Система автоматического контроля содержания магнетита в пульпе
AUTOMATIC CONTROL SYSTEM FOR MAGNETITE CONTENT IN PULP

Изобретение относится к системам автоматического контроля качества технологических продуктов в процессах обогащения руд, содержащих магнитное железо.
Известен анализатор потерь магнетита АПМ-2, применяемый в качестве автоматического средства контроля потерь магнетита в хвостах обогащения на обогатительных фабриках (http://scma.com.ua/product/analizator-poter-magnetita-apm-2/). Автоматический контроль потерь магнетита производится путем отбора части потока пульпы, заполнения анализируемым материалом осадочной камеры, формирования в ней в течение заданного времени осадка и последующей обработки генерируемого с помощью встроенного в осадочную камеру индукционного преобразователя аналитического сигнала, функционально связанного с содержанием магнитного железа в твердой фазе пробы. Недостатком анализатора является влияние на точность измерений количества и плотности отбираемой пульповой пробы, а также вариации крупности частиц твердой фазы.
Известен анализатор содержания магнетита в твердой фазе железорудных пульп (http://patents.su/4-951133-analizator-soderzhaniya-magnitnogo-zheleza-v-tverdojj-faze-zheleznorudnykh-pulp.html). Анализ содержания магнетита осуществляется путем заполнения немагнитной вертикальной трубы контролируемым продуктом, формирования в ней осадка в течение времени достижения верхним слоем осадка зоны срабатывания датчика уровня, подачей после появления соответствующего сигнала на выходе датчика уровня питания на электромагнит, расположенный в непосредственной близости от участка немагнитной вертикальной трубы, заполненной осадком, измерения силы притяжения электромагнита к выбранному участку вертикальной трубы путем передачи усилия через систему подвижных рычагов на силовой элемент и обработку выходного сигнала силового элемента, функционально связанного с объемным содержанием в массе осадка магнетита, регистрирующим прибором. Недостатком известного решения является низкая точность измерения, обусловленная, во-первых, тем, что контролируемый продукт подается в анализатор непрерывно, вследствие чего при переполнении вертикальной трубы материалом часть мелкой фракции магнетита теряется со сливом, что приводит к нарушению представительности пробы, а во-вторых, невозможностью рассчитать точный объем осадка, так как формирование его массы осуществляется в процессе уплотнения осаждающихся из пульпы частиц твердого, поэтому граница между верхним уровнем осадка и зоной уплотнения размыта и является условной величиной. Кроме того, как и в рассматриваемом предыдущем решении, ухудшение точности измерений обусловлено влиянием вариации расхода, плотности и гранулометрического состава контролируемого материала.
Наиболее близким к заявляемому решению является устройство для автоматического измерения содержания магнетита в твердой фазе железорудных пульп, содержащее пробоприемное устройство, вертикальную немагнитную трубу, соединенную с пробоприемным устройством, электромагнит, закрепленный на подвижном рычаге, силоизмерительный элемент, установленный на стенке вертикальной немагнитной трубы, весоизмерительный блок для взвешивания пробоприемного устройства, датчик уровня пульпы в пробоприемном устройстве и управляющий контроллер (https://yandex.ru/patents/doc/SU1000883A1_19830228), (SU, а.с. №1000883, кл.G01N 27/72, 1981 г.).
Измерение содержания магнетита известным устройством осуществляется путем отбора пробы контролируемого потока пульпы, заполнения отобранным материалом вертикальной немагнитной трубы до зоны срабатывания датчика уровня, взвешивания пробоприемного устройства с помощью весоизмерительного блока, вычисления веса осадка, включения в работу электромагнита, съема сигнала с силоизмерительного элемента, пропорционального усилию притяжения электромагнита к осажденному материалу, функционально связанному с количеством магнетита в осадке, и пересчете по градуировочному уравнению сигналов весоизмерительного блока и силоизмерительного элемента в процент содержания магнетита в контролируемом материале.
