选矿厂矿浆流量测量方案剖析

张 涛，黄 鹤

（北京矿冶科技集团有限公司，北京 100160）

1 引言

目前在国内外选矿厂典型的选矿流程中，矿浆流量计量必不可少，通常有：旋流器组进浆流量、旋流器组溢流量、精矿浓密机底流流量、尾矿浓密机底流流量、中间产品流量测量等，结合相应的矿浆浓度计可用于干矿量计算。所以，流量测量必须保证一定的精度，才有利于工厂的过程控制以及金属平衡计算。

基于矿浆的特性，其是两相流甚至是多相流，同时又具有较强的磨蚀性、沉积性、易粘附性，目前国内对于矿浆的流量测量大多采用电磁流量计［1］。但是，传统的电磁流量计在实际使用过程中存在流量测量值不准确，显示值波动较大，传感器电极和衬里磨损严重、电极和衬里表面沉淀结垢等问题，使得矿浆流量测量不准确、可靠性差且维护量大。所以，矿浆流量的测量和计量一直是行业的一项难题。

2 矿浆流量测量问题及原因

除去仪表选型的原因［2］，影响矿浆流量测量的主要干扰因素如下。

2.1 噪声干扰

噪声是指矿浆颗粒划过电极引起传感器输出信号波形跳变，既可能发生正跳变也可能发生负跳变的信号。这样就会产生噪声干扰，使流量计显示值呈现大幅晃动，产生测量误差。

引起电极噪声的主要因素有：（1）流速：高的流速可以引发高的噪声；（2）颗粒尺寸：较大的颗粒对电极有较大的冲击；（3）固体含量：高的固体含量引起高的噪声；（4）空气；（5）同质性；（6）导电性的跳跃；（7）化学活动等。

2.2 磁性介质

许多矿山矿体内都含有磁性介质。基于电磁流量计的原理，即使少量的磁性介质也会对电磁流量计的测量精度产生影响。测量误差的大小，与铁磁性矿浆的浓度、流速和铁磁成分的导磁率成正比关系，与流速成反比关系。当铁磁性流体流过励磁状态下的测量导管时，磁场的磁通密度因导磁率比非磁性流体介质的导磁率高而增加，使流体测量产生正误差。

2.3 气泡

矿浆特别是采用浮选工艺的矿浆中往往存在较多的气泡（尤其是精矿矿浆中），气泡的存在对流量测量产生较大的影响［3］，另外也会对浓度测量造成一定的影响。矿浆比重越大，对矿浆浓度测量影响越大。流量和浓度双重误差的叠加对全厂金属计量造成的影响就会更大。

2.4 磨损、结垢

基于矿浆的特性，对于接触式流量测量来说，电极和衬里易受磨损，其将直接导致测量精度降低甚至无法正常工作［4］。另外，随着结垢厚度的增加，测量误差也会越来越大。

3 矿浆流量测量的另一种解决方案

为解决以上问题，目前无论是在工艺上，还是仪表本身上都采取了一些措施尽量减少这种干扰因素带来的影响。

（1）矿浆噪声干扰：一般仪表会选择增强磁场、选择更硬的电极材质如碳化钨硬质合金、软件上进行滤波［5］，或是几者的结合等方式。

（2）铁磁性介质的矿浆：一些电磁流量计采取的措施为将脉冲直流与连续交变励磁相结合形成低频交流励磁［6］、增加辅助监测线圈［7］、软件信号处理等。

（3）矿浆中气泡干扰：工艺上会采取一些消泡措施，例如矿浆管道切线进入泵池等，但并不能从根本上消除矿浆中的气泡，长期累积仍然会造成较大误差。

（4）磨损和结垢：选择耐磨的衬里材料如聚氨酯橡胶［8］、氧化铝陶瓷等；在不易沉淀结垢的竖直管道上安装测量仪表；定期清理等。

以上方案虽然能在一定程度上提高了测量的准确性和可靠性，但原理上的缺陷仍难以完全消除各干扰因素的影响。若想解决以上问题还需从三方面着手：一是采用非接触的测量方法，减少管道内介质的干扰，包括噪声干扰以及磨损等；二是仪表的测量原理不受磁性介质的影响；三是测量出矿浆中的含气率用于修正流量和浓度偏差。

目前，有一种产品可以很好的解决以上问题-声纳流量计。其采用一种非侵扰性（non-invasive）声学流量测量技术，在管道外夹装一组阵列声压传感器监听和解读管道内流体流动漩涡产生压力场，因这是采用接受性（passive）听测方法，测量浆液等多向流体时可获得与测量单相流体同样水平的性能和测量精度［9］。其测量原理如下：

