摘要：針對(duì)泡沫狀態(tài)與浮選藥劑用量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用泡沫圖像分析儀與液位計(jì)等在線檢測(cè)設(shè)備對(duì)浮選生產(chǎn)過(guò)程中的泡沫狀態(tài)進(jìn)行量化處理，建立泡沫狀態(tài)與浮選藥劑控制之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系?；诹炕蟮呐菽卣髯兞浚瑢?duì)浮選藥劑用量給出了指導(dǎo)意見(jiàn)，并為后續(xù)開(kāi)展浮選藥劑智能控制提供了基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)觀察和大量數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了理論研究的合理性，對(duì)于提高浮選生產(chǎn)過(guò)程的效率和穩(wěn)定性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：泡沫狀態(tài)；泡沫圖像；檢測(cè)設(shè)備；量化處理；浮選藥劑；智能控制

中圖分類號(hào)：TD923 文章編號(hào)：1001-1277（2024）03-0032-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240308

引 言

浮選生產(chǎn)易受工藝流程、浮選機(jī)結(jié)構(gòu)與性能、礦石性質(zhì)、操作因素（礦漿濃度、溫度等）及藥劑制度等因素影響。其中，工藝流程和浮選機(jī)結(jié)構(gòu)與性能在投產(chǎn)前經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，可較好滿足生產(chǎn)運(yùn)行條件，投產(chǎn)后不會(huì)輕易改動(dòng)；而礦石性質(zhì)不是一成不變的，不同時(shí)刻的礦石性質(zhì)都會(huì)有差異，浮選生產(chǎn)過(guò)程中一般不會(huì)對(duì)每一時(shí)刻來(lái)礦進(jìn)行化驗(yàn)分析，礦石性質(zhì)的變化會(huì)給浮選生產(chǎn)帶來(lái)巨大影響，造成生產(chǎn)不穩(wěn)定和指標(biāo)波動(dòng)。操作因素在浮選生產(chǎn)過(guò)程中具有較大影響，需要時(shí)刻關(guān)注礦漿濃度及礦漿溫度等因素變化，使其穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)［1］。浮選藥劑是浮選生產(chǎn)中必不可少的“參與者”，合理的藥劑用量有利于提高選礦效率和金屬回收率［2］。泡沫表面物理特性與浮選工藝狀態(tài)密切相關(guān)，

泡沫顏色、泡沫形狀、泡沫流速、泡沫穩(wěn)定性及泡沫層厚度等物理特征是浮選生產(chǎn)操作效果的直觀體現(xiàn)，本文研究重心為浮選藥劑對(duì)浮選過(guò)程的影響，著重研究泡沫狀態(tài)與藥劑用量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系及泡沫狀態(tài)對(duì)浮選藥劑控制的指導(dǎo)意義。

浮選藥劑控制的關(guān)鍵在于根據(jù)當(dāng)前或過(guò)去一段時(shí)間的泡沫狀態(tài)進(jìn)行判定，并相應(yīng)調(diào)整藥劑種類和用量，以提高浮選的選擇性和回收率，實(shí)現(xiàn)預(yù)期選礦效果。目前，選礦廠車間通常依靠操作人員觀察泡沫顏色、泡沫形狀、泡沫流速、泡沫穩(wěn)定性及泡沫層厚度等視覺(jué)特征進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，但人工觀察泡沫存在時(shí)間和空間上的限制，無(wú)法與計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制有效結(jié)合，影響浮選過(guò)程穩(wěn)定和優(yōu)化。此外，僅依賴操作人員對(duì)泡沫狀態(tài)的主觀觀察進(jìn)行判斷和決策，缺乏客觀統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致不同浮選工人對(duì)泡沫狀態(tài)評(píng)判存在差異，使得浮選生產(chǎn)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易導(dǎo)致生產(chǎn)指標(biāo)波動(dòng)和礦物資源浪費(fèi)，給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失［3］。因此，本文擬通過(guò)建立泡沫狀態(tài)與浮選藥劑控制的關(guān)聯(lián)性，并進(jìn)行量化處理，將二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系從定性轉(zhuǎn)為定量，使泡沫狀態(tài)可測(cè)、特征可量，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程可控。

