陳福平，周麗華，李紹海

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

鈾礦水冶廠大多采用酸法浸出礦漿，工藝要求連續(xù)測(cè)量和控制浸出過(guò)程中剩余酸度。國(guó)內(nèi)外普遍采用電導(dǎo)率的方法測(cè)量浸出礦漿剩余酸度，一般有極式和非接觸式(又稱電磁式)2種方案。中國(guó)鈾礦水冶廠浸出車間最早采用四電極式電導(dǎo)儀測(cè)量浸出礦漿剩余酸度，但該類型電導(dǎo)儀發(fā)送器電極容易極化、腐蝕、磨損、滲透，維護(hù)工作量大；而電磁式濃度計(jì)發(fā)送器探頭感應(yīng)元件不與被測(cè)介質(zhì)直接接觸，具有精度高、穩(wěn)定性好、經(jīng)久耐用、使用方便、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也可避免電極式電導(dǎo)儀由于極化而造成精度降低和工作不穩(wěn)定等問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外鈾礦水冶廠大多采用電磁式濃度計(jì)在線測(cè)量浸出礦漿剩余酸度；但國(guó)內(nèi)鈾礦水冶廠使用的常規(guī)電磁式濃度計(jì)發(fā)送器探頭很難經(jīng)受浸出礦漿的高溫和礦石的磨損；同時(shí)礦漿中大量雜質(zhì)與酸作用后會(huì)在發(fā)送器探頭中心內(nèi)孔產(chǎn)生大量結(jié)垢，甚至礦砂堆積堵塞發(fā)送器探頭中心內(nèi)孔，這嚴(yán)重影響儀表測(cè)量準(zhǔn)確性，使常規(guī)電磁式濃度計(jì)在鈾礦水冶廠使用不理想。因此迫切需要改進(jìn)電磁式濃度儀表發(fā)送器探頭。

1發(fā)送器工作原理

1.1 探頭測(cè)量原理

電磁式濃度計(jì)是一種利用電磁感應(yīng)的方法來(lái)測(cè)量溶液電導(dǎo)，進(jìn)而來(lái)確定溶液濃度的一種儀器，因感應(yīng)元件不與被測(cè)溶液直接接觸，故稱為非接觸式測(cè)量法[1]。在鈾礦水冶廠酸法浸出礦漿中，當(dāng)影響浸出礦漿電導(dǎo)率的其他因素(電位、液固比、各種雜質(zhì)離子濃度)變化幅度不大時(shí)，可以使用測(cè)量鈾浸出礦漿電導(dǎo)率的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)浸出礦漿中剩余酸度的測(cè)量，電磁式濃度發(fā)送器探頭工作原理如圖1所示。

T1—?jiǎng)?lì)磁變壓器；T2—檢測(cè)變壓器；D—浸出礦漿溶液回路。圖1 電磁式濃度計(jì)發(fā)送器探頭工作原理

圖1中：T1、T2為2個(gè)環(huán)形變壓器,在勵(lì)磁變壓器T1上繞有原邊繞組W1匝,在檢測(cè)變壓器T2上繞有副邊繞組W4匝；D為待測(cè)浸出礦漿溶液所構(gòu)成的回路。待測(cè)浸出礦漿溶液回路D同時(shí)穿過(guò)環(huán)型變壓器T1及T2，通過(guò)D產(chǎn)生磁的交聯(lián)，2個(gè)環(huán)形變壓器T1和T2是由“一根”液體閉合回路耦合起來(lái)。D的等效電阻R隨待測(cè)浸出礦漿剩余酸度而變化,在D中則有電流I,其值與被測(cè)浸出礦漿溶液的電導(dǎo)率有關(guān)，在檢測(cè)變壓器線圈上的感應(yīng)電勢(shì)U2即表征了被測(cè)浸出礦漿溶液電導(dǎo)率大小,即可換算出浸出礦漿中剩余酸度。

1.2 發(fā)送器探頭等效電路

根據(jù)發(fā)送器探頭測(cè)量原理，發(fā)送器探頭等效電路如圖2所示。

圖2 發(fā)送器探頭等效電路

圖2中：U1、i1、W1、L1分別為勵(lì)磁變壓器T1的原邊激勵(lì)電壓、電流、繞組匝數(shù)與自感系數(shù)；W2、L2為T(mén)1副邊匝數(shù)與自感系數(shù)；W3、L3、W4、L4分別為檢測(cè)變壓器T2原邊匝數(shù)、自感系數(shù)和T2副邊匝數(shù)與自感系數(shù)，其中W2=W3，L2=L3；U2、i2為檢測(cè)變壓器輸出電壓和電流；M1、M2分別為T(mén)1，T2的互感系數(shù)；R、I為浸出礦漿溶液當(dāng)量電阻與流過(guò)的電流。

