儀表時，還需要從準確性、可靠性、安全性、實用性、可維護性以及儀表的擴展用途(如自動控制等)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，適當增加必要的輔助措施也是檢測儀表工業應用的常用方法。需要注意的是，在選擇檢測儀表之前，對相關礦漿濃度檢測儀表實際應用單位的實地考察是很有必要的。