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旋流-静态微泡浮选柱液位自动控制系统设计
2007-05-15
浮选柱液位的控制是直接影响回收率及精矿质量的一个重要因素。从控制策略的确定、液位探测与 传感装置的比较、执行机构的选择、管路的设计等方面对旋流-静态微泡浮选柱矿浆液位自动控制系统进行了分 析。
SeMriaeysꢀ N2o0.03771ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 20总07第年 3第715期期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ METAL MINE · 机 电 与 自 动 化 · 旋流 - 静态微泡浮选柱液位自动控制系统设计 荣 国 强 ꢀ 刘 炯 天 ꢀ 刘 莉 君 ꢀ 王 永 田 ꢀ 曹 亦 俊 ( 中 国 矿 业 大 学 ) 摘 ꢀ 要 ꢀ 浮 选 柱 液 位 的 控 制 是 直 接 影 响 回 收 率 及 精 矿 质 量 的 一 个 重 要 因 素 。 从 控 制 策 略 的 确 定 、 液 位 探 测 与 传 感 装 置 的 比 较 、 执 行 机 构 的 选 择 、 管 路 的 设 计 等 方 面 对 旋 流 - 静 态 微 泡 浮 选 柱 矿 浆 液 位 自 动 控 制 系 统 进 行 了 分 析 。 关 键 词 ꢀ 旋 流 - 静 态 微 泡 浮 选 柱 ꢀ 液 位 ꢀ 自 动 控 制 Design of Automatic Pulp Level Control System for CyclonicStatic FineBubble Flotation Column Rong Guoqiangꢀ L(iu Jiongtianꢀ Liu Lijunꢀ Wang Yongtianꢀ Cao Yijun China University of Mining Technology) Abstractꢀ The control of the pulp level in the flotation column is an important factor influencing directly on the recov ery and concentrate quality. The paper analyzes the automatic pulp level control system for cyclonicstatic finebubble flota tion column from the aspects of the determination of control strategy, comparison of the level detecting and sensing devices, selection of the executor, pipeline design, etc. Keywordsꢀ Cyclonicstatic finebubble flotation column, Pulp level, Automatic control ꢀ ꢀ 近 年 来 , 旋 流 - 静 态 微 泡 浮 选 柱 作 为 一 种 新 型 有 较 好 的 耐 磨 性 能 且 更 换 方 便 。 这 些 困 难 使 浮 选 柱 矿 浆 液 位 控 制 无 法 选 用 普 通 的 液 位 测 量 控 制 仪 表 。 根 据 浮 选 过 程 的 特 点 , 通 过 对 控 制 策 略 的 研 究 , 选 用 合 适 的 仪 表 , 并 进 行 合 理 的 设 计 , 从 而 使 液 位 检 测 控 制 系 统 达 到 安 装 调 试 容 易 、 工 人 操 作 简 单 、 仪 表 可 靠 性 高 、 矿 浆 液 位 控 制 精 度 高 的 控 制 效 果 , 满 足 选 矿 工 艺 对 矿 浆 液 位 测 量 和 控 制 的 要 求 。 高 效 的 选 矿 设 备 在 有 色 金 属 矿 物 、 黑 色 金 属 矿 物 、 煤 炭 、 非 金 属 及 化 工 矿 物 分 选 领 域 的 应 用 不 断 扩 展 , 随 着 工 业 化 应 用 的 推 广 , 加 强 液 位 检 测 及 自 动 控 制 方 面 的 设 计 研 究 显 得 越 来 越 重 要 。 