ПОРІВНЯЛЬНІ ВИПРОБУВАННЯ ЩІЛЬНОМЕРІВ ДЛЯ ЗБАГАЧУВАЛЬНИХ ФАБРИК
Ю. А. АРСЕНЬЄВ , директор з інформаційних технологій, атвоматизації та зв'язків
І. К. АМЕЛЬЧЕНЯ , головний інженер дробильно-збагачувальної фабрики
О. П. ДЯДЮРА , головний метролог, momot@ukr.net
Т. Н. ЧЕКУНІВ , начальник цеху АСУТП ПРАТ «Полтавський ГЗК»,
Представлені випробування двох найбільш перспективних се-
рійних щільномірів: радіопротонного компанії Berthold та про-
точного тензометричного DENCELL. Дослідження проведено на
зливі спірального класифікатора та гідроциклону ділянки фло-
ції Полтавського ГЗК.
Ключові слова: щільність пульпи, радіоізотопний кон-
троль, об'ємно-ваговий метод, транспортне запізнення.
DOI: 10.17580/gzh.2018.04.13
Вступ
Принципи комплексної автоматизації процесу подрібнення збагачувальних фабрик були сформульовані ще у 1960-х роках, проте реалізація цього завдання залежить від надійних та достовірних вимірювальних датчиків та приладів контролю.
Основні переділи гірничо-збагачувальних комбінатів безпосередньо пов'язані з пульпою, тому її контролю приділяють особливу увагу. Численні дослідження показали, що щільність пульпи значно впливає як на продуктивність та якість подрібнення, так і на процес флотації [1, 2].
Вплив реологічних властивостей руди і пульпи, що змінюються, на ефективність роботи подрібнювальних агрегатів [3] вимагає точного вимірювання щільності пульпи та її автоматичного регулювання. Управляючи щільністю пульпи, можна уникнути як подрібнення руди, і підвищення вмісту великих частинок у сливі млинів. Комплексна автоматизація процесу збагачення руди включає автоматичне завантаження млина l стадії подрібнення, а також застосування каскаду систем регулювання водного режиму за щільністю пульпи. Існує жорстка кореляційна залежність між щільністю зливу класифікатора та вмістом у ньому класу –0,074 мм, а також якістю виходу продукту І стадії подрібнення. Тому щільність зливу дозволяє ефективно регулювати процес збагачення та визначає результати роботи інших стадій [4]. Регулювання щільності пульпи при розвантаженні кульових млинів дозволяє керувати розкриттям залізняку в II стадії подрібнення магнітної сепарації [5]. Стабілізація щільності в заданих межах гарантує ефективну роботу млина, підвищуючи його виробник. Тонкість помелу та величина циркулюючого навантаження також залежать від щільності пульпи. Коливання продуктивності викликає зміну щільності зливу млина та класифікатора, впливає на магнітну сепарацію та
вилучення металу. Щільність пульпи має суттєве значення і при флотації, тому що для кожного типу руд та кожної стадії процесу флотації існує оптимальне значення щільності, при якій можна досягти найбільшого ефекту. Крім того, щільність пульпи впливає на продуктивність флотаційних машин та витрату реагентів [6]. Від щільності пульпи, що впливає на гідродинаміку, залежить робота транспортуючих пульпопроводів, апаратів та насосів.
Стан проблеми
Пульпа являє собою складну, багатофазну, абразивну та немоногенну гідросуміш, у трубопроводах додатково газовану бульбашками повітря. Автоматичний вимір щільності пульпи утруднений також тим, що її середня величина на I стадії подрібнення має досить високе значення 1,4-1,9 г/см3, а питома маса твердої складової дорівнює 3,4 г/см3. Крім того, у твердій складовій пульпи у чистому вигляді зустрічаються зерна магнетиту щільністю до 5 г/см3.
Проведені на Полтавському ГЗК випробування показали, що похибка щільності пульпи, що дорівнює 50 г/дм3 (відповідає 2 % похибки густонаміру), при роботі в автоматичному режимі призводить до втрати продуктивності секції до 10 т/год. Це один із прикладів впливу щільності пульпи на процес збагачення, що обумовлює високі вимоги до точності щільності.
У зв'язку з цим автоматичний вимір щільності рудної пульпи є важким завданням. Відомі типи плотномерів [1-3, 6-10] мають ряд недоліків, через які вони не підходять для безперервного контролю щільності пульпи.
Після багаторічного досвіду експлуатації різних типів щільномірів на Полтавському ГЗК вибрали два промислові прилади: радіоізотопний Berthold (Німеччина) [1], та об'ємноваговий DENCELL (Канада) [11].
