程小舟

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

選礦生產(chǎn)工藝中，密度測(cè)量的被測(cè)介質(zhì)是礦粉與水混合的礦漿，在整個(gè)選礦工藝中礦漿密度和流量應(yīng)控制在一個(gè)合理的范圍，密度過低影響效率和產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)過程中重要的操作參數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量礦漿密度，對(duì)指導(dǎo)安全生產(chǎn)具有重要意義。

目前，礦漿密度在線測(cè)量?jī)x表主要是γ射線密度計(jì)，而γ射線存在放射源輻射的安全危險(xiǎn)隱患；差壓式密度計(jì)測(cè)量靜態(tài)液體可以獲得很好的精度，但是一旦介質(zhì)流動(dòng)產(chǎn)生的壓力變化將干擾壓差與介質(zhì)密度的相關(guān)性，導(dǎo)致測(cè)量值漂移；超聲密度計(jì)對(duì)介質(zhì)中的氣泡、振動(dòng)、流動(dòng)非常敏感，并且測(cè)量基準(zhǔn)的漂移嚴(yán)重，實(shí)際使用過程中需要不斷地標(biāo)定，無法長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠地測(cè)量。管道礦漿密度計(jì)的研究正是在這種背景下提出的。

1 管道礦漿密度計(jì)的數(shù)學(xué)模型

流體流過管道時(shí)的振動(dòng)數(shù)學(xué)模型［1-2］：

式中，E為測(cè)量管的彈性模數(shù)；I為測(cè)量管對(duì)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(cè)量管的橫截面積；ρw與ρt分別為管中被測(cè)液體的密度與測(cè)量管的密度。

實(shí)際制造過程中選用低滯彈性效應(yīng)的高彈性合金42CrMo鉻鉬合金鋼制造測(cè)量管。管道礦漿密度計(jì)的測(cè)量管示意如圖1。

在給定邊界下解上述方程得到水平測(cè)量管的振動(dòng)頻率為

式中，λ為與邊界條件以及測(cè)量管振動(dòng)模式有關(guān)的常數(shù)；L為測(cè)量管軸向方向的長(zhǎng)度。

由此可解得測(cè)量液體的密度為

于是由測(cè)量液體所流過管的振動(dòng)頻率即可得到所流過液體的密度。

2 管道礦漿密度計(jì)在線測(cè)量原理的實(shí)現(xiàn)

該礦漿密度計(jì)主要由腔體振動(dòng)傳感器和諧振電路組成，如圖2所示。腔體振動(dòng)傳感器由測(cè)量管及腔體內(nèi)壁上呈環(huán)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(gòu)成RLC串聯(lián)諧振電路；諧振電路由循環(huán)器、混合器、檢測(cè)器、低通濾波器等電路組成。礦漿密度計(jì)工作原理如下：不同的流體流過測(cè)量管時(shí)會(huì)發(fā)生不同頻率的振動(dòng)，當(dāng)激勵(lì)信號(hào)源發(fā)生的信號(hào)頻率與測(cè)量管頻率一致時(shí)會(huì)發(fā)生共振，混合器輸出的是共振頻率與外加激勵(lì)信號(hào)源發(fā)生的信號(hào)頻率之間的不同的諧波，再通過檢測(cè)器、濾波器以及識(shí)別器將頻率差信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過對(duì)電信號(hào)的數(shù)字化處理得到流體的密度，根據(jù)上述原理開發(fā)的管道礦漿密度計(jì)MIMR-XZ6如圖3所示。試驗(yàn)測(cè)得振動(dòng)頻率與液體密度之間的關(guān)系如表1所示。

從表1中可以看出：開發(fā)的礦漿密度計(jì)所測(cè)得的液體密度與其真實(shí)值相比誤差很小，該密度計(jì)精度很高。

3 管道礦漿密度計(jì)在尾砂充填中的應(yīng)用

3.1 尾砂中不同粗細(xì)砂比充填料漿性能的分析

圖4為灰砂比為1∶7時(shí)不同的粗細(xì)砂比及料漿濃度充填測(cè)試塊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出：粗細(xì)砂比及料漿濃度對(duì)充填試塊的強(qiáng)度并不呈現(xiàn)規(guī)律性的變化，當(dāng)粗細(xì)砂比為1∶3.5、料漿濃度為64.93%時(shí)，其充填試塊的強(qiáng)度最好，為3.47 MPa。

