周意如，夏良樹，肖碧泉，張青林，蘇永鋒，巴合提亞

(1.南華大學(xué)，湖南 衡陽 421000；2.新疆中核天山鈾業(yè)有限公司，新疆 伊寧 835000)

某鈾礦采用密實(shí)移動(dòng)床水冶工藝，離子交換樹脂采用氣力提升。將樹脂排放至塔底對(duì)應(yīng)計(jì)量罐，然后給計(jì)量罐通入壓縮空氣，使樹脂經(jīng)管線進(jìn)入下一塔的塔頂。在各塔頂與計(jì)量罐均設(shè)置1個(gè)電容式物位計(jì)，計(jì)量樹脂提升量。密實(shí)移動(dòng)床具有生產(chǎn)效率與設(shè)備利用率高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)；但頻繁提升離子交換樹脂，使得樹脂磨損[1]，造成系統(tǒng)中的小粒徑段樹脂比例增加[2]。小粒徑段樹脂易掛在測(cè)量電極上，降低計(jì)量精度，影響水冶工藝運(yùn)行。每次樹脂提升過程，需經(jīng)人工核實(shí)與調(diào)整提升量后，才能恢復(fù)正常運(yùn)行，增加了作業(yè)人員的勞動(dòng)量。對(duì)此問題，常用的解決措施是人工將物位計(jì)從不銹鋼塔與計(jì)量罐內(nèi)拆出，用清水將掛在測(cè)量電極上的小粒徑段樹脂清除，再重新投入使用。這樣操作后，物位計(jì)短暫恢復(fù)正常，后續(xù)仍需頻繁進(jìn)行清洗作業(yè)。因此，迫切需設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)電容式物位計(jì)清洗裝置，以有效解決物位計(jì)測(cè)量電極掛小粒徑段樹脂問題[3]，提高物位計(jì)計(jì)量精度，確保水冶工藝持續(xù)高效運(yùn)行。

1 電容式物位計(jì)概述

1.1 構(gòu)造及原理

電容式物位計(jì)由電容傳感器與電路轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。電容傳感器由不銹鋼電極外套和聚四氟乙烯絕緣管構(gòu)成。電路轉(zhuǎn)換器由信號(hào)處理電路與輸出控制電路部分構(gòu)成，信號(hào)處理電路由比較器與振蕩器組成，輸出控制電路由驅(qū)動(dòng)器、繼電器與二極管組成，具體構(gòu)造如圖1所示。

圖1 電容式物位計(jì)構(gòu)造示意圖

電容式物位計(jì)計(jì)量非導(dǎo)電樹脂時(shí)，由2根大小不同的不銹鋼管，相互絕緣固定，構(gòu)成同軸圓柱型電容器。當(dāng)液位為零時(shí)，傳感器本身兩電極構(gòu)成一電容，中間介質(zhì)為空氣，電容量計(jì)算公式為

(1)

式中：ΔCx—電容量；F；H—被測(cè)料位高度，m；D2—大電極直徑，m；D1—小電極直徑，m；ε—介電常數(shù)[4]，F(xiàn)/m。

由式(1)可知，ΔCx與H成正比，當(dāng)小粒徑段樹脂掛在測(cè)量電極上，所計(jì)量物位值理論上增加，對(duì)應(yīng)電容量增大，使樹脂的提升量失準(zhǔn)，影響工藝運(yùn)行。

1.2 掛料對(duì)計(jì)量精度的影響

鈾水冶工藝包含吸附、淋洗、轉(zhuǎn)型工序，各離子交換塔與對(duì)應(yīng)計(jì)量罐均安裝1個(gè)電容式物位計(jì)。對(duì)比樹脂提升過程中物位計(jì)的計(jì)量值與人工核實(shí)的實(shí)際值，發(fā)現(xiàn)物位計(jì)的計(jì)量值偏大，淋洗、轉(zhuǎn)型工序離子交換塔及計(jì)量罐物位計(jì)的計(jì)量值與實(shí)際值如圖2～5所示。

圖2 淋洗樹脂交換塔物位計(jì)的計(jì)量值與實(shí)際值

圖3 轉(zhuǎn)型樹脂交換塔物位計(jì)的計(jì)量值與實(shí)際值

圖4 淋洗樹脂塔計(jì)量罐物位計(jì)的計(jì)量值與實(shí)際值

圖5 轉(zhuǎn)型樹脂交換塔計(jì)量罐物位計(jì)的計(jì)量值與實(shí)際值

由圖2～5可知，電容式物位計(jì)測(cè)量電極被小粒徑段樹脂掛住，使計(jì)量值比實(shí)際值偏大，其中淋洗塔物位計(jì)計(jì)量值比實(shí)際值平均偏大0.44 m，不利于水冶工藝持續(xù)高效運(yùn)行。