Для контролю щільності пульпи та налагодження щільномірів застосовують ручний відбір проби за допомогою мірного пікнометричного кружки.
Перевагою методу є простота вимірювання щільності пульпи, недоліком – періодичність контролю та залежність точності методу від суб'єктивних факторів: кваліфікації та акуратності роботи оператора. Відбір проб проводять не частіше одного виміру за зміну, тому дані аналізу не можуть бути об'єктивним критерієм правильності ведення технологічного процесу.
Радіоізотопний густомір Berthold
Щільномір Berthold заснований на методі вимірювання щільності пульпи поглинання гамма-випромінювання контрольованим середовищем [1]. При цьому вимірюється інтенсивність тонкого променя до та після проходження через досліджуване середовище; потім зміни інтенсивності визначають щільність [12].
Поглощение гамма-излучения средой выражается зависимостью I = I0Кe–ηdρ , где I_cc781905-5cde- 3194-bb3b-136bad5cf58d_ – интенсивность гамма-излучения, прошедшего через слой измеряемой среды толщиной d и плотностью ρ ;_cc781905-5cde- 3194-bb3b-136bad5cf58d_ I0 – начальная интенсивность пучка; К – коэффициент, зависящий от геометрии расположения источника и детектора; η – масовий коефіцієнт поглинання гама випромінювання.
Ця залежність є непрямим показником щільності і має складний логарифмічний характер. Чим більше товщина шару, що просвічується, і, відповідно, діаметр пульпопроводу, тим вище чутливість приладу, і більше необхідна потужність джерела випромінювання. Тому залежно від діаметра пульпопроводу вибирають різні блоки гаммавипромінювання (137Cs, 60Co, 241Am), тобто густиноміри для різних переділів вимірювань невзаємозамінні.
Перевагою радіоізотопних щільномірів є можливість їх застосування для вимірювання щільності агресивних або в'язких рідин, пульп і рідин, що знаходяться під високим тиском або мають високу температуру в трубопроводах діаметром від 90 до 581 мм. Крім того, можливий контроль густини у важкодоступних місцях. Оптимальною є установка густонаміру на вертикальних сталевих трубопроводах з подачею пульпи знизу вгору, тобто з гарантованим повним заповненням пульпой (см. мал. 1) . У цьому випадку виробник гарантує точність ±1 %.
Рис. 1. Радіоізотопний щільник, встановлений на вертикальній сталевій трубі з подачею пульпи знизу вгору
Проте щільномір не можна встановлювати на лотках і трубах зі змінним рівнем пульпи та з неповним заповненням пульпою, що значно обмежує його застосування. Непрямий метод вимірювання щільності вносить подвійну похибку: від різниці інтенсивності гамма-випромінювання до і після проходження середовища проживання і похибки переведення їх у реальну щільність, причому ці дві похибки перемножуються. Точність показань залежить від природи досліджуваного середовища, що потребує індивідуального градуювання приладу залежно від виду речовини. Для обслуговування приладу необхідна спеціальна лабораторія, що цілодобово охороняється, і штатні фахівці-радіологи з відповідним рівнем кваліфікації. Всі вони обслуговують тільки цей прилад,
час як один наладчик АСУ обслуговує десятки різних приладів. Відповідальність радіологів (у тому числі кримінальна) за дотриманням правил роботи з радіоізотопними елементами подвійного застосування.
надзвичайно висока. Зону розташування щільного Berthold необхідно захищати металевою сіткою розмірами не менше 2×2 м з попереджувальними знаками від несанкціонованого проникнення сторонніх осіб. Поховання радіоактивних відходів потребує спеціально обладнаних могильників із цілодобовою охороною. Ослаблення інтенсивності гамма-випромінювання за рахунок старіння джерела призводить до збільшення похибки вимірювання густини.
Дослідження, проведені радіоізотопним методом, показали, що потік пульпи у трубі утворює завихрення (або осад) [13], при цьому великі частки витісняються на периферію; концентрація частинок залежить від швидкості потоку, що безперервно змінюється [14], що додатково вносить похибку вимірювання. Так як тонкий промінь гамма-випромінювання може пропускати більш (або менш) щільні шари, аналіз всього обсягу потоку пуль-
пи тонким променем не репрезентативний. Тому щільність рекомендують встановлювати на вертикальних, а не на горизонтальних трубах. При цьому об'ємно-вагове вимірювання щільності є інтегральним за обсягом методом.
Застосування даних густомірів доцільно лише в тих
випадках, коли неможливе застосування інших [7].
