管道礦漿密度計的在線檢測原理及其在尾砂充填中的應用

程小舟

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

選礦生產工藝中，密度測量的被測介質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控制在一個合理的范圍，密度過低影響效率和產品質量，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過程中重要的操作參數，準確測量礦漿密度，對指導安全生產具有重要意義。

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液體可以獲得很好的精度，但是一旦介質流動產生的壓力變化將干擾壓差與介質密度的相關性，導致測量值漂移；超聲密度計對介質中的氣泡、振動、流動非常敏感，并且測量基準的漂移嚴重，實際使用過程中需要不斷地標定，無法長時間穩定可靠地測量。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學模型

流體流過管道時的振動數學模型［1-2］：

式中，E為測量管的彈性模數；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。

實際制造過程中選用低滯彈性效應的高彈性合金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的常數；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現

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壁上呈環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、電阻和電容構成RLC串聯諧振電路；諧振電路由循環器、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生不同頻率的振動，當激勵信號源發生的信號頻率與測量管頻率一致時會發生共振，混合器輸出的是共振頻率與外加激勵信號源發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化為電信號，通過對電信號的數字化處理得到流體的密度，根據上述原理開發的管道礦漿密度計MIMR-XZ6如圖3所示。試驗測得振動頻率與液體密度之間的關系如表1所示。

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

3 管道礦漿密度計在尾砂充填中的應用

3.1 尾砂中不同粗細砂比充填料漿性能的分析

圖4為灰砂比為1∶7時不同的粗細砂比及料漿濃度充填測試塊強度實驗結果。從圖中可以看出：粗細砂比及料漿濃度對充填試塊的強度并不呈現規律性的變化，當粗細砂比為1∶3.5、料漿濃度為64.93%時，其充填試塊的強度最好，為3.47 MPa。

充填料漿的各種不同性質是多因素作用的綜合反映，充填材料物理化學性質不同，導致其性能差異；充填物料之間的比重與粒級組成、孔隙率等指標對沉降都有直接影響；充填物料的孔隙率越大，結構越蓬松，壓縮系數也越大，因而其強度則越小；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，孔隙率相應減小，導致料漿容重逐漸增大，結構趨于密實，強度則進一步提高［3-5］。

通過對濃度的測量和控制，能夠有效地提高充填作業的效率和質量。在不同的粗細砂比例下，將礦漿濃度控制在最佳強度區間對應的濃度范圍內，能夠使用較低的水泥配比達到較好的充填強度。

3.2 尾砂充填工藝中管道礦漿密度計的應用

由選礦排出的終尾砂進入旋流分離器，分離下來的粗砂與經陶瓷柱塞泵泵送過來的細砂按一定比例混合后進入砂池；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砂池出來的25%的溢流液一起進入濃縮機；從濃縮機底部出來的細砂漿經陶瓷柱塞泵打入細砂池；從細砂池底部出來的細砂漿經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砂比例配好的料漿經礦漿管道密度計進入雙螺旋攪拌機，礦漿管道密度計監測其料漿濃度，水泥按設計配比好的灰砂比經雙管螺旋給料機給料后，經螺旋電子秤計量，輸送至高速活化雙螺旋攪拌機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，具體尾砂充填系統工藝流程如圖5所示。

尾礦充填過程中的系統工藝參數采用計算機控制，其控制界面如圖6所示。尾砂充填作業過程中，料漿的粗細砂比例及灰泥比、料漿的濃度、砂池的液位、補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實時在線了解，其中一個重要的控制參數就是料漿的密度是由礦漿管道密度計來完成的，作業過程中實時監測的料漿的密度如圖7所示。

從圖7可以了解到，充填作業過程中料漿密度基本穩定在1 650 kg/m3，如果運行過程中發現密度發生變化，操作人員可以及時調整其他的工藝參數，如要控制好粗細砂比例、選擇合適的灰砂比以滿足采礦方法對充填強度的要求；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的結構強度。

4 結 論

從礦漿管道密度計的數學模型出發，介紹了其檢測原理及其實現方式，從開發的礦漿管道密度計在礦渣充填中的實際應用情況來看：礦漿管道密度計安裝方式靈活，礦漿流動性好，流量穩定，滿足諧振式管道礦漿密度計的測量要求；從現場取樣和記錄曲線分析結果可知：該礦漿管道密度計測量數據偏差在1%以內，密度測量偏差在3%以內，偏差值穩定，在實際誤差允許范圍之內，提取記錄曲線顯示的礦漿密度及其變化趨勢與生產實際狀況有準確對應關系，給尾砂充填作業的高效安全生產提供了很好的技術保障。