矿浆浓度自动检测技术研究进展

曾理 黄宋魏 田妞 赵凯

作者简介：曾理（1998-），硕士研究生，从事选矿设备与选矿过程自动化的研究。

通讯作者：黄宋魏（1966-），教授，从事选矿设备及其自动化的研究，594770837@qq.com。

引用本文：曾理，黄宋魏，田妞，等.矿浆浓度自动检测技术研究进展［J］.化工自动化及仪表，2024，51（2）：152-158.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202402002

摘 要 介绍目前最常用的矿浆浓度检测技术——超声波法、谐振法、射线法和称重法，阐述其结构组成、工作原理、技术特点、实际应用情况以及各自的优、缺点，重点介绍重力式矿浆浓度检测技术及其应用情况。最后，给出矿浆浓度检测仪表的应用选型建议，指出了矿浆浓度检测技术的未来发展趋势。

关键词 自动检测 矿浆浓度 重力式检测法 超声波法 谐振法 射线法

中图分类号 TP272；TD923   文献标志码 A   文章编号 1000-3932（2024）02-0152-07

矿浆浓度作为选矿工业的关键工艺参数，会对磨矿、浮选、重选及脱水等过程产生直接影响，从而影响选矿技术的经济指标［1］。在磨矿作业中，通过调整分级溢流矿浆浓度改变磨矿细度，适当的矿浆浓度有助于确保磨矿粒度特性的理想状态、最高产量和最低水电消耗。在分级操作中，矿浆浓度的高低决定了分级溢流的细度。在浮选作业中，矿浆浓度的变化会影响精矿回收率、产品品质、药剂用量、浮选机生产能力以及有用矿物的选择性捕获效率。此外，不同矿浆浓度条件下，重力选矿过程会以不同程度影响各种重选设备的选别指标［2，3］。

矿浆浓度的准确检测关系到磨矿分级产品的浓度、细度、选别作业指标和浓缩作业的运行效率。多年来，国内外一直致力于矿浆浓度在线检测技术的研究，目前，矿浆浓度检测主要有基于超声波、射线、光电、谐振、压差及称重等的方法。各类矿浆浓度检测装置已在选矿过程应用。智能化仪器的不断发展使得选矿厂的经济效益及其智能化水平不断提升。为确保设备长期稳定运行以及便于后期维护，在实际生产过程中，需根据具体情况选择适宜的矿浆浓度检测设备［4，5］。

1 超声波法矿浆浓度检测技术

1.1 结构组成

超声波法矿浆浓度检测仪的结构如图1所示，主要包括超声波发射换能器、超声波接收换能器和信号处理器3部分［6，7］。发射换能器在一侧释放超声波信号，信号穿透矿浆后，接收换能器在另一侧捕捉到该信号，接收到的超声波信号被传送至信号处理器，在对信号进行处理和计算后，得出矿浆浓度数据。

图1 超声波法矿浆浓度检测仪结构框图

1.2 工作原理

超声波法矿浆浓度检测仪在进行矿浆浓度检测时，首要任务是确认超声波在矿浆内的衰减系数。总衰减系数可以认为是散射衰减系数、黏性衰减系数和热传导衰减系数的综合。当超声波在矿浆中的传播距离为L′时，声波振幅将呈指数式衰减，超声波衰减规律如下［8］：

p=pe（1）

其中，p为超声波传播距离L′后的振幅；p为传播前的振幅；α为衰减系数。

另外，根据超声波振幅与超声波换能器上接收到的电压信号振幅成比例的关系，可将式（1）转换为：

α=（ln A-ln A）/L（2）

其中，A为发射换能器上超声信号的幅值；A为接收换能器的超声信号的幅值；L表示发射换能器与接收换能器之间的距离。

超声波在矿浆中传播时会受到多种因素的影响而导致衰减，包括散射衰减、吸收衰减和热传导衰减，这是由于超声波与矿浆颗粒碰撞作用导致的。当超声波抵达接收端时，接收换能器会将其振幅转换为电压值。通过使用校准的浓度-衰减曲线，可以确定矿浆浓度。

