線性移動(dòng)刀口取樣器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

周 成, 趙建軍, 李傳偉, 趙海利, 袁建明

(1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京100160；2.礦冶過程自動(dòng)控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100160；3.礦冶過程自動(dòng)控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100160)

取樣是選礦流程工業(yè)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。為了控制選礦廠使其處于最佳的生產(chǎn)狀態(tài)， 須對(duì)磨礦分級(jí)產(chǎn)品的細(xì)度、濃度、浮選流程精礦和尾礦產(chǎn)品的各金屬品位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。 同時(shí)，為準(zhǔn)確計(jì)算選廠金屬量平衡，統(tǒng)計(jì)每班生產(chǎn)效益，需要準(zhǔn)確測(cè)定原礦、精礦、尾礦中的金屬品位。這些重要參數(shù)的提取，離不開對(duì)流程各環(huán)節(jié)產(chǎn)品的取樣。 這就要求取樣設(shè)備系統(tǒng)或取樣方法具有代表性，所獲取的樣品送在線分析儀器或?qū)嶒?yàn)室檢驗(yàn)時(shí)，能反映出選廠的真實(shí)工藝狀況。

目前， 國(guó)內(nèi)多數(shù)運(yùn)行年代較早的選廠受選廠現(xiàn)代化技術(shù)水平、規(guī)模、經(jīng)濟(jì)效益等因素制約，主要依靠人工取樣獲取相關(guān)工藝參數(shù)。 人工取樣通常在單點(diǎn)進(jìn)行取樣，受人為因素干擾取樣不穩(wěn)定，檢驗(yàn)管理和質(zhì)量控制的難度較大[2-4]。 新建選廠或經(jīng)濟(jì)效益較好的選廠，在選廠自動(dòng)化水平建設(shè)或改造的過程中，會(huì)選擇自動(dòng)化的取樣設(shè)備系統(tǒng)以節(jié)省人力和成本，但取樣設(shè)備多為固定刀口或無刀口的管道取樣器。這種管道取樣器只能截取流體截面中固定的某一區(qū)域，所獲取樣品的代表性受工藝波動(dòng)、金屬品位、礦石比重、管徑流量等因素的影響極大，并不能真正滿足金屬量計(jì)算的要求。

本文針對(duì)選礦廠原、精、尾關(guān)鍵流程取樣點(diǎn)的取樣代表性， 提出具有高取樣代表性的M1500/M1300系列線性移動(dòng)刀口取樣方案。 該方案可根據(jù)不同管徑、不同流量的工藝點(diǎn)進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，不僅可用于流程控制采樣，還滿足金屬量計(jì)算的需求。其采樣分析結(jié)果可用于精確評(píng)估選廠效益、 測(cè)定生產(chǎn)損耗和最終經(jīng)濟(jì)損失。

1 取樣原則

取樣就是從總的礦漿流體中取出具有代表性的一小部分用于金屬統(tǒng)計(jì)或過程控制。 要取得具有代表性的樣品，必須滿足以下通用的取樣原則[5]：1）每個(gè)取樣階段所獲得的每片樣品都具有代表性， 整個(gè)樣品才能認(rèn)為是具有代表性的。 2）取樣樣本中的每個(gè)顆粒進(jìn)入最終樣品的幾率必須均等。

無論是管道、溜槽，還是出料槽，礦漿在輸送過程中其粒度、密度受重力、管路彎頭、交叉口處動(dòng)量

效應(yīng)以及管道或溜槽壁阻力的影響，很難保證礦漿

物理狀態(tài)的均勻一致性。因此，選廠采用取樣勺舀取礦漿的一維取樣或管道取樣器固定刀口的二維取樣方法，其取樣代表性都受限于取樣點(diǎn)處礦漿是否混合均勻[5-6]。 針對(duì)礦漿在管道或溜槽中的不均勻、沉淀、流量流速波動(dòng)等情況，需要采用三維取樣的方法

