磁鐵礦礦漿的礦石質量流量檢測新技術

摘 要 針對選礦過程中強磁性磁鐵礦礦漿所包含礦石質量流量難以檢測的問題，在分析現(xiàn)有主要檢測技術的基礎上，結合應用現(xiàn)場流程的特點，創(chuàng)新性提出一種單流量-雙濃度的礦漿質量流量檢測法，通過檢測流程加水的流量以及加水前后礦漿濃度的變化，實現(xiàn)對強磁性磁鐵礦礦漿所包含礦石質量流量進行精確檢測。實際應用表明：該方法具有檢測精度高、適應性強、穩(wěn)定性好等特點，特別適用于含有磁鐵礦的礦漿。

關鍵詞 單流量-雙濃度質量流量檢測法 礦石質量流量 磁鐵礦礦漿 礦漿濃度 水流量

中圖分類號 TH814 " 文獻標志碼 A " 文章編號 1000-3932（2024）04-0607-07

礦漿質量流量是選礦過程的重要參數(shù)，許多作業(yè)過程都需要檢測礦漿所包含的礦石質量流量，包括旋流器組的進漿、旋流器組的溢流、精礦濃密機的底流、尾礦濃密機的底流以及中間產(chǎn)品等［1，2］。對這些環(huán)節(jié)的礦漿質量流量數(shù)據(jù)檢測不僅僅是為了了解流程的運行情況，還用于計算作業(yè)回收率、產(chǎn)品品位以及進行生產(chǎn)過程的控制和金屬平衡計算，從而使選礦過程有效地運行，實現(xiàn)預期的生產(chǎn)目標［3］。因此，礦漿質量流量檢測是選礦流程中不可或缺的一環(huán)，對于優(yōu)化生產(chǎn)過程和提高生產(chǎn)效率至關重要［4］。

目前適用于一般流體質量流量檢測的技術比較多，而適用于礦漿質量流量的檢測技術則比較少，特別是對于磁鐵礦礦漿或磁鐵礦含量較高的礦漿所包含礦石質量流量的檢測則仍屬難

題［5］。目前對于礦漿質量流量的檢測，主要有直接檢測法和間接檢測法［6］。直接檢測法主要是利用科里奧利質量流量計進行直接檢測［7］；間接檢測法主要是體積-濃度檢測法，即結合被測礦漿的體積流量、密度和百分比濃度進行推導計算，從而獲得礦漿的質量流量。這兩種檢測方法雖然在某種程度上獲得了成功，但需要結合具體情況選擇使用，有的甚至不能適用。

本項目需要對進入浮選前的礦漿所包含的磁鐵礦礦石質量流量進行在線檢測，然后通過浮選脫硫，以盡量降低礦石的硫含量。項目對科里奧利質量流量計方案和體積-濃度檢測方案進行了論證，在實驗和測試的基礎上創(chuàng)新性地提出了適用的“單流量-雙濃度”復合式檢測法，實際應用結果令人滿意。

1 科里奧利質量流量計及其應用分析

1.1 工作原理

科里奧利流量計是對牛頓第二運動定律的應用，這項技術借助流體在直線移動的同時，還涉及一種旋轉運動的特性，將這兩種動態(tài)巧妙地融合在一起，從而構造了振動管式質量流量計［8］。振動管的形狀多種多樣，通?？梢詺w為彎管和直管兩類，進一步分為單管和雙管，但其原理基本一致。為簡便起見，這里采用U型管來描述。

科里奧利質量流量計采用電磁驅動系統(tǒng)操控儀表內部的U型管，促使其產(chǎn)生振動。這一過程實現(xiàn)了流量傳感管的運動［9］。圖1為科里奧利質量流量計結構，主要由U型測量管、傳感器A、傳感器B及驅動器等組成。圖2為振動的U型管扭曲示意圖。

由圖2可見，當物體以特定速度在旋轉系統(tǒng)中徑向移動時，會受到一股力的作用。U型管的扭曲程度與流體的質量流量成正比。扭轉角度的測量可通過位于流量傳感管兩側的光電檢測器或電磁感應器等來實現(xiàn)，同時檢測振動速度。由于管子的扭曲導致這兩個速度信號之間存在時間差，感應器將這個信號傳輸至變送器，經(jīng)處理后轉換為與質量成正比的輸出信號。

科里奧利力的強度，即扭矩M的大小，與質量、速度成正比。若要測量質量流量，只需測量U型管的扭曲程度，然后推導出扭矩M［10］。因此，通過直接或間接方式來測定在旋轉管道中流動的流體所受的科里奧利力，即可獲得質量流量的數(shù)據(jù)，也就是說，所有被測的流體都流過傳感管，它的質量流量就可直接測得，這就是科里奧利質量流量計的基本原理，計算公式為：