Найбільша бразильська корпорація VALE (30 % світового ринку руди) провела дослідження радіоізотопних густонамірів [9], на підставі яких відмовилася від їх подальшого застосування. Причина – невідповідність міжнародним нормам екологічної безпеки, проблеми із захороненням та точністю вимірювання. Вже у 2014 р. із 509 щільномірів, що працюють на гірничо-збагачувальних комбінатах, 86 приладів
демонтовані.
Труднощі викликає і відбір проб під тиском із закритого трубопроводу для налагодження та контролю щільності. Маса приладу складає 86 кг.
Об'ємно-ваговий плотномір DENCELL
Рис. 2. Щільномір DENCELL
Щільномір DENCELL (рис. 2) є об'ємно-ваговим, проточним щільноміром. Його прототипом служить індикатор щільності ваговий ферродинамічний (ІПВФ), розроблений Харківським заводом КВП у 1963 р. і того ж року вперше успішно введений в експлуатацію на Тирниаузькому вольфрамомолібденовому ГЗК.
Щільномір ІПВФ - це електромеханічний прилад з невисоким класом точності ±1,5-2% (рис. 3) . Він був встановлений практично на всіх збагачувальних фабриках СРСР.
Через 5 років після випуску цих плотномірів автори [6] навели дані щодо конструкції приладу та експлуатаційні характеристики: «Накопичено великий досвід експлуатації вагових плотномірів типу ІПВФ на залізозбагачувальних фабриках Південного, Центрального, Північного, Інгулецького та Ново-Криворізького ГЗК. При дотриманні норм, правил монтажу та експлуатації щільність працює надійно і досить точно. Недоліком є зношування труби пульпою. В даний час завод КВП випускає ІПВФ з більш зносостійкими та довговічними трубами. На деяких комбінатах почали самостійно відливати труби...». Остання цитована пропозиція додатково свідчить про значущість вимірювання щільності пульпи.
Враховуючи ефективність та затребуваність приладу, автори ІПВФ радикально вдосконалили та розробили принципово нову мікропроцесорну, тензометричну версію приладу ІПВФ під назвою DENCELL [1
Рис. 3. Щільномір ІПВФ
Прилад ІПВФ та всі чотири модифікації DENCELL випробовували та впроваджували на Полтавському ГЗК. Прилад DENCELL на порядок перевершує ІПВФ за всіма основними параметрами: класом точності, простотою налагодження, обслуговування, надійності та довговічності потокочутливої труби. Щільномір DENCELL, на відміну від ІПВФ, не має рухомих електромеханічних вузлів.
Прилад заснований на зважуванні тензометричним методом потокочутливої об'ємно-вагової футерованої труби діаметром 70 мм (у ІПВФ діаметр 50 мм). Плотность пульпы ρ определяется отношением массы этой трубы m, полностью заполненной пульпой, к ее постоянному объему V _cc781905-5cde-3194-bb3b -136bad5cf58d_ρ = m/V.
Перевагою приладу є можливість прямого виміру з лінійною характеристикою по всьому діапазону виміру щільності пульпи. Клас точності щільності становить ±0,5 %; залежно від характеру потоку пульпи коливається у межах від ±0,1 до ±0,5 %. При стабілізованому ламінарному потоці пульпи похибка наближається до ±0,1%. Завдяки цьому прилад DENCELL може контролювати тонкі пульпи в межах щільності від 1,03 до 1,15 г/дм3, наприклад, хвости магнітозбагачувальних фабрик. Щільномір характеризується простотою налагодження та обслуговування; переналагодження приладу потрібно не рідше одного разу на 9 міс. Відбір проби не становить труднощів. Щільномір екологічно безпечний. Щільноміри для вимірювання пульпи на різних межах взаємозамінні. Крім того, розроблений щільність DENCELL-Т/Ж з вбудованим в нього перетворювачем для вимірювання співвідношення тверде: рідке пульпи. Вартість приладу DENCELL більш ніж втричі нижча, ніж площина Berthold.
Для компенсації недоліків пікнометричного методу контролю густини пульпи налагодження густонаміру DENCELL здійснюється за двома значеннями густини. Порожня потокочутлива труба відповідає точці "0" приладу. На вхід пристрою подається пульпа. Пікнометричним кухлем вимірюють реальне значення щільності і так само, як і попереднє значення "0", заносять у вимірювальний блок приладу. Щільномір налаштований і може бути включений у роботу.
Для додаткового збільшення точності плотномера повторно вимірюють щільність пульпи і вносять значення пам'ять приладу. При цьому друге та перше значення автоматично усереднюються між собою. Третій вимір усереднюється з двома попередніми. Такий алгоритм полегшує налагодження приладу. Маса приладу складає 18 кг.