來取出具有代表性的礦漿流[4,7]。

圖1 一、二、三維取樣

工程實(shí)踐表明， 要設(shè)計(jì)出滿足三維取樣的取樣機(jī)構(gòu)， 取出代表性或概率性樣品， 需要滿足以下條件：1）整個(gè)礦漿流都可以被取到；2）取樣刀口應(yīng)該垂直于礦漿流動(dòng)方向切割流體；3）取樣刀口應(yīng)當(dāng)以線性的恒定速度切割流體。

2 線性移動(dòng)刀口取樣器設(shè)計(jì)

2.1 取樣原理及結(jié)構(gòu)形式

線性移動(dòng)刀口取樣器取樣原理可簡(jiǎn)單地概括為： 取樣刀口在電機(jī)或氣缸的帶動(dòng)下以穩(wěn)定的線速度垂直于礦漿流動(dòng)的方向切割整個(gè)礦漿流，從中取出一定量的礦漿以滿足在線檢測(cè)或?qū)嶒?yàn)室化驗(yàn)需求。

圖2 M1300 和M1500 系列取樣器結(jié)構(gòu)

針對(duì)水平/傾斜(＜45°) 工藝管道走向，設(shè)計(jì)了如圖2(a)所示的M1300 系列線性移動(dòng)刀口取樣器；針對(duì)垂直/大角度(＞45°) 工藝管道走向，設(shè)計(jì)了如圖2(b)所示的M1500 系列線性移動(dòng)刀口取樣器。 所設(shè)計(jì)的線性移動(dòng)刀口取樣器主要包括入口管段、 取樣機(jī)構(gòu)、取樣刀口、控制系統(tǒng)4 大核心模塊，以及配套的ICE 箱體、樣品箱、下箱體、沖洗系統(tǒng)。 整個(gè)取樣系統(tǒng)根據(jù)工藝參數(shù)、安裝空間需進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)，其中取樣機(jī)構(gòu)根據(jù)需求可為電動(dòng)或氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

M1300/M1500 系列線性移動(dòng)刀口取樣器具有以下特點(diǎn)：1）根據(jù)礦漿粒度、濃度和流量參數(shù)專門設(shè)計(jì)的“D”形刀口結(jié)構(gòu)，保證切下來的礦漿以無阻力、無噴濺的方式進(jìn)入取樣刀口；2）刀口以合理平穩(wěn)的速度截取整個(gè)工藝流的礦漿，切“1 片具有代表性”礦漿出來，保證礦漿中的每1 個(gè)顆粒都有均等的機(jī)率流入刀口成為樣品；3）能夠滿足不同礦漿顆粒尺寸和流量工況下取出有代表性的樣品。

2.2 模型介紹

在取樣器的設(shè)計(jì)過程中， 需要針對(duì)過流礦漿進(jìn)行仿真，以了解流過取樣器礦漿的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。由于礦漿為礦石顆粒和水的混合物， 其中夾雜著空氣和藥劑，物理特性較為復(fù)雜。計(jì)算時(shí)需要將礦漿流動(dòng)環(huán)境及礦漿性質(zhì)做部分假設(shè)， 不考慮礦物顆粒的沉降效應(yīng)，而將礦物顆粒、水、氣泡、藥劑等混合體假設(shè)為一相，設(shè)定平均密度和粘度。將礦漿與取樣器系統(tǒng)內(nèi)的空氣組成兩相流系統(tǒng)，通過VOF(Volume of Fluid)法對(duì)礦漿運(yùn)動(dòng)和兩相界面進(jìn)行捕捉， 計(jì)算出相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)[9]。

VOF 法連續(xù)性方程和動(dòng)量方程分別為：

式中：u為速度矢量；p為壓強(qiáng)；g為自由落體加速度；籽為礦漿密度；滓為礦漿表面張力系數(shù)；k為交界面曲率；子為相間粘性力；n為交界面法向量；啄()為狄拉克函數(shù)。

