張 濤，黃 鶴

（北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160）

1 引言

目前在國(guó)內(nèi)外選礦廠典型的選礦流程中，礦漿流量計(jì)量必不可少，通常有：旋流器組進(jìn)漿流量、旋流器組溢流量、精礦濃密機(jī)底流流量、尾礦濃密機(jī)底流流量、中間產(chǎn)品流量測(cè)量等，結(jié)合相應(yīng)的礦漿濃度計(jì)可用于干礦量計(jì)算。所以，流量測(cè)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(jì)算。

基于礦漿的特性，其是兩相流甚至是多相流，同時(shí)又具有較強(qiáng)的磨蝕性、沉積性、易粘附性，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于礦漿的流量測(cè)量大多采用電磁流量計(jì)［1］。但是，傳統(tǒng)的電磁流量計(jì)在實(shí)際使用過程中存在流量測(cè)量值不準(zhǔn)確，顯示值波動(dòng)較大，傳感器電極和襯里磨損嚴(yán)重、電極和襯里表面沉淀結(jié)垢等問題，使得礦漿流量測(cè)量不準(zhǔn)確、可靠性差且維護(hù)量大。所以，礦漿流量的測(cè)量和計(jì)量一直是行業(yè)的一項(xiàng)難題。

2 礦漿流量測(cè)量問題及原因

除去儀表選型的原因［2］，影響礦漿流量測(cè)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(hào)波形跳變，既可能發(fā)生正跳變也可能發(fā)生負(fù)跳變的信號(hào)。這樣就會(huì)產(chǎn)生噪聲干擾，使流量計(jì)顯示值呈現(xiàn)大幅晃動(dòng)，產(chǎn)生測(cè)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(duì)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(zhì)性；（6）導(dǎo)電性的跳躍；（7）化學(xué)活動(dòng)等。

2.2 磁性介質(zhì)

許多礦山礦體內(nèi)都含有磁性介質(zhì)。基于電磁流量計(jì)的原理，即使少量的磁性介質(zhì)也會(huì)對(duì)電磁流量計(jì)的測(cè)量精度產(chǎn)生影響。測(cè)量誤差的大小，與鐵磁性礦漿的濃度、流速和鐵磁成分的導(dǎo)磁率成正比關(guān)系，與流速成反比關(guān)系。當(dāng)鐵磁性流體流過勵(lì)磁狀態(tài)下的測(cè)量導(dǎo)管時(shí)，磁場(chǎng)的磁通密度因?qū)Т怕时确谴判粤黧w介質(zhì)的導(dǎo)磁率高而增加，使流體測(cè)量產(chǎn)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(duì)流量測(cè)量產(chǎn)生較大的影響［3］，另外也會(huì)對(duì)濃度測(cè)量造成一定的影響。礦漿比重越大，對(duì)礦漿濃度測(cè)量影響越大。流量和濃度雙重誤差的疊加對(duì)全廠金屬計(jì)量造成的影響就會(huì)更大。

2.4 磨損、結(jié)垢

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

3 礦漿流量測(cè)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(huì)選擇增強(qiáng)磁場(chǎng)、選擇更硬的電極材質(zhì)如碳化鎢硬質(zhì)合金、軟件上進(jìn)行濾波［5］，或是幾者的結(jié)合等方式。

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

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

（4）磨損和結(jié)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(jié)垢的豎直管道上安裝測(cè)量?jī)x表；定期清理等。

以上方案雖然能在一定程度上提高了測(cè)量的準(zhǔn)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(cè)量方法，減少管道內(nèi)介質(zhì)的干擾，包括噪聲干擾以及磨損等；二是儀表的測(cè)量原理不受磁性介質(zhì)的影響；三是測(cè)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(chǎn)品可以很好的解決以上問題-聲納流量計(jì)。其采用一種非侵?jǐn)_性（non-invasive）聲學(xué)流量測(cè)量技術(shù)，在管道外夾裝一組陣列聲壓傳感器監(jiān)聽和解讀管道內(nèi)流體流動(dòng)漩渦產(chǎn)生壓力場(chǎng)，因這是采用接受性（passive）聽測(cè)方法，測(cè)量漿液等多向流體時(shí)可獲得與測(cè)量單相流體同樣水平的性能和測(cè)量精度［9］。其測(cè)量原理如下：

