铀水冶厂浸出矿浆氧化还原电位在线检测仪表改进与应用

陈福平，周丽华，苑海涛，王 欣

(核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

中国铀矿水冶厂在采用酸法浸出工艺时，为了保证金属铀的浸出率，在铀矿浆浸出阶段通常添加二氧化锰、氯酸钠等氧化剂控制矿浆氧化还原电位(ORP)，使铀转化成高价的铀酰离子[1]。浸出矿浆ORP不仅直接影响金属铀的浸出率，还制约着后续工序的产量和质量。在整个生产过程中，对各级浸出槽矿浆ORP的准确检测和控制对产品质量至关重要。浸出矿浆ORP的连续检测以及氧化剂添加量的自动调节是实现过程自动控制的重要一环，不仅提高铀的浸出率；而且减少酸和氧化剂的消耗、降低生产成本。目前国内大部分铀水冶厂都没有实现对浸出矿浆ORP值的在线检测和控制，其主要原因:1)浸出矿浆以及铀矿石酸化反应生成的一些反应产物会结垢附着在ORP电极上，这些附着物会使电极的敏感膜发生钝化，进而会显著影响电极的动态响应特性以及测量精度；2)浸出矿浆温度较高，并伴有强烈机械搅拌，使ORP电极使用寿命短、误差大、稳定性差、维护量大等；3)常规ORP计二次仪表采用模拟电路,仪表测量和校准操作复杂，且受传统仪器硬件的限制，传感器电极系统增加定时自动清洗困难较大。因此，改进铀水冶厂浸出过程矿浆ORP在线检测仪表具有重要意义，不仅能够满足铀水冶厂浸出矿浆氧化还原电位准确测量的要求；同时也有助于提高中国铀矿水冶厂浸出生产过程自动化水平。

1 仪表测量原理及设计理念

溶液中的ORP是表征溶液中的氧化能力或者还原能力的指标[2-3]。在氧化还原反应过程中，氧化剂接收电子能力越强，其氧化性就越强；还原剂给出电子能力越强，其还原性就越强。可以通过对溶液体系ORP的测量来判断氧化性与还原性强弱，溶液中标准氢电极电位与氧化还原电对组成的电极电位之间的差值就是ORP。

溶液的氧化还原电位测量原理如图1所示。

图1 氧化还原电位测量原理

以铂电极为测量电极，银/氯化银电极为参比电极，测量电极、参比电极与溶液组成原电池，用差动放大器AR测定铂电极相对于银/氯化银电极的ORP，然后再换算成相对于标准氢电极的ORP。

一般可以通过能斯特方程得出ORP与其影响因素的关系[4-6]。在具体测量时，体系浓度、温度等因素会对ORP值产生影响，根据能斯特方程，溶液ORP计算公式为

E=E0+(RT/nF)lnc(O)/c(R)

(1)

式中：E—实际溶液ORP，mV；E0—氧化还原电对的标准电极电势，mV；R—气体常数，8.314 J/(K·mol)；n—电化学当量数，mol-1；T—绝对温度，K；F—法拉第常数，96 500 C/mol；c(O)—氧化剂浓度，mol/L；c(R)—还原剂浓度，mol/L。因此，溶液ORP值与氧化物质以及还原物质的浓度有密切关系。测量电极和参比电极之间遵循能斯特方程，产生的电位信号经具有高输入阻抗的前置差动放大器处理后由二次仪表显示溶液ORP值，实现对溶液ORP值检测。

结合中国铀水冶厂实际情况，测量系统基于嵌入式系统的设计思想，依据设计目标，减少中间环节，精简系统结构，合理优化软件和硬件配置，使系统在可靠性、功能、成本、仪表体积、仪表功耗及现场安装使用的便利性等方面满足中国铀矿水冶厂浸出工艺的需求[7]。在解决方案上，一是选择适用于中国铀矿水冶厂工况下长时间测量的ORP电极；二是为解决ORP电极在铀矿浆体系因结垢而严重影响仪表可靠性及测量精度的问题，在ORP计传感器电极上设计安装自动清洗装置；三是用单片机实现ORP计二次仪表智能化。

2 设计改进措施

2.1 电极选型

电极是工业ORP计中最重要的组成部件,与工艺介质直接接触，传感器电极的选型至关重要。根据中国铀水冶厂浸出矿浆特殊工艺环境条件，考虑传感器结构简洁、使用安装方便等因素，仪表传感器选用复合型ORP电极。复合ORP电极集成了ORP测量电极和参比电极，测量电极可以在其敏感层表面进行电子吸收或释放。敏感层通常由铂金制作，铂金本身只起到传递电子的作用而不参加氧化还原反应，可以经受化学腐蚀。参比电极一般采用银/氯化银电极。因此，选用国内某传感器公司生产的ASRS2801型复合ORP电极。该复合型电极有以下特点：1)测量电极由铂金制作，具有耐高温、耐酸碱腐蚀和矿浆颗粒冲击等优点；2)参比系统采用KCl高分子聚合物填充,使用非常方便，无需补充电解液；3)采用国际最先进的环形大面积Teflon隔膜，使电极具有稳定的液面接触，抗污染，抗阻塞；4)电极测量范围(-1 999～+1 999) mV，耐压0.6 MPa，外壳材料选用耐酸碱、耐温可达160 ℃以上的优质高分子工程塑料。电极结构及外形尺寸如图2所示。