在計(jì)算時(shí)需引入人工壓縮g項(xiàng)來計(jì)算模型控制單元內(nèi)氣液兩相流的體積分?jǐn)?shù)來獲得交界面信息，進(jìn)而反映礦漿流動(dòng)狀態(tài)：

式中：u子為適于壓縮界面的速度場(chǎng)，a僅對(duì)界面產(chǎn)生影響；為流體體積分?jǐn)?shù)。

2.3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

M1300 系列取樣器適用于水平或小角度傾斜走向的工藝管道。 借助于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的方法，根據(jù)流程工藝參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)安裝條件對(duì)入口圓管或方槽中礦漿軌跡進(jìn)行模擬，以選取M1300 取樣器最佳的入口管段和礦漿流入角度；同時(shí)通過對(duì)入口管段的定制化設(shè)計(jì)，將取樣器入礦流速控制在一定的范圍內(nèi)。 礦漿流入取樣器ICE 箱體后以類似拋物線的軌跡形成可控的瀑布面，獨(dú)特設(shè)計(jì)的D 字型刀口以垂直的角度在線性移動(dòng)的過程中截取整個(gè)瀑布流而無取樣盲區(qū)。礦漿軌跡的模擬有助于ICE 箱體、下箱體、取樣刀口設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。圖3 所示為某工況下不同入口設(shè)計(jì)對(duì)礦漿軌跡和瀑布面區(qū)域的影響。 通過對(duì)這些信息的掌握，為刀口尺寸參數(shù)和位置參數(shù)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

圖3 某工藝條件下不同入口管段M1300 取樣器礦漿軌跡模擬

M1500 系列取樣器適用于垂直或大角度走向的工藝管道，根據(jù)已知的流程工藝參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)安裝條件，同樣借助于CFD 方法對(duì)M1500 取樣器入口管段的礦漿軌跡進(jìn)行模擬，以確保礦漿以豎直或在刀口取樣區(qū)間內(nèi)分散下落，防止礦漿濺射進(jìn)入樣品箱污染樣品。 如圖4 所示，在某波動(dòng)性的工況條件下，對(duì)不同入口管道的設(shè)計(jì)進(jìn)行了礦漿軌跡模擬，可以看到較為明顯的差異，這些差異直接決定著設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇。通過對(duì)礦漿軌跡的模擬，在確定入口管段設(shè)計(jì)參數(shù)選取的同時(shí)，還有助于取樣刀口、ICE 箱體和下箱體設(shè)計(jì)參數(shù)的確定和優(yōu)化。

圖4 某工藝條件下不同入口管段M1500 取樣器礦漿軌跡模擬

根據(jù)移動(dòng)刀口取樣器取樣原理，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶著取樣刀口做往復(fù)運(yùn)動(dòng)（圖5），可計(jì)算出刀口每次切割礦漿瀑布流的取樣量：

式中：Q1為刀口單次截取的樣品體積量；W1為刀口的開度，mm；V為刀口移動(dòng)速度，m/s；Q0為工藝管道流量，m3/h。

圖5 取樣量計(jì)算示意

由于刀口移動(dòng)速度和刀口行程已知， 可計(jì)算出每分鐘最大的取樣次數(shù)：

式中：N0為最大取樣頻率，次/min；L為刀口行程，m。

那么取樣器取樣流量：

式中：Q2為計(jì)算的最終取樣流量，L/min；n為設(shè)定的取樣次數(shù)，次/min，滿足n＜N0。

對(duì)于氣缸驅(qū)動(dòng)的M1300/M1500 系列取樣器，刀口移動(dòng)速度可由流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)， 因此可通過調(diào)節(jié)速度或設(shè)定取樣頻率來控制取樣量。 對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的M1300/M1500 系列取樣器，刀口移動(dòng)速度受電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的影響為固定參數(shù)， 其取樣量則可通過設(shè)定取樣頻率或更換不同開度的刀口帽來調(diào)節(jié)。