Недоліком щільності є необхідність байпасу для його підключення.
На Полтавському ГЗК проведено дослідження з оптимізації різних варіантів підключення щільноміра DENCELL. Виробник додатково постачає штамповані стандартні гумові, абразивостійкі втулки, воронки, коліна та фітинги для забору пульпи безпосередньо з лотків, труб, коробів, пульподілителів та дешламаторів, пульпо- та шламопроводів, які спрощують відбір та подачу пульпи у щільномір. Для вирівнювання нестаціонарного потоку пульпи між забірним пристроєм і щільноміром можна встановити невеликий стабілізуючий лоток, який дозволяє дроселювати і стабілізувати коливання потоку, гумовим затвором відрегулювати потік, при необхідності налагодження та/або тарування плотномера перекрити потік і з відкритого лотка здійснити контрольний.
Порівняльні випробування плотномірів DENCELL та Berthold
Перевагою густонаміру Berthold є відсутність пробовідбору пульпи, проте він необхідний для налагодження густонаміру. За проектом для цього трубопровід під тиском пульпи врізаний кран діаметром 50 мм. Потік пульпи в крані проходить складним S-подібним каналом, який миттєво забивається після закриття крана. Прочищення крана займає значний час. Для оцінки похибки щільномірів проведено порівняльні промислові випробування двох приладів DENCELL та одного Berthold. Перші випробування проведені на зливі класифікатора секції ОФ-1 лише з щільністю DENCELL. Щільномір Berthold встановити на секції неможливо, тому що майже
горизонтальна гумова труба зливу класифікатора повністю не заповнена, і рівень потоку пульпи змінюється в часі.
Результати випробувань густонаміру DENCELL:
де Δ – абсолютна похибка, г/дм3; СКО – середньоквадратичне відхилення результатів виміру, г/дм3; λ – наведена похибка густонаміру (клас точності приладу), %. Граничне значення вимірювання щільномірами становить 2500 г/дм3, тобто 1% похибки відповідає 2500:100 = 25 г/дм3.
Другі порівняльні випробування спільно двох приладів проведені у відділенні флотації № 2 ОФ-1. Щільноміри Berthold та DENCELL встановлені послідовно один з одним на загальній вертикальній сталевій трубі зливу гідроциклону, з подачею пульпи під тиском знизу вгору, тобто обидва прилади працюють під тиском. Така схема включення обрана спеціально, щоб гарантувати не тільки повне заповнення густонаміру Berthold, але і створити рівномірний розподіл частинок по всьому перерізу пульпопроводу. Результати порівняльних випробувань двох щільномірів наведено в табл. 1 .
Таблиця 1. Результати порівняльних випробувань густонамірів
Клас точності щільності DENCELL відповідає паспортним даним і становить ±0,5 %, а Berthold – ±1 %. Різниця в класі точності пов'язана з тим, що пристрій DENCELL заснований на прямому методі вимірювання параметра, а Berthold – на непрямому.
В основному технологічні переділи на ОФ носять інерційний характер з великим транспортним запізненням, яке негативно впливає на процес автоматичного керування. З переходом до системи з великим запізненням якість регулювання та стійкість АСУТП знижується, наближаючись до якості ручного керування. В табл. 2 представлені різні канали впливу, параметри та транспортне запізнення, які можна використовувати для автоматичного керування [6].
Из табл. 2 видно, що контроль щільності необхідний майже на всіх ділянках подрібнення.
Таблиця 2. Канали впливу, параметри та транспортне запізнення, що використовуються для автоматичного керування.
Проблеми транспортного запізнення можна вирішити кількома способами.
1. Застосування нових регулюючих впливів. Наприклад, встановити для кульових млинів регульований електропривод. Це дозволить створити оптимальну систему комбінованого управління на основі двох послідовних каналів: безінерційного каналу управління швидкістю обертання млина та інерційного каналу управління завантаженням руди. Комбінована АСУТП усуває запізнення та миттєво компенсує зовнішні обурення (подрібнюваність, крупність руди) та внутрішні обурення (коефіцієнт заповнення кулями, знос кульок та броні), дозволяє вибрати оптимальну висоту падіння кульок та постійно коригує дрейф статичної характеристики. Комбінована АСУТП дозволить на 20% підвищити продуктивність та стабілізує якість готового продукту [10, 15].
2. Застосування предикатора Сміта або регулятора Ресвіка. Рішення полягає в синтезі системи управління, в якій запізнююча керуюча дія не впливає на стійкість та якість перехідних процесів для безперервних об'єктів з відомими параметрами та часом запізнення.
3. Зведення до мінімуму запізнення датчиків, перетворювачів, виконавчих механізмів та регулюючих органів.
