基于浮选过程的柱塞式加药机的研制

孙秀丽，关长亮，刘启超，王贵成

(1.丹东东方测控技术股份有限公司，辽宁 丹东 118002； 2.上海应用技术大学，上海 201418)

1 前言

据不完全统计将近90%的有色金属通过浮选过程选别，可见浮选在选矿过程中的重要地位[1]。除此之外，浮选法也被广泛应用于非金属、稀有金属等矿物的选别。浮选法作为选矿最重要的方法之一，在选矿的发展过程中不断发展进步，除了浮选机和浮选控制方法的发展，药剂的种类和用量是浮选过程的关键环节，也是决定浮选指标的一个重要因素之一，加药系统越来越自动化、智能化[2]。所以加药机在提高选矿指标、节约药剂用量、加强管理、减少工人劳动负荷等方面都给企业带来了直接的经济效益和社会效益[3～4]。

柱塞式加药机是用于添加选矿浮选药剂的设备，柱塞式加药机利用柱塞泵吸入药剂和推出药剂，可作为动力装置将低地势的药剂定量地输送到高地势，也可以作为计量装置将高地势的药剂定量地输送到低地势，可用于有色金属选矿厂浮选和浓缩等多种浮选车间的药剂添加、药剂配比控制、精确定量灌装等需要自动控制的场合。可以根据自动化系统的实时控制信号进行加药，保证生产环节的稳定高效运行，提高产品质量。选矿过程中不仅需要根据工艺要求添加最优量，还要根据当前的矿石性质、浮选给矿量和浮选浓度调节浮选药剂，对浮选过程控制具有重要的作用。

2 工艺概述

浮选过程是选矿厂选别作业的重要组成部分，浮选指标的好坏直接影响选矿厂的效益指标，而加药制度是影响整个浮选过程的关键所在。以内蒙古某矿业有限责任公司的浮选车间为工艺背景，进行加药设计与应用，该厂生产规模为5 000t/d。

2.1 加药制度

由于浮选工艺复杂，不同的选矿厂药剂制度差别很大，但是药剂种类大体上会分为：起泡剂、捕收剂、活化剂、抑制剂等。现场加药制度(部分药剂未列出)如表1。

表1 现场加药制度

2.2 加药点

根据以上加药制度的描述以及现场工艺考察，确定所需要的加药点，本次设计主要有：25#黑药贮槽加药、硫酸铜贮槽加药、丁基黄药贮槽加药、重铬酸钾贮槽加药、硫酸锌贮槽加药等9类加药，具体每种类型的加药点数见表2，共计38个加药控制点。

表2 现场加药点

注：PLC使用计量泵输送浓硫酸并计量，因此不计入加药机点数。

2.3 泵控制点

需要通过检测药剂贮槽液位、控制药剂稀释间的输送泵对加药输送泵进行控制(含浓硫酸计量泵)，根据上述加药点的种类和分布情况，对加药点数统计，数字量输入点数统计：DI= 16×3=48个；模拟量输入点数统计：DO= 16×1=16个。

3 设计原理

柱塞式加药机采用防腐材质，可以输送有腐蚀性的药剂，也可以应用于药剂配置、流量比值控制等场合。柱塞泵以压缩空气为动力驱动气缸工作，控制器采用PLC控制器，由于柱塞泵的单次药剂添加量及重复精度高，可以根据单位时间内柱塞泵的工作次数对药剂添加进行计量，PLC控制器通过控制气缸的工作频率来实现对柱塞泵药剂添加量的控制，具有稳定可靠、计量精确的特点，人机界面可以实现本地触摸屏显示与控制，也可以通过与PLC通讯实现上位机远程监控，具有操作简单、功能齐全等特点。

加药机的PLC控制器通过控制三位五通电磁阀的导通来控制气缸气路的换向，气缸带动柱塞泵的柱塞做往复运动实现药剂的添加，单位时间内电磁阀的动作次数即为柱塞泵单位时间加药次数，药剂的添加量可以用柱塞泵的容积乘以电磁阀的动作次数计算得出，因此，控制电磁阀单位时间的动作次数就可以控制柱塞泵的流量。药剂添加量可以由触摸屏输入设定，也可通过通讯方式接受上位机或其它控制器的控制信号。加药机原理如图1所示。

图1 柱塞式加药机原理图

3.1 加药机系统概述

柱塞式加药机技术特点是采用模块化设计，集成度高；用户界面友好，全中文操作画面，操作简便；可提供MODBUS RTU通信接口，与DCS系统通信，由DCS系统远程控制加药机；调节加药量快捷、方便准确，自动统计、控制加药量，给药精度优于3%；可改善操作人员的劳动环境，降低劳动强度，提高浮选作业的操作及管理水平，提高浮选作业指标、节省药剂用量。