1.3 研究与应用

文献［9］研究发现在矿浆中传播的超声波，其声学参数与粒度、浓度等工艺参数之间表现出很好的相关性。通过对选矿流程中矿浆属性、微气泡存在形式及其对超声波传输衰减影响程度等因素的全面分析，研发了独特的测量设备。该设备避免了复杂的脱气装置，并确保在颗粒粒径差异较大、气含量不稳定等恶劣条件下，测量设备在悬浮液中具备充足的动态测量范围和检测灵敏度，并选用合适的耐磨内衬材料，成功解决了在线测量设备耐磨性能不足的关键难题。目前，该超声波（矿浆）浓度计已经在40多个工业现场成功应用，并且已经在200余个矿山磨选过程的给矿、溢流、底流、沉砂等环节中得到了验证和广泛应用［10～13］。

金堆城百花岭选矿厂使用了一台单流道在线超声波粒度仪，并且该仪器运行非常稳定。在磨矿分级溢流环节，-200目（一个-200目的筛网的孔径是74 μm）含量和矿浆浓度误差都被控制在±2%以内，测量结果能够精确反映磨矿操作的浓度和粒度分布，满足生产工艺需求［14，15］。

1.4 优点与不足

优点。超声衰减与被测介质的分散物质体积浓度有关，不受测量对象、悬浮液或双相流的颜色、pH值和电导率影响，适用于固态、乳化颗粒等悬浮颗粒的检测。超声波（矿浆）浓度计具有快速响应和短周期测量特点，可以实现在线浓度检测。此外，可以根据工艺浓度检测点的实际情况设计成不同的装置形式，如管段式、浸入式等。

不足。超声波检测法对传感器的密封性和声波透过性有较高要求。探头设备需针对测量矿浆的矿物种类进行订制，并定期进行校准，后续维护较为复杂。另外，矿浆中的气泡会影响检测结果的准确性。

2 谐振法矿漿浓度检测技术

2.1 结构组成

谐振式音叉密度（浓度）计探头实物图如图2所示。

图2 谐振式音叉密度（浓度）计探头

为了实现密度或浓度的测量，谐振式音叉密度计采用了两齿音叉作为振动部件，并且在叉体齿根部设置了激励线圈，以使音叉振动。通过移相和放大电路检测音叉的振动频率，压电晶体被用于转换电能和机械能。在初始状态下，音叉体具有稳定的固有谐振频率，当测量流体流经音叉时，共振系统的固有振动频率因为振动而发生改变，整个振动体系的频率也会相应变化。不同密度的流体将在振动系统中产生不同的固有振动频率，而相同密度的流体在振动体系中的固有频率则具有唯一性，从而实现了流体密度或浓度的测量。因此，仅需测量振动系统中的特定振动频率，就能计算出流体密度，并据此得出流体浓度值［16］。

2.2 工作原理

谐振式音叉密度计检测过程中，被测流体的振动频率与流体密度有如下关系：

？籽=K+KT+KT（3）

式中 K、K、K——叉体传感器系统，需进行现场试验标定；

T——振动叉体固有振动频率，Hz；

T——被测流体通过叉体时的振动频率，Hz；

ρ——被测流体密度，g/cm3。

流体浓度与流体密度的关系为：

c=（ρ/ρ）×（ρ-ρ）/（ρ-ρ）（4）

式中 c——被测流体的浓度，g/cm3；

ρ——流体中固体物质的自然容重（干矿密度），g/cm3；

ρ——基准密度，即水的密度，g/cm3。

2.3 研究与应用

某铅锌矿业公司采用了谐振式密度（浓度）分析仪实时监测矿浆浓度。对化验数值与仪器测定值的误差进行了统计分析，测量精准度评估见表1。结果显示，该分析仪性能稳定、测量精确度高、重现性优良，能够实时、精准地反映选矿生产过程中矿浆浓度和密度的变化。该密度（或浓度）分析仪采用谐振原理进行测量，包括两个齿状音叉，作为振动元件，激励线圈会激励这两个音叉体振动，利用压电陶瓷检测音叉在不同矿浆密度下的频率变化，进而测定介质密度。采用数字锁相环频率跟踪技术和小波变化降噪技术使仪器具有优异的选频特性和频率跟踪特性，成功克服了噪声、压力、管道振动及工艺流程变化等因素对仪器的干扰，从而提高了浓度测量的准确性和稳定性［17～19］。

