陳福平，李紹海，趙 波，曹 放，苑海濤，張慧研，周麗華，王 欣

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

隨著地浸采鈾技術(shù)的快速發(fā)展，地浸采鈾已成為中國鈾礦采冶的重要組成部分。地浸采鈾是指在巖石不發(fā)生位移的情況下，將所配制的浸出劑通過管道注入含鈾礦層，浸出礦體中的金屬鈾；然后用潛水泵將抽液井中的浸出液提升至地表，浸出液經(jīng)過水冶處理得到產(chǎn)品[1-2]。相對于傳統(tǒng)采礦方法，地浸采鈾生產(chǎn)要素比較集中，生產(chǎn)中的各個工序都需要進行計量、監(jiān)測和控制[3]。

內(nèi)蒙某鈾礦以硫酸為浸出劑進行酸法地浸開采，在每個井場的集控室，將多個生產(chǎn)井的浸出液用潛水泵從地下抽出。為了保證礦石中鈾的浸出率，同時避免硫酸和氧化劑等的過量消耗，需要嚴格測量或控制浸出液中的鈾濃度、pH、ORP等參數(shù)。地浸鈾礦山的1個井場集控室一般集中控制約35個生產(chǎn)井，1個地浸鈾礦山大約有十幾個井場集控室[4]。該鈾礦山地浸井場采用傳統(tǒng)人工取樣和分析測量方法，耗費大量人工與試劑。因此，研制鈾礦地浸井場自動巡回檢測裝置，用于鈾礦山地浸井場集控室生產(chǎn)井浸出液中鈾濃度、pH、ORP等參數(shù)的自動在線取樣與測量，對及時掌握每個生產(chǎn)井的狀態(tài)、金屬衡算以及對鈾礦山地浸工藝實現(xiàn)自動化、智能化有著重要的意義。

1 自動巡回檢測裝置設(shè)計原則

地浸生產(chǎn)過程中，潛水泵把每個生產(chǎn)井的浸出液經(jīng)抽液支管輸送至的集控室的抽注液管道間，浸出液匯聚至抽液主管后被輸送至水冶廠進一步處理。因此，自動巡回檢測裝置安裝位置選擇在集控室的抽注液管道間最為理想。根據(jù)地浸采鈾工藝過程，自動巡回檢測裝置的設(shè)計遵循以下原則：1)在進行自動巡回檢測和保養(yǎng)維修時，不能影響浸出液正常流動；2)巡回檢測裝置取樣流路、測量流通池和測量傳感器電極需具有一定耐壓能力，以適應浸出液輸送管道的密閉性，并保證取樣與測量過程中被測溶液與外界的密封隔離，減少外界因素對測量的影響；3)測量過程不添加任何其他物質(zhì)，測量完成后的溶液能安全返回抽液主管，不會對浸出液造成污染；4)在細長的取樣軟管流路中設(shè)置水樣輸送動力裝置，把從抽液支管中取得的水樣準確可靠地輸送至密封流通池中進行測量，并把檢測后的水樣輸送回抽液主管；5)在每個抽液支管設(shè)置1個耐腐蝕取樣電動球閥，采用程序控制掃描巡測方式控制電動球閥的開啟和關(guān)閉，完成對每個生產(chǎn)井浸出液的取樣和多參數(shù)測量；6)考慮巡回檢測裝置的可重復使用性，當一個井場的金屬鈾開采完畢后，巡回檢測裝置經(jīng)過簡單拆卸后可移至下一個井場集控室繼續(xù)使用；7)在取樣流路上設(shè)置流量檢測儀表，當水樣流量小于設(shè)定值時，自動跳過對該路溶液的測量并進入下一個水樣的測量，提高測量結(jié)果的可靠性；8)在隔膜計量泵出口設(shè)置帶壓力接點的壓力表，提高巡回檢測裝置運行的安全性。