3
3
К недостаткам устройства следует отнести сложность конструкции, обеспечивающей определение веса осадка на основе косвенного измерение плотности продукта по весу и расчетному объему конструкции, заполненной материалом и низкая точность измерений содержания магнетита. Низкая точность измерений обусловлена несколькими причинами. Первая причина - расчет веса пульпы, необходимого для получения заданного количества осадка для вычисленного текущего значении плотности пульпы. Расчет производится при ошибочном допущении, что удельный вес твердых частичек является постоянной величиной для конкретного технологического процесса. Дело в том, что содержание магнетита в различных продуктах одного и того же технологического процесса может изменяться в пределах от 1-2% до 50-60% и выше. С учетом того, что удельный вес магнетита составляет 4,8-5,3 г/см, а удельный вес основной вмещающей породы - кварца, 2,6-2,65 г/см, вес осадка и последующий пересчет на основе этих данных необходимого веса пульпы при принятом допущении будет произведен с большой погрешностью, величина которой зависит от типа технологического продукта. Другая причина низкой точности измерений заключается в том, что частички магнетита вперемешку с частичками пустой породы рассредоточены по всему объему осадка и степень их участия в формировании силы притяжения будет зависеть от расстояния до активной поверхности электромагнита.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее техническое решение, заключается в повышении точности измерения содержания магнетита в пульпе за счет сепарации частиц магнетита в процессе осаждения из общей массы материала благодаря принудительной аэрации зоны осаждения, селективного насыщения магнитными частичками зоны магнитного притяжения, учета физических свойств анализируемого потока.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе автоматического контроля содержания магнетита в пульпе, содержащей пробоприемное устройство, вертикальную немагнитную трубу, соединенную с пробоприемным устройством, электромагнит, закрепленный на подвижном рычаге, силоизмерительный элемент, установленный на стенке вертикальной немагнитной трубы, датчик уровня пульпы в пробоприемном устройстве и управляющий контроллер, согласно изобретению, система дополнительно содержит управляемый пробоотборник, датчик плотности контролируемого продукта, клапан и фильтр-регулятор подачи сжатого воздуха в вертикальную немагнитную трубу, клапан подачи воды на промывку, весоизмерительный преобразователь и размагничивающее устройство, электрически соединенные, соответственно, с силоизмерительным элементом и электромагнитом, измерительную кювету, жестко закрепленную на нижней части вертикальной трубы, при этом, измерительная кювета выполнена из немагнитного материала в форме отрезка трубы прямоугольного сечения, площадь проходного сечения кюветы составляет от 50% до 60% проходного сечения вертикальной трубы, площадь ее передней стенки, обращенной к электромагниту, превышает не менее, чем в два раза площадь активной поверхности электромагнита, на внутренней поверхности противоположной стенки кюветы закреплен отражательный элемент, выполненный в форме плоского прямоугольного выступа, внутренний угол наклона которого к плоскости стенки составляет от 25° до 45° причем, нижнее ребро выступа расположено выше уровня внешней поверхности электромагнита, не менее, чем на  его высоты, площадь проходного сечения, ограниченного нижним ребром выступа и стенками, составляет от 30% до 40% площади проходного сечения измерительной кюветы, а нижняя часть измерительной кюветы содержит запорный клапан с пневматическим приводом, при этом, выходы контроллера соединены со входами размагничивающего устройства управляемого пробоотборника, пневмопривода запорного клапана, клапана подачи сжатого воздуха в вертикальную немагнитную трубу и клапана подачи воды на промывку, а входы соединены с выходами плотномера, датчика уровня пульпы и весоизмерительного преобразователя.
На фиг. 1 изображена схема реализации системы автоматического контроля содержания магнетита в пульпе.
На фиг. 2 приведена иллюстрация взаимодействия потока сжатого воздуха и частичек твердого в вертикальной трубе.