3.2 系统结构

柱塞式加药机主要由柱塞泵、驱动装置、S7 200 SMART控制系统、药剂管道组成。柱塞泵由缸体、柱塞和单向阀等部件组成，主要依靠柱塞在缸体中的往复运动，使密封工作腔的容积发生变化来实现吸药和加药，应用于流量需要调节的场合。驱动装置由压缩空气源、气缸和电磁阀等部件组成，气缸和柱塞泵的柱塞连接在一起，由压缩空气驱动气缸带动柱塞运动，控制电磁阀实现气缸的换向。控制系统由PLC控制器、触摸屏和电源模块组成，PLC控制器主要用于控制电磁阀的开关周期时间，从而实现对加药量的调节，通过模拟信号或通讯方式与其它设备进行数据交换；触摸屏用于显示系统的运行数据和设置系统运行参数；电源模块为PLC控制器、触摸屏和电磁阀等设备提供稳定的工作电源。药剂管道具有防腐耐压等特点，用于各种药剂的输送，管道的材质、型号选用与输送药剂的种类有密切关系[7]。柱塞式加药机结构组成如图2所示。

图2 柱塞式加药机系统结构图

3.3 工作原理

3.3.1 加药机原理

自动控制执行元件——电磁阀在一个周期内的导通时间决定给药量的多少。系统主机以P为一个控制周期，以T为每个周期开通时间，P和T时间的长短可由键盘设定控制，键盘输入的T数字大，即一个周期内开通的时间就长，从而给药量就大。改变键盘输入数字P和T的大小，就可改变给药量的多少。也可直接设置流量值Q[5]。其中Q(mL/min)=(60/P)×T×K1。选择合适的参数P(s)、T(s)、K1(mL/s)键盘输入后，即可得流量Q，也可直接键盘输入Q流量值，自动计算出P和T。

3.3.2 加药机操作流程

加药可以通过以下步骤进行操作与运行。第一步：主机检查。检查主机外观是否有损坏以及线路板是否插好，各部分螺丝有无松动。第二步：按图接入220V电源，仔细检查正确与否方能送电试机。首先打开面板上开关，然后打开电磁阀的电源。第三步：将各点所需的药剂量键入，进入运行状态，按启动键，各指示灯按不同规律亮灭，电磁阀也按此规律先后开闭，说明加药机运转正常。第四步：调整前要保证恒液箱液位恒定。如第一个通道：设计流量为1 000mL/min，则可在键盘上Q处键入“1000”， 键盘上K1处键入电磁阀的参数，适当调整P和T值即可。如以后需改变流量，则只需在键盘上修改Q值即可[6]。例如，该部分的经验设置参数如下： 周期P=6s；开通时间T=1s，适当调整；电磁阀流量K1=100mL/s，适当调整；加药百分比浓度K2=10%；电磁阀每分钟流量Q=1 000mL/min。第五步：如某点不用加药，将T和Q键入“0”即可关闭电磁阀。

3.4 技术参数

柱塞式加药机可以控制8～28个加药点(8～28个电磁阀)，每一个加药点都可独立开停或调节流量值，并可分别累计加液量，可存储并打印前21个班次的8～28个加药点的累计药量。每个加药点液量范围为0～7 000mL/min，可按各点的实际要求选取更大加药量。最小加液量为1mL/min。加液误差<2%(当加液量为100～5 000mL/min)。主机及显示器功耗100W，电磁阀电压36V，功率6～30W，8个电磁阀时功耗小于300W，总机功耗小于400W。主机外形尺寸(长×宽×高)400mm×400mm×150mm，重量约22kg。使用环境温度-25℃～+45℃。加药机的技术参数见表3[7]。

4 应用效果

柱塞式浮选加药机自2013年7月正式投入现场应用以来，实现了多个有色金属选矿厂的浮选、浓缩等生产环节的药剂定量添加、药剂配比控制和精确定量灌装。与自动化系统结合，可以根据自动化系统的实时控制信号进行加药，极大地提高了生产过程中加药的精准性和速度，从而保证生产环节的稳定高效运行，提高了产品质量，同时对提高选矿的经济技术指标起到了很大的作用。

表3 柱塞式加药机技术参数表

[1] 赵礼兵，李世厚.浮选自动加药控制系统的现状与发展[J].冶金自动化，2004，(增刊)：545-548.

[2] 周 力,徐国栋,姜亚雄,等.浮选加药机的发展与应用现状[J].四川有色金属, 2013,(3):6-8.

[3] 关长亮,李兴华,张 雄.基于选矿过程的SABC流程专家系统研究[J].矿冶工程,2015,35(6):72-76.

[4] 张 冬，余 玮.PLC智能型程控加药机在选矿厂的应用[J].江西有色金属，2002，(2)：29-32.

[5] SIMATIC S7- 200系统手册[M].北京：西门子(中国)有限公司,2004.

[6] 廖常初.S7- 200基础教程[M].北京：机械工业出版社，2006.

[7] 柱塞式浮选加药机[P].中国专利：CN201611078241.3,2017-02-22.

《新型实用过滤技术》第四版简介

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本书可供从事过滤技术的研究、设计、制造、使用、营销的工程技术人员和管理人员使用，也可作为大专院校教学参考书。

《新型实用过滤技术》第四版已于2017年12月印刷出版，由冶金工业出版社出版。

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