新型礦漿液位檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)?zāi)M

李錠，閆杰，李東明，冒守靖

(長(zhǎng)沙礦山研究有限責(zé)任公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410012)

在有色金屬行業(yè)，有90%的礦物都是通過(guò)浮選工藝處理，浮選工藝對(duì)于整個(gè)礦業(yè)生產(chǎn)的重要程度不言而喻[1?6]。礦漿液位是影響浮選效果的主要因素之一，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)浮選機(jī)基本上都依賴工人定時(shí)巡查并手動(dòng)調(diào)節(jié)礦漿液位，是比較低效的。想要對(duì)礦漿液位進(jìn)行自動(dòng)控制，就必須做到對(duì)礦漿液位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這對(duì)于整個(gè)浮選自動(dòng)化十分關(guān)鍵[7?8]。目前，國(guó)內(nèi)的一些礦漿液位檢測(cè)裝置并不能很好地解決檢測(cè)過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題。一是礦漿的腐蝕和附著，會(huì)影響裝置的活動(dòng)和測(cè)量精度。為了應(yīng)對(duì)礦漿附著導(dǎo)致裝置卡死，還需增設(shè)沖洗裝置，造成不便；二是浮選選礦時(shí)，礦漿的攪拌和氣泡上浮會(huì)引起波動(dòng)，從而導(dǎo)致測(cè)量值波動(dòng)大[9?10]。為了解決這些問(wèn)題，更好地檢測(cè)礦漿液位，提高選礦的效益，特對(duì)礦漿液位檢測(cè)裝置進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。

1 裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 材料選擇

浮選槽內(nèi)環(huán)境惡劣，礦漿具有腐蝕性，要求裝置耐腐蝕。本文設(shè)計(jì)的裝置架構(gòu)采用PVC管。PVC管的主要成份為聚氯乙烯，PVC材料在實(shí)際使用中可根據(jù)不同的用途加入不同的添加劑，使其呈現(xiàn)不同的物理性能和力學(xué)性能[11]，比如增強(qiáng)其耐熱性、韌性、延展性等。聚氯乙烯造價(jià)低，有較好的抗拉、抗彎、抗壓、抗沖擊能力，且耐腐蝕性、耐藥品性優(yōu)良，不受潮濕水分的影響。其重量輕，使得裝置安裝簡(jiǎn)單方便，可以利用彈簧夾板將整個(gè)測(cè)量裝置固定，每隔一段時(shí)間打開彈簧夾板，對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行清洗，這樣也較好地解決礦漿附著給測(cè)量精度帶來(lái)的影響。

1.2 傳感器選型

本試驗(yàn)選擇磁致伸縮液位傳感器。其檢測(cè)機(jī)理是基于傳感器核心檢測(cè)元件磁致伸縮波導(dǎo)絲與游標(biāo)磁環(huán)間的魏德曼效應(yīng)。該傳感器環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，耐壓、防塵、抗污；該傳感器采用非接觸式測(cè)量方式，傳感器基本不會(huì)磨損，這樣能夠保證測(cè)量精度；傳感器的輸出信號(hào)是絕對(duì)位移值，即使電源突然中斷，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失；量程大、重復(fù)精度高。這些特點(diǎn)使得磁致伸縮液位傳感器可在惡劣的工作環(huán)境下，提供連續(xù)可靠且精確靈敏的液位信號(hào)[12]。

1.3 檢測(cè)原理與部件設(shè)計(jì)

把磁致伸縮液位傳感器夾裝卡于透明圓柱形筒內(nèi)，如圖1所示，筒的上部開2個(gè)氣孔，下部接口接PVC管，PVC管與油腔相連，油腔底部用隔膜片密封，隔膜片如圖2所示，隔膜片采用氟橡膠材質(zhì)。在筒和隔膜片形成的空間內(nèi)加入變壓器油。隨著礦漿液位的變化，隔膜片所處位置由液體礦漿形成的壓強(qiáng)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使隔膜片產(chǎn)生形變，變壓器油的油位發(fā)生變化，使傳感器測(cè)得位移信號(hào)。選擇變壓器油的一個(gè)好處是其密度小，可以放大礦漿液位的變化。

礦漿液位的檢測(cè)環(huán)境惡劣，會(huì)有礦漿攪拌和氣泡上浮產(chǎn)生波動(dòng)[13?15]，為了消減波動(dòng)給測(cè)量帶來(lái)困難，使測(cè)量更加精確，設(shè)計(jì)了穩(wěn)流器。穩(wěn)流器主要由大小遞加的圓臺(tái)環(huán)形板和1個(gè)空心圓柱擋板構(gòu)成，如圖3所示。將該穩(wěn)流器置于傳感器檢測(cè)部分的隔膜片之下?？招膱A柱擋板可過(guò)濾礦漿攪拌所產(chǎn)生的波動(dòng)，底部的環(huán)形板則可以消減礦漿攪拌沖擊給測(cè)量帶來(lái)的負(fù)面影響，環(huán)形板越多越密集時(shí)，濾波效果就會(huì)越好。

圖1 傳感器安裝

圖2 隔膜片

圖3 濾波部件

2 試驗(yàn)與計(jì)算

2.1 初始狀態(tài)計(jì)算

測(cè)量時(shí)需將裝置放入1m深的礦漿處，此位置為初始位置。因?yàn)檠b置放入礦漿中，受到礦漿壓力，隔膜片會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的形變，給裝置加入檢測(cè)用的變壓器油時(shí)，需要平衡隔膜片所受壓力。隔膜片處壓強(qiáng)平衡方程為：

