传感器在选矿过程自动化中的发展与应用

1 概述

选矿过程的工艺介质除了呈固体物料状态的矿

石、精矿外，主要是以液固两相流的矿浆状态出现。由于工艺过程的要求，对这种特殊介质的许多参数的测量存在许多难点，就需要采用一些特殊的仪器仪表来实现。如矿浆中矿物元素成分分析用的载流X射线荧光分析仪、矿浆中固体粒度分析用的粒度计、矿浆流量计、矿浆浓度计、浮选泡沫图像分析仪、磨音频谱分析仪等等，而这些类别的检测设备在其他生产过程很少遇到。

2 选矿过程中应用的传感器和仪器仪表

2.1载流X射线荧光分析仪

在选矿生产过程中，工艺流程具有复杂性、多参数性和多变量性，其中矿浆品位是关键参数之一，在线矿浆品位分析对指导生产、节约药剂、控制产品质量和提高回收率等方面都起着非常关键的作用。

选矿生产过程中采用的载流X射线荧光分析仪主要有两种：一是以芬兰奥图泰（OUTOTEC，原奥托昆普公司）的库里厄（Courier）系列为代表的载流X射线荧光分析仪，它属于波长色散型（WDXRF）；另一种是以澳大利亚阿姆德尔（Amdel）公司ISA系列为代表的载流X射线荧光分析仪，它属于能量色散型（EDXRF）。

2.1.1 波长色散型荧光分析仪

芬兰奥图泰库里厄矿浆载流X射线荧光分析仪原来为波长色散型，但新产品已经结合了波长色散型、能量色散型的测量原理，向综合检测方向发展。由于一台仪表的价格高达数百万，所以一台分析仪常用来测量多个不同测点的矿浆管道（称为流道）的矿浆，如库里厄6iSL系统可通过矿浆流道切换的方法用一台分析仪测量24个不同流道的矿浆，图1描述了库里厄6iSL系统的工作流程。

图1 库里厄6iSL系统的工作流程

库里厄6iSL不但具有波长色散X射线荧光分析功能（WDXRF通道），而且还具有能量色散X射线荧光分析功能（EDXRF通道），当矿浆样品从上部流入流通室，而X射线管发出的X射线透过50μ厚度的薄膜窗口，照射到以湍流形式流过的矿浆。所产生的X荧光分两路，一路经分光仪分出所测元素的荧光，探测器将射线能量转换成电脉冲，经信号前置放大后将数据交数字多通道分析仪和处理器；另一路经滤光片到探测器转换后，也经信号前置放大后将数据交数字多通道分析仪和处理器；分析结果送就地用户界面显示。

2.1.2 能量色散型荧光分析仪

辽宁丹东东方测控技术有限公司的DF-5700荧光在线元素分析仪为能量色散型，它采用放射性同位素Am241作激发源，采用SiPIN电致冷半导体探测器（见图2），用一台分析仪可测量4、6、8、12个流道。

图2 东方测控DF-5700荧光在线元素分析仪

2.2 在线粒度分析仪

选矿生厂过程中，磨矿产品粒度是磨矿工序的关键检测和控制参数，是影响选矿技术经济指标的重要参数之一。为了保证磨矿作业的产品达到规定的技术经济指标，避免欠磨和过磨，使选矿过程优质高产、低消耗，发挥最大的经济效益，需要对磨矿粒度进行在线实时检测。

在线粒度分析仪按工作原理主要分成三类：超声波粒度分析仪、直接测量粒度分析仪、激光粒度分析仪。

2.2.1 超声波粒度分析仪

利用超声波通过矿浆时产生能量衰减的原理对矿浆中的粒度进行检测，超声波能量衰减值的测量可采用比较法，即首先测量清水的发射电压与接收电压之间的衰减值，然后测量矿浆的发射电压与接收电压之间的衰减值，即可得到反映矿浆粒度变化的测量值。

超声波粒度分析仪代表生产厂家是美国阿姆科公司（现为赛默飞世尔科技集团的子公司），以PSM400MPX超声波粒度分析仪为例，它包括矿浆取样器、样品处理器、样品分析模块、控制和显示模块等。来自工艺流程的矿浆经矿浆取样器后进样品处理器，样品处理器内装有真空辅助矿浆离心机，进行矿浆取样和除去混入矿浆中的空气泡，样品分析模块包括超声波探头流动室、校准取样器、阀门系统，为了克服矿浆浓度的影响，超声波探头流动室装有高频、低频两组超声波发射器和接收器，所得到的频率衰减信号送控制和显示模块以提供参数显示、标准信号输出或Modbus接口（见图3）。其超声波探头可提供6种频率的超声波，以适应特定工艺的矿浆粒度和浓度的要求。PSM400MPX能同时测量出五个粒度分布和固体物百分含量，测量的流道多达3个。

图3 PSM400MPX超声波粒度分析仪

2.2.2 直接测量粒度分析仪

上世纪九十年代初，芬兰奥图泰公司推出P S I -200直接测量粒度分析仪，其工作原理是直接测量矿浆中颗粒的大小，在数据统计的基础上显示矿浆的粒度值。由于矿浆中粒度分布是遵循正态分布规律，较大和较小的颗粒度比较少，大多数为中等颗粒，所以粒度计的测量柱塞头撞击到矿浆中的颗粒多数也是中等颗粒（见图4）。利用快速采样系统的高采样速度，每分钟可采样120个有效值，通过计算机对测量到的粒度信号进行分析统计计算，最终得到矿浆中的粒度分布数据。一台这样的分析仪可最多分析3个流道。

