選礦廠礦漿流量測量方案剖析

張 濤，黃 鶴

（北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

1 引言

目前在國內外選礦廠典型的選礦流程中，礦漿流量計量必不可少，通常有：旋流器組進漿流量、旋流器組溢流量、精礦濃密機底流流量、尾礦濃密機底流流量、中間產品流量測量等，結合相應的礦漿濃度計可用于干礦量計算。所以，流量測量必須保證一定的精度，才有利于工廠的過程控制以及金屬平衡計算。

基于礦漿的特性，其是兩相流甚至是多相流，同時又具有較強的磨蝕性、沉積性、易粘附性，目前國內對于礦漿的流量測量大多采用電磁流量計［1］。但是，傳統(tǒng)的電磁流量計在實際使用過程中存在流量測量值不準確，顯示值波動較大，傳感器電極和襯里磨損嚴重、電極和襯里表面沉淀結垢等問題，使得礦漿流量測量不準確、可靠性差且維護量大。所以，礦漿流量的測量和計量一直是行業(yè)的一項難題。

2 礦漿流量測量問題及原因

除去儀表選型的原因［2］，影響礦漿流量測量的主要干擾因素如下。

2.1 噪聲干擾

噪聲是指礦漿顆粒劃過電極引起傳感器輸出信號波形跳變，既可能發(fā)生正跳變也可能發(fā)生負跳變的信號。這樣就會產生噪聲干擾，使流量計顯示值呈現大幅晃動，產生測量誤差。

引起電極噪聲的主要因素有：（1）流速：高的流速可以引發(fā)高的噪聲；（2）顆粒尺寸：較大的顆粒對電極有較大的沖擊；（3）固體含量：高的固體含量引起高的噪聲；（4）空氣；（5）同質性；（6）導電性的跳躍；（7）化學活動等。

2.2 磁性介質

許多礦山礦體內都含有磁性介質。基于電磁流量計的原理，即使少量的磁性介質也會對電磁流量計的測量精度產生影響。測量誤差的大小，與鐵磁性礦漿的濃度、流速和鐵磁成分的導磁率成正比關系，與流速成反比關系。當鐵磁性流體流過勵磁狀態(tài)下的測量導管時，磁場的磁通密度因導磁率比非磁性流體介質的導磁率高而增加，使流體測量產生正誤差。

2.3 氣泡

礦漿特別是采用浮選工藝的礦漿中往往存在較多的氣泡（尤其是精礦礦漿中），氣泡的存在對流量測量產生較大的影響［3］，另外也會對濃度測量造成一定的影響。礦漿比重越大，對礦漿濃度測量影響越大。流量和濃度雙重誤差的疊加對全廠金屬計量造成的影響就會更大。

2.4 磨損、結垢

基于礦漿的特性，對于接觸式流量測量來說，電極和襯里易受磨損，其將直接導致測量精度降低甚至無法正常工作［4］。另外，隨著結垢厚度的增加，測量誤差也會越來越大。

3 礦漿流量測量的另一種解決方案

為解決以上問題，目前無論是在工藝上，還是儀表本身上都采取了一些措施盡量減少這種干擾因素帶來的影響。

（1）礦漿噪聲干擾：一般儀表會選擇增強磁場、選擇更硬的電極材質如碳化鎢硬質合金、軟件上進行濾波［5］，或是幾者的結合等方式。

（2）鐵磁性介質的礦漿：一些電磁流量計采取的措施為將脈沖直流與連續(xù)交變勵磁相結合形成低頻交流勵磁［6］、增加輔助監(jiān)測線圈［7］、軟件信號處理等。

（3）礦漿中氣泡干擾：工藝上會采取一些消泡措施，例如礦漿管道切線進入泵池等，但并不能從根本上消除礦漿中的氣泡，長期累積仍然會造成較大誤差。

（4）磨損和結垢：選擇耐磨的襯里材料如聚氨酯橡膠［8］、氧化鋁陶瓷等；在不易沉淀結垢的豎直管道上安裝測量儀表；定期清理等。

以上方案雖然能在一定程度上提高了測量的準確性和可靠性，但原理上的缺陷仍難以完全消除各干擾因素的影響。若想解決以上問題還需從三方面著手：一是采用非接觸的測量方法，減少管道內介質的干擾，包括噪聲干擾以及磨損等；二是儀表的測量原理不受磁性介質的影響；三是測量出礦漿中的含氣率用于修正流量和濃度偏差。

目前，有一種產品可以很好的解決以上問題-聲納流量計。其采用一種非侵擾性（non-invasive）聲學流量測量技術，在管道外夾裝一組陣列聲壓傳感器監(jiān)聽和解讀管道內流體流動漩渦產生壓力場，因這是采用接受性（passive）聽測方法，測量漿液等多向流體時可獲得與測量單相流體同樣水平的性能和測量精度［9］。其測量原理如下：

