BDAS-I型在线矿浆浓度计的设计.pdf

第 29 卷增刊 1 2020 年 6 月 中 国 矿 业 CHINA MINING MAGAZINE Vol . 29 ， Suppl 1 June 2020 收稿日期 2020‐04‐18 责任编辑 刘硕 第一作者简介 周成（1989 － ） ， 男 ， 硕士研究生 ， 工程师 ， 主要从事选 矿冶金自动化检测设备的研究 、开发和应用工作 ， E‐mail zhoucheng ＠ bgrimm . com 。 引用格式 周成 ， 赵海利 ， 李传伟 ， 等 . BDAS‐I 型在线矿浆浓度计的 设计［J］ .中国矿业 ，2020 ， 29 （S1） 213‐216 ，220 .doi 10 . 12075／j . issn . 1004‐4051 . 2020 . S1 . 055 BDAS‐I 型在线矿浆浓度计的设计 周 成1 ， 2 ， 3，赵海利1 ， 2 ， 3，李传伟1 ， 2 ， 3，赵建军1 ， 2 ， 3 （1 .矿冶科技集团有限公司 ，北京 100160 ； 2 .矿冶过程自动控制技术国家重点实验室 ，北京 100160 ； 3 .矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室 ，北京 100160） 摘 要 矿浆浓度是选矿流程中各环节的重要指标参数 ， 是工艺调控决策的重要依据 。 本文基于浓度壶 测量原理 ， 通过将简单可靠的浓度壶测量结构和测量过程流程化 、 自动化 ， 设计了一套结构简单 、 测量稳 定 、 测量精度优于 1 . 5％ 的单流道在线浓度测量系统 。 配套代表性的取样器 ， BDAS‐I 型浓度计可灵活安装 在搅拌桶 、 浮选机 、 矿浆槽 、 浓密机等测量点附近 ， 满足浮选原 、 精 、 尾及中间流程矿浆的浓度测量需求 。 关键词 矿浆浓度 ；取样 ；浓度壶 ；浓度计 中图分类号 TD463 文献标识码 A 文章编号 1004‐4051（2020）S1‐0213‐04 Design of BDAS‐I online pulp density analyzer ZHOU Cheng1 ， 2 ， 3，ZHAO Haili1 ， 2 ， 3，LI Chuanwei1 ， 2 ， 3，ZHAO Jianjun1 ， 2 ， 3 （1 .BGRIMM Technology Group ，Beijing 100160 ，China ； 2 .State Key Laboratory of Mining and Metallurgy Process Automatic Control Technology ， Beijing 100160 ，China ； 3 .Beijing Key Laboratory of Mining and Metallurgy Process Automatic Control Technology ， Beijing 100160 ，China） Abstract Pulp density is an important index parameter of each link in the mineral beneficiation process and an important basis for process control and decision‐making . Based on the measurement principle of density pot ， a single channel online density measurement system with simple structure ，stable measurement and better measurement accuracy than 1 . 