Система автоматического контроля содержания магнетита в пульпе содержит управляемый пробоотборник 1 с клапаном 2 подачи воздуха, датчик 3 плотности пульпы в технологической емкости 4, пробоприемное устройство 5 с датчиком 6 уровня пульпы и клапаном 7 подачи воды на промывку, шарнирную опору 8, подвижный рычаг 9 с противовесом 10 и закрепленным на нем электромагнитом 11, питание которого осуществляется через устройство 12 размагничивания, вертикальную немагнитную трубу 13 с установленным на ней силоизмерительным элементом 14, электрически соединенным с весоизмерительным преобразователем 15, клапан 16 подачи сжатого воздуха в вертикальную трубу 13 через фильтр-регулятор 17, измерительную кювету 18 с плоским прямоугольным выступом 19, запорный клапан 20 на выходе измерительной кюветы с пневмоприводом 21, контроллер 22 с операторской панелью 23, входы контроллера 22 соединены с выходами датчика 3 плотности пульпы, датчика 6 уровня пульпы, весоизмерительного преобразователя 15, а выходы соединены со входами клапана 2 подачи воздуха в управляемый пробоотборник 1, клапана 7 подачи воды на промывку, устройства 12 размагничивания, электромагнита 11, клапана 16 подачи сжатого воздуха в вертикальную трубу 13 и пневмопривода 21 запорного клапана 20.
Система работает следующим образом.
В исходном состоянии клапан 2 подачи воздуха в управляемый пробоотборник 1, клапан 7 подачи воды на промывку, клапан 16 подачи сжатого воздуха в вертикальную трубу 13 и запорный клапан 20 закрыты, питание устройства 12 размагничивания, электромагнита 11 и весоизмерительного преобразователя 15 отключено.
По команде «Пуск » с операторской панели 23 контроллер 22 подает команды Y1 на открытие клапана 2 подачи воздуха в управляемый пробоотборник 1, Y4 на открытие клапана 16 подачи сжатого воздуха через фильтр-регулятор в вертикальную трубу 13, Y3 на подачу питания электромагнита 11 через устройство 12 размагничивания и Y6 на подачу питания весоизмерительного преобразователя 15. Устройство 12 размагничивания в схеме системы предназначено для снятия остаточного намагничивания электромагнита 11 в режимах отключения питания, а весоизмерительный преобразователь 15 выполняет роль усилителя выходного сигнала силоизмерительного элемента 14 с целью повышения его помехозащищенности.
Подача воздуха в управляемый пробоотборник 1 (в качестве примера выбран пробоотборник аэролифтного типа) приводит к отбору пробы пульпы из технологической емкости 4, подаче ее в пробоприемное устройство 5 и последующее заполнение вертикальной немагнитной трубы 13 и измерительной кюветы 18.
Выполнение измерительной кюветы 18 в виде отрезка прямоугольной трубы позволяет благодаря плоской форме стенки, обращенной к активной поверхности электромагнита 11, создать однородное магнитное поле в зоне анализа и минимизировать расстояние между активной поверхностью электромагнита 11 и контролируемым материалом, что способствует увеличению точности измерения за счет повышения эффективности электромагнита 11 по селективному извлечению частиц магнетита из потока твердой фракции пробы и развитию вследствие этого большего усилия притяжения. Площадь проходного сечения кюветы 18 в диапазоне от 50% до 60% проходного сечения вертикальной трубы 13 обеспечивает возможность плавного перехода от круглой к прямоугольной форме сопрягаемых деталей с целью предотвращения высаждения частичек твердого на выступающих элементах конструкции. Площадь передней стенки измерительной кюветы 18, обращенной к электромагниту 11, превышает не менее, чем в два раза площадь его активной поверхности, что обеспечивает максимальную эффективность взаимодействия электромагнита 11 с контролируемым материалом за счет концентрации всего магнитного поля электромагнита 11 внутри объема измерительной кюветы 18.
