选矿厂浮选矿浆pH智能调节系统建设与应用

毛世意，朱秋飞

（江西铜业集团有限公司 城门山铜矿，江西 九江 332000）

1 引言

当前我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，正处在转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力的攻关期。伴随新旧动能转换和供给侧结构改革的不断推进，智能技术已经在各个领域发挥越来越大的作用。与之相应，矿山运营智能化成为必然趋势，成为矿业领域的技术热点和发展方向。

在这个背景下，江西铜业股份有限公司城门山铜矿率先开展智能化矿山建设。城门山铜矿隶属于江西铜业股份有限公司，是一座以铜、硫为主，共生钼、铁、锌，伴生金、银和稀散元素的大型多金属矿［1］，选矿厂处理能力290万t/a。该矿智能化矿山建设涵盖了采、选各个方面，其中选矿厂主要围绕“磨矿专家系统”、“浮选专家系统”、“浓密专家系统”三大系统建设，以求实现设备监控、流程监测的自动化，以及流程控制的智能化。

选矿工艺采用优先浮选流程。原矿经磨矿达到合格粒度后，通过加石灰浆调节pH至12左右，经“两粗两扫两精”浮选作业产出铜精矿产品。选铜尾矿经Ф150脱泥旋流器分级脱泥，沉砂产品加浓H2SO4调节矿浆pH至弱碱性，经“一粗一扫两精”浮选作业得到高硫精矿产品，脱泥溢流与选硫尾矿为最终尾矿。

预先调节矿浆pH是浮选作业极为重要的环节。对于有色金属硫化矿的浮选而言，加入石灰浆调节精准的浮选矿浆pH值，是实现共生多金属有效分离、有价金属得到最大程度回收的先决条件。选矿行业的特殊性，决定了多数时候矿石性质是复杂多变的，也导致在生产过程中需要相应的不断调整石灰投加量，以维持浮选矿浆pH的相对稳定。

2 传统浮选矿浆pH控制

通常来讲，浮选矿浆pH控制包含“矿浆pH检测”和“石灰投加”两个环节。

2.1 矿浆pH检测

浮选矿浆pH的测定有多种方法。pH试纸法具有检测成本低、操作简单的优越性，仅在生产现场对精度要求不高时应用，该法因为检测误差大，适用于矿浆pH粗放控制。

当pH控制精度要求更高时，常采用酸碱中和滴定法。检测时，取矿浆澄清液，以酚酞作为指示剂，用当量浓度0.05mol/L稀H2SO4滴定。该方法检测精度高，但操作繁琐、耗时较长，通常1个人工检测的周期为10~20min，需要专门人员开展检测，在工业上应用受限。

电极式在线检测pH计，在化学工业及环保污水处理等领域应用较多［2］。在浮选矿浆pH检测手段上，有选矿厂引入使用，但使用效果不好。该矿也进行过工业试验并尝试进行改良。结果显示，在矿浆条件下，pH计电极维持正常检测时间寿命难以超过24h，即使清洗维护后也不能恢复性能。这可能是由于矿浆中含有大量游离氧化钙及多种不同电荷的离子等原因，导致检测精度低、灵敏度下降［3-4］，不能稳定实现浮选矿浆pH在线检测需求。

2.2 石灰投加

石灰投加时常采用乳化为浆后投加。常用的石灰浆投加方式主要有直接投加、石灰浆截取法投加和多孔分配器定量投加等多种方式。

石灰储浆桶直接投加时，在石灰储浆桶下部安装控制闸阀，通过调节闸阀开度，实现石灰浆投加量调整。该投加方式简单直接、操作易理解，但是石灰浆投加可控范围小、石灰浆投加量调节精度低。

采用石灰浆截取法投加时，通过循环泵设置石灰浆瀑流，采用活动隔板对瀑流进行分流，达到调节石灰投加量目的。活动隔板在执行机构推动下，可绕铰链在开度0~100%范围内截取石灰浆瀑流。该投加方式可实现远程控制，相较直接投加法，石灰浆投加精度有所提高，石灰浆截取投加法输送系统如图 1所示。