在 浮 选 过 程 中 , 由 于 矿 浆 性 质 变 化 、 矿 浆 流 量 波 动 等 因 素 , 会 使 浮 选 设 备 矿 浆 液 位 经 常 改 变 。 当 液 位 太 高 时 , 精 矿 刮 出 量 过 大 , 精 矿 品 位 降 低 ; 而 当 液 位 太 低 时 , 会 使 精 矿 产 率 减 少 , 从 而 使 金 属 回 收 率 降 低 。 可 见 , 浮 选 柱 矿 浆 液 位 的 控 制 是 直 接 影 响 回 收 率 及 精 矿 质 量 的 一 个 非 常 重 要 的 因 素 。 1ꢀ 基 本 控 制 策 略 1 . 1ꢀ 控 制 策 略 选 择 影 响 浮 选 柱 内 部 液 位 的 因 素 主 要 有 两 个 : 一 是 入 料 量 ; 二 是 尾 矿 排 放 量 。 另 外 , 对 于 旋 流 - 静 态 微 泡 浮 选 柱 等 有 中 矿 进 行 循 环 的 浮 选 设 备 , 中 矿 循 环 量 的 波 动 也 是 矿 浆 液 位 的 重 要 影 响 因 素 , 在 旋 流 - 静 态 微 泡 浮 选 柱 的 设 计 中 , 中 矿 循 环 量 通 过 变 频 器 控 制 循 环 泵 的 转 速 来 实 现 单 独 回 路 控 制 。 浮 选 柱 液 位 自 动 控 制 系 统 的 实 现 主 要 有 两 种 方 案 : 普 通 的 液 位 检 测 和 控 制 并 不 是 困 难 的 事 情 , 国 内 外 有 很 多 液 位 检 测 控 制 仪 器 可 供 选 择 。 选 矿 工 艺 对 浮 选 矿 浆 液 位 测 量 范 围 和 精 度 并 无 过 高 要 求 , 但 是 , 浮 选 设 备 矿 浆 液 位 检 测 和 控 制 有 其 特 殊 性 : 矿 浆 容 易 粘 结 在 传 感 器 上 , 造 成 精 度 下 降 , 甚 至 不 能 动 作 ; 矿 浆 泡 沫 易 飞 溅 , 如 果 仪 器 密 封 不 好 , 其 电 气 和 机 械 运 动 部 分 都 将 不 能 正 常 工 作 ; 为 保 证 液 位 保 持 在 设 定 值 , 需 要 执 行 机 构 频 繁 动 作 , 这 就 对 执 行 机 构 的 可 靠 性 提 出 了 较 高 的 要 求 ; 在 调 整 过 程 中 , 矿 浆 液 位 不 能 波 动 太 大 , 所 以 调 整 的 精 度 需 满 足 工 艺 要 求 ; 矿 浆 的 磨 损 性 较 强 , 这 就 需 要 执 行 机 构 的 过 流 部 件 第 一 种 是 流 速 / 液 位 方 案 。 即 通 过 调 节 设 在 尾  国 家 杰 出 青 年 科 学 基 金 项 目 资 助 ( 编 号 : 50425168) 。 荣 国 强 ( 1981— ) , 男 , 中 国 矿 业 大 学 化 工 学 院 , 硕 士 研 究 生 , 221008 江 苏 省 徐 州 市 翟 山 。 · 62· ꢀ ꢀ ꢀ 荣 国 强 等 : 旋 流 - 静 态 微 泡 浮 选 柱 液 位 自 动 控 制 系 统 设 计 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2007 年 第 5 期 矿 管 上 的 尾 矿 泵 或 阀 门 来 直 接 调 节 尾 矿 排 放 量 控 制 液 位 。 这 种 控 制 方 法 对 于 大 滞 后 和 大 惯 性 的 浮 选 系 统 , 其 稳 定 性 较 差 , 容 易 引 起 系 统 的 振 荡 , 使 用 这 种 方 法 时 , 浮 选 柱 对 控 制 系 统 的 依 赖 性 较 大 , 控 制 系 统 发 生 故 障 会 影 响 整 台 设 备 的 工 作 , 但 它 调 节 速 度 快 , 能 根 据 液 位 的 变 化 及 时 响 应 , 迅 速 作 出 反 应 , 使 液 位 尽 快 恢 复 平 衡 ; 耐 磨 损 、 可 靠 性 高 的 特 点 , 并 且 能 消 除 泡 沫 和 气 泡 带 来 的 伪 液 位 信 号 , 能 消 除 因 矿 物 颗 粒 的 粘 附 而 带 来 的 不 良 影 响 等 。 要 达 到 这 些 要 求 , 在 实 际 的 工 程 应 用 中 , 常 将 几 种 常 规 的 液 位 检 测 传 感 装 置 组 合 使 用 , 另 外 再 采 用 消 泡 器 等 必 要 的 措 施 来 减 小 干 扰 因 素 对 液 位 检 测 的 影 响 。 