5％is designed by automating and processing the simple and reliable measurement structure and process of the density pot . Matching representative samplers ， BDAS‐I density analyzer can be flexibly installed near the measuring points such as the mixing bucket ， flotation machine ， pulp tank ， thickener ， etc .， to meet the density measurement requirements of flotation raw ， refined ， tail and intermediate process pulp . Keywords pulp density ；sampling ；density pot ；density analyzer 矿浆浓度及时 、准确的获取 ， 对磨矿 、 浮选及浓 缩等工艺流程的调控至关重要 。 矿浆浓度的在线检 测手段和产品多种多样 ， 如 X 射线 、超声波 、激光 、 差压法浓度计等产品 。 其中应用普遍且相对可靠的 为射线浓度计 ， 由于安全环保的原因 ， 射线浓度计面 临着被淘汰的局面 ； 其他浓度计受限于使用条件等 因素 ， 大多数在安装后并没有起到应有的效果 。 当 前 ， 即使在自动化程度较高的选厂 ， 操作工也普遍依 赖于最原始可靠的浓度壶人工测量矿浆浓度的数 据 。 究其原因 ， 一是在线检测仪表的准确性和耐用 性差 ， 二是浓度壶测量的可靠性和准确性被普遍认 可 。 但人工干预违背了当前选矿厂信息化 、 自动化 、 智能化的发展趋势 ， 因此在线检测仪表系统的准确 性和可靠性成为关键 ［1‐3］ 。 本文基于浓度壶测量矿浆的原理及过程 ， 在前 期溢流称重法浓度测量模块的研制和工业应用的基 础上 ［2‐3］ ， 设计定型了一款结构简单可靠 、 测量稳定 、 中 国 矿 业第 29 卷 测量精度高的全自动在线浓度计产品 。 1 结构及性能特点 1 . 1 结构组成 如图 1 所示 ， BDAS‐I 型在线矿浆浓度计主要 由七部分组成 ， 包括浓度测量组件 进行浓度测量的 核心装置 ； 控制箱 整个系统的控制大脑 ， 包括对取 样系统的控制 ； 稳流箱组件 用于将二次矿浆样品以 相对稳定的速度供给浓度测量组件中的称重箱 ； 气 缸组件 用于控制将一次矿浆样品流进行二次取样 缩分 ； 冲洗水组件 用于控制测量前后各箱体的清 洁 ； 支架组件 各部件组装在此支架上 ， 并通过地脚 固定在安装现场 ； 排矿箱组件 用于汇聚一次样品流 的旁路 、 测量后的矿浆以及冲洗水 ， 并通过管道排回 流程 。 图 1 BDAS‐I型矿浆浓度计结构图 Fig . 1 Structure diagram of BDAS‐I pulp density analyzer 1 . 2 性能特点 BDAS‐I 型矿浆浓度计经中试线试验和工业应 用 ， 并经过性能改进 ， 具有以下性能特点 。 ① 采用称重溢流法测量矿浆浓度 ， 方法简单可 靠 ， 测量精确 ；② 梅特勒‐托利多称重传感器及配套 的变送器保证了测量的可靠性和高精度 ；③ 每一次 测量 ， 同时输出矿浆浓度和密度信息 ；④ 典型情况下 可在 60 s 内完成一次测量 ， 分析测量实时性高 ， 测 量间隔时间可调 ；⑤ 自动进行浓度称重箱皮重测量 ， 可排除矿泥粘结或冲洗不干净对测量精度的影响 ； ⑥ 自动进行浓度称重箱体积标定 ， 可排除结垢后体 积变化对浓度测量的影响 ；⑦ 矿浆黏度 、 温度及其中 的气泡不会影响浓度测量精度 ；⑧ 灵活多样的通讯 接口可以满足绝大多数自动化通讯需求 ， 人性化的触 摸屏人机界面使现场操作人员可以很快上手 ；⑨ 模块 化的简易结构设计 ， 维护量少且易于维护 ， 具有一定 的防水 、 防尘功能 ， 可以用水整体冲刷清洗 。 