3.1 流速的测量

当管道中的流体达到湍流状态，湍流产生的漩涡与流体形成对流。流体的平均流速可以通过跟踪整个涡流集合的平均轴向速度来确定。

漩涡的运动对管壁的内侧会产生微小应力，该应力使管壁产生动态形变。管道周围的声纳传感器阵列是由压电材料制成的，其在拉伸或压缩时电容会随之改变。由于传感器绑带紧紧贴合在管道周围，每一个通过的漩涡会在每一个传感器上造成电容的改变。这样动态应变的机械信号就通过缠绕在管道周围的传感器转换为电信号。

声纳阵列能够单独追踪每个漩涡，从而计算漩涡通过各传感器之间的时间。

图1 流速测量原理图

如图1所示，传感器间距为△L，一个湍流漩涡从一个传感器到另外一个传感器时间为△T，通过下面公式计算出流速：

V=△L/△T

其中，V是流体流速；△L是各传感器之间的间距；△T是一个湍流漩涡从一个传感器到另外一个传感器的时间。

然后，通过此流速以及管道内径即可推到出管道内的流体体积流量。

3.2 含气率的测量

当流体流经泵、有几何形变的管道，以及流体内的气泡时，管道内就会自然振荡产生声波。这些频率较低的声波在管道内双向传播，并沿管道轴向行进。声波作为压力波在管道内规律性地收缩扩张，对管壁产生动态应力。

声纳传感器通过检测此动态应力得到声速。由于声音在不同介质内传输速度不同，根据声速可获得气体含气率。

图2 含气率测量原理图

3.3 声纳流量计的优缺点

基于以上原理，声纳流量计避免了矿浆测量的多种干扰因素，具有如下主要优点。

（1）安装方便：因其安装在管壁外侧，所以不必停车也可安装，即装即用。

（2）因其为非接触式测量，不直接接触被测介质，所以不存在磨损、泄露等风险。

（3）仪表免维护/零维护。

（4）可测量含气率：其可测量含气率为0.01%到20%的流体，测量出的含气率可用于修正流量和浓度值。

修正后的实际流量 = 检测到的体积流量×（1-含气率）

（5）不受流体内磁性介质的影响。

根据现场实际应用情况，利用声纳流量计测量矿浆流量尚存在以下缺点。

（1）成本：初期购买价格较为昂贵，通常为电磁流量计价格的5～8倍。但从综合成本（包括采购费、安装费、校验费、维修费、使用寿命、备品备件［10］、仪表故障导致的停产等［11］）来考虑，整体成本可以接受。

（2）安装：虽然较为简单，但对安装精度等要求较高，目前基本仍需厂家指导安装并且需专业调试，大多仪表工还未掌握。

（3）管道材质：虽然其可应用于多种材质的管道，如钢管、PVC管、HDPE管、玻璃钢管、带衬里的管道等。但目前在一些新型材料管道上的适用性仍有待考究。

基于以上特点，在有以下特殊需求的场合可以选择采用声纳流量计。

（1）含有较多铁磁性介质的矿浆；

（2）含有大量气泡的矿浆（例如精矿矿浆）；

（3）矿山正常生产，不想因装流量计中断生产等。

3.4 声纳流量计在国内外选矿厂的应用

第1台声纳流量计于2000年代初在美国应用，后广泛应用于美洲、澳大利亚、非洲等地区的众多选矿厂，目前在矿山上的应用已超过800余例。

声纳流量计于2010年前后进入中国市场，首先应用于铁矿选矿厂，如包钢、攀钢、太钢等铁矿厂均取得良好的使用效果，其很好的解决了原来铁磁性矿浆测量准确性、可靠性差的问题。

在有色金属行业，中铁资源伊春某钼矿2013年率先使用了2台DN900的声纳流量计，用于旋流器溢流管道矿浆流量的测量。近两年，在江铜德兴铜矿某选厂的旋流器进浆管道、招金集团新疆某铜矿选厂的旋流器进浆和溢流管道也选用了声纳流量计。另外，在氧化铝厂及化工企业也有了较多的应用，均取得了良好的效果。

4 结论

实践证明，声纳流量测量技术很好的解决了选矿厂流量测量的各种难题，有效的提高了测量精度，节约了维护时间和成本，相比传统矿浆流量测量仪表具有显著优势，因此在资金充足的情况下，值得推广使用。