2.4 优点与不足

优点。可在线检测矿浆浓度，具有简洁的结构和较高的测量速度。仪器体积紧凑、安装方便、即插即用，适用于绝大多数矿浆浓度的测量；无需现场标定，具有较高的测量精度。

不足。測量过程中音叉传感器长时间与矿浆接触，对音叉材料要求较高，且音叉形状尺寸对测量结果影响显著，难以确定。长时间使用可能出现严重磨损或矿浆粘附，对测量结果产生严重影响，需频繁进行维护。此外，由于矿浆浓度的不均匀性，谐振式检测方法在气泡较多的情况下测量不准确。

3 射线法矿浆浓度检测技术

3.1 结构组成

射线检测法的原理如图3所示，主要包括放射源、探测器和检测仪表3个关键组件。放射源负责发射能量较高的射线，通过矿浆后被探测器接收。探测器对穿透矿浆的射线进行检测，捕获并转换成电信号。检测仪表对电信号进行处理和分析，以计算矿浆浓度。放射源通常采用放射性同位素，如Co60或Cs137等［20］，它们具有较长的半衰期并能产生高能量的伽马射线，这些射线能穿透矿浆并根据矿浆的密度和浓度衰减不同程度。探测器一般选用闪烁探测器或半导体探测器等，用于接收经过矿浆的射线并将其转换为可测量的电信号。探测器的灵敏度和响应速度对测量结果的精度至关重要。检测仪表负责对来自探测器的电信号进行放大、滤波和处理，将其转换为与矿浆浓度相关的数值。此外，检测仪表还可以进行数据存储、显示和远程传输，以便实时监控和分析矿浆浓度的变化［21］。

图3 射线法检测原理

3.2 工作原理

当放射源在矿浆一侧发出射线时，矿浆会吸收部分射线，使得射线穿透矿浆后出现衰减，射线强度被另一侧的探测器检测到。接着，根据在特定条件下，矿浆密度与射线强度之间的变化关系，便可以得出矿浆的浓度。其中，矿浆密度的计算式为：

ρ′=-ln（5）

式中 I——入射射线强度；

I——穿过矿浆后的射线强度；

μ——矿浆吸收系数，m2/kg；

ρ′——矿浆密度，kg/m3。

3.3 研究与应用

核辐射检测技术自出现以来，由于污染问题被国家限制使用。后来，出现了常规矿浆浓度检测仪表，通过直接接触介质有效测量被测介质的属性，这些仪表具有较高的安全性能、成本低、无需额外配套设施，并且易于获取所需检测数据等特点。然而，直接接触式测量对介质、工况和安装要求较高，对于高温、高压、高腐蚀、高粉尘等极端工况，测量精度较低，使用寿命有限，且在仪表故障时需停机处理，给连续生产带来不便［22］。

以前核子密度计普遍采用Cs137同位素作为放射源，其半衰期为30.17 a，一旦进入环境中，将长期存在，因此，它是环境放射性核素之一。

最近，出现了以Na22+同位素为放射源的核子密度计，Na22+同位素的半衰期为2.6 a，为正电子辐射体，同时发射γ射线。文献［23］报道，云南华联锌铟公司冶炼厂应用了10多台浓密机在测量底流密度时都采用了以Na22+同位素作为放射源的核密度计。虽然Na22+同位素仪表的制造成本相对于Cs137和Co60检测仪表稍高，但无需在国家生态环境部申请辐射安全许可证。而且，传统核子密度计需要配套视频监控系统、环境当量检测系统等设备，负责仪表维护的人员必须获得辐射安全与培训证书，并配备铅服、辐射检测仪、个人辐射剂量仪等设备。但该公司使用的10台浓密机底流密度计中，所有测量值与化验室实际密度的误差率均低于±2%。总的来说，Na22+核源仪表在成本、安全性和便捷性方面具有显著优势，这使得它在许多行业应用中，尤其是对于密度测量任务而言，成为了一个更为经济和实用的选择。这种仪表不仅降低了初期投资成本，而且减轻了后期维护和管理的负担，为企业带来了更多的经济效益。

