大型浮选机先进检测技术的研究与应用.pdf

2 0 2 0 年第6 期有色金属 选矿部分 1 1 7 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 9 4 9 2 ．2 0 2 0 ．0 6 ．0 2 2 大型浮选机先进检测技术的研究与应用 刘利敏1 ，周炳2 ，谢捷敏2 ，杨文旺1 ，吴书明2 ，李晶兵2 ，武涛 1 ．北矿机电科技有限责任公司，北京1 0 0 1 6 0 ；2 ．江西铜业集团有限公司，江西德兴3 3 4 2 0 0 摘要近三十年来，大型化是浮选机的主要发展方向之一。为了保证大型浮选机的选矿效率，提高设备的稳定性和可 靠性，提出了浮选机主轴扭矩无线检测、沉槽检测、充气速率自动测量和泡沫状态特征检测等4 项关键技术。这4 项先进检测 技术在江西铜业集团某选厂的大型浮选机上获得了成功应用，不仅有效的提高了矿物回收率，而且极大降低了工人的劳动强 度，同时提高了设备的可靠性和安全性。 关键词大型浮选机；先进检测技术；应用 中图分类号T D 4 5 6文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 2 0 0 6 0 1 1 7 0 6 R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fA d v a n c e dD e t e c t i o nT e c h n o l o g yf o rL a r g eF l o t a t i o nC e l l L 儿，L i m i n2 ，Z H O U B i n g2 ，X I EJ i e m i n2 ，Y A N GW e n w a n 9 1 ， W U S h u m i n g2 ，L IJ i n g b i n g2 ，W UT a o 1 1 ．B G R I M M M a c h i n e r ya n dA u t o m a t i o nT e c h n o l o g yC o ．，L t d ．，B e i j i n gJ 0 0 1 6 0 ，C h i n a ； 2 ．Ji a n g x iC o p p e rC o r p o r a t i o nL i m i t e d ，D e x i n g3 3 4 2 0 0 ，Ji a n g x i ，C h i n a A b s t r a c t I nt h ep a s t3 0y e a r s ，l a r g e s c a l ei so n eo ft h em a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o n so ff l o t a t i o nc e l l ． I no r d e rt oe n s u r et h eb e n e f i c i a t i o ne f f i c i e n c yo ft h el a r g e s c a l ef l o t a t i o nc e l la n di m p r o v et h es t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n t ，f o u rk e yt e c h n o l o g i e sw e r ep r o p o s e d ，i n c l u d i n gw i r e l e s sd e t e c t i o no fm a i ns h a f t t o r q u e ，s e d i m e n t a t i o nt a n kd e t e c t i o n ，a u t o m a t i cm e a s u r e m e n to fa e r a t i o nr a t ea n dd e t e c t i o no ff o a ms t a t e c h a r a c t e r i s t i c s ．T h e s ef o u ra d v a n c e dd e t e c t i o nt e c h n o l o g i e sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di na p l a n to f J i a n g x iC o p p e rC o r p o r a t i o n ，w h i c hn o to n l yi m p r o v e st h em i n e r a lr e c o v e r ye f f e c t i v e l y ，b u ta l s og r e a t l y r e d u c e st h el a