表 1 BDAS‐I矿浆浓度计性能参数 Table 1 Perance parameters of BDAS‐I pulp density analyzer 参数名称性能 测量对象各类金属或非金属矿浆 浓度测量范围5％ ～ 70％ 称重方式高精度称重传感器连续测量 浓度测量精度优于 1 . 5％ 二次仪表 高精度仪表 ， 完成信息采集 、工程计算 、操作管 理和自动控制的功能 显示方式触摸屏 ， 用于人机对话和数据显示 输出方式 标配 4‐20 mA 标准信号或 MODBUS‐RTU ， 根 据需求可选配其他形式通讯方式 工作环境温度 0 ～ 60 ℃ ， 相对湿度 5％ ～ 95％ 电源要求220 VAC 10％， 频率 50 Hz ，＜ 500 W 水源要求0d. 2 ～ 0 . 6 MPa 20 L／min ， 洁净清水 气源要求0d. 4 ～ 0 . 6 MPa 10 L／min ， 仪表气源 尺寸重量775 mm 680 mm 2 155 mm ， 215 kg 2 测量原理 2 . 1 浓度计算过程 BDAS‐I 矿浆浓度计与浓度壶测量浓度的原理 一致 ， 采用称重法进行浓度计算 ［3］ 体积为 V 的容 器 ， 称重传感器称出其皮重 W1，盛满矿浆后的重量 W2，则矿浆的密度ρ矿可由式（1）计算 。 ρ矿＝ W2－ W1 V （1） 根据矿浆浓度 、矿浆密度 、矿石比重的固有关 系 ， 可以推导出式（2） ， 将式（1）带入式（2）即可计算 出矿浆的浓度 。 C ＝ δ（ρ矿－ρ水） ρ矿（δ－ρ水） 100％（2） 式中 C为矿浆的质量百分比浓度 ， ％ ；δ为矿石的 密度 ， g／m 3 ；ρ矿为矿浆的密度 ， g／m 3 ；ρ水为即水的 密度 ， g／m 3 。 2 . 2 测量结构原理 如图 2 所示 ， 取样器取得的一次样品流通过进 矿弯头进入 BDAS‐I 浓度计 。 测量时 ， 气缸推动胶 管摆动 ， 矿浆通过滤网进入稳流箱 ， 打开进样胶管 阀 ， 矿浆流入称重稳流箱 ， 液位音叉 1 通过液位检测 将稳流箱中矿浆稳定在一定的液面 ， 保证矿浆不发 412 增刊 1周 成 ，等 BDAS‐I 型在线矿浆浓度计的设计 生沉降的同时 ， 也确保进入称重稳流箱的矿浆流速 相对稳定 ； 关闭称重稳流箱出口的排矿胶管阀 ， 称重 稳流箱中的液位上升 ， 到达液位音叉开关 2 所在的 位置 ， 音叉开关 2 给出信号到主控箱控制器 ， 由主控 制箱控制器给出称重稳流箱进矿延时信息 ， 进矿一 定时间停止进矿 ， 确保液位刚好到达溢流口而无溢 流或溢流量控制在最小 ， 避免不可预知的矿浆沉降 带来的浓度计算偏差 ； 静置设定的时间 ， 由称重传感 器测量一组数据传回到变送器 ， 进而由控制器通过 特定的数学模型分析出矿浆的浓度及密度信息 。 图 2 浓度测量结构原理 Fig . 2 Structure principle of density measurement 2 . 3 测量系统 BDAS‐I 浓度计要实现在线实时测量 ， 需要配 套取样器形成一套载流测量系统 。 要实现最终测量 结果的精确性 ， 需要根据不同取样点选取／设计合理 的一次取样器及系统 ， 从而保证进入 BDAS‐I 浓度 计中的矿浆具有代表性 ， 能反映出工艺矿浆的真实 信息 。 如图 3 所示 ， 给出了三种不同取样配置的测 量系统 。 如果需要测量搅拌槽 、 矿浆槽 、 浮选机 、溜 槽或浓密机中的矿浆 ， 宜选取样泵作为 BDAS‐I 浓 度计的一次取样器 ； 针对旋流器溢流工艺矿浆 ， 由于 矿浆流体为不确定的紊流状态 ， 需要选取最具代表 性的移动刀口取样器作为 BDAS‐I 浓度计的一次取 样器 ； 针对封闭管道中流动处于稳定状态的矿浆 ， 可 选取成本相对较低的固定刀口管道取样器作为 BDAS‐I 浓度计的一次取样器 。 