1.2 應用條件要求

科里奧利質量流量計可以直接檢測流體的質量流量，但要求被測流體的物理化學性質以及使用環(huán)境滿足該儀表的條件要求，這樣才能正常、安全和高性能地工作。為了正確選型并使流量計正常運行，下面列出該儀表的應用條件要求［11～17］：

a. 對于液體介質，應確保流量計位于管道的最低點，以避免由于過低的背壓導致介質汽化，從而干擾測量結果。在運行過程中，必須保持管道內充滿液體介質。

b. 對于氣體介質，應避免將流量計安裝在管道的局部低點，以防止積液在測量管中積聚，引發(fā)測量誤差。

c. 在應用中，必須確保管道內不存在氣液或液固兩相流體。如果流量計安裝在垂直管道上，應確保流體自下而上流動；若不得不進行上下流動，則可以在流量計后方設置一個限流孔板，以防止測量管被抽空。

d. 對于固液混合物的流體，要求固體顆粒必須足夠微小且均勻混合，并保持懸浮狀態(tài)。

e. 必須采取措施避免強電磁場對流量計造成干擾，流量計周圍不能存在大型電機等干擾源。

f. 流量計必須與連接法蘭完全對齊，以免引入外部應力影響測量結果。

g. 當相鄰安裝相同型號的質量流量計時，應考慮使它們的振動頻率錯開，以避免共振效應對測量結果產(chǎn)生負面影響。此外，兩臺流量計的間距至少應等于儀表長度的4倍。

h. 必須注意測量管的固有振動頻率與流量計相位測量的固有振動頻率之間的關系，以防止測量結果的波動。

i. 零點漂移是質量流量計的一個重要問題，對測量結果有顯著影響。在流量計前后應安裝截止閥門，以便在運行前進行零點校準。

1.3 對磁鐵礦礦漿檢測的可行性分析

磁鐵礦主要成分為Fe3O4，是一種強磁性礦石，其礦漿具有較強的磁場。筆者結合科里奧利質量流量計的應用條件要求，分析該儀表對磁鐵礦礦漿質量流量檢測的可行性［18～20］：

a. 礦漿中包含的磁鐵礦是一種強磁性礦石，其附加磁場會嚴重干擾科里奧利質量流量計的正常工作，從而影響檢測精度。

b. 磁鐵礦礦漿主要由礦粉和水組成，經(jīng)常會伴隨有大顆粒的礦石，一旦運動減弱，很容易出現(xiàn)沉淀，固液兩相狀態(tài)明顯，不能滿足科里奧利質量流量計不能存在固液兩相流體的要求。

c. 選礦生產(chǎn)中的礦漿流速都比較高，當?shù)V漿通過該檢測設備時，不僅流體能量損失大，而且U型管很容易被磨損，從而導致流量計損壞。

d. 選礦廠大型設備較多且比較集中，振動大、電磁干擾嚴重，這些因素也會對科里奧利質量流量計檢測造成較大的影響。

從上述分析可見，強磁性磁鐵礦礦漿和選礦廠現(xiàn)場的環(huán)境條件無法滿足科里奧利質量流量計的應用條件要求，無法采用該儀表進行檢測。有很多人認為科里奧利質量流量計可以檢測礦漿中所包含礦石的質量流量，其實不然。從該儀表的檢測原理就可以看出，該儀表檢測的參數(shù)是礦漿的總體質量流量，而不是礦漿所包含礦石的質量流量，要想獲得礦漿所包含礦石的質量流量，還需要增加濃度檢測設備以檢測礦漿的礦石濃度，增加計算設備以進行必要的計算，從而獲得礦漿所包含礦石的質量流量。

2 傳統(tǒng)體積-濃度質量流量檢測法及其應用分析

2.1 傳統(tǒng)體積-濃度質量流量檢測法

體積-濃度質量流量檢測法（簡稱體積-濃度檢測法）是一種常用的礦漿質量流量檢測方法，該方法可以檢測礦漿所包含礦石的質量流量，滿足選礦生產(chǎn)的要求，其基本工作原理為：采用流量計檢測礦漿的體積流量，采用密度計檢測礦漿的密度和百分比濃度，將體積流量、密度和百分比濃度三者結合運算，從而得到礦漿中所包含礦石的質量流量，其計算公式為：

體積-濃度質量流量檢測法通常采用電磁流量計檢測礦漿的體積流量，采用核子密度計或重力密度計檢測礦漿的密度和百分比濃度。實踐證明，體積-濃度檢測法是否適用主要取決于電磁流量計是否適用于礦漿的體積流量檢測。