旋 流 - 静 态 微 泡 浮 选 柱 液 位 自 控 系 统 中 , 液 位 的 检 测 和 信 号 的 变 送 是 由 安 装 在 浮 选 柱 上 部 的 压 力 传 感 器 来 实 现 的 。 通 过 压 力 传 感 器 在 液 面 以 下 的 某 点 测 量 压 力 的 变 化 来 反 映 液 位 的 变 化 。 第 二 种 是 静 平 衡 方 案 。 即 采 用 U 型 管 原 理 , 将 尾 矿 通 过 U 型 管 引 导 到 一 个 与 受 控 液 位 等 高 的 尾 矿 箱 中 , 通 过 调 节 尾 矿 箱 中 尾 矿 排 放 口 的 高 度 来 控 制 液 位 , 这 种 控 制 方 案 响 应 速 度 较 慢 , 但 也 具 有 成 本 低 、 波 动 较 小 、 浮 选 柱 对 控 制 系 统 的 依 赖 性 小 等 优 点 。 在 影 响 静 压 的 各 个 因 素 中 , 液 位 变 化 是 引 起 静 压 变 化 的 主 要 因 素 , 在 一 般 的 情 况 下 , 其 他 因 素 保 持 不 变 , 压 力 p 与 传 感 器 之 上 的 液 位 高 度 L 成 线 性 关 两 种 方 案 各 有 优 劣 , 根 据 旋 流 - 静 态 微 泡 浮 选 柱 的 特 点 , 为 达 到 更 优 的 控 制 精 度 和 更 高 的 可 靠 性 , 选 用 流 速 / 液 位 控 制 方 案 来 设 计 液 位 自 控 系 统 。 流 速 / 液 位 控 制 方 案 是 根 据 液 位 的 设 定 值 和 液 位 的 检 测 值 两 者 之 间 的 偏 差 , 通 过 PID 方 程 进 行 运 算 , 自 动 的 调 节 浮 选 柱 底 部 尾 矿 出 口 的 阀 门 开 度 , 使 液 位 的 检 测 值 能 够 跟 踪 浮 选 柱 液 位 的 设 定 值 , 从 而 达 到 控 制 浮 选 柱 液 位 的 目 的 。 系 , 即 与 泡 沫 层 厚 度 H 成 线 性 变 化 , 如 图 2 所 示 。 对 f 液 位 控 制 来 说 , 这 个 线 性 信 号 是 非 常 理 想 的 。 在 实 际 情 况 下 , 其 他 量 也 是 可 变 的 , 从 对 压 力 的 影 响 来 看 , 影 响 较 大 的 因 素 有 矿 浆 浓 度 、 充 气 率 、 气 泡 负 载 率 ( 载 荷 随 给 矿 速 度 和 浮 选 速 度 的 改 变 而 变 化 ) , 它 们 对 测 量 泡 沫 层 厚 度 Hf 的 影 响 可 以 通 过 数 学 方 法 来 分 析 。 1 . 2ꢀ 液 位 自 控 系 统 组 成 旋 流 - 静 态 微 泡 浮 选 柱 采 用 自 流 式 泡 沫 槽 , 其 矿 浆 液 位 控 制 系 统 由 液 位 检 测 与 变 送 器 、 PID 控 制 器 、 电 动 执 行 机 构 、 胶 管 阀 等 部 分 组 成 。 控 制 系 统 框 图 如 图 1 所 示 。 图 2ꢀ 单 压 力 传 感 器 测 量 液 位 的 结 构 示 意 在 图 2 中 , 应 用 下 面 的 方 法 来 进 行 简 要 分 析 : ꢀ ꢀ p = ( H - H ) ρ g + H ρ g, f 则 ꢀ ꢀ H = ( Hρ g - p) / ( ρ - ρ ) g, ꢀ ꢀ ꢀ c f f 图 1ꢀ 旋 流 - 静 态 微 泡 浮 选 柱 液 位 自 控 系 统 示 意 浮 选 柱 液 面 的 高 低 由 液 位 检 测 装 置 检 测 后 转 换 为 4 ~ 20 mA 标 准 信 号 , 送 PID 控 制 器 显 示 出 液 位 值 , 并 与 设 定 值 进 行 比 较 , 根 据 差 值 的 方 向 和 大 小 , 输 出 相 应 的 控 制 信 号 , 送 电 动 执 行 器 , 通 过 电 机 运 动 , 调 节 胶 管 阀 作 相 应 的 变 化 , 使 矿 浆 液 面 维 持 在 设 定 值 。 f c c f 式 中 , p 为 压 力 ; L 为 捕 收 区 液 位 高 度 ; H 为 泡 沫 层 f 高 度 , H 为 L 和 H 的 总 和 ; ρ 和 ρ 分 别 代 表 捕 收 区 f c 压 力 传 感 器 以 上 的 区 域 ) 的 平 均 浓 度 和 泡 沫 区 的 f ( 平 均 浓 度 , % 。 