Приборы контроля основных технологических параметров в процессах флотации минерального сырья

© А.А. Лавриненко, Г.В. Федин, 2012

УДК 622.765.002.56

А.А. Лавриненко, Г.В. Федин

ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В ПРОЦЕССАХ ФЛОТАЦИИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

Представлена информация о новых приборах контроля и управления технологическими параметрами процесса флотации: расхода реагентов, уровня и плотности пульпы, степени аэрированности пульпы, высоты и удельного веса пенного слоя.

Ключевые слова: флотация, приборы контроля и управления, расход реагентов, уровень пульпы, плотность пульпы, аэрация, высота пены.

Флотация - один из основных методов обогащения полезных ископаемых, особенно руд цветных металлов, что объясняется возможностью процесса с высокой точностью разделять компоненты тонкодисперсных минеральных смесей, состоящих иногда из частиц с весьма близкими физико-химическими свойствами.

Процесс флотации при обогащении минерального сырья занимает существенный объём материальных затрат и является самым ответственным технологическим процессом, поскольку потери на флотации являются практически невосполнимыми ввиду того, что пульпа после обогатительных аппаратов уходит из процесса обогащения. Поэтому к результативности флотационного передела, зависящей, во многом, от эффективности нижнего уровня системы автоматического контроля и регулирования технологического процесса, предъявляются высокие требования.

Необходимую контрастность свойств разделяемых компонентов обеспечивают обычно с помощью флотационных реагентов, которые, наряду с твёрдой фазой, определяют ионный состав жидкой фазы пульпы как среды разделения. Управление ионным составом и его стабилизация является необходимым условием, обеспечивающим полноту извлечения полезного компонента и качество получаемого продукта. Однако управляющее воздействие лишь на

указанный параметр, определяющий основной технологический эффект флотации, недостаточно, поскольку показатели процесса зависят не только от физико-химического состояния минеральной фазы и среды разделения, но и от характеристик гидроаэродинамических потоков в аппарате разделения, определяемых технологическими (конструктивными) особенностями флотационных машин.

К основным технологическим параметрам во флотационной машине относятся: уровень пульпы от сливного порога, степень аэ-рированности, плотность пульпы, общая высота слоя пены и слой пены над сливным порогом.

Для оптимизации процесса флотации минерального сырья необходимо непрерывно и оперативно вести измерение следующих технологических параметров:

- расхода реагентов по точкам дозирования,

- расхода входных и выходных потоков реагентов.

- уровня пульпы в камерах флотационных машин,

- степени аэрированности пульпы,

- высоты пенного слоя,

- удельного веса пенного слоя.

Дозирование реагентов является важнейшим управляющим воздействием в процессах флотации и поэтому заданные расходы подачи реагентов необходимо обеспечить с высокой точностью. В случае импульсного дозирования реагентов это условие выполняется при стабильных параметрах импульсного дозатора - давлении на входе дозатора, времени цикла работы и времени открытого состояния дозатора в течение цикла.

Расходы входных (в расходные баки) и выходных (в технологический процесс) потоков реагентов следует вести с целью технологического и коммерческого учёта расхода реагентов.

Степень аэрированности пульпы определяется как процентное отношение объёма воздуха в пульпе. Плотность пенного слоя на выходе из камеры флотационной машины может определяться показаниями силы натяжения тензометрического датчика.

Особенностью измерения и регулирования такого параметра, как уровень пульпы в камере флотационной машины, является то, что пульпа находится под переменным слоем пены, которая содержит флотационные реагенты, обеспечивающие налипание пены на большинство известных материалов для изготовления приборов контроля. Необходимо отметить, что резкой границы между пен-

ным слоем и поверхностью пульпы не существует, а поверхность пульпы не является спокойной. Толщина пенного слоя является условной и, как правило, не может быть определена с точностью выше ±10 мм. Кроме того испытания показали, что электропроводность пульпы и пены во многих случаях отличается в 2-3 раза.

Учет расхода реагента

Технологическая эффективность флотации определяется выбранным реагентным режимом, при этом экономические показатели процесса зависят от стоимости флотационных реагентов. Минимальные объемы расхода реагентов определяются регламентирующими технологическими документами.

Соблюдение режимных расходов флотационных реагентов обеспечивается с помощью контроля текущих рас-ходов. Во многих случаях в качестве дозаторов реагентов используются циклические импульсные дозаторы. Для стабильной расходной характеристики таких дозаторов необходимо при стабильности физических и химических параметров реагента обеспечить: стабильность цикла работы, заданного времени открытого состояния дозатора, метрологических характеристик дозатора (клапана) и давления на входе дозатора. Эти условия выполняются при использовании микропроцессорных средств формирования управляющих сигналов, выборе аналитических клапанов в качестве дозаторов и использовании блоков стабилизации уровня реагента на вход дозатора.