Запізнення приладу DENCELL складає 2,5 с, а Berthold - 40 с. Істотна різниця у запізнюванні пов'язана з тим, що прилади засновані на різних (прямому та непрямому) методах вимірювання щільності.
Слід зазначити розроблений в НТЦ «Екофізприлад» радіоізотопний щільномір ІПБ-1К, у якого, відповідно до паспортних даних, запізнення становить 250 с (≈4,2 хв). Це з непрямим методом вимірювання щільності, і навіть із істотно ослабленою потужністю випромінювача ИПБ-1К зменшення шкідливого впливу радіації на обслуговуючий персонал. За відгуками фахівців Свято-Варварінської збагачувальної фабрики, радіоізотопний щільномір ІПБ-1К працює стабільно, проте з часом активність джерела іонізуючого випромінювання (22Na, період напіврозпаду всього 2,6 року) падає у 2–2,5 рази, що призводить до значної похибки показань приладу. Клас точності щільності становить 1,5–2 % при великій тривалості часу вимірювань (250 с). Зі збільшенням діаметра пульпопроводу необхідно підвищувати потужність джерела іонізуючого випромінювання, а в щільному ІПБ-1К вона невелика.
Висновки
Кожен плотномір – Berthold та DENCELL – має свою сферу застосування. Проведені порівняльні випробування дають змогу оцінити переваги та недоліки плотномірів відповідно до конкретних завдань та вимог збагачувальних фабрик, у тому числі з урахуванням співвідношення вартості приладу та якості результатів його роботи, що дозволить підприємству вибрати потрібний тип плотноміру.
бібліографічний список
1. Морозов В. В., Топчаєв В. П., Улітенко К. Я., Ганбаатар З., Делгербат Л. Розробка і застосування автоматизованих систем управління процесами збагачення корисних копалин. - М.: ВД «Руда і Метали», 2013. - 512 с.
2. Зімін А. В., Трушін А. А., Бондаренко А. В. Вектор розвитку засобів та систем автоматизації для гірничо-збагачувальних виробництв у НВО «РІВС» // Гірський журнал. 2014. № 11. С. 91-95.
3. Tangsathitkulchai C. ES ects slurry concentration and powder T lling on net mill power of a laboratory ball mill // Powder Technology. 2003. Vol. 137. P. 131-138.
4. Азарян А. А., Кривенко Ю. Ю., Кучер В. Г. Автоматизація першої стадії подрібнення,_cc781905-5c3d руд // Вісник Криворізького національного університету. 2014. № 36. С. 275-280.
5. Качура Е. В., Альхурі Ф. С. Р. Автоматизація розкриття залізної руди в других и третіх стадіях подрібнення // Вісник Криворізького національного університету. № 34. С. 76-80.
6. Гончаров Ю. Г., Давидкович А. С., Гейзенблазен Б. Є., Гуленко Г. В. Автоматичний контроль та регулювання технологічних процесів на залізорудних збагачувальних фабриках. - М.: Надра, 1968. - 227 с.
7. Ківіліс С. С. Щільноміри. - М.: Енергія, 1980. - 279 с.
8. Webster JG. 2nd ed. - New York: CRC Press, 2014. - 1640 p.
9. Viana SAA Do Nuclear Instruments Always Need to Be Used? // Engineering and Mining Journal. 2017. Vol. 218. Iss. 2. P. 46-51.
10. Ковалюх М. В., Ковалюх С. В. Вуглеразмальний трубно-конусний млин нового покоління, прилади та пристрої управління // Енергетика та електрифікація. 2001. № 8. С. 45-54.
11. Пат. 2015145975 РФ. Тензодатчик для об'ємно-вагового вимірювача щільності рідини та об'ємно-ваговий вимірювач щільності рідини на його основі / С. В. Ковалюх; заявл. 29.04.2014; опубл. 09.06.2017, Бюл. №16.
12. Products / Berthold Technologies, 2018. URL: https://www.berthold.com/en/pc/products (дата звернення: 19.02.2018).
13. Batey RH Non-Nuclear Density Meter and Mass Flow System for Dredging Slurries // Proceedings of the 32nd Western Dredging Association Technical Conference. – New York : Curran Associates, 2012. P. 1–14.
14. Hashemi SA, Sadighian A., Shah SIA, Sanders RS Solid velocity and concentration_cc7-9 -136bad5cf58d_of Multiphase Flow. 2014. Vol. 66. P. 46-61.
15. Kovalyukh SV, Kovalyukh VR A New Generation Grinding Unit // World Cement. 2009. No. 10. P. 1-8. ГЖ