鈾礦水冶廠浸出礦漿剩余酸度測量
——電磁式濃度計發(fā)送器探頭改進與應(yīng)用

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)測量和控制浸出過程中剩余酸度。國內(nèi)外普遍采用電導(dǎo)率的方法測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。中國鈾礦水冶廠浸出車間最早采用四電極式電導(dǎo)儀測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，維護工作量大；而電磁式濃度計發(fā)送器探頭感應(yīng)元件不與被測介質(zhì)直接接觸，具有精度高、穩(wěn)定性好、經(jīng)久耐用、使用方便、維護工作量小等優(yōu)點，同時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)定等問題。目前，國內(nèi)外鈾礦水冶廠大多采用電磁式濃度計在線測量浸出礦漿剩余酸度；但國內(nèi)鈾礦水冶廠使用的常規(guī)電磁式濃度計發(fā)送器探頭很難經(jīng)受浸出礦漿的高溫和礦石的磨損；同時礦漿中大量雜質(zhì)與酸作用后會在發(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，這嚴重影響儀表測量準確性，使常規(guī)電磁式濃度計在鈾礦水冶廠使用不理想。因此迫切需要改進電磁式濃度儀表發(fā)送器探頭。

1發(fā)送器工作原理

1.1 探頭測量原理

電磁式濃度計是一種利用電磁感應(yīng)的方法來測量溶液電導(dǎo)，進而來確定溶液濃度的一種儀器，因感應(yīng)元件不與被測溶液直接接觸，故稱為非接觸式測量法[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，可以使用測量鈾浸出礦漿電導(dǎo)率的方法實現(xiàn)對浸出礦漿中剩余酸度的測量，電磁式濃度發(fā)送器探頭工作原理如圖1所示。

T1—勵磁變壓器；T2—檢測變壓器；D—浸出礦漿溶液回路。圖1 電磁式濃度計發(fā)送器探頭工作原理

圖1中：T1、T2為2個環(huán)形變壓器,在勵磁變壓器T1上繞有原邊繞組W1匝,在檢測變壓器T2上繞有副邊繞組W4匝；D為待測浸出礦漿溶液所構(gòu)成的回路。待測浸出礦漿溶液回路D同時穿過環(huán)型變壓器T1及T2，通過D產(chǎn)生磁的交聯(lián)，2個環(huán)形變壓器T1和T2是由“一根”液體閉合回路耦合起來。D的等效電阻R隨待測浸出礦漿剩余酸度而變化,在D中則有電流I,其值與被測浸出礦漿溶液的電導(dǎo)率有關(guān)，在檢測變壓器線圈上的感應(yīng)電勢U2即表征了被測浸出礦漿溶液電導(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分別為勵磁變壓器T1的原邊激勵電壓、電流、繞組匝數(shù)與自感系數(shù)；W2、L2為T1副邊匝數(shù)與自感系數(shù)；W3、L3、W4、L4分別為檢測變壓器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為檢測變壓器輸出電壓和電流；M1、M2分別為T1，T2的互感系數(shù)；R、I為浸出礦漿溶液當(dāng)量電阻與流過的電流。

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式為[2]

(1)

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

1.3 溫度補償

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礦漿電導(dǎo)率也有較大影響，一般來說，電導(dǎo)率隨著礦漿溫度的增加而顯著增大。這嚴重影響了電導(dǎo)法測量鈾浸出礦漿剩余酸度，需要采取一定溫度補償措施，可采用二次儀表單片機自動補償因礦漿溫度變化對浸出礦漿剩余酸度測量的影響。

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

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

2.1 測量探頭技術(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)減少勵磁變壓器T1原邊繞組匝數(shù)W1，增加檢測變壓器T2繞組匝數(shù)W4；3)檢測磁環(huán)元件采用初始導(dǎo)磁率高的磁性材料；4)增大待測溶液回路截面積S，減小溶液回路長度l，選擇檢測磁環(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)垢引起的測量誤差可由式(2)表示：

(2)

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

由(2)式可見，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量誤差越小，可有效減少測量探頭結(jié)垢對測量結(jié)果的影響，這與提高發(fā)送器靈敏度，要求加大測量探頭中心內(nèi)孔直徑相一致。