b o ri n t e n s i t yo ft h ew o r k e r s ，w h i l ei m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t ya n ds a f e t yo ft h ee q u i p m e n t ． K e yw o r d s l a r g ef l o t a t i o nc e l l ；a d v a n c e dd e t e c t i o nt e c h n o l o g y ；a p p l i c a t i o n 目前，全球8 5 ％以上的有色金属均采用浮选的方 法来进行分选，浮选工艺的应用越来越广泛，因此，浮 选装备显得愈发重要[ 1 ] 。大型浮选机浮选时间长、容 积大，并且在降低单位功耗、减少占地面积、提高选矿 指标和节约人力成本等方面有着明显的优势。世界 上知名的浮选机科研机构，如芬兰的美卓、奥图泰、丹 麦的艾法史密斯以及中国的矿冶科技集团有限公司 等都将浮选机的大型化作为研发的重点，相继开发并 在工业上应用了3 0 0m 3 以上的大型浮选机[ 2 ] 。 随着浮选机大型化的不断发展，研发机构对浮 选机的检测技术也提出了更高的要求。矿冶科技集 团有限公司设计研发的全球最大单槽容积浮选机， 已经在江西铜业集团某工业现场成功应用，该设备 采用了多项先进的检测技术，保证了设备的实时监 控及平稳运行。 1 浮选机关键参数检测技术 1 ．1 主轴扭矩无线检测技术 浮选机主轴的扭矩检测是浮选机制造与新设备 研发过程中必不可少的环节，通过检测主轴的扭矩，研 发人员可以检测轴承体内各零部件的受力和形变情况， 有助于提高浮选机主轴的研发水平和制造质量。 由于浮选机运行过程中主轴一直处于旋转的状 态，旋转状态时产生的应力、形变或应变信号难以使 用有线的方式进行传输，无线扭矩传感器检测技术 的出现，较好的解决了这一问题[ 3 ] 。无线扭矩检测 收稿日期2 0 2 0 0 9 1 4 基金项目科技部创新方法工作专项 2 0 1 7 I M 0 6 0 2 0 0 作者简介刘利敏 1 9 8 4 一 ，男，硕士，高级工程师，主要从事选矿装备自动化研究。 万方数据 1 1 8 有色金属 选矿部分2 0 2 0 年第6 期 技术是以传感器为基础，融合计算机、通讯、网络等 多学科而产生的一种先进的检测技术。该技术的主 要原理如图1 所示。主要由粘贴在浮选机主轴上的 电阻应变片、发射机、接收机和P C 机组成。 电阻应变片的工作原理是基于应变效应，即导 体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形 时，其电阻值相应的发生变化，这种现象称为“应变 效应”。半导体应变片是用半导体材料制成的，其工 作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是 指当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率 发生变化的现象。应变片是由敏感栅等构成用于测 量应变的元件，使用时将其牢固地粘贴在轴承等构 件的测量点上，构件受力后由于测点发生应变，敏感 栅也随之变形而使其电阻发生变化，再由专用仪器 测得其电阻变化大小，并转换为测量点的扭矩值。 传感器 应变片 将应变信号通过数据采集、数 据存储模块传送到接收器，接收机对偏置信号、系统 增益、极性等属性进行处理后，发送到P C 机，可以在 P C 机查看实时的扭矩数据。通过主轴扭矩的数字 测量，可以实时了解主轴的运行状态，还可以测量出 矿浆的净输入能耗，为后续叶轮一定子系统的优化提 供重要的数据支撑。 区圈区 匿圈 网锄栅 数据接收 接收机 图1扭矩无线检测原理 1 ．2 沉槽检测技术 对于浮选机或正常的选矿流程来说，沉槽是一 个非常严重的生产事故，一旦选矿流程发生沉槽现 象，矿物颗粒会迅速堵塞矿浆循环通道，进而导致设 备停机，沉槽后要耗费大量的人力物力去处理堆积 的矿物。沉槽现象的出现不仅会降低设备的运转效 率和使用寿命，更会对客户造成直接的经济损失，因 此在大型浮选机研发过程中，如何避免沉槽，沉槽现 象发生后如何及时发出预警是非常重要的研究内 容。沉槽的诱发因子较多，浮选机设计人员会从叶 轮定子结构、叶轮高度、叶轮转速、入料浓度粒度等 方面进行优化，从多维度规避沉槽的风险，而沉槽检 测预警技术此前一直是一项空白。 矿浆和沉槽堆积物对磁场的反射和吸收强度不 同，利用这种特性，寻找一种可发射和接收高频磁场 的仪表，针对矿浆和堆积物对磁场强度的反射曲线 差异，判断浮选机底部是否有沉槽现象。易福门公 司的L M T 高频磁场仪表利用的是一种能够在5 0 ～ 2 0 0M H z 测量多个频率段磁场强度的新技术，这使得 L M T 能够针对所监测的介质产生独特的信号模型。 