ρ = ρsl ( 1 - εgc ) + ρ εgc , c b ρ = ρ ( 1 - ε ) + ρ ε , f sf gf b gf 式 中 , ρsf 为 泡 沫 中 的 矿 浆 浓 度 ; ρ 为 气 泡 浓 度 ( 气 泡 b 2 ꢀ 液 位 检 测 与 传 感 装 置 - 颗 粒 集 合 体 的 浓 度 ) ; ε 为 捕 收 区 的 平 均 气 体 含 gc 矿 浆 液 位 检 测 的 方 法 主 要 有 电 容 式 液 位 计 、 静 量 , % ; ε 为 泡 沫 区 的 平 均 气 体 含 量 , % 。 其 中 ρ 为 gf b 压 式 液 位 计 、 吹 气 式 液 位 计 、 浮 子 式 液 位 变 送 器 、 超 声 波 液 位 变 送 器 等 。 根 据 浮 选 过 程 的 特 点 , 在 矿 浆 液 位 控 制 系 统 中 使 用 的 液 位 检 测 传 感 装 置 需 要 具 备 K πd ρ 1 db + K πdp p p ρb = , 1 · 63· 总 第 371 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2007 年 第 5 期 式 中 , dp 为 矿 物 颗 粒 直 径 , μm, db 为 气 泡 直 径 , mm; 控 制 胶 管 阀 的 开 度 , 实 现 液 位 的 实 时 调 整 。 在 本 控 制 系 统 中 , 使 用 耐 磨 、 防 堵 性 能 优 异 的 胶 管 阀 来 执 行 控 制 信 号 , 利 用 胶 管 的 耐 磨 性 能 和 方 便 的 可 更 换 性 , 达 到 “ 以 柔 克 刚 ” 的 效 果 , 使 整 个 控 制 系 统 的 可 靠 性 和 稳 定 性 大 大 增 强 。 K 为 常 数 。 1 ꢀ ꢀ 在 测 量 过 程 中 , 独 立 扰 动 的 累 加 作 用 效 果 则 需 特 别 关 注 。 随 着 矿 物 颗 粒 的 粒 度 和 矿 浆 浓 度 的 增 大 , 泡 沫 层 厚 度 测 量 的 偏 差 也 将 越 来 越 大 , 这 些 偏 差 对 Hf 的 影 响 必 须 保 持 在 一 定 范 围 内 。 当 泡 沫 层 较 厚 ( 100 cm 左 右 ) 、 矿 物 颗 粒 粒 度 较 细 ( d < 30 μm 3. 2ꢀ 管 路 的 设 计 在 工 程 应 用 中 , 还 需 考 虑 尾 矿 管 路 的 磨 损 、 管 路 的 防 堵 、 事 故 停 车 、 事 故 放 矿 以 及 电 动 调 节 阀 的 磨 损 、 检 修 、 更 换 等 问 题 , 所 以 尾 矿 管 路 的 设 计 需 给 予 充 分 考 虑 。 80 ) 时 , H 测 量 的 偏 差 一 般 不 会 使 系 统 产 生 太 大 的 波 f 动 ; 但 当 泡 沫 层 较 薄 ( < 50 cm) 、 矿 物 颗 粒 粒 度 较 粗 时 , H 的 偏 差 将 会 使 系 统 产 生 非 常 严 重 的 波 动 , 以 f 致 于 系 统 将 不 能 稳 定 的 工 作 。 采 用 单 压 力 传 感 器 来 实 现 对 矿 浆 液 位 的 实 时 检 测 , 其 技 术 条 件 能 够 满 足 旋 流 - 静 态 微 泡 浮 选 柱 液 位 自 控 的 基 本 要 求 , 在 实 际 的 应 用 中 , 运 行 稳 定 , 检 测 效 果 良 好 。 另 外 , 根 据 生 产 需 要 , 如 需 提 高 检 测 的 精 度 , 可 采 用 两 个 压 力 传 感 器 形 成 传 感 器 组 来 实 现 检 测 功 能 。 本 设 计 中 , 事 故 放 矿 通 过 事 故 放 矿 阀 来 实 现 , 当 需 要 较 长 时 间 停 车 或 浮 选 柱 出 现 紧 急 情 况 需 要 停 车 放 矿 时 , 将 事 故 放 矿 阀 打 开 , 浮 选 柱 内 的 矿 浆 通 过 放 矿 管 排 入 事 故 池 , 然 后 通 过 事 故 池 的 立 式 泵 打 回 其 他 生 产 系 统 。 通 过 高 压 反 冲 水 对 底 部 管 路 进 行 清 洗 , 达 到 防 堵 的 目 的 。 3 执 行 机 构 及 管 路 设 计 3 . 1ꢀ 执 行 机 构 的 选 取 如 果 电 动 调 节 阀 出 现 故 障 , 需 要 将 其 更 换 时 , 将 尾 矿 管 路 上 的 手 动 阀 门 关 闭 , 即 可 进 行 更 换 。 