根據(jù)上述原則，設(shè)計測量探頭技術(shù)參數(shù)如下：1)發(fā)送器所用振蕩電源電壓U1設(shè)計為5 V，振蕩電源頻率f設(shè)計為3 kHz。2)勵磁變壓器T1和檢測變壓器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。將檢測變壓器T2放在電磁屏蔽盒內(nèi)進行靜電屏蔽，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)氧樹脂固定密封后構(gòu)成電磁濃度儀表發(fā)送器的新型測量探頭[6]。3)根據(jù)環(huán)形勵磁變壓器T1和檢測變壓器T2尺寸，設(shè)計測量探頭測量中心內(nèi)孔直徑為φ44 mm，內(nèi)孔厚度為50 mm，加大了被測礦漿液體回路截面積S，減小了被測礦漿溶液回路長度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，同時探頭測量中心內(nèi)孔結(jié)垢對儀表測量準確度影響較小,且探頭測量中心內(nèi)孔設(shè)計為豎直方向，有效防止礦漿中礦砂固體物堆積堵塞測量中心內(nèi)孔而影響儀表正常測量功能。

2.2 發(fā)送器裝置外殼材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計

發(fā)送器裝置采用沉入式安裝方式，其長度根據(jù)浸出槽高度確定。整套裝置由測量探頭、溫度敏感元件保護套、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罩組成。

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

2)測量探頭上同時設(shè)計了導(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套，其內(nèi)置溫度敏感元件可同時測量被測礦漿溫度，用單片機完成溫度自動補償功能。

3)測量探頭與前置電路板保護罩之間由外徑25 mm不銹鋼管連接支撐，探頭檢測信號線穿過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，以防止被測礦漿中酸堿腐蝕不銹鋼連接支撐管。同時支撐連接桿上設(shè)計了可移動安裝法蘭，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)計了采用PVC材料制成的前置電路板保護罩，可有效防止工業(yè)現(xiàn)場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)率微弱信號經(jīng)過交流放大、檢波和直流放大變換后轉(zhuǎn)換為抗干擾能力強的溫度和電導(dǎo)率標準直流電壓信號，并通過電纜線將信號傳輸至二次儀表，再用單片機完成數(shù)據(jù)處理后顯示濃度。溫度測量電路如圖3所示；電導(dǎo)率測量電路如圖4所示。設(shè)計完成的發(fā)送器裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖3 溫度測量電路示意

圖4 電導(dǎo)率測量電路示意

1—檢測變壓器；2—勵磁變壓器；3—防腐蝕絕緣聚丙烯外殼；4—檢測信號引出線；5—溫度敏感元件保護套；6—不銹鋼連接支撐管；7—防腐緣聚丙烯管；8—可移動安裝固定法蘭；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—檢測信號接收與處理前置電路板；13—前置電路板防護罩。圖5 發(fā)送器裝置結(jié)構(gòu)

2.3 發(fā)送器探頭改進前后對比

設(shè)計完成的發(fā)送器探頭改進前后實物圖片對比如圖6所示。

圖6 發(fā)送器探頭改進前后對比

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

3現(xiàn)場驗證試驗

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

3.1 試驗方法

試驗在礦石的硫酸浸出體系中進行，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。采用改進后濃度儀表測量值與人工取樣分析值對照分析，考核改進了發(fā)送器探頭的濃度儀表可靠性和測量精度。

3.2 試驗結(jié)果

現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)采集持續(xù)了約1個月，試驗結(jié)果見表1。

從表1可看出，在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場礦漿液固比和各種雜質(zhì)離子濃度相對穩(wěn)定情況下，采用改進后的濃度儀表測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，其測量誤差≤±5%，測量性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)需要，達到了對其改進提高的目的。

表1 儀表測量與人工取樣分析試驗數(shù)據(jù)

注：儀表測量范圍:0～80.0 g/L。

3結(jié)論

1)改進發(fā)送器探頭外殼選用德國生產(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，便于將探頭相關(guān)檢測元件通過焊接可靠密封，解決了多年來圍繞濃度發(fā)送器探頭易滲漏等問題。

2)測量探頭勵磁變壓器和檢測變壓器采用高導(dǎo)磁率的1J79優(yōu)質(zhì)坡莫合金磁性材料作為檢測元件，并且加大測量探頭上起主導(dǎo)作用的測量探頭中心內(nèi)孔直徑，減小被測礦漿溶液回路長度，使被測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，同時探頭測量中心內(nèi)孔有少量結(jié)垢對儀表測量準確度影響也較?。涣硗饧哟蟮奶筋^測量中心內(nèi)孔設(shè)計為上下方向直通，有效防止流動礦漿在探頭上結(jié)垢和礦砂固體物堆積堵塞測量中心內(nèi)孔而影響儀表正常測量功能，同時也便于探頭結(jié)垢后的清除。

3)改進的發(fā)送器探頭測量準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)在線準確測量浸出礦漿剩余酸度要求。改進的儀表已應(yīng)用到國內(nèi)鈾礦水冶廠浸出生產(chǎn)車間，為實現(xiàn)鈾礦水冶廠浸出礦漿剩余酸度測量生產(chǎn)過程自動控制創(chuàng)造了條件。改進的濃度發(fā)送器測量技術(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。