图2 电极结构与外形尺寸示意

2.2 二次仪表智能化

配套的ORP计二次仪表，要匹配选定的ORP计传感器电极,传感器电极输出的mV电压信号，需经过二次仪表识别并放大计算转换为相应的ORP值。

二次仪表采用单片机微处理器技术，用集成电路芯片对电极信号处理后送入单片机系统，用软件实现电极信号的计算处理和仪表标定等功能，测量和标定采用单片机技术自动完成。相对传统ORP计，二次仪表自动化程度较高，通过软件实现对复合ORP电极清洗装置的自动控制，包括对传感器敏感元件的清洗时间、清洗间隔时间及清洗完成后进入正常测量状态时间的设定，可实现在传感器电极进行自动清洗期间保持仪表清洗之前输出的4～20 mA电流信号状态。智能型ORP计二次仪表测量原理如图3所示。

图3 智能型ORP计测量原理

模拟测量放大电路将复合ORP电极产生的电位信号转换成0～2 V标准直流电压信号后送入A/D转换器，A/D转换器输出的数字信号送入单片机系统，单片机对输入信号进行数字滤波、非线性校正等运算后，由液晶显示器显示出浸出矿浆ORP值；同时将显示的ORP值送入D/A转换器，D/A转换器输出的模拟电压信号经V/I变换电路转换为4～20 mA标准电流信号输出。由单片机系统控制驱动电路，可完成仪表上限报警和实现对传感器电极定时自动清洗功能。此外，仪表可通过操作键盘，完成仪表参数设定、标定、数据查询、硬件测试及清洗设定等操作。

2.3 自动清洗装置设计

在选择了合适的复合ORP电极和完成ORP计二次仪表智能化后，为了实现对复杂矿浆体系ORP值持续不断的准确测量，需要解决矿浆体系在复合ORP电极上结垢的问题。在ORP计传感器上设计安装自动清洗装置来解决铀矿浆体系在ORP电极上结垢的问题，是实现对铀浸出矿浆氧化还原电位稳定、准确测量的关键。就自动清洗方法而言，主要有超声波清洗、机械清洗和溶液喷射清洗等[8-9]。超声波清洗在使用上有很大的局限性，对油污、浆液类结垢不适用。机械清洗常用于一些污染物附着不牢固、污染不严重的场合。目前适用性较强、清洗效果良好的清洗方法是溶液喷射清洗法。清洗溶液多选用低浓度的碱性或酸性溶液，以冲刷方式除去电极上的污染物。因此，设计采用溶液喷射清洗方法解决电极结垢问题。由于受到现场不允许有任何杂质加入铀矿浆体系等工艺条件的限制，清洗溶液采用工业自来水，通过高压泵增压后冲刷电极，除去电极上的矿浆污染物。高压水清洗喷头设计安装于复合ORP电极敏感位置，使ORP电极敏感测量元件在测量矿浆介质时不会被包裹，以保证复合ORP电极测量矿浆介质ORP的准确性。由于二次仪表用于控制清洗器时继电器接点容量有限，所以设计了清洗控制器控制高压泵和电磁阀。电磁阀和高压泵是由清洗控制器同步控制，并且由智能型ORP计二次仪表单片机系统完成对传感器上复合ORP电极的定时自动清洗控制。

2.4 产品设计

综合上述复合ORP传感器电极、智能型ORP计二次仪表以及自动清洗装置组成检测系统，完成铀矿浆体系ORP值的信号测量和转换设计。带自动清洗装置的铀矿浆体系ORP值测量系统如图4所示。

图4 带自动清洗装置的铀浸出矿浆体系ORP值测量系统

3 现场试验

为了验证带清洗装置ORP计传感器及二次仪表的改进效果，将改进后仪表在国内某铀水冶厂浸出车间进行了工厂连续应用试验。

浸出条件：硫酸浸出体系，浸出工序添加二氧化锰控制浸出矿浆ORP为+400～+600 mV，以保证铀的浸出率。将改进后的仪表安装于矿浆浸出塔，测量浸出矿浆ORP值，仪表测量范围为-1 999～+1 999 mV，采用仪表在线测量ORP值与人工取样实验室分析ORP值对照方法，以检验仪表的可靠性和测量精度，从而验证带清洗装置ORP计传感器及二次仪表改进效果。试验结果见表1。

从表1可看出，用改进后ORP仪表测量铀浸出矿浆氧化还原电位，与人工取样实验室分析值基本一致，其绝对测量误差≤±5 mV。改进后的仪表测量性能稳定，数据可靠，能够满足工业生产需要，达到了对其改进提高的设计目的。

表1 仪表测量与人工取样分析试验数据

4 结论

1)针对铀矿水冶厂浸出矿浆的特殊性，对常规ORP计进行了升级改进。选择适合于浸出矿浆工况下长时间使用的复合ORP电极，并在ORP传感器电极上设计安装自动清洗装置，实现了二次仪表智能化，解决了传感器电极因浸出矿浆酸碱腐蚀、温度较高、矿石磨损而引起的电极使用寿命短、稳定性差、维护量大以及ORP电极在铀浸出矿浆体系结垢等问题。

2)仪表的测量、标定和对电极系统定时自动清洗采用单片机技术自动完成，实现了仪表智能化。相对传统ORP计二次仪表，在测量精度、仪表标定、仪表可操作性及稳定性和可靠性方面均有显著提高。

3)改进后仪表已应用到国内铀矿水冶厂浸出生产车间，实现了铀水冶厂浸出矿浆氧化还原电位在线测量自动控制。改进后的仪表测量技术也可以应用到其他提取金属的工艺自动控制过程中。