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 CyclonicStatic FineBubble 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 cyclonicstatic finebubble 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 Cyclonicstatic finebubble 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) : 57.
( 收 稿 日 期 ꢀ 20070304)
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64·
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