3.4 优点与不足

优点。射线检测法为非接触检测，具有检测精度高、安装调试方便等特点，可适用于高温、高压、强腐蚀性、磨损严重的环境场合。

不足。检测易受矿浆成分变化、混入气泡、固液分布不均等因素影响。另外，该方法需要使用放射性同位素，在使用前必须向国家环保监管部门提交申请并获得许可方能使用，同时在使用期间还要定期接受相关部门的检查。射线检测法也涉及核辐射防护、环境保护等相关问题。

4 重力式矿浆浓度检测技术

4.1 结构组成

由昆明理工大学黄宋魏团队创新设计开发的称重式矿浆浓度检测仪如图4所示，设备由采样装置、测量装置、清洗装置和测控主机组成。采样装置安装在矿浆输送管道上，测量装置安装在采样装置的正下方，清洗装置安装在采样装置的上方，清洗电磁阀经清洗水软管与清洗水入口对接，测控主机分别与采样装置、测量装置、清洗装置通过电缆连接［24］。

4.2 工作原理

重力式矿浆浓度检测仪在进行检测时，依靠电动螺旋的旋转作用将管道内的矿浆吸入测量容器，然后在电动螺旋推力的作用下排到输送管道。当矿浆流过测量容器时，通过测定容器内矿浆的重量，借助称重傳感器进行检测，然后应用数学模型计算矿浆浓度。为了确保矿浆采样的代表性，采样阀开口为长条形设计，垂直安装在矿浆管道内，可以截取管道各个层面的矿浆。

设计的重力式矿浆浓度检测仪矿浆浓度的计算数学模型为：

P=×100%（6）

其中，P为矿浆百分比浓度；k为密度系数；δ为矿石密度；k为体积系数；k为重量系数；N为矿浆的标准重量采样值；N为清水的标准重量采样值；d为水密度。

4.3 应用测试

昆明理工大学矿物加工智能测控研究室对重力式矿浆浓度检测仪进行了应用动态测试，被测对象为磁铁矿矿浆和胶磷矿矿浆。

设计由矿浆浓度检测仪、可调速立式渣浆泵、管道等组成实验装置，矿浆经可调速立式渣浆泵输出并进入采样测量单元后返回，形成矿浆循环。实验步骤如下：

a. 往可调速立式渣浆泵加入一定量的清水；

b. 分步加入一定量的干矿粉以改变矿浆浓度；

c. 计算矿浆浓度并进行矿浆浓度检测；

d. 记录相关数据。

矿浆浓度检测的动态测试结果见表2，可以看出，矿浆浓度检测仪的检测误差均在±0.48%以内，而选矿工业生产对矿浆的检测精度要求一般为±2%以内，可见本检测仪的检测精度明显高于实际生产要求。目前，重力式矿浆浓度检测仪已经在某选矿厂投运。

4.4 优点与不足

优点。适用于矿浆成分变化、矿浆粒度变化、矿浆混入气泡等环境场合的矿浆浓度检测，由于采用浓度壶原理进行检测，具有检测精度高、适应性强、稳定性好等特点。

不足。由于是接触式检测，因此不适用于高温、高压、强腐蚀性环境场合。

5 矿浆浓度检测仪表的选型建议

矿浆浓度是矿业、冶金、石化等行业的关键参数之一，在矿浆浓度检测仪表选型时需要综合考虑各种因素。现结合实际应用经验，对矿浆浓度检测仪表选型提出几点建议［25～27］：

a. 测量原理要与被测矿浆特性相适应。了解不同类型的浓度检测仪表的测量原理及其适用范围，如射线法、谐振法、光电法、超声波法等检测原理的仪表，选择检测原理适合工艺要求和测量环境的仪表。

