管道矿浆密度计的在线检测原理及其在尾砂充填中的应用

程小舟

（1.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司，安徽马鞍山243000；2.中国矿业大学信息与控制工程学院，江苏徐州221008）

选矿生产工艺中，密度测量的被测介质是矿粉与水混合的矿浆，在整个选矿工艺中矿浆密度和流量应控制在一个合理的范围，密度过低影响效率和产品质量，密度过高又容易沉淀和堵塞管道。因此，矿浆的密度是选矿生产过程中重要的操作参数，准确测量矿浆密度，对指导安全生产具有重要意义。

目前，矿浆密度在线测量仪表主要是γ射线密度计，而γ射线存在放射源辐射的安全危险隐患；差压式密度计测量静态液体可以获得很好的精度，但是一旦介质流动产生的压力变化将干扰压差与介质密度的相关性，导致测量值漂移；超声密度计对介质中的气泡、振动、流动非常敏感，并且测量基准的漂移严重，实际使用过程中需要不断地标定，无法长时间稳定可靠地测量。管道矿浆密度计的研究正是在这种背景下提出的。

1 管道矿浆密度计的数学模型

流体流过管道时的振动数学模型［1-2］：

式中，E为测量管的弹性模数；I为测量管对中心轴的二次矩；Si与St分别为流体流过的管中液体所占有的管横截面积与测量管的横截面积；ρw与ρt分别为管中被测液体的密度与测量管的密度。

实际制造过程中选用低滞弹性效应的高弹性合金42CrMo铬钼合金钢制造测量管。管道矿浆密度计的测量管示意如图1。

在给定边界下解上述方程得到水平测量管的振动频率为

式中，λ为与边界条件以及测量管振动模式有关的常数；L为测量管轴向方向的长度。

由此可解得测量液体的密度为

于是由测量液体所流过管的振动频率即可得到所流过液体的密度。

2 管道矿浆密度计在线测量原理的实现

该矿浆密度计主要由腔体振动传感器和谐振电路组成，如图2所示。腔体振动传感器由测量管及腔体内壁上呈环绕分布的电感线圈组成，电感线圈两引线端相连接电阻和电容；电感线圈、电阻和电容构成RLC串联谐振电路；谐振电路由循环器、混合器、检测器、低通滤波器等电路组成。矿浆密度计工作原理如下：不同的流体流过测量管时会发生不同频率的振动，当激励信号源发生的信号频率与测量管频率一致时会发生共振，混合器输出的是共振频率与外加激励信号源发生的信号频率之间的不同的谐波，再通过检测器、滤波器以及识别器将频率差信号转化为电信号，通过对电信号的数字化处理得到流体的密度，根据上述原理开发的管道矿浆密度计MIMR-XZ6如图3所示。试验测得振动频率与液体密度之间的关系如表1所示。

从表1中可以看出：开发的矿浆密度计所测得的液体密度与其真实值相比误差很小，该密度计精度很高。

3 管道矿浆密度计在尾砂充填中的应用

3.1 尾砂中不同粗细砂比充填料浆性能的分析

图4为灰砂比为1∶7时不同的粗细砂比及料浆浓度充填测试块强度实验结果。从图中可以看出：粗细砂比及料浆浓度对充填试块的强度并不呈现规律性的变化，当粗细砂比为1∶3.5、料浆浓度为64.93%时，其充填试块的强度最好，为3.47 MPa。

充填料浆的各种不同性质是多因素作用的综合反映，充填材料物理化学性质不同，导致其性能差异；充填物料之间的比重与粒级组成、孔隙率等指标对沉降都有直接影响；充填物料的孔隙率越大，结构越蓬松，压缩系数也越大，因而其强度则越小；对于自然堆积的充填料，其容重最小，孔隙率最大，充入采矿区后，随着时间延长，液相清水逐渐排出，充填料浆在自重的作用下，固相充填物料颗粒逐渐沉缩，孔隙率相应减小，导致料浆容重逐渐增大，结构趋于密实，强度则进一步提高［3-5］。

通过对浓度的测量和控制，能够有效地提高充填作业的效率和质量。在不同的粗细砂比例下，将矿浆浓度控制在最佳强度区间对应的浓度范围内，能够使用较低的水泥配比达到较好的充填强度。

3.2 尾砂充填工艺中管道矿浆密度计的应用

由选矿排出的终尾砂进入旋流分离器，分离下来的粗砂与经陶瓷柱塞泵泵送过来的细砂按一定比例混合后进入砂池；从旋流分离器上部出来的10%的溢流液与高硫尾矿、废水中和浆液混合后与从细砂池出来的25%的溢流液一起进入浓缩机；从浓缩机底部出来的细砂浆经陶瓷柱塞泵打入细砂池；从细砂池底部出来的细砂浆经中间缓冲池后由陶瓷柱塞泵打入砂池；由砂池底部出来的按一定粗细砂比例配好的料浆经矿浆管道密度计进入双螺旋搅拌机，矿浆管道密度计监测其料浆浓度，水泥按设计配比好的灰砂比经双管螺旋给料机给料后，经螺旋电子秤计量，输送至高速活化双螺旋搅拌机中混合均匀的同时制成高效活化料浆，用于开采矿床的充填，具体尾砂充填系统工艺流程如图5所示。

尾矿充填过程中的系统工艺参数采用计算机控制，其控制界面如图6所示。尾砂充填作业过程中，料浆的粗细砂比例及灰泥比、料浆的浓度、砂池的液位、补水流量以及每天的水泥用量、放砂总量均可通过其控制系统实时在线了解，其中一个重要的控制参数就是料浆的密度是由矿浆管道密度计来完成的，作业过程中实时监测的料浆的密度如图7所示。

从图7可以了解到，充填作业过程中料浆密度基本稳定在1 650 kg/m3，如果运行过程中发现密度发生变化，操作人员可以及时调整其他的工艺参数，如要控制好粗细砂比例、选择合适的灰砂比以满足采矿方法对充填强度的要求；最后选择合适密度的充填料浆，以保证尾矿混合物料在保持流动性的前提下提高矿床充填区的结构强度。

4 结 论

从矿浆管道密度计的数学模型出发，介绍了其检测原理及其实现方式，从开发的矿浆管道密度计在矿渣充填中的实际应用情况来看：矿浆管道密度计安装方式灵活，矿浆流动性好，流量稳定，满足谐振式管道矿浆密度计的测量要求；从现场取样和记录曲线分析结果可知：该矿浆管道密度计测量数据偏差在1%以内，密度测量偏差在3%以内，偏差值稳定，在实际误差允许范围之内，提取记录曲线显示的矿浆密度及其变化趋势与生产实际状况有准确对应关系，给尾砂充填作业的高效安全生产提供了很好的技术保障。