2.2 電磁流量計的工作原理

電磁流量計是一種用于測量導電液體流量的儀表，它利用法拉第感應原理來測量感應電勢的大小，從而確定流體的流量［21］。電磁流量計由傳感器和轉換器組成。傳感器將流量物理量轉換成電信號，轉換器將傳感器產(chǎn)生的電信號轉換成流量數(shù)據(jù)，提供流量數(shù)據(jù)顯示和信號輸出的功能。電磁流量計傳感器主要由導管、外殼、電極、磁軛、勵磁線圈和襯里組成，傳感器安裝于被測液體管道上［22］。圖3為電磁流量計傳感器的結構原理。

當導電液體在導管中流動時，導電液體切割磁力線，并在和磁場及流動方向垂直的方向上產(chǎn)生感應電勢，電極間產(chǎn)生和流速成比例的電勢差，由此可獲得流經(jīng)電磁流量計的流體體積流量［23］，其計算公式為：

D——管道內徑；

E——感應電勢；

v——液體在管道中的平均速度。

由式（3）可知，當電磁流量計選定后，參數(shù)D和B就為定值，只要測出E，就可以計算出q。

2.3 電磁流量計的應用條件要求

電磁流量計是選礦工業(yè)最為常用的流量檢測儀表，不僅適用于液體的流量檢測，也適用于固液混合流體的流量檢測。以下是電磁流量計的應用條件要求［24～27］：

a. 對導電性的要求。因為電磁流量計測量原理基于法拉第電磁感應定律，因此電磁流量計只能用于導電性液體（包括水、酸、堿、鹽水等），對于非導電性液體，如石油或某些溶劑，電磁流量計則不適用。

b. 對流速的要求。電磁流量計通常適用于中、高速流動的液體（0.1～15 m/s）。在低流速條件下，信號可能較弱，不利于準確測量。

c. 對溫度范圍的要求。一般情況下，電磁流量計的性能會受到液體溫度的影響，必須確保流體溫度在儀器規(guī)定的溫度范圍內，以保障測量的準確性和可靠性。

d. 對壓力范圍的要求。儀器的工作壓力范圍也是一個重要考慮因素，電磁流量計應能夠承受所測液體的最高壓力，同時保持準確性。

e. 安裝條件要求。電磁流量計的安裝位置和條件也至關重要，通常要求管道是水平的，并且要避免空氣被吸入測量管道中，因為空氣可以影響測量的準確性。

f. 環(huán)境條件要求。環(huán)境因素如濕度、腐蝕性氣體、振動和電磁干擾等也需要考慮，儀器應放置在適當?shù)沫h(huán)境條件下，以確保穩(wěn)定和可靠的運行。

g. 儀表的維護和校準。定期維護和校準是保持電磁流量計準確性的關鍵，應按照制造商的建議進行維護和校準操作。

2.4 電磁流量計對磁鐵礦礦漿和水的檢測實驗對比

2.4.1 對磁鐵礦礦漿流量的檢測實驗

為了考察電磁流量計對磁鐵礦礦漿的實際檢測精度，對調漿后的礦漿進行流量檢測實驗。電磁流量計安裝在攪拌器的輸出管道上，在保持礦漿流量基本不變的前提下觀察和記錄電磁流量計的讀數(shù)，得到如圖4所示的趨勢圖。由圖4可見，在礦漿實際流量不變的情況下，電磁流量計的流量檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)很大的波動，說明礦漿中的磁鐵礦對電磁流量計具有很大的干擾作用，導致電磁流量計無法正常工作。

2.4.2 對水流量的檢測實驗

針對電磁流量計檢測磁鐵礦礦漿量時出現(xiàn)很大波動的情況，為了檢驗所選用電磁流量計的實際技術性能，將流量計安裝在攪拌桶的補加水管道上，保持水流量穩(wěn)定，得到如圖5所示的趨勢圖。由圖5可見，流量計的檢測數(shù)據(jù)比較平穩(wěn)，通過記錄一段時間內攪拌桶的水位變化，然后通過時間和體積計算水流量，計算數(shù)據(jù)與電磁流量計的讀數(shù)基本一致，說明電磁流量計對水流量的檢測是準確的。

2.5 傳統(tǒng)體積-濃度檢測法對磁鐵礦礦漿的可行性分析

傳統(tǒng)體積-濃度質量流量檢測法的3個基本參數(shù)為體積流量、密度和百分比濃度。其中，體積流量通過電磁流量計檢測，而密度和百分比濃度則通過密度計檢測。目前對于礦漿密度和濃度檢測的儀表主要有核子密度計和重力式密度計，而電磁流量計與流體的物理化學性質以及流體的狀態(tài)關系很大，因此體積-濃度質量流量檢測法是否適用主要決定于電磁流量計。