Поток сжатого воздуха, подаваемый через открытый клапан 16 и фильтр-регулятор 17 в вертикальную немагнитную трубу 13, поднимаясь навстречу потоку пульпы, способствует усилению дифференциации скорости осаждения минеральных компонентов твердой фракции пробы, обусловленной различным удельным весом частичек магнетита и вмещающих пород. Вследствие этого, за счет более высокой скорости осаждения частички магнетита быстрее появятся в зоне нахождения электромагнита 11 и с меньшими помехами вступят во взаимодействие с его магнитным полем. Степень дифференциации скоростей осаждения частичек твердого регулируют изменением расхода воздуха с помощью фильтр-регулятора 17
Наличие плоского прямоугольного выступа 19 способствует дополнительному повышению эффективности электромагнита 11, так как благодаря сужению проходного сечения измерительной кюветы 18 происходит концентрация потока осаждающихся частичек в зоне большей интенсивности магнитного поля.
Величина внутреннего угла α наклона плоского прямоугольного выступа 19 к плоскости стенки от 25° до 45° выбрана из условий компромисса между необходимостью обеспечения концентрации потока и предотвращения накопления частиц твердого на его поверхности. Нижнее ребро прямоугольного выступа 19 расположено выше уровня внешней поверхности электромагнита не менее, чем на  его высоты, с целью обеспечения своевременной концентрации потока к моменту его вхождения в зону взаимодействия с электромагнитом 11. Площадь проходного сечения, ограниченного нижним ребром прямоугольного выступа 19 и стенками, составляет от 30% до 40% проходного сечения измерительной кюветы, что не препятствует процессу осаждения частиц твердого и одновременно обеспечивает достаточную степень концентрации потока в зоне взаимодействия с магнитным полем электромагнита 11.
Усилие притяжения магнита через рычаг 9 передается силоизмерительному элементу 14, выходной сигнал которого через весоизмерительный преобразователь 15 поступает на вход Х3 контроллера 22. Одновременно в течение всего времени отбора пробы с датчика 3 плотности на вход контроллера 22 поступает сигнал X1 плотности пульпы соответствующего продукта (для примера на фиг. 1 показан отбор пробы слива) технологической емкости 4. После заполнения пробоприемного устройства 5 материалом до заданного уровня, срабатывает датчик 6 уровня пульпы и выдает на вход контроллера 21 сигнал Х2. При поступлении сигнала Х2 контроллер 22 подает команду Y1 на закрытие клапана 2 подачи воздуха в управляемый пробоотборник 1, прекращает съем сигнала X1 с датчика 3 плотности и продолжает принимать и анализировать сигнал Х3 с весоизмерительного преобразователя 15. По мере осаждения твердой фазы пульпы, величина сигнала Х3 изменяется по экспоненте, при этом скорость его роста постепенно уменьшается, стремясь к нулю. При снижении скорости до установленного минимального порога, контроллер 22 фиксирует достигнутое значение сигнала Х3 и переходит к вычислению содержания магнетита в пробе по градуировочному уравнению:
где:
CFe - содержание магнетита в пробе, %;
a1, а2, а3 - коэффициенты градуировочного уравнения;
Х3 макс - максимальное значение усилия прижатия электромагнита, г;
Ртв - вес твердого в отобранной пробе, г.
Значение Ртв рассчитывают по формуле: (https://studfile.net/preview/4436404/page: 13/):
где:
Pn=VnX2 - вес пробы пульпы, г;
Vn=const - объем пробы пульпы, отобранной для анализа (определяется конструктивными параметрами системы), л;
Х2 - средняя плотность опробуемого продукта, г/л;
ρ тв - удельная масса твердого, г/л,
ρ ж=1,0 -удельная масса жидкого, г/л.
В уравнении (2) неизвестной величиной является удельная масса твердого ρ тв, так как ее значение определяется случайным соотношением объемов частиц твердого, существенно отличающихся по удельной массе.