如 果 矿 石 的 硬 度 很 大 , 对 尾 矿 管 路 磨 损 严 重 , 甚 至 影 响 整 个 系 统 的 正 常 工 作 , 则 需 要 对 管 路 进 行 耐 磨 处 理 。 在 液 位 自 控 系 统 的 调 节 回 路 中 , PID 方 程 的 运 算 可 采 用 数 字 PID 控 制 器 或 采 用 PLC 可 编 程 控 制 器 的 PID 控 制 模 块 通 过 软 件 编 程 方 法 来 实 现 , 执 行 机 构 一 般 采 用 电 动 或 气 动 执 行 机 构 , 执 行 机 构 和 调 节 器 可 根 据 生 产 规 模 及 工 艺 条 件 要 求 选 择 相 应 部 件 , 为 保 证 液 位 控 制 系 统 可 靠 的 运 行 , 执 行 机 构 的 选 择 应 满 足 以 下 一 些 基 本 原 则 : 4ꢀ 结 ꢀ 论 ( 1) 液 位 检 测 与 传 感 元 件 耐 磨 损 、 可 靠 性 较 高 , 能 消 除 泡 沫 和 气 泡 带 来 的 伪 液 位 信 号 , 能 消 除 因 矿 物 颗 粒 的 粘 附 而 带 来 的 不 良 影 响 。 ( ( 1) 调 节 器 耐 冲 蚀 , 耐 磨 损 , 适 用 于 矿 浆 介 质 ; 2) 推 动 调 节 器 的 动 力 执 行 机 构 灵 敏 度 高 , 以 ( 2) 执 行 机 构 动 作 灵 敏 , 运 行 稳 定 , 适 应 矿 浆 介 3) 管 路 的 设 计 对 耐 磨 等 诸 多 因 素 进 行 了 综 合 尽 量 减 小 执 行 滞 后 的 问 题 , 该 机 构 还 应 有 位 置 发 生 信 号 , 以 利 于 检 测 阀 门 的 开 度 ; 质 。 ( ( ( 3) 系 统 应 有 一 定 的 故 障 报 警 功 能 ; 考 虑 , 减 少 了 故 障 出 现 时 对 整 个 生 产 系 统 的 影 响 。 4) 系 统 的 可 靠 性 要 高 , 抗 干 扰 能 力 要 强 , 调 节 ( 4) 旋 流 - 静 态 微 泡 浮 选 柱 液 位 自 控 系 统 操 作 精 度 要 高 , 并 能 方 便 的 进 行 PID 控 制 ; 简 单 、 运 行 稳 定 、 可 靠 性 高 、 故 障 率 低 、 维 修 工 作 量 小 , 减 轻 了 现 场 操 作 人 员 的 劳 动 强 度 。 ( 5) 执 行 机 构 相 关 的 管 路 在 设 计 时 应 充 分 考 虑 底 流 防 堵 、 事 故 放 矿 等 可 能 遇 到 的 问 题 ; 参 ꢀ 考 ꢀ 文 ꢀ 献 ( 6) 为 增 加 系 统 可 靠 性 和 稳 定 性 , 可 设 计 粗 调 和 微 调 两 套 执 行 器 。 [ 1] ꢀ Moys M H, Engelbrecht J, Terblanche N. Further developments in the control of levels in flotation columns [ J] . Journal of the South African Institute of Mining and Metallurgy, 1992( 2) : 39 在 旋 流 - 静 态 微 泡 浮 选 柱 系 统 中 , 采 用 胶 管 阀 自 动 控 制 装 置 来 执 行 PID 模 块 发 出 的 控 制 信 号 , 执 行 机 构 由 两 组 并 行 的 电 动 执 行 机 构 组 成 。 系 统 运 行 过 程 中 , 一 组 电 动 执 行 机 构 用 来 做 粗 调 , 它 控 制 的 胶 管 阀 打 开 到 一 定 位 置 后 基 本 不 再 变 动 位 置 , 以 此 来 保 证 有 一 定 的 最 小 出 流 量 , 而 利 用 另 一 组 执 行 机 构 进 行 微 调 , 通 过 电 子 式 电 动 执 行 机 构 的 频 繁 动 作 来 4 5. [ [ 2] ꢀ 于 长 官 . 现 代 控 制 理 论 [ M] . 哈 尔 滨 : 哈 尔 滨 工 业 大 学 出 版 社 , 1 997. 3] ꢀ 张 志 丰 , 张 志 刚 , 胡 ꢀ 军 . 我 国 大 型 浮 选 柱 自 动 控 制 策 略 的 研 究 [ J] . 选 煤 技 术 . 1999( 3) : 57. ( 收 稿 日 期 ꢀ 20070304) · 64·
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