本項目要求檢測磁鐵礦礦漿所包含礦石的質量流量。被測對象不僅具有較強的附加磁場，而且密度也較大（約4 g/cm3）。由于電磁流量計的基本工作原理為法拉第電磁感應定律，其傳感器產(chǎn)生的感應電動勢信號不僅與流體速度有關，而且還與磁感應強度有關，由于礦漿的礦石為磁鐵礦，具有較大的附加磁場，從而嚴重干擾電磁流量計的正常工作。從上面的實驗結果可見，當采用電磁流量計檢測磁鐵礦礦漿時，在實際礦漿流量比較穩(wěn)定的條件下，電磁流量計的讀數(shù)波動很大，且有很強的隨機性，因此采用電磁流量計直接檢測磁鐵礦礦漿的體積流量是不可行的。由對水流量檢測的實驗數(shù)據(jù)可見，在水流量比較穩(wěn)定的條件下，電磁流量計的讀數(shù)也比較穩(wěn)定，且具有較高的檢測精度，說明電磁流量計適合于本項目水流量的檢測，因此從水流量檢測入手是實現(xiàn)磁鐵礦礦漿質量流量檢測的技術關鍵。

3 磁鐵礦礦漿質量流量檢測新技術及其應用

3.1 磁鐵礦礦漿質量流量檢測新技術

3.1.1 流程概述

某選礦廠處理的礦石為強磁性磁鐵礦礦粉，通過浮選作業(yè)進行脫硫，從而提高磁鐵礦的品質。進入浮選流程的礦石為磁鐵礦礦粉和浮選返回的礦漿，加水后得到一定濃度的礦漿，為了穩(wěn)定給礦量和浮選作業(yè)流程，實現(xiàn)合理加藥和精細控制，需要實時檢測礦漿所包含礦石的質量流量。

原流程中進入浮選作業(yè)的礦石為從礦倉輸出的磁鐵礦礦粉和從浮選流程返回的礦漿，這兩部分進入攪拌桶后加水得到一定濃度的礦漿，調漿后的礦漿通過渣漿泵輸送入浮選流程。由于給礦機位于攪拌桶的上方，空間比較緊湊，無法安裝礦粉流量檢測設備；另外，流程返回的礦漿流量和濃度都不穩(wěn)定，無法按定量進行處理。

由于流程對現(xiàn)有檢測設備使用的局限性，筆者根據(jù)現(xiàn)場流程的特點，在分析和綜合現(xiàn)有礦漿質量流量檢測技術的基礎上，提出了礦漿質量流量檢測新技術。

3.1.2 技術思路及流程改造

根據(jù)前文所述，電磁流量計無法檢測磁鐵礦礦漿的體積流量，而對水流量的檢測比較準確，因此筆者以相對易于檢測的水流量和礦漿濃度為主要參數(shù)，以攪拌桶為中心設備，提出單流量-雙濃度的礦漿質量流量復合式檢測法，在線檢測攪拌桶輸入礦漿和輸出礦漿的濃度以及補加水流量，并根據(jù)需要對流程進行改造，以滿足檢測技術要求。

為了便于檢測進入攪拌桶前的礦漿流量，在給礦機和攪拌桶的中間設置一個接礦斗，接取給礦機輸出的礦粉和流程返回的礦漿，同時設置一次補加水，形成便于濃度檢測的一次礦漿。一次礦漿進入攪拌桶后，加水攪拌得到二次礦漿，二次礦漿經(jīng)渣漿泵輸送到后續(xù)流程。采用密度計檢測一次礦漿和二次礦漿的濃度，采用電磁流量計檢測進入攪拌桶的水流量，以這3個參數(shù)為依據(jù)，計算礦漿中所包含磁鐵礦礦石的質量流量。

由于核子密度計要求礦漿滿管，但接礦斗后面的管道為下降式，并且返回礦漿流量波動大，因此很難保證管道礦漿一直處于滿管狀態(tài)，從而影響一次礦漿的濃度檢測。為此本項目采用昆明理工大學研制的重力密度計，該密度計通過連續(xù)采樣和稱重的方法進行檢測，可以對礦漿進行在線檢測，能適應礦漿不滿管的狀況，提供密度和百分比濃度檢測數(shù)據(jù)，檢測精度高、適應性強、性能可靠。改造后的流程及檢測點設置如圖6所示。