2 自動巡回檢測裝置設(shè)計內(nèi)容

依據(jù)上述巡回檢測裝置設(shè)計原則，設(shè)計了多路生產(chǎn)井浸出液自動巡回檢測裝置，如圖1所示。該自動巡回檢測裝置包括：多路取樣系統(tǒng)、多參數(shù)分析系統(tǒng)、被測水樣返回系統(tǒng)以及計算機控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

圖1 自動巡回檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 多路取樣系統(tǒng)

多路取樣系統(tǒng)包括以下部件。

2.1.1 電動球閥

閥體通徑為DN15，閥體材料為耐腐蝕UPVC，由驅(qū)動電機帶動球形閥芯正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電動球閥的開啟或關(guān)閉。該電動球閥由工業(yè)平板計算機控制。

2.1.2 水樣軟管

巡回檢測裝置各個部件之間，從抽液支管取樣口至巡回檢測裝置水樣入口，以及被測水樣出口至抽液主管之間均采用內(nèi)徑8 mm、外徑12 mm的PU塑料軟管連接。

2.1.3 多通管件

各抽液支管的浸出液通過多根內(nèi)徑8 mm、外徑12 mm的PU塑料軟管，通過多通管件連接至隔膜計量泵入口，實現(xiàn)巡回檢測裝置多路取樣功能。

2.1.4 計量泵

選用KD180/0.5型隔膜計量泵，確保巡回檢測裝置從不同抽液支管上取樣流量的一致性。該泵與水樣接觸部分選用UPVC材料。

2.1.5 流量計

選用LDY-10S型電磁流量計，測量范圍0.2～2.0 m3/h，供電電壓24 V，輸出RS485標準信號，供平板計算機采集被測水樣流量。當被測水樣流量小于設(shè)定值時，平板計算機判定該路抽液鉆孔無水樣而自動跳過測量。

2.1.6 壓力表

選用YXH-100型不銹鋼電接點壓力表，測量范圍0～1 MPa。當巡回檢測裝置取樣流路壓力達到壓力表設(shè)定的報警上限時，上限報警接點斷開，隔膜計量泵停止運行。

2.2 多參數(shù)分析系統(tǒng)

2.2.1 鈾濃度測量

鈾濃度測量流通池容積約5 L，選用UPVC材料，流通池上設(shè)置鉛金屬屏蔽罩，以防止環(huán)境γ射線對鈾濃度測量探頭的干擾。

利用內(nèi)嵌黃餅的NaI(Tl)探測器對溶液進行γ能譜測量，分析235U在185.7 keV的γ能量峰峰面積，扣除黃餅的自有本底后，得出235U在185.7 keV的γ能量峰凈峰面積。由于被測溶液的體積一定，故根據(jù)以上面積可計算出溶液的鈾濃度。

NaI(Tl)探測器在長期工作過程中，受到環(huán)境溫度變化、電子學線路參數(shù)變化、自身性能變化等因素的影響，235U在185.7 keV的γ能量峰峰位會發(fā)生變化，進而影響鈾濃度測量結(jié)果的準確性。NaI(Tl)探測器中的內(nèi)嵌黃餅，可作為235U在185.7 keV的γ能量峰峰位的指示器；一旦獲得被測鈾溶液的γ能譜，就可利用這個指示器尋找到235U在185.7 keV的γ能量峰峰位，進而消除上述因素對測量的影響[5]。

2.2.2 pH和ORP測量

根據(jù)鈾礦山地浸井場集控室工藝及環(huán)境條件，要求測量生產(chǎn)井浸出液pH和ORP的傳感器探頭具有結(jié)構(gòu)簡潔、安裝使用方便等特點。自動巡回檢測裝置采用復合型測量電極，該電極集成了指示電極、參比電極以及測溫元件[6-7]。選用的傳感器探頭具有以下特點：1)采用聚四氟乙烯(PTFE)環(huán)狀隔膜，抗污染、抗阻塞，耐強酸腐蝕；2)采用夾有KCl的聚合塑料基體，即采用固體電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)，使參比電極的耐壓能力大為提高；3)采用包含測溫元件的復合電極，使其具有溫度補償功能；4)采用小型數(shù)字化一體式傳感器探頭，即傳感器探頭將復合型電極產(chǎn)生的與pH、ORP相關(guān)的模擬信號就地轉(zhuǎn)換為相應的RS485數(shù)字信號，供工業(yè)平板計算機進行數(shù)據(jù)采集與處理。