2.4 取樣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以氣缸驅(qū)動(dòng)的M1300/M1500 系列取樣器為例，其控制系統(tǒng)硬件包括氣控箱和電控箱，配套定制開發(fā)的BSCS 軟件，通過觸摸屏人機(jī)界面進(jìn)行操作。 作為一次取樣器，其就地設(shè)備包括取樣器主體和氣控箱，電控箱根據(jù)實(shí)際情況放在方便操作的地方。

移動(dòng)刀口取樣器通過就地氣控箱旋鈕開關(guān)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)和就地手動(dòng)的切換。 在就地控制模式下，控制系統(tǒng)將不對(duì)取樣器進(jìn)行任何操作，就地通過手動(dòng)對(duì)取樣器設(shè)備進(jìn)行單點(diǎn)操作。在遠(yuǎn)程自動(dòng)控制模式下，控制系統(tǒng)接收分析儀器取樣信號(hào)、取班樣信號(hào)或是人工取樣信號(hào)，完成一個(gè)完整的自動(dòng)取樣流程。 根據(jù)取樣系統(tǒng)硬件配置，如表1 提取了主要的控制參數(shù)。

自動(dòng)模式下取樣系統(tǒng)將按照?qǐng)D6 所示的控制邏輯進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行：1）控制箱上電運(yùn)行后，內(nèi)置BGRIMM 控制器判斷取樣器當(dāng)期的控制模式；2）自動(dòng)模式下BGRIMM 控制器接受到取樣信號(hào)開始進(jìn)入取樣流程，否則重復(fù)步驟1；3）當(dāng)取樣信號(hào)持續(xù)存在， 電磁閥控制氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)取樣刀口進(jìn)行取樣，直到取樣信號(hào)延時(shí)結(jié)束停止取樣；4）取樣動(dòng)作結(jié)束后， 電磁閥控制沖洗水閥按照設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行取樣器沖洗，沖洗結(jié)束即取樣流程完畢，等待下一次取樣命令；5）在步驟3 和4 進(jìn)行的時(shí)候，BGRIMM 控制器會(huì)不斷檢測(cè)自動(dòng)控制信號(hào)， 如果自動(dòng)控制信號(hào)在取樣流程中被切斷， 則電磁閥控制氣缸回到起點(diǎn)位置，并強(qiáng)制退出取樣流程。

表1 M1300/M1500 取樣器關(guān)鍵控制參數(shù)

3 工業(yè)應(yīng)用

通過對(duì)線性移動(dòng)刀口取樣器的推廣，國(guó)內(nèi)各大選廠對(duì)取樣代表性的重視程度越來越高。 M1300/M1500 取樣器已在國(guó)內(nèi)江銅集團(tuán)、銅陵有色、西部礦業(yè)、紫金礦業(yè)、國(guó)森礦業(yè)的多個(gè)選廠得到了成功的應(yīng)用，并有多個(gè)項(xiàng)目的移動(dòng)刀口取樣器處于生產(chǎn)和安裝調(diào)試階段。 如圖7 所示為某選廠安裝的M1500 取樣器。 該取樣器安裝在浮選柱溢流的銅精礦礦漿管道上， 從圖中可以看出浮選柱溢流管道原本走向?yàn)榭拷∵x柱筒體大角度傾斜向下，且垂直高差較大。為了滿足M1500 取樣器豎直入礦的條件，且滿足取樣器安裝和檢修空間的條件，需要對(duì)礦漿管道進(jìn)行改造。 傾斜管道進(jìn)入M1500 取樣器，需要在入口前配置一段彎頭，如何配置此彎頭為該取樣器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一。