Калибровка таких дозаторов осуществляется объёмным расходомером прямого измерения, изображенного на рис. 1 [1].

Калибровочный дозатор содержит мерную ёмкость Уо , оснащенную датчиками Д1 и Д2, и свободно перемещаемым поршнем П. Клапаны К1 и К2 переключаются противофазными сигналами с выходов RS - триггера, на входы которого поступают сигналы с датчиков Д1 и Д2. Входной реагент при одном положении клапанов К1 и К2 перемещает подвижный поршень до срабатывания соответствующего датчика, после чего триггер переключается и реагент перемещает поршень в противоположное направление. Далее цикл повторяется. Расход Q определяется выражением: Q =2Vo*F, где F - выходная частота триггера.

Рис. 1. Объёмный расходомер порционный

Рис. 2. Порционный дозатор реагентов

На базе такого расходомера реализуется дозатор (рис. 2), где RS - триггер заменен управляемым генератором частоты,

Рис. 3. Дозатор - насос

подвижный клапан дополнен конусообразными запорными устройствами. Для такого порционного дозатора расход определяется приведенным выше выражением, а датчики исключаются.

Для подачи реагентов на агрегаты, расположенные выше размещения дозатора, может быть использована конструкция, изображенная на рис. 3.

Насос-дозатор содержит 4 нормально закрытых клапана, подключенных к ёмкости, оборудованной свободно перемещаемым поршнем. При открытых чётных клапанах реагент давлением сжатого воздуха транспортируется в технологический агрегат. При подходе поршня к датчику Д1 чётные клапаны закрываются, а нечётные открываются и реагент под давлением из расходного бака через клапан К1 заполняет мерную емкость Уо. При подходе поршня к датчику Д2 нечётные клапаны закрываются, а чётные открываются и процесс продолжается далее циклически. Расход реагента Q определяется выражением Q = Vo*F.

Прямые измерения расходов реагентов обеспечивают высокую точность как входных, так и выходных потоков реагентов. Использование расходомера с высокими метрологическими характеристиками на общем входе блока дозаторов позволяет проводить автоматическую калибровку дозаторов в каждом канале дозирования реагентов.

Применение преобразователей, обеспечивающих стандартный выходной токовый сигнал существенно сокращает затраты на приобретение различных приборов, функции которых может реализовать один микроконтроллер, оснащенный соответствующими программными блоками.

Приборы для измерения уровня пульпы и высоты слоя пены

Для измерения уровня пульпы могут быть использованы в качестве первичных сенсоров - поплавок, блок электропроводных контактов, не полностью погруженный в пульпу измерительный буёк, конденсатор специальной формы. В каждом конкретном случае выбирается первичный сенсор с учетом места установки.

Для каждого типа первичного сенсора разработаны преобразователи с выходным нормированным сигналом 0-20 мА: для индук-

4-20 мА

тивности, блока электропроводных контактов, ре-зистивной мостовой схемы, ёмкости.

Рис. 4. Схема индукционного измерителя уровня пульпы

На рис. 4 представлена функциональная схема индукционного измерителя уровня пульпы. Поплавок жестко соединен с чувствительным элементом индукционной катушки. Перемещение поплавка повторяется чувствительным элементом индукционной катушки. В этом приборе длина чувствительного элемента равна

Рис. 5. Индукционный измеритель уровня пульпы

максимальному вертикальному перемещению поплавка. Отсутствие кинематических связей поплавка и чувствительного элемента выгодно отличает его от рычажных конструкций датчика уровня ДТП-84, используемого на обогатительных фабриках. В большинстве случаев для устранения налипания пены на стержень, соединяющий чувствительный элемент и поплавок, подаются пульсирующие дозы воды. Выходной токовый сигнал гальванически изолирован и подается на систему автоматизации для последующей обработки.

На рис. 5 изображен индукционный измеритель уровня, позволяющий уменьшить вертикальные размеры прибора и упростить способ монтажа на объекте автоматизации.

На рис. 6 представлен двухканальный контактный измеритель высоты слоя пены и уровня пульпы в камере флотационной машины. Принцип работы прибора основан на том, что пена и пульпа отличаются по электропроводности. Прибор работает следующим образом. В преобразователе ПК располагается кольцевой счетный регистр, который последовательно подает напряжение на контакты («опрашивает контакты»). Изолированный коллекторный электрод, расположенный в торцевой части блока контактов, воспринимает прохождение (или не прохождение) тока от «опрашиваемого» контакта в пульпу. Величины тока контактов, расположенных в пульпе и в пене, различны. Путём установки пороговых значений электропроводности выделяется число контактов, находящихся в пульпе и в пене и преобразуется в два широтно-импульсных модулированных (ШИМ) сигнала, среднее значение которых соответствует уровню пульпы и высоте слоя пены. При необходимости измерения высоты слоя пены относительно сливного порога

используется контактный измеритель, у которого последний контакт находится на уровне сливного порога, а верхний уровень пены фиксируется первым контактом, соприкасающимся с пеной. В таком приборе практически исключается гальваническое растворение контактов.

