管道礦漿密度計的在線檢測原理及其在尾砂充填中的應(yīng)用

程小舟

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司，安徽馬鞍山243000；2.中國礦業(yè)大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，江蘇徐州221008）

選礦生產(chǎn)工藝中，密度測量的被測介質(zhì)是礦粉與水混合的礦漿，在整個選礦工藝中礦漿密度和流量應(yīng)控制在一個合理的范圍，密度過低影響效率和產(chǎn)品質(zhì)量，密度過高又容易沉淀和堵塞管道。因此，礦漿的密度是選礦生產(chǎn)過程中重要的操作參數(shù)，準(zhǔn)確測量礦漿密度，對指導(dǎo)安全生產(chǎn)具有重要意義。

目前，礦漿密度在線測量儀表主要是γ射線密度計，而γ射線存在放射源輻射的安全危險隱患；差壓式密度計測量靜態(tài)液體可以獲得很好的精度，但是一旦介質(zhì)流動產(chǎn)生的壓力變化將干擾壓差與介質(zhì)密度的相關(guān)性，導(dǎo)致測量值漂移；超聲密度計對介質(zhì)中的氣泡、振動、流動非常敏感，并且測量基準(zhǔn)的漂移嚴(yán)重，實(shí)際使用過程中需要不斷地標(biāo)定，無法長時間穩(wěn)定可靠地測量。管道礦漿密度計的研究正是在這種背景下提出的。

1 管道礦漿密度計的數(shù)學(xué)模型

流體流過管道時的振動數(shù)學(xué)模型［1-2］：

式中，E為測量管的彈性模數(shù)；I為測量管對中心軸的二次矩；Si與St分別為流體流過的管中液體所占有的管橫截面積與測量管的橫截面積；ρw與ρt分別為管中被測液體的密度與測量管的密度。

實(shí)際制造過程中選用低滯彈性效應(yīng)的高彈性合金42CrMo鉻鉬合金鋼制造測量管。管道礦漿密度計的測量管示意如圖1。

在給定邊界下解上述方程得到水平測量管的振動頻率為

式中，λ為與邊界條件以及測量管振動模式有關(guān)的常數(shù)；L為測量管軸向方向的長度。

由此可解得測量液體的密度為

于是由測量液體所流過管的振動頻率即可得到所流過液體的密度。

2 管道礦漿密度計在線測量原理的實(shí)現(xiàn)

該礦漿密度計主要由腔體振動傳感器和諧振電路組成，如圖2所示。腔體振動傳感器由測量管及腔體內(nèi)壁上呈環(huán)繞分布的電感線圈組成，電感線圈兩引線端相連接電阻和電容；電感線圈、電阻和電容構(gòu)成RLC串聯(lián)諧振電路；諧振電路由循環(huán)器、混合器、檢測器、低通濾波器等電路組成。礦漿密度計工作原理如下：不同的流體流過測量管時會發(fā)生不同頻率的振動，當(dāng)激勵信號源發(fā)生的信號頻率與測量管頻率一致時會發(fā)生共振，混合器輸出的是共振頻率與外加激勵信號源發(fā)生的信號頻率之間的不同的諧波，再通過檢測器、濾波器以及識別器將頻率差信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過對電信號的數(shù)字化處理得到流體的密度，根據(jù)上述原理開發(fā)的管道礦漿密度計MIMR-XZ6如圖3所示。試驗(yàn)測得振動頻率與液體密度之間的關(guān)系如表1所示。

從表1中可以看出：開發(fā)的礦漿密度計所測得的液體密度與其真實(shí)值相比誤差很小，該密度計精度很高。

3 管道礦漿密度計在尾砂充填中的應(yīng)用

3.1 尾砂中不同粗細(xì)砂比充填料漿性能的分析

圖4為灰砂比為1∶7時不同的粗細(xì)砂比及料漿濃度充填測試塊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出：粗細(xì)砂比及料漿濃度對充填試塊的強(qiáng)度并不呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，當(dāng)粗細(xì)砂比為1∶3.5、料漿濃度為64.93%時，其充填試塊的強(qiáng)度最好，為3.47 MPa。