由發(fā)送器等效電路推導(dǎo)得出發(fā)送器探頭靈敏度表達(dá)式為[2]

(1)

式中：U1為勵(lì)磁變壓器原邊激勵(lì)電壓；U2為檢測(cè)變壓器輸出電壓；f為勵(lì)磁變壓器電源頻率；μ02檢測(cè)變壓器初始導(dǎo)磁率；W1為勵(lì)磁變壓器繞組匝數(shù)；W4為檢測(cè)變壓器繞組匝數(shù)；S為被測(cè)礦漿溶液回路截面積；l為被測(cè)礦漿溶液孔內(nèi)長(zhǎng)度(即探頭測(cè)量孔厚度)；r4為檢測(cè)變壓器磁環(huán)外徑；r3為檢測(cè)變壓器磁環(huán)內(nèi)徑；ρ為被測(cè)礦漿溶液電導(dǎo)率。

1.3 溫度補(bǔ)償

在影響浸出礦漿電導(dǎo)率的其他因素(電位、液固比、各種雜質(zhì)離子濃度)變化幅度不大的條件下，浸出礦漿電導(dǎo)率大小除了與浸出礦漿剩余酸濃度有關(guān)外，浸出礦漿溫度變化對(duì)礦漿電導(dǎo)率也有較大影響，一般來(lái)說(shuō)，電導(dǎo)率隨著礦漿溫度的增加而顯著增大。這嚴(yán)重影響了電導(dǎo)法測(cè)量鈾浸出礦漿剩余酸度，需要采取一定溫度補(bǔ)償措施，可采用二次儀表單片機(jī)自動(dòng)補(bǔ)償因礦漿溫度變化對(duì)浸出礦漿剩余酸度測(cè)量的影響。

2發(fā)送器測(cè)量探頭技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式

由于被測(cè)對(duì)象為液固混合礦漿體系，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為惡劣，使得常規(guī)工業(yè)電磁式濃度計(jì)發(fā)送器探頭使用狀況不佳。需要重點(diǎn)改進(jìn)該類型儀表發(fā)送器測(cè)量探頭技術(shù)參數(shù)及結(jié)構(gòu)形式，使其能夠滿足鈾礦水冶廠測(cè)量浸出礦漿中剩余酸度的要求[3]。

2.1 測(cè)量探頭技術(shù)參數(shù)

根據(jù)式(1)可得出提高探頭靈敏度需采用以下設(shè)計(jì)方案[4-5]：1)提高振蕩電源電壓U1及振蕩電源頻率f；2)減少勵(lì)磁變壓器T1原邊繞組匝數(shù)W1，增加檢測(cè)變壓器T2繞組匝數(shù)W4；3)檢測(cè)磁環(huán)元件采用初始導(dǎo)磁率高的磁性材料；4)增大待測(cè)溶液回路截面積S，減小溶液回路長(zhǎng)度l，選擇檢測(cè)磁環(huán)元件要求內(nèi)孔徑要大，磁環(huán)厚度要小，盡量增大外圓直徑r4與內(nèi)孔直徑r3之比。

由于礦漿介質(zhì)易結(jié)垢，發(fā)送器探頭中心內(nèi)孔結(jié)垢引起的測(cè)量誤差可由式(2)表示：

(2)

式中：D—發(fā)送器測(cè)量探頭中心內(nèi)孔直徑；Δ—測(cè)量探頭中心內(nèi)孔結(jié)垢厚度。

由(2)式可見(jiàn)，探頭中心內(nèi)孔直徑越大，探頭中心內(nèi)孔結(jié)垢同樣厚度引起的測(cè)量誤差越小，可有效減少測(cè)量探頭結(jié)垢對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，這與提高發(fā)送器靈敏度，要求加大測(cè)量探頭中心內(nèi)孔直徑相一致。