1 泡沫狀態(tài)與浮選藥劑

1.1 泡沫狀態(tài)

在浮選生產(chǎn)過(guò)程中，表面泡沫層的狀態(tài)與浮選指標(biāo)密切相關(guān)，研究表面層的泡沫顏色、泡沫形狀、泡沫流速、泡沫穩(wěn)定性及泡沫層厚度等因素具有重要意義。泡沫顏色取決于氣泡表面附著的礦物和水膜顏色，其深淺反映了當(dāng)前泡沫的浮選效果，是泡沫層的關(guān)鍵特征。泡沫形狀包括泡沫面積、數(shù)量及大小分布，隨著礦石性質(zhì)、粒度和浮選藥劑制度的變化而變化，直接影響浮選效果。泡沫流速對(duì)精礦產(chǎn)率和回收率至關(guān)重要，穩(wěn)定的泡沫狀態(tài)有利于礦物顆粒隨氣泡上升到液面表層，而穩(wěn)定性差的泡沫會(huì)降低回收率。泡沫層厚度直接影響回收率和精礦品位，適當(dāng)?shù)呐菽瓕雍穸扔兄诘V物二次富集，提高精礦品位。

1.2 浮選藥劑

浮選藥劑主要包括起泡劑、捕收劑和調(diào)整劑。起泡劑的作用是影響氣泡的穩(wěn)定性，阻止氣泡兼并。捕收劑則作用于礦物-水界面，提高礦物的疏水性，使礦物顆粒更牢固地附著在上浮氣泡表面，以便回收。調(diào)整劑用于調(diào)節(jié)捕收劑與礦物表面相互作用，調(diào)整礦漿性質(zhì)，提高目的礦物的選擇性［4］。這3種浮選藥劑共同作用，實(shí)現(xiàn)了浮選過(guò)程中目的礦物的分離和回收［5］。

2 藥劑用量與泡沫狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

1）起泡劑用量與泡沫狀態(tài)的關(guān)系：適量起泡劑會(huì)產(chǎn)生富有彈性且穩(wěn)定的泡沫，有利于礦物的回收。過(guò)量起泡劑會(huì)導(dǎo)致泡沫含水多、泡沫堅(jiān)韌、夾帶脈石礦物，影響精礦品位；用量過(guò)少則會(huì)使泡沫層變薄、容易破滅，降低精礦回收率［6］。

2）捕收劑用量與泡沫狀態(tài)的關(guān)系：過(guò)量捕收劑會(huì)使泡沫層致密、黏度高，含礦物量多但雜質(zhì)增加，影響氣泡特性；用量過(guò)少則泡沫表面光滑，泡沫中浮起的多是細(xì)粒礦物，粗粒礦物幾乎全部流失于尾礦中，影響精礦回收率［7］。

3）調(diào)整劑用量與泡沫狀態(tài)的關(guān)系：以硫酸銨為例，過(guò)量調(diào)整劑會(huì)導(dǎo)致泡沫發(fā)脆但表面雜質(zhì)少；用量過(guò)少則泡沫發(fā)黏、表面雜質(zhì)多。調(diào)整劑的適量使用對(duì)泡沫狀態(tài)和礦物回收至關(guān)重要。

3 泡沫狀態(tài)量化處理

泡沫狀態(tài)與藥劑用量的對(duì)應(yīng)關(guān)系主要包括藥劑用量與泡沫顏色、泡沫形狀、泡沫流速、泡沫穩(wěn)定性及泡沫層厚度等方面的關(guān)系。要實(shí)現(xiàn)這些對(duì)應(yīng)關(guān)系的量化，需要借助在線檢測(cè)與分析系統(tǒng)進(jìn)行泡沫圖像和生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的采集和處理，用于指導(dǎo)浮選藥劑控制。泡沫狀態(tài)量化處理示意圖見(jiàn)圖1。

