用于浮选室的探针布置 |
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| 申请号 | CN201180073916.4 | 申请日 | 2011-08-18 | 公开(公告)号 | CN103842780A | 公开(公告)日 | 2014-06-04 |
| 申请人 | 奥图泰有限公司; | 发明人 | A·勒考南; M·沃科南; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及包括不同材料层的罐或容器中的界面 水 平测量，尤其涉及浮选工艺，该浮选工艺尤其应用于采掘工业。根据本发明的方法包括：使用至少一个探针（12）分析包括 浆液 （11a）、和/或 泡沫 （11b）、和/或气体、和/或泡沫（11b）与浆液（11a）之间的过渡区的容器（10）中的材料，至少一个探针（12）共同包括能够与材料（11a，11b） 接触 的多个 电极 （12’），通过至少两个电极（12’）注入并且 电流 或 电压 ，以及使用基于模型的计算来确定材料（11a，11b）的导电率分布，该计算包括材料（11a，11b）之中的垂直导电率剖面的重构。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于使用至少一个探针分析包括浆液、和/或泡沫、和/或气体、和/或泡沫与浆液之间的过渡区的容器中的材料的方法，所述至少一个探针共同包括能够与所述材料接触的多个电极，所述方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 用于浮选室的探针布置技术领域背景技术[0002] 浮选工艺通常用于例如采矿工业。使用被称为泡沫浮选的工艺将有用的矿物与矿物杂质（gangue）（无用的矿物或金属）分离。矿石材料被研磨成与水混合的细颗粒粉末。向这种浆液提供表面活性剂化学品，表面活性剂化学品将所需的矿物或材料变为疏水性的。剩余的矿物杂质材料保持为非疏水性的。这样的材料混合物被进一步添加水并且被提供有空气，以便在浆液中形成气泡。疏水性的所需矿物附着到空气气泡，空气气泡进一步上升至浆液的顶部以形成泡沫层。这种泡沫可以从浮选室分离并且被进一步处理。 [0003] 存在几个影响浮选工艺的结果的参数：空气分布、空气气泡的大小分布、材料流动动力学、矿物的类型和量等；参见“Koh,P.,Schwartz,M.,2006:FD modeling of bubble-particle attachments in flotation cells（浮选室中的气泡-颗粒附着的FD建模）；Minerals Engineering19（矿业工程19），第619–626页”。存在一些可在研究这些参数时利用的非侵入式或侵入式成像技术。这种技术的示例是激光多普勒速度计（LDV）、相位多普勒测速仪（PDA）和高速视频成像，参见“Miettinen,T.,Laakkonen,M.,Aittamaa,J.,2002年11月3-8日；The applicability of various flow visualisation techniques for the characterisation of gas-liquid flow in a mixed tank（表征混合罐中的气体-液体流的各种流可视化技术的可应用性）;Proc AIChE Annual Meeting（AIChE年度会议论文集），美国印第安纳波利斯，第177页”和“Tiitinen,J.,Vaarno,J.,S.,2003年12月10-12日；Numerical modeling of an Outokumpu flotation device（奥托昆普浮选装置的数值建模）;Proc Third International Conference on CFD in Minerals and Process Industries（关于矿业加工工业中的CFD的第三界国际会议论文集），CSIRO，澳大利亚墨尔本”。 [0004] 另外，已经测试了导电探针、超声技术、浮选和压力传感器，但是没有可靠的商业设备是可用的，参见“M.Maldonado,A.Desbiens,R.del Villar：An update on the estimation of the froth depth using conductivity measurements（对使用导电率测量来估计泡沫深度的更新），Minerals Engineering（矿业工程），935–939，2008”[0005] 在“Normi V.,Lehikoinen A.,Mononen M., J.,MaksimainenT.,Luukkanen S.,Vauhkonen M.：Predicting collapse of the solid content in a column flotation cell using tomographic imaging technique（使用断层成像技术预测柱状浮选室中的固体内容物的毁损）,浮选09论文集，南非，2009”、“Vergouw J.,Gomez C.O.,Finch J.A.