在使用仪表前，需要利用矿浆和沉槽堆积物对仪表进 行标定，预先建立两种信号模型。只有当测量的介质 磁场与预标定模型匹配时，L M T 的开关才会被触发。 矿浆、泡沫或矿物的堆积物具备不同的信号模型，这 一情况可通过图中针对水基介质的图表了解。只有 当红色外形线进入开启区域时，才表明存在有足够多 的堆积物激活传感器的开关输出，所有其他情况表明 只是矿浆或者仅有少量的沉积物。传感器的开关被 F i g ．1P r i n c i p l eo fw i r e l e s st o r q u ed e t e c t i o n 激活后，会马上输出信号，预警有沉槽风险。 1 n N o 图2高频频谱成像技术原理 万方数据 2 0 2 0 年第6 期刘利敏等大型浮选机先进检测技术的研究与应用 1 1 9 1 ．3 充气速率自动测量技术 表征浮选机性能优劣的重要参数之一是单位面 积充气量，对于浮选机单位充气量的测量是非常重 要的[ 4 ] 。现有的测量方法称为排水集气法，主要依 靠人工手动测量实现，如图3 所示。人工排水集气 时需要把测量装置手动深人到浮选机矿浆内部，随 着浮选机大型化的不断发展，浮选机的直径和深度 越来越大，人工测量浮选机充气量存在操作难度大、 危险性高、测量效率及测量精度低等缺点。 图3 传统人工测量 F i g ．3 C o n v e n t i o n a lm a n u a lm e a s u r e m e n t 根据排水集气原理设计了一种充气速率自动测 量装置，该装置可以对浮选机上一个或多个测量点 的充气量进行自动测量，整个测量过程无需人工干 预，点击测量按钮后自动开始测量，自动显示测量结 果。相比传统的人工测量方式，该装置可大幅降低 劳动强度，提高测量速度和精度。 充气量自动测量装置的拓扑结构如图4 所示，该 装置主要由控制系统、真空泵、电磁阀、测量筒和电极 棒等5 部分组成。测量筒的侧壁上按不同高度安装有 3 组平行的电极棒，测量筒顶部留有一个通气孔，通气 孔通过软管与电磁阀连接，电磁阀另一端通过软管连接 到真空泵。电极棒、电磁阀和真空泵都接入控制系统。 图4 充气速率自动测量装置 F i g ．4 A u t o m a t i cm e a s u r i n gd e v i c e f o ri n f l a t i o nr a t i o 真空泵的作用是抽出测量筒内的空气，使测量筒 产生负压，矿浆会在压力的作用下充满测量筒。当矿浆 升到C 组电极时，C 组两个电极导通，触发电磁阀关闭 防止矿浆进入到真空泵中。浮选机内的气泡充入测量 筒，矿浆液面开始降低，当液面到达A 组电极时，触发 计时，到达B 组电极时终止计时。通过控制系统的计时 器，就可以测出矿浆液面由A 点降到B 点的时间，再根 据两点之间的距离H ，就可以计算出该点的充气速率。 1 ．4 泡沫状态特征检测技术 在浮选流程中，浮选工艺指标的好坏很大程度 体现在泡沫状态上口] 。为了提高回收率、品位等工 艺指标，浮选车问通常会安排有经验的操作人员持 续观察浮选机泡沫情况。但操作人员很难在工作期 间对浮选泡沫状况进行持续实时的监控，而且泡沫 流速或者泡沫大小等微观变化也难以用肉眼来观测 或定量描述。此外，选矿车间恶劣的工作环境有损 操作工人的健康，因此采用一种代替人工观察泡沫 状态特征的技术手段是非常有必要的。 在大型浮选机上开发了泡沫图像分析仪，它不 仅能够实时获取浮选的泡沫图像，而且可以连续对 泡沫图像进行分析计算，进而获取到反映泡沫特征 的关键参数。泡沫图像分析仪能够通过千兆网线获 取一台或者多台相机的高精度浮选泡沫图像，软件 计算中心对获取的图像实时进行分析处理，得到泡 沫流速、泡沫颜色、泡沫大小等一些浮选泡沫的关键 参数信息，用于指导选矿指标的优化调整。 2 关键参数检测技术的应用 2 ．1 扭矩无线检测技术的应用 大型浮选机扭矩检测分为三部分，轴距、轴向力 和弯矩。通过多次试验计算对比后发现，浮选机轴 承理论计算扭矩值与应变片实测扭矩值基本一致。 这一技术说明，采用无线检测技术，能够实现对浮选 机主轴实际输出扭矩的实时检测和准确记录，并且检 测结果与理论计算相吻合。这一检测技术的应用，对 了解浮选机主轴的实际运行状态具有重要意义。 另外，主轴扭矩采用无线检测的方式，较好地解 决了有线检测技术在转轴设备上信号线引出困难的 问题，提高了数据传输的可靠性，具有操作灵活、安 装方便的优点。 2 ．2 沉槽检测技术的应用 在大型浮选机人孔附近，距离槽体底部0 ．6 、0 ．8 和 1m 处，高中低三个不同的检测位置分别安装了沉槽检 测传感器 图5 ～6 ，并预先对传感器进行了标定。当浮 选机正常运转，底部没有矿物沉积时，传感器返回到控制 系统为绿色信号，当矿物有少量堆积时，最下部的传感器 万方数据 1 2 0 有色金属 选矿部分2 0 2 0 年第6 期 会被触发，传感器返回控制系统的信号变为红色，同时触 发预警信息，提示操作人员注意沉槽风险。