根據(jù)上述原則，設(shè)計(jì)測(cè)量探頭技術(shù)參數(shù)如下：1)發(fā)送器所用振蕩電源電壓U1設(shè)計(jì)為5 V，振蕩電源頻率f設(shè)計(jì)為3 kHz。2)勵(lì)磁變壓器T1和檢測(cè)變壓器T2都采用厚度為0.1 mm高導(dǎo)磁率的1J79優(yōu)質(zhì)坡莫合金磁性帶繞制，形狀為環(huán)形，鐵芯尺寸內(nèi)徑65 mm，外徑85 mm，厚10 mm。2個(gè)環(huán)形鐵芯分別外纏耐高溫聚酯薄膜后，均勻繞制線徑0.25 mm絲包線。將檢測(cè)變壓器T2放在電磁屏蔽盒內(nèi)進(jìn)行靜電屏蔽，然后將它們組裝并封裝在絕緣并耐腐蝕聚丙烯外殼材料里，再罐裝環(huán)氧樹(shù)脂固定密封后構(gòu)成電磁濃度儀表發(fā)送器的新型測(cè)量探頭[6]。3)根據(jù)環(huán)形勵(lì)磁變壓器T1和檢測(cè)變壓器T2尺寸，設(shè)計(jì)測(cè)量探頭測(cè)量中心內(nèi)孔直徑為φ44 mm，內(nèi)孔厚度為50 mm，加大了被測(cè)礦漿液體回路截面積S，減小了被測(cè)礦漿溶液回路長(zhǎng)度l。調(diào)整技術(shù)參數(shù)后，有效降低了液體回路等效電阻，提高了發(fā)送器探頭靈敏度，同時(shí)探頭測(cè)量中心內(nèi)孔結(jié)垢對(duì)儀表測(cè)量準(zhǔn)確度影響較小,且探頭測(cè)量中心內(nèi)孔設(shè)計(jì)為豎直方向，有效防止礦漿中礦砂固體物堆積堵塞測(cè)量中心內(nèi)孔而影響儀表正常測(cè)量功能。

2.2 發(fā)送器裝置外殼材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)送器裝置采用沉入式安裝方式，其長(zhǎng)度根據(jù)浸出槽高度確定。整套裝置由測(cè)量探頭、溫度敏感元件保護(hù)套、不銹鋼支撐連接引線管、防腐蝕聚丙烯管、固定法蘭、前置電路板及其電路板保護(hù)罩組成。

1)測(cè)量探頭外殼材料采用德國(guó)生產(chǎn)的非導(dǎo)磁絕緣聚丙烯，它具有耐高溫、耐強(qiáng)酸堿腐蝕、耐礦漿磨損、易焊接等優(yōu)點(diǎn)，便于將探頭相關(guān)檢測(cè)元件通過(guò)焊接可靠密封。

2)測(cè)量探頭上同時(shí)設(shè)計(jì)了導(dǎo)熱性能較好、耐腐蝕的純鈦金屬材料制成的溫度敏感元件保護(hù)套，其內(nèi)置溫度敏感元件可同時(shí)測(cè)量被測(cè)礦漿溫度，用單片機(jī)完成溫度自動(dòng)補(bǔ)償功能。

3)測(cè)量探頭與前置電路板保護(hù)罩之間由外徑25 mm不銹鋼管連接支撐，探頭檢測(cè)信號(hào)線穿過(guò)不銹鋼管中心引出至前置電路板，支撐不銹鋼管采用外徑32 mm，壁厚2.9 mm聚丙烯管包裹保護(hù)，以防止被測(cè)礦漿中酸堿腐蝕不銹鋼連接支撐管。同時(shí)支撐連接桿上設(shè)計(jì)了可移動(dòng)安裝法蘭，可將發(fā)送器安裝固定于浸出槽配套的安裝孔位置。

4)發(fā)送器裝置頂部設(shè)計(jì)了采用PVC材料制成的前置電路板保護(hù)罩，可有效防止工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)酸堿氣體腐蝕前置電路板。前置電路板將探頭產(chǎn)生的溫度和電導(dǎo)率微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)交流放大、檢波和直流放大變換后轉(zhuǎn)換為抗干擾能力強(qiáng)的溫度和電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)直流電壓信號(hào)，并通過(guò)電纜線將信號(hào)傳輸至二次儀表，再用單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理后顯示濃度。溫度測(cè)量電路如圖3所示；電導(dǎo)率測(cè)量電路如圖4所示。設(shè)計(jì)完成的發(fā)送器裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖3 溫度測(cè)量電路示意

圖4 電導(dǎo)率測(cè)量電路示意

1—檢測(cè)變壓器；2—?jiǎng)?lì)磁變壓器；3—防腐蝕絕緣聚丙烯外殼；4—檢測(cè)信號(hào)引出線；5—溫度敏感元件保護(hù)套；6—不銹鋼連接支撐管；7—防腐緣聚丙烯管；8—可移動(dòng)安裝固定法蘭；9—前置電路板固定座；10—至二次儀表電纜線鎖緊件；11—固定前置電路板銅柱；12—檢測(cè)信號(hào)接收與處理前置電路板；13—前置電路板防護(hù)罩。圖5 發(fā)送器裝置結(jié)構(gòu)