充填料漿的各種不同性質(zhì)是多因素作用的綜合反映，充填材料物理化學(xué)性質(zhì)不同，導(dǎo)致其性能差異；充填物料之間的比重與粒級組成、孔隙率等指標(biāo)對沉降都有直接影響；充填物料的孔隙率越大，結(jié)構(gòu)越蓬松，壓縮系數(shù)也越大，因而其強(qiáng)度則越??；對于自然堆積的充填料，其容重最小，孔隙率最大，充入采礦區(qū)后，隨著時間延長，液相清水逐漸排出，充填料漿在自重的作用下，固相充填物料顆粒逐漸沉縮，孔隙率相應(yīng)減小，導(dǎo)致料漿容重逐漸增大，結(jié)構(gòu)趨于密實(shí)，強(qiáng)度則進(jìn)一步提高［3-5］。

通過對濃度的測量和控制，能夠有效地提高充填作業(yè)的效率和質(zhì)量。在不同的粗細(xì)砂比例下，將礦漿濃度控制在最佳強(qiáng)度區(qū)間對應(yīng)的濃度范圍內(nèi)，能夠使用較低的水泥配比達(dá)到較好的充填強(qiáng)度。

3.2 尾砂充填工藝中管道礦漿密度計的應(yīng)用

由選礦排出的終尾砂進(jìn)入旋流分離器，分離下來的粗砂與經(jīng)陶瓷柱塞泵泵送過來的細(xì)砂按一定比例混合后進(jìn)入砂池；從旋流分離器上部出來的10%的溢流液與高硫尾礦、廢水中和漿液混合后與從細(xì)砂池出來的25%的溢流液一起進(jìn)入濃縮機(jī)；從濃縮機(jī)底部出來的細(xì)砂漿經(jīng)陶瓷柱塞泵打入細(xì)砂池；從細(xì)砂池底部出來的細(xì)砂漿經(jīng)中間緩沖池后由陶瓷柱塞泵打入砂池；由砂池底部出來的按一定粗細(xì)砂比例配好的料漿經(jīng)礦漿管道密度計進(jìn)入雙螺旋攪拌機(jī)，礦漿管道密度計監(jiān)測其料漿濃度，水泥按設(shè)計配比好的灰砂比經(jīng)雙管螺旋給料機(jī)給料后，經(jīng)螺旋電子秤計量，輸送至高速活化雙螺旋攪拌機(jī)中混合均勻的同時制成高效活化料漿，用于開采礦床的充填，具體尾砂充填系統(tǒng)工藝流程如圖5所示。

尾礦充填過程中的系統(tǒng)工藝參數(shù)采用計算機(jī)控制，其控制界面如圖6所示。尾砂充填作業(yè)過程中，料漿的粗細(xì)砂比例及灰泥比、料漿的濃度、砂池的液位、補(bǔ)水流量以及每天的水泥用量、放砂總量均可通過其控制系統(tǒng)實(shí)時在線了解，其中一個重要的控制參數(shù)就是料漿的密度是由礦漿管道密度計來完成的，作業(yè)過程中實(shí)時監(jiān)測的料漿的密度如圖7所示。

從圖7可以了解到，充填作業(yè)過程中料漿密度基本穩(wěn)定在1 650 kg/m3，如果運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)密度發(fā)生變化，操作人員可以及時調(diào)整其他的工藝參數(shù)，如要控制好粗細(xì)砂比例、選擇合適的灰砂比以滿足采礦方法對充填強(qiáng)度的要求；最后選擇合適密度的充填料漿，以保證尾礦混合物料在保持流動性的前提下提高礦床充填區(qū)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

從礦漿管道密度計的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，介紹了其檢測原理及其實(shí)現(xiàn)方式，從開發(fā)的礦漿管道密度計在礦渣充填中的實(shí)際應(yīng)用情況來看：礦漿管道密度計安裝方式靈活，礦漿流動性好，流量穩(wěn)定，滿足諧振式管道礦漿密度計的測量要求；從現(xiàn)場取樣和記錄曲線分析結(jié)果可知：該礦漿管道密度計測量數(shù)據(jù)偏差在1%以內(nèi)，密度測量偏差在3%以內(nèi)，偏差值穩(wěn)定，在實(shí)際誤差允許范圍之內(nèi)，提取記錄曲線顯示的礦漿密度及其變化趨勢與生產(chǎn)實(shí)際狀況有準(zhǔn)確對應(yīng)關(guān)系，給尾砂充填作業(yè)的高效安全生產(chǎn)提供了很好的技術(shù)保障。