變壓器油的密度為895 kg/m3，礦漿的密度約為1300 kg/m3。將這兩個(gè)數(shù)值代入式（1），計(jì)算得出h油=1.453m。

所以，往裝置管內(nèi)加入變壓器油，使油的高度為1.453m，這樣管內(nèi)變壓器油對(duì)隔膜片的壓力與1米深礦漿對(duì)隔膜片的壓力相等，隔膜片在初始位置就不會(huì)產(chǎn)生形變。隔膜片處于初始自然狀態(tài)下對(duì)壓力變化最靈敏，使得裝置在初始位置對(duì)礦漿液位變化的測(cè)量更加精準(zhǔn)。

當(dāng)?shù)V漿液位上升下降時(shí)，為了方便觀測(cè)傳感器浮球的變化，將浮球的初始位置定于透明圓柱形筒的中間位置。筒的高度為350mm，隔膜片上方的油腔高度為100mm，那么透明筒與油腔中間的PVC管的長(zhǎng)度為1.178m。

2.2 試驗(yàn)記錄

當(dāng)?shù)V漿液位上升，隔膜片所在位置的礦漿壓力增大，會(huì)頂起隔膜片，使變壓器油位上升。同理，當(dāng)?shù)V漿液位下降，隔膜片所在位置的礦漿壓力減小，隔膜片下壓，變壓器油位下降，浮球會(huì)隨著油位上升或者下降，這樣傳感器就可以檢測(cè)出礦漿液位變化。所選的隔膜片越大，裝置所需要設(shè)計(jì)的油腔就越大，隔膜片形變引起的油位變化也越大，測(cè)量會(huì)越靈敏。這樣設(shè)計(jì)的好處是放大了礦漿液位的變化，可以更加直觀地觀察浮球上升下降的變化。

本試驗(yàn)制作了一個(gè)水槽模擬浮選槽，向其中注入約與礦漿密度相等的泥漿水。將檢測(cè)裝置放入泥漿水1m深處，此時(shí)測(cè)得油位為12.1 cm。利用提前設(shè)置好的溢流口來(lái)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)礦漿液位變化，得到一組數(shù)據(jù)，見表1。

表1 油位-液位增量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

分析表1可知，礦漿液位增量在?3 cm到+3 cm范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，油位與礦漿液位增量的變化呈線性相關(guān)。但是超出范圍，則不成立。這是因?yàn)樵跍y(cè)量過(guò)程中引入了一個(gè)變量，就是隔膜片的彈性系數(shù)。當(dāng)氟橡膠隔膜片發(fā)生形變，本身也會(huì)產(chǎn)生彈力。產(chǎn)生形變?cè)酱?，彈力越大，油位的變化?huì)越來(lái)越小，這樣對(duì)測(cè)量結(jié)果影響也越大。測(cè)量時(shí)，隔膜片處的平衡方程為：

因此，在礦漿液位增量在?3 cm到+3 cm范圍內(nèi)增加一組試驗(yàn)：其他條件不變，在水槽6個(gè)間距相等的位置，增設(shè)空壓機(jī)出氣口，用以模擬礦漿液位波動(dòng)和氣泡上浮。初始油位仍為12.1 cm。調(diào)節(jié)礦漿液位變化，得到一組數(shù)據(jù)，見表2。整理表中數(shù)據(jù)，得知在模擬浮選槽擾動(dòng)的環(huán)境中，所測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)不超過(guò)2mm，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定，液位檢測(cè)裝置的濾波效果良好。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制曲線圖，如圖4所示。

表2 擾動(dòng)下油位-液位增量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 擾動(dòng)下油位-液位增量函數(shù)曲線

3 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)得知，礦漿液位增量在?30mm到+30mm范圍內(nèi)變動(dòng)，該礦漿液位檢測(cè)裝置測(cè)得的油位與礦漿液位變化量的關(guān)系呈現(xiàn)為線性函數(shù)，在實(shí)際生產(chǎn)中，將選礦的理想礦漿液位標(biāo)定為初始液位，可以很好地檢測(cè)礦漿液位的變動(dòng)。本裝置測(cè)量所得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，表明本文研究設(shè)計(jì)的濾波部件能夠很好地過(guò)濾礦漿攪拌和氣泡上浮所帶來(lái)的波動(dòng)，保證了礦漿液位檢測(cè)的穩(wěn)定和精度。本裝置利用隔膜片處的壓力平衡，使變壓器油的油位變化反映礦漿液位變化，通過(guò)對(duì)油位的測(cè)量來(lái)檢測(cè)礦漿液位，避免了浮球受到礦漿的腐蝕與附著，保證測(cè)量精度以及裝置的耐久度。本裝置還放大了礦漿液位的變化，測(cè)量靈敏，安裝和后期維護(hù)也十分簡(jiǎn)單方便。

礦漿液位檢測(cè)為后續(xù)礦漿液位的自動(dòng)控制打好了基礎(chǔ)。對(duì)礦漿液位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并作為反饋信號(hào)輸送給液位控制器來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門，實(shí)現(xiàn)礦漿液位的自動(dòng)控制，不再需要工人定時(shí)巡查和手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門。為優(yōu)化浮選工藝、提升選礦效益創(chuàng)造了良好的條件，是實(shí)現(xiàn)選礦智能化的關(guān)鍵一步。