BDAS‐I 浓度计宜 安装在搅拌槽 、 矿浆槽 、 浮选机 、 浓密机平台上 ， 或就 近安装在泵池旁边 ， 方便测量和旁路矿浆返回流程 ， 形成闭环系统 ， 避免金属损失 。 图 3 BDAS‐I浓度测量系统 Fig . 3 System of BDAS‐I density measurement 3 控制系统设计 3 . 1 硬件设计 BDAS‐I 浓度计与配套的一次取样器组成的矿 浆浓度测量系统的控制在硬件上包括气控和电控两 部分 ， 其中气控主要通过电磁阀来直接控制气缸 、 胶 管阀 、 气控水阀等执行单元的动作 ； 电控通过内置的 BGRIMM 控制器（PLC）来控制各电磁阀单元按照 设定的逻辑和时序来完成相应的开关动作 ， 并接收 称重传感器 、 液位音叉开关和气源压力检测开关等 传感器的反馈信号并做相应的逻辑判断 。 为实现重 量的精确测量 ， 配置梅特勒‐托利多 0 ～ 50 kg 量程 的高精度称重传感器 ， 以及与之专门配套的信号变 送器 。 控制箱配置一块七英寸的触摸屏 ， 用于实现 人机交互 ， 方便测量信息实时查询和参数设置 。 3 . 2 软件设计 根据测量原理及系统结构 ， BDAS‐I 浓度测量 系统设计了如图 4 所示的合理测量流程 。 根据用户 需求设定浓度测量的周期 T1 ， 一般设为 5 min 、 10 min 、 15 min 或其他 。 测量开始时 BDAS‐I 浓度 计进行预取样 ， 按照内置的一次取样器程序包控制 512 中 国 矿 业第 29 卷 安装在工艺管道上的一次取样器将连续的矿浆样品 从工艺管道中取出 ， 直至矿浆样品流入浓度计 ， 从一 次取样器开始到矿浆流入浓度计并形成稳定的矿浆 流所需一定的时间 ， 这个时间与现场实际管路相关 ； 在预取样的同时 ， 浓度计持续对称重稳流箱进行皮 重测量 ； 预取样结束后进行二次取样 ， 气缸推动进矿 橡胶管将样品送入稳流箱并流入称重箱 ， 在二次取 样过程中气缸受液位音叉的反馈信号在旁路箱和稳 流箱之间来回摆动 ； 称重箱进样结束后 ， 一次取样和 二次取样同时结束并开始进行称重 ， 称重时为排除 矿浆波动的干扰需静置设定的时间 ， 此时称重传感 器连续测量并采集数据到控制器 ， 计算出本次浓度 测量数据显示到触摸屏上 ； 称重结束后需排空稳流 箱和称重箱中的矿浆 ， 并用高压水喷嘴进行箱体和 箱壁清洗 ， 防止结钙和影响下次测量 ； 冲洗结束后整 个流程完毕 ， 等待下一次测量 。 由于浓度计算需要 称重箱体积数据 ， 因此为排除结钙 、 冲洗不干净等对 体积的影响 ， 设定自标定体积周期 T2 ， 根据水源质 量和矿浆性质一般设为 30 min 、 60 min 、 120 min 或 其他 ， 进行一次清水测量来标定体积 ， 所获得的标定 体积数据用于下一个 T2 周期内的浓度计算 。 在上位机触摸中配置了智能化的人机交互软 件 。 如图 5 主界面中央显示 2 h 内的浓度测量曲 线 ， 点动光标可以查看 2 h 内任意时间点的浓度测 量数值 。 浓度测量曲线下方显示了当前矿浆浓度和 密度测量值 。 触摸屏右边从上到下依次为当前日期 和时间 、 浓度计状态 、 一次取样器的状态 。 为保证系 统的正常 、 可靠运行 ， 浓度计根据各传感器反馈信号 做了自诊断模块 ， 根据所提示的报警信息 ， 技术员可 方便快捷的处理出现的问题并恢复系统的运行 。 4 试验和应用 为测试 BDAS‐I 浓度计的可靠性 、测量精度及 测量范围 ，在矿冶科技集团有限公司实验室搭建了 与现场工业环境一致的中试线 ，进行了一个月的中 图 4 BDAS‐I浓度测量系统流程图 Fig . 4 Flow chart of BDAS‐I density analyzer system 图 5 BDAS‐I浓度计触摸屏主界面 Fig . 5 Main interface of BDAS‐I density analyzer 试线试验 。