圖6 移動(dòng)刀口取樣器自動(dòng)控制流程

圖7 某選廠安裝的M1500 取樣器

工程實(shí)踐表明，礦漿在彎頭處的擾動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈，且較大的高差使得礦漿在彎頭處的無序?yàn)R射也更為顯著，此工況下需要在M1500 取樣器入口與彎頭之間配置一段豎直管道。 借助CFD 對(duì)M1500 取樣器入口處流體狀態(tài)進(jìn)行了模擬， 圖8 所示考慮了兩種不同長(zhǎng)度豎直管段， 模擬結(jié)果表明彎頭越靠近M1500 取樣器，入口處的流體擾動(dòng)和濺射范圍越大，刀口取樣盲區(qū)存在和樣品箱被污染的可能性越大。最終綜合考慮了現(xiàn)場(chǎng)安裝條件以及入口流體濺射的可控范圍，配置了圖7 所示的設(shè)計(jì)和安裝方案。

圖8 某選廠M1500 取樣器不同入口管段下礦漿軌跡的變化

M1500 取樣器運(yùn)行后對(duì)其進(jìn)行了考察， 選取了同一選廠串聯(lián)的浮選槽溢流硫精礦管道上的管道取樣器進(jìn)行了比較。 在相同時(shí)間段的相同工藝波動(dòng)條件下，在BOXA 分析儀多路器處各取了20 個(gè)班樣送由質(zhì)檢化驗(yàn)，與同階段的質(zhì)檢班樣進(jìn)行了比對(duì)，比對(duì)數(shù)據(jù)如圖9 所示。

從對(duì)比結(jié)果可以看出來， 即使在工藝波動(dòng)的情況下，M1500 移動(dòng)刀口取樣器取得的樣品化驗(yàn)結(jié)果與質(zhì)檢化驗(yàn)結(jié)果有很好的跟隨性，且結(jié)果基本吻合，能夠反映出工藝流程銅精礦銅品位的真實(shí)狀況；而相同條件下， 采用固定刀口的管道取樣器其取樣樣品化驗(yàn)結(jié)果與質(zhì)檢化驗(yàn)結(jié)果手工藝波動(dòng)的影響很大，某階段不僅跟隨性較差，而且誤差很大，很難反映出工藝流程硫精礦硫品位的真實(shí)狀況?？梢钥闯?，M1500 移動(dòng)刀口取樣器具有良好的取樣代表性，其取得樣品能夠反映出工藝當(dāng)前的真實(shí)信息。 M1500取樣器取得實(shí)時(shí)樣品流入BOXA 熒光品位分析儀檢測(cè)的實(shí)時(shí)結(jié)果，對(duì)選廠操作工具有很好的生產(chǎn)指導(dǎo)意義，同時(shí)其獲得的班樣化驗(yàn)結(jié)果參與選廠總的金屬量計(jì)算能夠反映出選廠當(dāng)前的真實(shí)效益。

圖9 M1500 取樣器與管道取樣器取樣對(duì)比

4 結(jié)語

應(yīng)用CFD 對(duì)礦漿軌跡的模擬，針對(duì)選廠工況條件定制化設(shè)計(jì)的M1300/M1500 線性移動(dòng)刀口取樣器遵循了通用的取樣原理， 區(qū)別于人工取樣和固定刀口取樣器，其取樣模式為三維取樣，因而具有很好的取樣代表性。 M1300/M1500 取樣器能夠滿足選廠對(duì)原、精、尾關(guān)鍵流程取樣代表性的最高要求。 工業(yè)實(shí)踐表明， 線性移動(dòng)刀口取樣器取得樣品能夠反映出工藝流程的真實(shí)信息，不僅可用于流程控制采樣，還滿足金屬量計(jì)算對(duì)取樣代表性的要求。 與BOXA熒光品位分析儀組成在線取樣分析系統(tǒng)， 其輸出的實(shí)時(shí)品位檢測(cè)信息對(duì)選廠操作工具有有益的生產(chǎn)指導(dǎo)意義， 其獲取的自動(dòng)班樣樣品可作為選廠質(zhì)檢部門的班樣樣品參與選廠金屬量計(jì)算和經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估，同時(shí)還可節(jié)省人力、設(shè)備等成本。