2.3 被測水樣返回系統(tǒng)

被測水樣流經(jīng)測量流通池測量后，在隔膜計量泵的驅(qū)動下，通過塑料軟管輸送至抽液主管，形成完整閉環(huán)系統(tǒng)，避免因被測水樣外排造成金屬鈾的損失和對環(huán)境的污染。

2.4 計算機控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

用工業(yè)平板計算機對巡回檢測裝置的電動球閥、隔膜計量泵等的啟動或停止進行控制；采集鈾濃度、pH、ORP探頭的信號，進行數(shù)據(jù)處理后在液晶屏上顯示，并將各參數(shù)的測量數(shù)據(jù)自動存儲和輸出給PLC控制系統(tǒng)。

3 自動巡回檢測裝置研制樣機

設(shè)計完成的巡回檢測裝置寬2.0 m、厚1.1 m、高1.8 m，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 巡回檢測裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

巡回檢測裝置工業(yè)平板計算機顯示屏如圖3 所示。左邊顯示每個抽液鉆孔的運行狀態(tài)，包括停止、運行、待機；右邊顯示每個抽液鉆孔的測量結(jié)果。如果不需要顯示測量結(jié)果，可以點擊設(shè)置菜單中的隱藏測量結(jié)果子菜單，即可實現(xiàn)全屏顯示所有抽液鉆孔運行狀態(tài)。

圖3 工業(yè)平板計算機顯示屏

4 巡回檢測裝置現(xiàn)場應用

為了檢驗巡回檢測裝置的實際效果，在內(nèi)蒙某鈾礦山地浸井場集控室進行了現(xiàn)場連續(xù)試驗。對試驗井場集控室的38路生產(chǎn)井浸出液進行在線多參數(shù)測量，測量每路生產(chǎn)井浸出液的鈾濃度、pH、ORP，并與人工取樣實驗室分析數(shù)據(jù)進行對比，以檢驗巡回檢測裝置的性能和測量精度。

設(shè)計的巡回檢測裝置測量范圍及精度要求：1)鈾質(zhì)量濃度測量范圍為5～100 mg/L，精度≤±15%；2)pH測量范圍為1.00～7.00，精度≤±0.1 pH；3)ORP測量范圍為-1 000～+1 000 mV，精度≤±10 mV。

進行了約1個月的現(xiàn)場試驗，部分生產(chǎn)井浸出液的鈾濃度、pH、ORP在線分析結(jié)果與人工取樣實驗室分析結(jié)果見表1。

表1 自動巡回檢測裝置在線分析結(jié)果與實驗室人工分析結(jié)果對比

表1(續(xù))

從表1可看出，鈾礦地浸井場自動巡回檢測裝置對集控室生產(chǎn)井浸出液的鈾濃度、pH、ORP進行在線測量時，鈾濃度測量誤差≤±15%；pH測量誤差≤±0.1 pH；ORP測量誤差≤±10 mV，達到了自動巡回檢測裝置的設(shè)計目標。自動巡回檢測裝置性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，能夠滿足鈾礦山地浸井場集控室多路生產(chǎn)井浸出液的在線測量需要。

5 結(jié)論

研制的鈾礦地浸井場自動巡回檢測裝置采用工業(yè)平板計算機循環(huán)掃描各個取樣電動球閥的方式，實現(xiàn)對各生產(chǎn)井浸出液的自動取樣，并在線測量每路生產(chǎn)井浸出液的鈾濃度、pH、ORP?，F(xiàn)場試驗表明，自動巡回檢測裝置測量精度能夠滿足工藝要求，裝置運行穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)24 h無人值守在線測量。