如果3 个传 感器全部触发，则会触发声光报警信号，提示高风险，操 作人员需要按既定的操作流程进行下一步操作。 2 ．3 充气速率自动测量装置的应用 在大型浮选机上布置有6 个测量点，沿浮选机 半径方向均匀分布，如图7 所示。控制单元采用西 门子s 7 1 2 0 0P L C ，显示界面采用西门子T P 7 0 0 精 智操作面板。在不同的工况下将充气量自动测量装 置与人工测量方式做了详细对比，测量精度数据对 比如表1 所示，测量耗时对比如表2 所示。 图5扭矩检测传感器应用 F i g ．5T o r q u ed e t e c t i o ns e n s o ra p p l i c a t i o n 表1 T a b l e1 图6沉槽传感器的应用 F i g ．6A p p l i c a t i o no fs i n ks e n s o r 图7充气量测量点分布 F i g ．7 D i s t r i b u t i o no fm e a s u r e m e n t p o i n t so fi n f l a t i o n 自动测量和人工测量单位充气量对比 C o m p a r i s o nb e t w e e na u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta n dm a n u a l m e a s u r e m e n to fu n i ti n f l a t i o nv o l u m e ／ m 3 m - 2 m i n - 1 由表1 和表2 可以看出，两种测量方式的测量 精度是非常接近的，都能满足工艺所需的测量要求。 而在测量耗时方面，自动测量方式与人工测量相比， 耗时显著缩短，平均耗时为9 1 ～9 4S ，大大提高了测 量的效率。 2 ．4 泡沫状态特征检测技术的应用 为了考察浮选机泡沫状态特征检测技术对选矿 工艺指标的提升效果，在大型浮选机上进行了对比试 验。第一个对比周期，采用传统人工设定浮选机液位和 充气量的方法，关闭泡沫图像仪；第二个对比周期，开启 万方数据 2 0 2 0 年第6 期刘利敏等大型浮选机先进检测技术的研究与应用 1 2 1 浮选机泡沫图像仪，检测泡沫图像的状态特征，根据泡 沫的状态特征，自动改变液位和充气量的设定值。 经过两个周期的对比试验发现，泡沫图像仪开 启后，通过泡沫状态特征检测技术的应用，在精矿品 位与人工操作的指标比较接近的情况下，矿物回收 率这一指标提升的幅度较大。基于泡沫状态特征检 测技术不仅能有效提升矿物的回收率，而且采用无 人值守的模式，可以极大降低操作人员的劳动强度， 为企业降本增效提供新的思路和方法 图8 。 图8 泡沫图像系统界面 F i g ．8 F o a mg r a p h i c ss y s t e mi n t e r f a c e 3结语 随着浮选机的大型化发展，传感器技术、网络信 息和计算机技术的不断更新，可以应用于浮选机的检 测手段越来越丰富。本文提出的主轴扭矩无线检测、 沉槽检测、充气速率自动测量和泡沫状态特征检测四 项关键技术在浮选机上的成功应用提高了浮选机的 检测水平，为浮选机智能化发展奠定了坚实的基础。 参考文献 [ 1 ] 沈政昌．浮选机发展历史及发展趋势I - j ] ．有色金属 选 矿部分 ，2 0 1 1 增刊1 3 4 4 6 ． S H E NZ h e n g c h a n g ．D e v e l o p m e n th i s t o r ya n dt r e n do f f l o t a t i o nc e l l E J ] ．N o n f e r r o u sM e t a l s M i n e r a lP r o c e s s i n g S e c t i o n ，2 0 1 1 S 1 3 4 4 6 ． E 2 ] 刘国蓉，刘之能，孟玮，等．大型浮选机的过程检测和控 制技术发展[ J ] ．现代矿业，2 0 1 9 4 2 1 42 1 7 ． L I UG u o r o n g ，L I U Z h i n e n g ，M E N GW e i ，e ta 1 ． D e v e l o p m e n t o f p r o c e s s d e t e c t i o n a n d c o n t r o l t e c 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l i g e n tc o n t r o ls y s t e mf o rf l o t a t i o np r o c e s s e s [ J ] ． C o p p e rE n g i n e e r i n g ，2 0 1 9 4 4 - 9 ． 万方数据