Важным технологическим параметром пульпы, находящейся в камере флотационной машины, является плотность. Причем, плотность деаэрированной пульпы однозначно соответствует количеству в ней твёрдого, а плотность аэрированной пульпы непосредственно связана с количеством воздуха в пульпе.

Необходимым условием корректного измерения степени аэ-рированности пульпы является одновременное измерение в непосредственной близости друг от друга чувствительного элемента датчика аэрированной и деаэрированной пульпы. Чувствительным элементом для датчика плотности пульпы является полностью погруженный в пульпу измерительный буёк, прикрепленный к тензо-метрическому датчику (ТД) силы (рис. 7).

Сила натяжения тяги, соединяющей буёк и тензометрический датчик, и параметры буйка - вес и объём входят в формулу, определяющую плотность пульпы.

Простейшим прибором для измерения уровня пульпы (рис. 7) является измерительный буек, частично погруженный в пульпу и соединенный тягой с тензометрическим датчиком силы. Влияние изменения плотности пульпы на показания уровня пульпы корректируются в зависимости от показаний измерителя плотности.

В этом приборе при соответствующей конструкции измерительного буйка исключается налипание на него твёрдых фракций пульпы, что в значительной степени упрощает его обслуживание при эксплуатации.

Рис. 6. Двухканальный контактный измеритель уровня пульпы и высоты слоя пены

Рис. 7. Устройства контроля на базе тензометрического датчика

В процессах флотации полезные минералы, извлекаемые из пульпы, находятся в пенном слое. Поэтому плотность пульпы тесно коррелированна с количеством извлекаемого минерала и аэри-рованностью пульпы. Измерение плотности пульпы производится путём непрерывного взвешивания части выходного потока пенного слоя и измерения его высоты.

При измерении плотности пульпы и пены, уровня пульпы в камерах флотационных машин используются идентичные преобразователи: натяжение тяги - ток. Дальнейшая обработка этих сигналов осуществляется микроконтроллером, реализующем соответствующие виртуальные приборы и использующем результаты таких измерений в алгоритмах управления технологическим процессом флотации.

Для измерения уровня пульпы при отсутствии пенного слоя эффективным является конденсаторный измеритель (рис. 8) [2]. Принцип его работы заключается в том, что одна обкладка конденсатора, не соприкасающаяся с жидкостью, остается неподвижной относительно пульпы (или другой электропроводной жидкости), а вторая обкладка - пульпа, изменяющая уровень. Изолирующим слоем между «обкладками» такого конденсатора является слой диэлектрика. Изменение уровня пульпы вызывает линейное изменение ёмкости. Линейный преобразователь ёмкость - ток позволяет получить линейную зависимость величины тока от уровня пульпы.

ПС

4-2 Ом А

ПС

4-20мА

уровень

Пена над порогом

Рис. 8. Конденсаторный измеритель уровня

Конденсаторный измеритель уровня может быть использован для измерения высоты слоя пены (рис. 8), а при использовании специальной конструкции конденсатора и поплавка, расположенного на поверхности пульпы, конструкция прибора аналогична уже рассмотренному индукционному измерителю уровня, в котором индукционная катушка с подвижным сердечником заменяется переменным конденсатором.

В качестве первичного конденсаторного датчика успешно использована полиэтиленовая труба (диэлектрическая обкладка), заполненная электропроводной жидкостью (водой), и контактом в ней. Эта конструкция использована в качестве неподвижного электрода и диэлектрического слоя.

Следует отметить, что в вышеперечисленных средствах контроля преобразование первичных сигналов в реальные значения технологических параметров осуществляется вычислительными средствами автоматизированной системы управления технологическим процессом путём реализации системы виртуальных приборов для измеряемых параметров.

Таким образом, представленные новые приборы контроля и управления технологическими параметрами флотации отличаются простотой исполнения, что сокращает затраты на приобретение и эксплуатацию измерительных приборов. Их применение характеризуется высокой результативностью управления характеристиками процесса и повышает эффективность технологии обогащения минерального сырья.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент РФ №2331852. Устройство для измерения расхода жидких реагентов, Бюл. № 23 от 20.08.06, G01F 3/16.

2. Патент РФ на ПМ Емкостный уровнемер (варианты), Бюл. №1 от 10.01.2004, ООН 23/26. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Лавриненко Анатолий Афанасьевич - доктор технических наук, зав. лабораторией, lavrin_a@mail.ru, Учреждение Российской академии наук Институт проблем комплексного освоения недр РАН, info@ipkonran.ru

Федин Георгий Васильевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий лабораторией, geofedin@yandex.ru, ОАО «Союзцветметав-томатика».