2.3 發(fā)送器探頭改進(jìn)前后對(duì)比

設(shè)計(jì)完成的發(fā)送器探頭改進(jìn)前后實(shí)物圖片對(duì)比如圖6所示。

圖6 發(fā)送器探頭改進(jìn)前后對(duì)比

改進(jìn)后探頭結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)：1)探頭測(cè)量中心內(nèi)孔為上下直通，有效防止流動(dòng)礦漿在探頭上結(jié)垢和礦砂固體物堆積堵塞測(cè)量中心內(nèi)孔而影響儀表正常測(cè)量，同時(shí)也便于探頭結(jié)垢后的清除；2)加大測(cè)量中心內(nèi)孔直徑，減小測(cè)量中心內(nèi)孔有效路徑，大幅提高了發(fā)送器探頭靈敏度，同時(shí)探頭結(jié)垢對(duì)儀表測(cè)量準(zhǔn)確度影響變小。

3現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證發(fā)送器探頭改進(jìn)效果，將改進(jìn)后濃度儀表在鈾礦水冶廠浸出車間進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在礦石的硫酸浸出體系中進(jìn)行，浸出劑H2SO4剩余酸度控制為30～60 g/L，浸出礦漿溫度為50～60 ℃，液固體積質(zhì)量比為1∶1 L/kg。采用改進(jìn)后濃度儀表測(cè)量值與人工取樣分析值對(duì)照分析，考核改進(jìn)了發(fā)送器探頭的濃度儀表可靠性和測(cè)量精度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集持續(xù)了約1個(gè)月，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可看出，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)礦漿液固比和各種雜質(zhì)離子濃度相對(duì)穩(wěn)定情況下，采用改進(jìn)后的濃度儀表測(cè)量浸出礦漿中剩余酸度，儀表分析值與人工取樣分析值基本一致，其測(cè)量誤差≤±5%，測(cè)量性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)需要，達(dá)到了對(duì)其改進(jìn)提高的目的。

表1 儀表測(cè)量與人工取樣分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注：儀表測(cè)量范圍:0～80.0 g/L。

3結(jié)論

1)改進(jìn)發(fā)送器探頭外殼選用德國(guó)生產(chǎn)的非導(dǎo)磁絕緣聚丙烯材料，它具有耐高溫、耐酸堿腐蝕、耐礦漿磨損、易焊接等優(yōu)點(diǎn)，便于將探頭相關(guān)檢測(cè)元件通過(guò)焊接可靠密封，解決了多年來(lái)圍繞濃度發(fā)送器探頭易滲漏等問(wèn)題。

2)測(cè)量探頭勵(lì)磁變壓器和檢測(cè)變壓器采用高導(dǎo)磁率的1J79優(yōu)質(zhì)坡莫合金磁性材料作為檢測(cè)元件，并且加大測(cè)量探頭上起主導(dǎo)作用的測(cè)量探頭中心內(nèi)孔直徑，減小被測(cè)礦漿溶液回路長(zhǎng)度，使被測(cè)礦漿液體回路截面積加大，降低了液體回路等效電阻，提高了發(fā)送器探頭靈敏度，同時(shí)探頭測(cè)量中心內(nèi)孔有少量結(jié)垢對(duì)儀表測(cè)量準(zhǔn)確度影響也較?。涣硗饧哟蟮奶筋^測(cè)量中心內(nèi)孔設(shè)計(jì)為上下方向直通，有效防止流動(dòng)礦漿在探頭上結(jié)垢和礦砂固體物堆積堵塞測(cè)量中心內(nèi)孔而影響儀表正常測(cè)量功能，同時(shí)也便于探頭結(jié)垢后的清除。

3)改進(jìn)的發(fā)送器探頭測(cè)量準(zhǔn)確性及可靠性有了較大幅度提升，能夠滿足鈾礦水冶廠浸出車間連續(xù)在線準(zhǔn)確測(cè)量浸出礦漿剩余酸度要求。改進(jìn)的儀表已應(yīng)用到國(guó)內(nèi)鈾礦水冶廠浸出生產(chǎn)車間，為實(shí)現(xiàn)鈾礦水冶廠浸出礦漿剩余酸度測(cè)量生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制創(chuàng)造了條件。改進(jìn)的濃度發(fā)送器測(cè)量技術(shù)也可以應(yīng)用到其他金屬提取的工藝中，這也是今后該儀表研發(fā)的重要方向。