3.1 泡沫圖像檢測(cè)裝置

采用泡沫圖像分析儀作為浮選現(xiàn)場(chǎng)的泡沫圖像檢測(cè)與分析裝置。該裝置由圖像采集模塊和分析處理模塊2部分組成。圖像采集模塊安裝在浮選槽的特定位置，并配備高清攝像頭，用于實(shí)時(shí)采集浮選槽表面的泡沫圖像信息。這樣可以取代人眼進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將圖像信息傳送至分析處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和泡沫特征變量提取。泡沫圖像分析儀的采集模塊和分析處理模塊的實(shí)物示意圖見(jiàn)圖2。

對(duì)泡沫圖像分析儀檢測(cè)到的泡沫狀態(tài)進(jìn)行量化處理。主要包括泡沫流速、泡沫形狀、泡沫顏色和泡沫穩(wěn)定性的量化處理。采用快速自適應(yīng)閾值分割法和傅里葉變換，結(jié)合浮選泡沫運(yùn)動(dòng)規(guī)律，應(yīng)用具有方向特性的圖像跟蹤算法對(duì)圖像幀間進(jìn)行快速多點(diǎn)匹配，根據(jù)匹配結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，計(jì)算泡沫流速。首先將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖，生成灰度加權(quán)平均值Grey（灰度圖），根據(jù)得到的灰度圖，畫(huà)出基于像素值變化的灰度直方圖，按照從大到小的順序?qū)Ω鱾€(gè)灰度值的像素個(gè)數(shù)進(jìn)行依次疊加［8］：

式中：xc1和yc1分別為第1張圖片待匹配連通域的圓心C（x1，y1）的x軸和y軸坐標(biāo)；xck和yck分別為第k張圖片上連通域圓心的x軸和y軸坐標(biāo)。

取最小距離dc1所在的連通域?yàn)楫?dāng)前連通域的初步匹配成功連通域：

在初步匹配的基礎(chǔ)上，針對(duì)每個(gè)連通域，采用傅里葉變換和基本形態(tài)特征的方式，得到各個(gè)連通域的信息，盡可能保留特征明顯的連通域，以備下一步進(jìn)行精確匹配，減少匹配錯(cuò)誤的概率。根據(jù)快匹配法準(zhǔn)則和泡沫流速的方向性，采用圖像跟蹤的方式，進(jìn)行快速多點(diǎn)匹配，得到連續(xù)2幀圖像間對(duì)應(yīng)的連通域。最后，根據(jù)匹配結(jié)果，按照式（4）和式（5），針對(duì)連通域面積進(jìn)行加權(quán)平均，最終得到x軸和y軸方向的泡沫流速量化值Vx和Vy，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)中更多地關(guān)注x軸方向的泡沫流速Vx。

式中：Sxn為連通域面積;tspan為匹配時(shí)間。

通過(guò)上述方法，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)泡沫流速的量化處理，將觀察到的泡沫現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為數(shù)字表達(dá)。由于本文篇幅限制，未詳細(xì)介紹泡沫形狀、泡沫顏色和泡沫穩(wěn)定性的量化處理方法。對(duì)于泡沫形狀的量化處理，可參考王慶凱等［9-11］提出的研究方法；對(duì)于泡沫尺寸的量化處理，可參考盧明等［12-13］的研究方法；有關(guān)泡沫穩(wěn)定性處理的方法，可參考謝權(quán)等學(xué)者的研究思路［14-15］。

3.2 液位檢測(cè)裝置

在浮選過(guò)程中，礦石性質(zhì)、礦漿濃度、藥劑用量及給礦量和返回流量的波動(dòng)都會(huì)對(duì)泡沫層厚度造成影響。泡沫層厚度直接影響精礦品位和回收率。本研究旨在探討浮選藥劑控制與泡沫狀態(tài)之間的關(guān)系，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)泡沫層厚度的在線檢測(cè)。