b. 测量范围要稍大于被测矿浆浓度的变化范围。确保选型的仪表测量范围与实际应用场合相匹配，具备一定的余量，以满足生产过程中可能出现的波动。

c. 精度和分辨率要满足适用要求。选择精度和分辨率满足使用要求的仪表，一般来说，较高的精度和分辨率有助于更准确地控制生产过程，但仪表价格较高，以适用为准则。

d. 安装方式要适合应用现场安装。充分考虑现场环境和管道布局，选择合适的安装方式，如在线式、插入式或便携式。

e. 具有较强的抗干扰能力。矿浆浓度检测仪表应用场合普遍具有较强的干扰，这就要求检测仪表应具备较强的抗干扰能力，能够在恶劣的现场环境下稳定工作。

f. 便于维护和校准。选择易于维护和校准的仪表，以降低运行成本。如自动校准功能可以减少手动干预，提高生产效率。

g. 选择性价比高且信誉好的产品。在保证性能、质量和使用要求的前提下，考虑价格和品牌因素，选择具有良好口碑、售后服务完善的产品。对于首次使用产品，可以采用先试用再逐步批量购置的办法。

h. 具备满足要求的通信功能。现代工业对数据传输和远程监控的需求越来越高，选择具备通信功能的矿浆浓度检测仪表有助于实现生产过程的智能化和自动化。

6 矿浆浓度检测技术的发展趋势

随着科技的快速发展，矿浆浓度检测技术也在不断取得突破和进步。从传统的采样实验室检测到实时在线检测，矿浆浓度检测技术已经越来越广泛地应用于矿业、冶炼、化工等领域。矿浆浓度检测技术具有以下4个方向的发展趋势［28～31］：

a. 向智能化检测技术发展。随着人工智能、物联网、大数据等技术的飞速发展，矿浆浓度检测技术将更加智能化。这将通过采用自适应算法、深度学习等方法，实现对矿浆浓度的精确预测和实时调整，从而提高生产效率，降低资源浪费。

b. 高精度传感器的应用。未来矿浆浓度检测技术将更加注重传感器的高精度和高稳定性，研究者将通过对新型材料、微纳米技术的探索，不断提高传感器的性能，以满足对不同种类矿浆、各种工况条件下的矿浆浓度检测需求。

c. 多参数联合检测技术进一步发展。随着矿浆浓度检测技术的深入研究，未来将更加注重多参数联合检测。通过多种参数（如温度、压力、流速等）的实时检测以及对数据的综合分析，可提高矿浆浓度检测的准确性和稳定性。

d. 注重环保与节能。环境保护和资源节约已成为全球共同关注的主题。未来矿浆浓度检测技术将更加注重环保与节能，通过减少能源消耗、降低排放、提高资源利用率等手段，实现绿色可持续发展。

7 结束语

选矿过程环境恶劣、影响因素多，矿浆浓度检测一直是选矿生产的一个难点。多年来，虽然出现了诸如超声波法、音叉法、射线法、称重法等多种检测方法，但从实际应用效果来看，核子密度计应用最为广泛，具有检测精度高、适应性强、安装调试方便等特点，但因其易受矿浆成分变化及混入气泡的影响，存在环保方面的问题以及应用申请手续繁琐等不足，近年来核子密度计应用出现了明显减少的趋势。新型称重式矿浆浓度检测仪的创新研发，改变了选矿行业对矿浆浓度检测存在的观望状况，该设备不仅检测精度高、适用范围广、达到环保要求，而且弥补了核子密度计存在的不足，为选矿过程以及其他工业过程矿浆浓度检测开辟了新途径。

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（收稿日期：2023-04-07，修回日期：2023-04-28）

Study Progress in Auto-detection Technology of Pulp Concentration

ZENG Li， HUANG Song-wei， TIAN Niu， ZHAO Kai

（Faculty of Land Resources Engineering， Kunming University of Science and Technology）

Abstract   In this paper， the commonly-used technologies like the ultrasonic method， resonance method and the ray method for the pulp concentration detection were described and their structural composition， working principle， technical characteristics and practical applications were expounded， including the focuses on the latest gravity-type pulp concentration detection technology and its application. Finally， the suggestions for selecting pulp concentration detection instrument were presented and the development trend of the technologies concerned were made stand.

Key words   auto-detection， pulp concentration， gravity-type detection method， ultrasonic method， resonance method， ray method