3.1.3 礦漿所包含礦石質量流量的計算

本項目根據(jù)確定濃度的礦漿加入一定水量后將得到確定濃度礦漿的原理，對傳統(tǒng)體積-濃度檢測法進行創(chuàng)新性改造，將傳統(tǒng)的測量礦漿流量改為測量補加水流量，并對礦漿攪拌桶的輸入礦漿、輸出礦漿的濃度進行檢測，最后通過推導得到礦漿中所包含礦石的質量流量。進入攪拌桶前的一次礦漿的百分比濃度計算式為：

3.2 實際應用情況

新技術于2023年2月在云南某選礦廠磁鐵礦除硫浮選流程中進行了應用。為了便于計算和監(jiān)控，項目在上述檢測設備的基礎上增加了一臺觸摸屏PLC一體機，其主要技術性能為：型號MM-20MR-6MT-430A-FX-B，觸摸屏規(guī)格4.3英寸電阻式，4個AD通道（輸入信號為0～10 V（DC），分辨率為12位），2個D/A通道（輸出信號為0～10 V（DC），分辨率為12位），12點DI，8路繼電器出，6點晶體管輸出，可以通過設備廠家提供的HMI開發(fā)軟件和三菱PLC編程軟件進行觸摸屏和PLC的程序開發(fā)，具有功能豐富、開發(fā)方便、性價比高及可靠性好等特點，十分適合測控小系統(tǒng)的開發(fā)。

一體機的PLC部分用于開發(fā)數(shù)據(jù)采集與計算功能，包括流量和濃度信號的數(shù)據(jù)采集、質量流量的數(shù)據(jù)計算等；一體機的HMI部分用于開發(fā)監(jiān)控人機界面，包括實時數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)校準操作、歷史數(shù)據(jù)顯示和查詢、操作幫助等。

由于系統(tǒng)檢測點設置合理，流量和濃度檢測儀表以及系統(tǒng)主機選型得當，不僅水流量數(shù)據(jù)和礦漿濃度數(shù)據(jù)準確可靠，而且主機系統(tǒng)功能強大，為檢測礦漿中所包含礦石的質量流量提供了保證，檢測系統(tǒng)運行可靠，檢測數(shù)據(jù)精確。

值得一提的是，由于檢測系統(tǒng)加入一種數(shù)據(jù)序列數(shù)字濾波技術，可以對一段時間內的采樣數(shù)據(jù)進行模糊分析和處理，從而剔除不時出現(xiàn)的干擾成分，使檢測數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠。

4 結束語

選礦過程環(huán)境惡劣、影響因素多、礦石和流程多種多樣，現(xiàn)有的礦漿質量流量檢測技術應用還存在較大的局限性。經(jīng)分析，科里奧利質量流量計無法直接檢測礦漿的礦石質量流量，還需要結合礦漿濃度數(shù)據(jù)進行計算；傳統(tǒng)的體積-濃度檢測法由于不能檢測磁鐵礦礦漿的體積流量，從而無法檢測磁鐵礦礦漿所包含礦石的質量流量。筆者結合應用現(xiàn)場的流程特點，對傳統(tǒng)體積-濃度檢測法進行了創(chuàng)新，提出了通過設置一次礦漿濃度、二次礦漿濃度和補加水流量檢測點，進而計算礦漿所包含礦石質量流量的復合式檢測方法，現(xiàn)場應用時具有檢測精度高、適應性強及可靠性好等特點，尤其適合于磁鐵礦礦漿或者含磁性礦物礦漿的質量流量檢測，具有良好的推廣應用價值和重要的借鑒作用。

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（收稿日期：2023-10-09，修回日期：2024-06-12）

New Technology for Ore Mass Flow Detection of Magnetite Pulps

ZENG Li， HUANG Song-wei， TIAN Niu， CHEN Yong-chun，

GAO Xu-hui， ZHONG Ting-ting

（Faculty of Land Resources Engineering， Kunming University of Science and Technology）

Abstract " Aiming at the difficulty in detecting the ore mass flow contained in the strong magnetic magnetite slurry in the process of beneficiation， having the existing main detection technologies based and combined with the characteristics of the application field process， an innovative single-flow-dual-concentration slurry mass flow detection method was proposed. Through detecting the flow of water added in the process and the change of slurry concentration before and after water addition， the mass flow of ore contained in strong magnetic magnetite slurry was accurately measured. The practical application shows that， this method has higher detection accuracy， stronger adaptability and good stability. It is especially suitable for the pulp containing magnetite.

Key words " single flow-double concentration mass flow detection method， ore mass flow， magnetite slurry， slurry concentration， water flow