目前，浮選液位檢測(cè)儀器主要包括電容式、靜壓式、吹氣式及浮子式液位計(jì)等。本文采用浮子式液位計(jì)，通過(guò)激光傳感器、超聲波傳感器和浮球托盤來(lái)測(cè)量實(shí)際液位高度和泡沫層厚度。浮選液位檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖［16］見(jiàn)圖3。

該浮選液位檢測(cè)設(shè)備的傳感器支架通過(guò)法蘭連接在浮選平臺(tái)上。沖洗水管與液位支架通過(guò)U形螺栓固定，激光傳感器則通過(guò)2個(gè)U形螺栓固定在隔離桶上方?；瑮U通過(guò)2個(gè)懸臂的通孔固定在沖洗水管上，2個(gè)懸臂距離較近。沖洗水管通過(guò)外接軟管供水，沖洗水通過(guò)上下2個(gè)懸臂的通孔流出，對(duì)浮球進(jìn)行沖洗。浮球則浮在礦漿表面上，帶動(dòng)托盤上下運(yùn)動(dòng)。通過(guò)激光傳感器測(cè)量托盤的距離，從而間接計(jì)算出液位高度，并結(jié)合浮選槽的實(shí)際高度，進(jìn)而計(jì)算得出泡沫層厚度，這樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)泡沫層厚度的量化。浮子式液位計(jì)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量液位高度和泡沫層厚度，從而獲取當(dāng)前的液位高度和泡沫層厚度信息。泡沫狀態(tài)描述與檢測(cè)裝置提取的泡沫特征變量對(duì)照見(jiàn)表1。

3.3 藥劑控制

藥劑種類和用量的不同會(huì)產(chǎn)生不同泡沫狀態(tài)。通過(guò)觀察泡沫狀態(tài)的變化，可以判斷當(dāng)前浮選工況，包括相應(yīng)調(diào)整藥劑的種類和用量，以確保生產(chǎn)的穩(wěn)定性和浮選指標(biāo)。根據(jù)泡沫狀態(tài)的量化實(shí)現(xiàn)方法，結(jié)合泡沫特征和其他檢測(cè)變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)浮選生產(chǎn)過(guò)程中的藥劑控制。具體控制思路見(jiàn)表2。

4 工業(yè)驗(yàn)證

在某選礦廠浮選車間粗選作業(yè)安裝泡沫圖像分析儀和液位檢測(cè)裝置，并跟蹤藥劑用量的調(diào)整時(shí)間和調(diào)整量，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間觀察對(duì)比，驗(yàn)證了“泡沫狀態(tài)與浮選藥劑控制之間的量化關(guān)系”的合理性。本文選取2023年7月19日不同時(shí)刻的2張典型圖片（見(jiàn)圖4）進(jìn)行相關(guān)方面的介紹和說(shuō)明，可以清晰地看出藥劑用量不同所導(dǎo)致的泡沫顏色、形狀和飽和度等方面的差異。

浮選現(xiàn)場(chǎng)安裝的泡沫圖像分析儀及液位檢測(cè)裝置可以實(shí)現(xiàn)不同藥劑用量對(duì)應(yīng)時(shí)刻泡沫狀態(tài)的量化處理，獲取各泡沫特征變量的具體數(shù)值。藥劑用量調(diào)整前后的泡沫狀態(tài)量化對(duì)照見(jiàn)表3。