2 全自動(dòng)電容式物位計(jì)清洗裝置的研制

電容式物位計(jì)經(jīng)法蘭分別與不銹鋼塔頂、計(jì)量罐頂固定連接。樹脂提升過程，小粒徑段樹脂掛在電容式物位計(jì)測(cè)量電極上，需對(duì)測(cè)量電極進(jìn)行清洗，為此加工制作高效的“工”字型清洗法蘭，與高壓清洗機(jī)經(jīng)清水管與氣動(dòng)閥連接。高壓清洗機(jī)由變頻器控制，變頻器與離子交換工藝的工控機(jī)信號(hào)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，無需人工拆出物位計(jì)。操作工控機(jī)可使清水進(jìn)入，將掛在測(cè)量電極表面上的小粒徑樹脂清除。

2.1 “工”字型清洗法蘭的設(shè)計(jì)制作

電容式物位計(jì)與不銹鋼塔頂以及計(jì)量罐頂均自帶DN100 mm法蘭片，經(jīng)φ16 mm螺栓固定連接。在法蘭片之間新增一個(gè)“工”字型法蘭，該法蘭由長200 mm的DN50 mm不銹鋼管兩端焊接厚為20 mm的DN100 mm法蘭片構(gòu)成，法蘭片均勻布設(shè)4個(gè)φ16 mm的孔眼，用于螺栓固定連接。DN50 mm不銹鋼管側(cè)面正中心處布設(shè)φ20 mm的斜孔，用于焊接固定伸入鋼管內(nèi)的DN20 mm不銹鋼清水管，清水管夾在物位計(jì)測(cè)量電極與法蘭之間，均成45°角，清水管與氣動(dòng)閥連接，如圖6～7所示。

圖6 “工”字型清洗法蘭主視圖

圖7 電容式物位計(jì)與“工”字型法蘭連接示意圖

2.2 清洗方式的選擇

電容式物位計(jì)測(cè)量電極采用溶液噴射清洗，清洗壓力控制在0.3 MPa以內(nèi)，避免造成測(cè)量電極永久損壞，清洗時(shí)間控制在30 s左右。用電機(jī)帶動(dòng)柱塞泵產(chǎn)生一定壓力的清水沖洗測(cè)量電極表面，清洗水量依據(jù)電容式物位計(jì)數(shù)量調(diào)整清洗機(jī)功率，清洗機(jī)的電機(jī)由變頻器控制。變頻器與水冶工控機(jī)信號(hào)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

2.3 全自動(dòng)清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將“工”字型法蘭經(jīng)螺栓固定在不銹鋼塔頂與計(jì)量罐頂上，接著將電容式物位計(jì)與“工”字型法蘭螺栓固定，最后將“工”字型法蘭經(jīng)清水管與高壓清洗機(jī)連接。在清水管靠近法蘭處設(shè)置氣動(dòng)閥，依據(jù)實(shí)際需要控制清水的進(jìn)入量，氣動(dòng)閥與水冶工控機(jī)[5]信號(hào)連接，每次物位計(jì)清洗完畢，關(guān)停清洗機(jī)與氣動(dòng)閥，如圖8所示。

圖8 全自動(dòng)電容式物位計(jì)清洗裝置運(yùn)行示意圖

3 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

原淋洗、轉(zhuǎn)型塔計(jì)量罐電容式物位計(jì)的計(jì)量值與實(shí)際值偏差較大；將研制的電容式物位計(jì)自動(dòng)清洗裝置進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，獲取數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖9～10所示。

從試驗(yàn)結(jié)果看出：全自動(dòng)電容式物位計(jì)清洗裝置現(xiàn)場試驗(yàn)后，淋洗塔物位計(jì)因掛小粒徑段樹脂導(dǎo)致的計(jì)量偏差值由原來的0.44 m下降至0.03 m；轉(zhuǎn)型塔對(duì)應(yīng)計(jì)量罐物位計(jì)計(jì)量偏差由原來的0.12 m下降至0.05 m。由此可見，所研制的物位計(jì)清洗裝置運(yùn)行效果較好，保證了電容式物位計(jì)計(jì)量的精準(zhǔn)度，滿足了鈾水冶工藝密實(shí)移動(dòng)床離子交換樹脂提升量計(jì)量要求。

圖9 應(yīng)用后淋洗塔計(jì)量罐物位計(jì)的計(jì)量值與實(shí)際值

圖10 應(yīng)用后轉(zhuǎn)型塔計(jì)量罐物位計(jì)的計(jì)量值與實(shí)際值

4 結(jié)論

全自動(dòng)電容式物位計(jì)清洗裝置解決了物位計(jì)測(cè)量電極掛小粒徑段樹脂問題，保證了物位計(jì)的計(jì)量精度。物位計(jì)清洗過程，由工控機(jī)控制，整個(gè)操作過程簡單便捷。全自動(dòng)電容式物位計(jì)清洗裝置為密室移動(dòng)床水冶工藝持續(xù)高效運(yùn)行創(chuàng)造了良好的條件。