3.1 流速的測量

當管道中的流體達到湍流狀態(tài)，湍流產生的漩渦與流體形成對流。流體的平均流速可以通過跟蹤整個渦流集合的平均軸向速度來確定。

漩渦的運動對管壁的內側會產生微小應力，該應力使管壁產生動態(tài)形變。管道周圍的聲納傳感器陣列是由壓電材料制成的，其在拉伸或壓縮時電容會隨之改變。由于傳感器綁帶緊緊貼合在管道周圍，每一個通過的漩渦會在每一個傳感器上造成電容的改變。這樣動態(tài)應變的機械信號就通過纏繞在管道周圍的傳感器轉換為電信號。

聲納陣列能夠單獨追蹤每個漩渦，從而計算漩渦通過各傳感器之間的時間。

圖1 流速測量原理圖

如圖1所示，傳感器間距為△L，一個湍流漩渦從一個傳感器到另外一個傳感器時間為△T，通過下面公式計算出流速：

V=△L/△T

其中，V是流體流速；△L是各傳感器之間的間距；△T是一個湍流漩渦從一個傳感器到另外一個傳感器的時間。

然后，通過此流速以及管道內徑即可推到出管道內的流體體積流量。

3.2 含氣率的測量

當流體流經泵、有幾何形變的管道，以及流體內的氣泡時，管道內就會自然振蕩產生聲波。這些頻率較低的聲波在管道內雙向傳播，并沿管道軸向行進。聲波作為壓力波在管道內規(guī)律性地收縮擴張，對管壁產生動態(tài)應力。

聲納傳感器通過檢測此動態(tài)應力得到聲速。由于聲音在不同介質內傳輸速度不同，根據聲速可獲得氣體含氣率。

圖2 含氣率測量原理圖

3.3 聲納流量計的優(yōu)缺點

基于以上原理，聲納流量計避免了礦漿測量的多種干擾因素，具有如下主要優(yōu)點。

（1）安裝方便：因其安裝在管壁外側，所以不必停車也可安裝，即裝即用。

（2）因其為非接觸式測量，不直接接觸被測介質，所以不存在磨損、泄露等風險。

（3）儀表免維護/零維護。

（4）可測量含氣率：其可測量含氣率為0.01%到20%的流體，測量出的含氣率可用于修正流量和濃度值。

修正后的實際流量 = 檢測到的體積流量×（1-含氣率）

（5）不受流體內磁性介質的影響。

根據現場實際應用情況，利用聲納流量計測量礦漿流量尚存在以下缺點。

（1）成本：初期購買價格較為昂貴，通常為電磁流量計價格的5～8倍。但從綜合成本（包括采購費、安裝費、校驗費、維修費、使用壽命、備品備件［10］、儀表故障導致的停產等［11］）來考慮，整體成本可以接受。

（2）安裝：雖然較為簡單，但對安裝精度等要求較高，目前基本仍需廠家指導安裝并且需專業(yè)調試，大多儀表工還未掌握。

（3）管道材質：雖然其可應用于多種材質的管道，如鋼管、PVC管、HDPE管、玻璃鋼管、帶襯里的管道等。但目前在一些新型材料管道上的適用性仍有待考究。

基于以上特點，在有以下特殊需求的場合可以選擇采用聲納流量計。

（1）含有較多鐵磁性介質的礦漿；

（2）含有大量氣泡的礦漿（例如精礦礦漿）；

（3）礦山正常生產，不想因裝流量計中斷生產等。

3.4 聲納流量計在國內外選礦廠的應用

第1臺聲納流量計于2000年代初在美國應用，后廣泛應用于美洲、澳大利亞、非洲等地區(qū)的眾多選礦廠，目前在礦山上的應用已超過800余例。

聲納流量計于2010年前后進入中國市場，首先應用于鐵礦選礦廠，如包鋼、攀鋼、太鋼等鐵礦廠均取得良好的使用效果，其很好的解決了原來鐵磁性礦漿測量準確性、可靠性差的問題。

在有色金屬行業(yè)，中鐵資源伊春某鉬礦2013年率先使用了2臺DN900的聲納流量計，用于旋流器溢流管道礦漿流量的測量。近兩年，在江銅德興銅礦某選廠的旋流器進漿管道、招金集團新疆某銅礦選廠的旋流器進漿和溢流管道也選用了聲納流量計。另外，在氧化鋁廠及化工企業(yè)也有了較多的應用，均取得了良好的效果。

4 結論

實踐證明，聲納流量測量技術很好的解決了選礦廠流量測量的各種難題，有效的提高了測量精度，節(jié)約了維護時間和成本，相比傳統(tǒng)礦漿流量測量儀表具有顯著優(yōu)勢，因此在資金充足的情況下，值得推廣使用。