Нивелирование влияния случайных изменений удельной массы на точность вычислений веса твердого пробы возможно путем реализации следующей процедуры. Определяется реальный рабочий диапазон колебаний содержаний магнетита в пульпе для конкретного технологического продукта. В пределах данного диапазона определяется минимальное и максимальное значения содержаний магнетита путем ручного отбор проб продуктов и последующего определения в лабораторных условиях соответствующих значений удельной массы твердого - ρ тв мин и ρ тв макс. Вычисляется усредненное значение удельной массы по уравнению
Далее усредненное значение удельной массы применяется для расчета веса твердого в пробе.
Эффективность данного приема проиллюстрируем на примере расчета веса твердого пробы слива дешламатора в технологической схеме обогащения железорудного сырья. Исходные данные для расчета:
- проба №1 - плотность слива 1100 г/л, объем пробы 1 л, содержание частиц пустой породы в твердой фракции 98% с удельной массой ρ п=2600 г/л, содержание магнетита 2% с удельной массой ρ м=5000 г/л.;
- проба №2 - плотность слива 1100 г/л, объем пробы 1 л, содержание частиц пустой породы в твердой фракции 92% с удельной массой ρ п=2600 г/л, содержание магнетита 8% с удельной массой ρ м=5000 г/л.
Удельная масса смеси твердого пробы №1 будет равна
Удельная масса смеси твердого пробы №2 будет равна
Вес твердого для проб №1, 2 для вычисленных значений удельных масс смесей в соответствии с формулой (2) равен
Р'тв=160,7 г.; Р''тв=155,8 г.
В соответствии с формулой (3) находим усредненное значение удельной массы смеси твердого
Вычисляем по формуле (2) вес твердого Р тв ср с учетом скорректированного значения удельной массы смеси частиц ρ тв ср и получаем
Р тв ср=158,1 г.
Отклонение вычисленного значения Р тв ср от Р'тв и Р''тв в процентах составляет
То есть, ошибка вычисления веса твердого в данном случае, независимо от колебаний содержания магнетита, не превышает ±2,0%. Учитывая то обстоятельство, что роль фактора Ртв при вычислении значения CFe по уравнению (1) является второстепенной, такую точность вычисления Ртв можно считать приемлемой.
Положительный эффект применения рассмотренной выше методики расчета усредненного значения удельной массы смеси твердого проявляется и на других технологических продуктах процесса обогащения железорудного сырья.
После завершения расчета содержания магнетита контроллер 22 подает команду Y5 пневмоприводу 21 на открытие запорного клапана 20, Y4 на закрытие клапана 16 подачи сжатого воздуха через фильтр-регулятор 17 в вертикальную трубу 13, команду Y2 на открытия клапана 7 для подачи воды на промывку для смыва остатков материала со стенок пробоприемного устройства 5, вертикальной немагнитной трубы 13, измерительной кюветы 18 и снятие питания устройства 12 размагничивания, электромагнита 11 и весоизмерительного преобразователя 15. После завершения цикла промывки, продолжающегося в течение заданного периода времени, контроллер 22 подает команду Y2 на закрытие клапана 7 подачи воды на промывку, команду Y5 пневмоприводу 21 на закрытие запорного клапана 20 и система возвращается в исходное положение.
Таким образом, обеспечение усиления дифференциации скорости осаждения минеральных компонентов твердой фазы благодаря подаче сжатого воздуха в зону осаждения, применения измерительной кюветы в форме отрезка трубы прямоугольного сечения с отражательным элементом на ее внутренней поверхности, нивелирование влияния случайных колебаний физических свойств контролируемого материала на точность анализа благодаря контролю его плотности, повышение помехоустойчивости аналитического сигнала вследствие применения весоизмерительного преобразователя, устранение влияния на точность измерений остаточного магнетизма электромагнита, позволяют по сравнению с прототипом существенно повысить надежность и точность измерений содержания магнетита в пульпе.