图1 石灰浆截取投加输送系统示意图

多孔分配器定量投加相比而言是更为成熟的石灰投加方式，如图2所示，通过循环泵将石灰浆送至多孔分配器内，分配器底部沿周边均匀布置多个下料口，下料口底部连接自流管（槽）送至石灰添加点，余量返回石灰储浆桶。

图2 多孔分配器定量投加输送系统示意图

分配器下料采用气动执行机构，通过气缸连接闸阀周期性的启、闭下料口。由于启、闭采用电子计时器，时间精确可调，故可以更为准确控制各点石灰投加量，多孔分配器结构示意图如图3所示。

图3 多孔分配器结构示意图

采用多孔分配器定量投加，石灰投加精度高，可以同时多点投加，并且也由于设备配置紧凑，在国内同行业矿山，应用最为广泛、使用效果最好、也最受欢迎。

这种石灰投加工艺尽管最大可能的革除了以往石灰投加系统的多种弊端，但在实际生产应用中，仍然暴露出显著问题。

基于石灰浆特性［5］，这种工艺布置因为自流管/槽输送的距离较长，一方面石灰浆液里的固体颗粒会因为“层流”导致固体颗粒沉积。另一方面流动的石灰浆与空气接触后，在溜槽或管路内壁由于“挂壁现象”，容易在较短时间内就形成大量以碳酸钙为主体物质的石灰垢块。这些都不可避免地造成管/槽堵塞。

以该矿二期选矿厂为例，设置石灰投加点3个，在单耗4kg/t的条件下，断面尺寸为200×200的溜槽，总长度达到600余m。这么长的溜槽对清理工作以及安全生产造成很大的困扰，常常影响石灰的正常添加和生产流程的稳定。

2.3 多孔分配器定量投加石灰矿浆pH的控制效果

当采用多孔分配器投加石灰时，通过人工检测矿浆pH。以某日为例，班中8h内，以60min为周期、以矿浆pH=11.7~12.2为控制目标时，人工根据矿浆pH对石灰投加量调整，如图4所示。

图4 石灰投加量随矿浆pH变动图

从图4看到，人工1h检测1次，矿浆pH在11.4~12.3范围大幅波动，石灰投加量也在1.5~5.0kg/t范围宽幅调整。并且由于人工检测的迟滞、石灰通过自流管/槽流入时间长等多种原因，导致石灰投加量明显滞后于矿浆pH波动。在第2~4周期、第4~7周期，矿浆pH明显走出了与石灰投加量相反的趋势。

3 浮选矿浆pH智能控制方案

3.1 开发BOTA型酸度在线滴定分析仪

在矿浆pH检测手段上，酸碱中和滴定法较其他检测方法有较大的优越性。BOTA型酸度在线滴定分析仪的工作原理就是用机器代替人工，通过对矿浆过滤得到澄清溶液，采用微量泵进行准确滴定，从而实现矿浆pH在线检测［6］。BOTA型酸度在线滴定分析仪设备布置联系图如图5所示。

图5 BOTA型酸度在线滴定分析仪设备联系图

BOTA型酸度在线滴定分析仪由该矿与北京矿冶研究院联合共同开发，应用于有色金属选矿是国内具有独创性发明的矿浆pH分析仪。该产品历经数次改进和优化后，性能不断完善。实际应用中，其完整的检测周期控制在10min内，最短可达到7min，完全能够满足生产现场对矿浆pH检测的需求，并且相较于人工，可连续实时检测。

3.2 石灰投加解决方案

考虑到石灰浆特性，当采用压力输送时，石灰浆流速快、浆体紊流加大，颗粒分层和挂壁现象会大大减轻，因而输送管路结钙堵塞现象也会明显改善。尤其是当能够实现石灰浆量输送精准并且可以调节大小时，压力输送的优点就凸显出来了。