由表3可知：在藥劑用量調(diào)整前后，泡沫狀態(tài)的量化數(shù)值發(fā)生了明顯變化。具體來(lái)說(shuō)，藥劑用量不足時(shí)，起泡效果差，泡沫表面帶礦量少，泡沫較“脆”，具體表現(xiàn)為泡沫的飽和度（S值）為70.94，顏色（H值）為66.18，結(jié)果較差；而在藥劑用量調(diào)整后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，泡沫狀態(tài)逐漸恢復(fù)正常，泡沫的飽和度（S值）和顏色（H值）分別增加到84.00和77.05。在泡沫形狀方面，藥劑用量調(diào)整前，存在個(gè)別大泡和大量小碎泡，大、中、小泡占比分別為0.16，0.44和0.40；而藥劑用量調(diào)整后，泡沫形狀得到改善，大、小泡占比減少，中泡比例增加，泡沫尺寸更加均勻。泡沫流速方面，藥劑用量調(diào)整前，x軸泡沫流速為120.50 mm/s，流速較快；而藥劑用量調(diào)整后，泡沫流速有所減小，變?yōu)?1.03 mm/s。泡沫層厚度與流速成反比，藥劑用量調(diào)整前泡沫層薄且流速快，藥劑用量調(diào)整后，泡沫層厚度從45.00 mm增加至80.00 mm。在泡沫穩(wěn)定性方面，藥劑用量調(diào)整前，泡沫中存在較多水泡，泡沫較“脆”，穩(wěn)定性差，易破裂；藥劑用量調(diào)整后，泡沫表面帶礦量增加，黏度提高，穩(wěn)定性提高，穩(wěn)定性指數(shù)從0.14增加到0.21。綜上所述，通過(guò)對(duì)泡沫狀態(tài)的量化分析，可以指導(dǎo)浮選藥劑用量調(diào)整，建立起泡沫狀態(tài)與浮選藥劑控制之間的量化關(guān)系。

5 結(jié) 語(yǔ)

總結(jié)了起泡劑用量、捕收劑用量、pH調(diào)整劑用量與泡沫狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并對(duì)泡沫狀態(tài)進(jìn)行了量化處理，提出了泡沫狀態(tài)與浮選藥劑控制之間的量化處理思路并舉例證明研究思路的合理性。

在未來(lái)研究中，可以基于本研究提出的泡沫狀態(tài)與浮選藥劑控制之間的量化對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立浮選藥劑智能控制平臺(tái)，結(jié)合浮選生產(chǎn)過(guò)程中的泡沫狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)浮選藥劑用量的自動(dòng)化控制。在實(shí)際操作中，除關(guān)注泡沫狀態(tài)外，還需要考慮礦石性質(zhì)、礦漿濃度等各種影響因素，以確保生產(chǎn)的穩(wěn)定性。在進(jìn)行浮選藥劑控制時(shí)，需要注意藥劑用量控制、液位控制、充氣量控制等操作的優(yōu)先級(jí)，從整體分析問(wèn)題，選取最佳操作條件，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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Study on the relationship between froth state and reagent control in flotation operation process

Zhang Haiyang1，2，3，Wang Xu1，2，3，Lu Bo1，2，3，Liu Yang1，2，3，Song Tao1，2，3

（1.BGRIMM Technology Group; 2.State Key Laboratory of Intelligent and Optimized Manufacturing in Metallurgical Process;

3.Beijing Key Laboratory of Automatic Control Technology in Metallurgical Process）

Abstract：In this study，the correspondence between froth state and flotation reagent dosage was investigated by quantitatively analyzing the froth state in the flotation operation process using online detection equipment such as froth image analyzer and level gauge.The relationship between froth state and reagent control was established.Based on the quantified froth characteristic variables，guidance on reagent dosages was provided，laying a foundation for intelligent control of flotation reagents in the future.Through extensive on-site observations and data analysis，the rationality of the theoretical research was verified，which is of significant importance for improving the efficiency and stability of the flotation operation process.

Keywords：froth state;froth image;detection equipment;quantitative processing;flotation reagent;intelligent control

收稿日期：2023-11-15; 修回日期：2023-12-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFC2902700）

作者簡(jiǎn)介：張海洋（1991—），男，工程師，從事浮選過(guò)程優(yōu)化控制相關(guān)技術(shù)研究；E-mail：zhanghaiyang@bgrimm.com