3.1 流速的測(cè)量

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

漩渦的運(yùn)動(dòng)對(duì)管壁的內(nèi)側(cè)會(huì)產(chǎn)生微小應(yīng)力，該應(yīng)力使管壁產(chǎn)生動(dòng)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(shí)電容會(huì)隨之改變。由于傳感器綁帶緊緊貼合在管道周圍，每一個(gè)通過的漩渦會(huì)在每一個(gè)傳感器上造成電容的改變。這樣動(dòng)態(tài)應(yīng)變的機(jī)械信號(hào)就通過纏繞在管道周圍的傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

聲納陣列能夠單獨(dú)追蹤每個(gè)漩渦，從而計(jì)算漩渦通過各傳感器之間的時(shí)間。

圖1 流速測(cè)量原理圖

如圖1所示，傳感器間距為△L，一個(gè)湍流漩渦從一個(gè)傳感器到另外一個(gè)傳感器時(shí)間為△T，通過下面公式計(jì)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(gè)湍流漩渦從一個(gè)傳感器到另外一個(gè)傳感器的時(shí)間。

然后，通過此流速以及管道內(nèi)徑即可推到出管道內(nèi)的流體體積流量。

3.2 含氣率的測(cè)量

當(dāng)流體流經(jīng)泵、有幾何形變的管道，以及流體內(nèi)的氣泡時(shí)，管道內(nèi)就會(huì)自然振蕩產(chǎn)生聲波。這些頻率較低的聲波在管道內(nèi)雙向傳播，并沿管道軸向行進(jìn)。聲波作為壓力波在管道內(nèi)規(guī)律性地收縮擴(kuò)張，對(duì)管壁產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力。

聲納傳感器通過檢測(cè)此動(dòng)態(tài)應(yīng)力得到聲速。由于聲音在不同介質(zhì)內(nèi)傳輸速度不同，根據(jù)聲速可獲得氣體含氣率。

圖2 含氣率測(cè)量原理圖

3.3 聲納流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)

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

（1）安裝方便：因其安裝在管壁外側(cè)，所以不必停車也可安裝，即裝即用。

（2）因其為非接觸式測(cè)量，不直接接觸被測(cè)介質(zhì)，所以不存在磨損、泄露等風(fēng)險(xiǎn)。

（3）儀表免維護(hù)/零維護(hù)。

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

修正后的實(shí)際流量 = 檢測(cè)到的體積流量×（1-含氣率）

（5）不受流體內(nèi)磁性介質(zhì)的影響。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況，利用聲納流量計(jì)測(cè)量礦漿流量尚存在以下缺點(diǎn)。

（1）成本：初期購(gòu)買價(jià)格較為昂貴，通常為電磁流量計(jì)價(jià)格的5～8倍。但從綜合成本（包括采購(gòu)費(fèi)、安裝費(fèi)、校驗(yàn)費(fèi)、維修費(fèi)、使用壽命、備品備件［10］、儀表故障導(dǎo)致的停產(chǎn)等［11］）來考慮，整體成本可以接受。

（2）安裝：雖然較為簡(jiǎn)單，但對(duì)安裝精度等要求較高，目前基本仍需廠家指導(dǎo)安裝并且需專業(yè)調(diào)試，大多儀表工還未掌握。

（3）管道材質(zhì)：雖然其可應(yīng)用于多種材質(zhì)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(diǎn)，在有以下特殊需求的場(chǎng)合可以選擇采用聲納流量計(jì)。

（1）含有較多鐵磁性介質(zhì)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(chǎn)，不想因裝流量計(jì)中斷生產(chǎn)等。

3.4 聲納流量計(jì)在國(guó)內(nèi)外選礦廠的應(yīng)用

第1臺(tái)聲納流量計(jì)于2000年代初在美國(guó)應(yīng)用，后廣泛應(yīng)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(yīng)用已超過800余例。

聲納流量計(jì)于2010年前后進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，首先應(yīng)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(cè)量準(zhǔn)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(tái)DN900的聲納流量計(jì)，用于旋流器溢流管道礦漿流量的測(cè)量。近兩年，在江銅德興銅礦某選廠的旋流器進(jìn)漿管道、招金集團(tuán)新疆某銅礦選廠的旋流器進(jìn)漿和溢流管道也選用了聲納流量計(jì)。另外，在氧化鋁廠及化工企業(yè)也有了較多的應(yīng)用，均取得了良好的效果。

4 結(jié)論

實(shí)踐證明，聲納流量測(cè)量技術(shù)很好的解決了選礦廠流量測(cè)量的各種難題，有效的提高了測(cè)量精度，節(jié)約了維護(hù)時(shí)間和成本，相比傳統(tǒng)礦漿流量測(cè)量?jī)x表具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此在資金充足的情況下，值得推廣使用。