在该原理指导下，该矿首创性地引进螺杆泵作为石灰浆输送设备［7］，达到了良好的效果。当采用螺杆泵时进行压力输送时，显著减小输送管径，同时管材选择范围也更广，这些都使得后期安装和维护的量大大降低。以该矿原矿石灰投加点为例，在1用1备的条件下，仅采用2条DN32材质为PVC管路［8］就可以满足生产要求，相比于采用溜槽，石灰浆流经的截面积不足原来的1/10，同时还缩短了管路长度，采用螺杆泵投加石灰浆系统示意图如图6所示。

图6 螺杆泵投加石灰浆系统示意图

螺杆泵装置由螺杆泵、撬装支架及管道阀门组成。一台储浆桶可以同时撬装多台螺杆泵，实现多点石灰投加。在设计时同时设计液位、温度等联锁控制，维护简单、安全性高，螺杆泵撬装配置图如图7所示。

图7 螺杆泵装置撬装示意图

该解决方案优点有：

（1）显著减小管/槽尺寸，极大减轻了管路堵塞以及由此带来的流程影响。以前述为例，管路截面积不足原来的1/10。

（2）管路采用PVC材质和压力输送，灰浆紊流避免了石灰固体颗粒沉降，清理和维护工作量小。

（3）螺杆泵变频调节石灰浆输送量，既保证了投加精准，又为后续的智能投加石灰浆创造了前提。

（4）采用压力输送相比于自流输送，石灰浆调节反馈迅速，更容易控制浮选流程稳定。

（5）多台螺杆泵可撬装安装，占地空间小，安装简单快捷。

3.3 开发浮选矿浆pH智能调节系统

成功解决了矿浆pH检测和石灰精准投加的问题，使得浮选矿浆pH智能调节系统的开发建设水到渠成。

在精确控制选矿工艺条件下，以矿浆pH = 11.7~12.2为核心指标范围，浮选矿浆pH智能调节系统典型控制策略如表1所示。

表1 浮选矿浆PH智能调节系统控制策略

浮选矿浆pH智能调节系统投入运行以后，以某日8h为例，石灰投加量与矿浆pH波动变化曲线图如图8所示。

图8 智能控制矿浆pH与石灰投加量变化曲线图

通过对比图8与图4可以看到，在智能调节状态，8h内完成矿浆pH检测完成35次，检测及时性显著增强。随着矿浆pH检测结果的变化，石灰投加量也及时进行了智能调节。总体上矿浆pH控制达标率94.3%，基本在11.7~12.2范围波动。

矿浆pH智能调节系统投入以后，经过生产运行，石灰单耗得到明显降低，由之前的4.1kg/t降低到3.7kg/t，降低0.4kg/t，有效降低了选矿生产成本。与此同时，选矿指标都均衡提高。据测算，在保证铜精矿品位的条件下，选铜回收率提高了0.2%，取得了非常显著的经济效益。对于选矿生产管理而言，极大的减少了由于石灰管/槽结垢造成堵塞带来的清理和维护工作，提高了生产作业效率。

4 结语

研发BOTA型酸度在线滴定分析仪，解决了人工无法连续检测的问题，同时实现了精准、快速的矿浆pH检测，生产实践中检测周期最短仅为7min。采用螺杆泵进行石灰浆管路压力输送，极大的缩小了管路截面积，减少了石灰浆与空气接触，灰浆紊流还避免了石灰固体颗粒沉降，极大减少了管路堵塞现象。通过检测的矿浆pH反馈于螺杆泵转速调节，能快速智能调整浮选流程。

该矿通过建设浮选矿浆pH智能调节系统，在稳定浮选流程的基础上，石灰单耗降低了0.4kg/t，选铜回收率也因此提高了0.2%以上。

BOTA型酸度在线滴定分析仪的研发成果，与石灰螺杆泵的应用，在国内外同行业具有独创性和首创性，为推进选矿智能化解决了重要的问题。