充填料漿的各種不同性質(zhì)是多因素作用的綜合反映，充填材料物理化學(xué)性質(zhì)不同，導(dǎo)致其性能差異；充填物料之間的比重與粒級(jí)組成、孔隙率等指標(biāo)對(duì)沉降都有直接影響；充填物料的孔隙率越大，結(jié)構(gòu)越蓬松，壓縮系數(shù)也越大，因而其強(qiáng)度則越?。粚?duì)于自然堆積的充填料，其容重最小，孔隙率最大，充入采礦區(qū)后，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，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(yīng)減小，導(dǎo)致料漿容重逐漸增大，結(jié)構(gòu)趨于密實(shí)，強(qiáng)度則進(jìn)一步提高［3-5］。

通過對(duì)濃度的測(cè)量和控制，能夠有效地提高充填作業(yè)的效率和質(zhì)量。在不同的粗細(xì)砂比例下，將礦漿濃度控制在最佳強(qiáng)度區(qū)間對(duì)應(yīng)的濃度范圍內(nèi)，能夠使用較低的水泥配比達(dá)到較好的充填強(qiáng)度。

3.2 尾砂充填工藝中管道礦漿密度計(jì)的應(yīng)用

由選礦排出的終尾砂進(jìn)入旋流分離器，分離下來的粗砂與經(jīng)陶瓷柱塞泵泵送過來的細(xì)砂按一定比例混合后進(jìn)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(xì)砂池出來的25%的溢流液一起進(jìn)入濃縮機(jī)；從濃縮機(jī)底部出來的細(xì)砂漿經(jīng)陶瓷柱塞泵打入細(xì)砂池；從細(xì)砂池底部出來的細(xì)砂漿經(jīng)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(xì)砂比例配好的料漿經(jīng)礦漿管道密度計(jì)進(jìn)入雙螺旋攪拌機(jī)，礦漿管道密度計(jì)監(jiān)測(cè)其料漿濃度，水泥按設(shè)計(jì)配比好的灰砂比經(jīng)雙管螺旋給料機(jī)給料后，經(jīng)螺旋電子秤計(jì)量，輸送至高速活化雙螺旋攪拌機(jī)中混合均勻的同時(shí)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(tǒng)工藝流程如圖5所示。

尾礦充填過程中的系統(tǒng)工藝參數(shù)采用計(jì)算機(jī)控制，其控制界面如圖6所示。尾砂充填作業(yè)過程中，料漿的粗細(xì)砂比例及灰泥比、料漿的濃度、砂池的液位、補(bǔ)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(tǒng)實(shí)時(shí)在線了解，其中一個(gè)重要的控制參數(shù)就是料漿的密度是由礦漿管道密度計(jì)來完成的，作業(yè)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的料漿的密度如圖7所示。

從圖7可以了解到，充填作業(yè)過程中料漿密度基本穩(wěn)定在1 650 kg/m3，如果運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)密度發(fā)生變化，操作人員可以及時(shí)調(diào)整其他的工藝參數(shù)，如要控制好粗細(xì)砂比例、選擇合適的灰砂比以滿足采礦方法對(duì)充填強(qiáng)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(dòng)性的前提下提高礦床充填區(qū)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

從礦漿管道密度計(jì)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，介紹了其檢測(cè)原理及其實(shí)現(xiàn)方式，從開發(fā)的礦漿管道密度計(jì)在礦渣充填中的實(shí)際應(yīng)用情況來看：礦漿管道密度計(jì)安裝方式靈活，礦漿流動(dòng)性好，流量穩(wěn)定，滿足諧振式管道礦漿密度計(jì)的測(cè)量要求；從現(xiàn)場(chǎng)取樣和記錄曲線分析結(jié)果可知：該礦漿管道密度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)偏差在1%以內(nèi)，密度測(cè)量偏差在3%以內(nèi)，偏差值穩(wěn)定，在實(shí)際誤差允許范圍之內(nèi)，提取記錄曲線顯示的礦漿密度及其變化趨勢(shì)與生產(chǎn)實(shí)際狀況有準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)關(guān)系，給尾砂充填作業(yè)的高效安全生產(chǎn)提供了很好的技術(shù)保障。