通过采用干矿量的重量梯度 ， 依次配置了 浓度范围 0％ ～ 70％ 的矿浆进行连续测试 。如图 6（a） 所示 ， 测试结果表明 ， BDAS‐I 浓度计测量矿浆浓度 的范围为 5％ ～ 70％ ， 在此范围内 ， 其测量精度优于 1.5％ ， 满足工业现场对矿浆浓度测量的需求 。 图 6 BDAS‐I 浓度计 Fig . 6 Measurement range and accuracy of BDAS‐I density analyzer （下转第 220 页） 612 中 国 矿 业第 29 卷 图 7 影像色差过大 Fig . 7 Image chromatic aberration is too large 图 8 影像出现黑边 Fig . 8 Black border appears on the image 技术在土地利用动态监测 、 国土资源规划 、 土地执法 监察 、 土地变更调查数据复核 、 地质环境保护 、地质 找矿 、 地质灾害勘察与防治等方面的优势 ［4］ 。 只有 建立高质量精度的大地坐标系 ， 并依托 CORS 系 统 ， 才能较大程度提高国土空间信息采集 、 处理与更 新的效率 ， 为社会化服务利用提供数据支撑 。 参考文献 ［ 1 ］ 黄永军 . 2000 国家大地坐标系启用对海洋测绘影响的研究 ［J］ . 测绘工程 ， 2013 ， 22（1） 1‐2 . 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China Mining Magazine ， 2015 ， 24（S1） 72‐74 . （上接第 216 页） 依托某矿山铜精矿浓密过程优化项目 ， BDAS‐I 浓度计安装在浓密机附近 ， 通过样品泵从浓密机进 矿矿浆溜槽中抽取铜精矿进行浓度实时在线测量 。 如图 6（b）所示 ， 浓度计测量结果和取样化验结果非 常接近 ， 误差绝对值基本在 1％ 以内 ， 满足优化控制 对浓度测量的需求 。 5 结 语 本文基于浓度壶测量浓度的原理 ， 在前期溢流 称重法浓度测量模块的基础上研制出了结构简单可 靠的 BDAS‐I 型在线矿浆浓度计 。 在研制过程中 ， 通过仿真和实践 ， 合理的设计出了稳流箱和称重箱 的结构及容积 ， 解决了稳流箱 、称重箱矿浆沉降 、矿 浆流速不均等对浓度测量精度的影响 。 通过对测量 各环节的充分理解和周密思考 ， 开发出了一套智能 化的系统控制软件 ， 使得 BDAS‐I 浓度计不管在中试 线试验还是在工业应用中 ， 其测量精度优于 1.5％ ， 满足工艺调控和优化控制对浓度测量的需求 。 参考文献 ［ 1 ］ 周俊武 . 选矿过程检测与控制技术新进展［J］ . 有色冶金设计 与研究 ， 2015 ， 36（3） 6‐10 . ZHOU Junwu .Mineral process automation development in China［J］ . Nonferrous Metals Engineering Research ， 2015 ， 36（3） 6‐10 . ［ 2 ］ 赵海利 ， 赵建军 ， 周成 . 一种载流式称重法浓度计的设计［J］ . 中国矿业 ， 2016 ， 25（S1） 473‐475 . ZHAO Haili ， ZHAO Jianjun ， ZHOU Cheng . Design of an on‐ line weighting concentration meter［J］ . China Mining Magazine ， 2016 ， 25（S1） 473‐475 . ［ 3 ］ 周成 ， 赵建军 ， 李传伟 ， 等 . 粒度浓度在线分析仪浓度测量模块 的设计应用［J］ . 有色冶金设计与研究 ， 2016 ， 37（3） 15‐18 . 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