图4 直接测量粒度方法示意图

2.2.3 激光粒度分析仪

这是最新的一种在线粒度分析仪，其原理基于矿物颗粒的散射光浓度分布测量，即小粒子对激光散射角度大，大粒子对激光散射角度小，通过散射角大小的测量即可换算出粒子大小。

2.3 矿浆流量计

由于矿浆是固液两相流，所以测量难度要高于普通液体流量的测量，一般情况下可采用电磁流量计测量。由于铁矿和部分有色金属矿选矿过程中的矿浆为含铁磁性物质的矿浆，往往会出现铁磁性物质干扰磁场的问题，使用普通的电磁流量计，表现出流量显示值偏大、流量值剧烈波动甚至无法测量等现象。目前解决含铁磁性物质矿浆流量测量的办法有以下几种方法，一是采用声纳阵列式传感器的流量计，二是采用有磁通检测线圈补偿的电磁流量计。

声纳阵列式流量计的工作原理是当管道中的流体达到湍流状态时，湍流产生旋涡与流体形成对流，旋涡的运动对管壁的内侧产生微小应力，该应力使管壁产生动态形变（图5中夸张地表示了这种形变）。由于流体流速（V）与旋涡的频率（f）和波长（λ）存在V=fλ的关系，声纳阵列式流量计中的声纳传感器阵列侦听旋涡的频率（f）和波长（λ），结合阵列算法，计算出旋涡的平均流速，即可得到管道内的流体流速。

图5 管道中完全展开的湍流流动切面和湍流涡队列的流速测量

含有铁磁性物质的流体使用普通的时，因测量管内磁导率受铁磁性物质的不同含量而变化，会产生测量误差。如果在电磁流量计的磁路中增加有磁通检测补偿线圈，可减小混入铁磁体的影响。图6是有磁通检测补偿线圈的电磁流量计，磁通检测补偿线圈不仅可以补偿铁磁性物质对磁通密度的影响，还可以补偿电源电压、线圈温度变化对磁通密度的影响。

2.4 矿浆浓度计

矿浆浓度计是选矿工艺过程重要参数，如磨机溢流矿浆浓度、进浮选矿浆浓度、浓密机底流浓度、旋流器出口矿浆浓度等等都是磨矿、选矿、浓缩、分级设备的重要操作参数。除此之外，浓度信号还作为参与干矿量计算的两个变量之一，在计算金属平衡、工序产品计量中起重要作用，目前能够实现矿浆浓度有效测量的有以下三类产品：γ射线浓度计、重量法浓度计、超声波浓度计。

2.4.1 γ射线浓度计

γ射线浓度计是基于γ射线吸收原理，仪表由带铅罐的放射源、探测器、二次仪表等组成。由放射源产生的γ射线穿过管道中的被测矿浆，其中一部分射线被介质散射和吸收，剩余部分射线被安装在管道另一侧的探测器所接收，根据探测器接收到的射线强度即可以计算出被测介质的浓度。

2.4.2 重量法浓度计

选矿过程中常常人工用体积恒定的浓度壶截取矿浆后放在天平上称重的方法求得矿浆浓度，重量法浓度计采用矿浆分流取样装置将矿浆引入测量系统，当测量时，执行机构驱动测量筒下降取样，测量筒内灌满固定体积的被测矿浆，然后提到被测矿浆液面以上由称重传感器进行称重，重量信号送变送器处理并进行计算，得出矿浆浓度测量值。

图6 有磁通检测线圈电磁流量计

2.4.3 超声波浓度计

超声波浓度计工作原理是基于超声波在矿浆这类均匀悬浮液中传播时，其振幅随被测矿浆中固体量的多少及粒子大小变化，只要测出超声波穿过被测矿浆时的衰减量就可知道被测矿浆的浓度。

2.5 浮选泡沫图像分析仪

浮选过程中需添加药剂，在浮选槽矿浆液面上方将产生泡沫层，工人可根据泡沫层纹理特征判断浮选矿浆品位能否达到要求。而浮选泡沫图像分析仪是一套可以采用CCD相机实时获取浮选泡沫图像，然后对图像进行分析处理，用相关矩阵法来提取图像的全局纹理特征，从而得到反映浮选泡沫状况的特征参数，并根据预先建立的数学模型给出相对应的浮选矿浆品位预测值（见图7）。

图7 浮选泡沫图像

2.6 球磨机负荷分析仪

球磨机是选矿过程中耗电量最大的设备，因此根据球磨机负荷检测结果自动控制原料流量，使球磨机工作在最佳负荷状态下，从而达到球磨机的增产、降耗、提高产品质量的目的。

电耳传感器用于检测球磨机噪音，它安装在球磨机外部钢球碰撞点部位附近。电耳由高灵敏度的传感器组成，其核心部分包括一只带有选择通频带宽度及频率范围的可调电平噪音放大器，通过选择频率范围，使球磨机噪音检测的强弱反映球磨机装料量的变化。

还可根据球磨机内壁钢球及物料之间互相碰撞所产生的特殊声音频率特性进行磨音频谱分析，以判断磨机运行负荷。

3 结束语

选矿生产过程是矿物原料生产过程重要的一环，针对矿浆物料的特性，应用了多种检测原理传感器组成的仪器仪表，他们在选矿生产过程中发挥了非常关键的作用。还有一些检测原理创新的传感器也正在选矿生产过程中试验或试用，未来也将促进选矿检测技术和控制技术进一步发展。