：Estimating true level in a thickener using a conductivity probe（使用导电探针来估计浓缩机中的真实水平），Minerals Engineering（矿业工程）， 17:87-88,2004”和WO93/00573（“Schakowski等：Interface level detector（界面水平检测器），1993”）中已经引入了类似的方法。 [0006] 关于对材料性质的研究，一种可用的技术是阻抗断层成像（tomography）或阻抗光谱学断层成像。词语“断层成像”通常是指横截面成像。阻抗断层成像通常是指，通过设置在目标的表面上或目标的内部的电极进行电测量，并且基于测量确定目标的导电率分布。作为阻抗断层成像的结果被确定的导电率的面积变化指示流动质量的数量的变化，因此这可提供例如关于被测量材料之中的气泡或其它非均匀物的信息。在典型测量中，在两个特定电极之间供应电流或电压，并且相应地在这些电极之间或在其它一些电极对之间测量电压或电流。自然地，可以同时使用数对供应和测量电极。阻抗断层成像的基本形式通常指的是在一个单个频率下执行的测量。当在特定频率范围内的几个频率下执行通常的阻抗测量时，传统上使用的术语是阻抗光谱分析法。目的是在频率范围内产生重构（即，断层图像）的技术被称为电阻抗光谱断层成像（EIST）。随后，使用表述“阻抗断层成像”涵盖传统意义的阻抗断层成像和EIST。 [0007] 如上所述，在阻抗断层成像中，基于测量结果来计算对目标的作为位置的函数的导电率的估计。因此，所讨论的问题是逆问题，其中，使用测量到的观测值（即，电压或电流）确定实际情形（即，导致观测值的导电率分布）。该计算基于数学模型，该数学模型确定注入的电流（或电压）、目标的导电率分布和电极上的电压（或电流）之间的关系。将根据该模型的电压和电流与所供应的和测量到的电压和电流进行比较，并且通过调整模型的参数（例如，导电率值）使它们之间的差最小化，直到以所需精度实现该最小化。存在许多可用于这种最小化过程的可能算法。 [0008] 所有这些技术都遭遇到一些限制。例如，高速成像要求透明的分散液，并且室的尺寸必须相当小。在实际的浮选情形下，室常常是不透明的，并且在这种情况下先前的技术通常不合适。另外，在许多现有技术中，常常出现测量设备被污染的问题。 发明内容[0009] 本发明引入了一种用于使用至少一个探针分析包括浆液、和/或泡沫、和/或气体、和/或泡沫与浆液之间的过渡区的容器中的材料的方法，所述至少一个探针共同包括能够与所述材料接触的多个电极，并且所述方法包括以下步骤：通过至少两个电极注入电流或电压；通过电极分别测量电压或电流。该方法的特征在于，使用基于模型的计算来确定所述材料的导电率分布，所述计算包括所述材料之中的垂直导电率剖面（profile）的重构。 [0010] 在本发明的实施例中，所述方法还包括：基于电压或电流测量结果确定所述材料的性质，所述性质包括以下各项中的至少之一：气泡大小分布，泡沫和/或浆液中的固体材料的量，以及泡沫的硬度。 [0011] 在本发明的实施例中，所述方法还包括：估计泡沫-浆液和/或泡沫-气体界面之间、和/或所述过渡区与所述泡沫之间、和/或所述过渡区与所述浆液之间的界面水平。 [0012] 在本发明的实施例中，所述方法还包括：通过所述界面的导电率值的阶梯状变化，估计浆液-泡沫界面水平和/或泡沫-气体界面水平。 [0013] 在本发明的实施例中，所述方法还包括：估计所述泡沫和/或所述浆液的密度，所述密度与所述泡沫和/或所述浆液的导电率成比例。 [0014] 在本发明的实施例中，所述方法还包括：当由这些电极测量到的电压或电流受系统的电源电压约束时，或者当测量到的电压超出容许的测量电压范围时，检测位于所述气体中的电极。 [0015] 在本发明的实施例中，所述方法应用于泡沫浮选工艺，并且所述方法还包括：基于以下各项中的至少之一控制所述泡沫浮选工艺：气泡大小分布，泡沫和浆液中的固体材料的量，泡沫的硬度，以及泡沫-浆液和/或泡沫-气体之间的界面水平。 [0016] 在本发明的实施例中，通过以下各项中的至少之一实现控制步骤：添加改变所述泡沫的硬度的至少一种添加剂材料，选择输入材料供给的速率，选择通气的速率，以及改变研磨的参数。 [0017] 在本发明的实施例中，所述方法还包括：通过测量每个电极与要分析的材料之间的接触阻抗，监测电极的污染。 [0018] 在本发明的实施例中，所述方法还包括：在分析中使用由摄像机拍摄的可视检查数据。 [0019] 在本发明的实施例中，所述方法还包括：用所述至少一个探针测量温度；以及基于测量到的温度值补偿导电率值。 [0020] 根据本发明的另一方面，创造性的构思包括一种用于分析包括浆液、和/或泡沫、和/或气体、和/或所述泡沫和所述浆液之间的过渡区的容器中的材料的系统。所述系统包括：至少一个探针的探针布置，所述至少一个探针共同包括能够与所述材料接触的多个电极；电流源，被配置成通过至少两个电极注入电流或电压；测量装置，被配置成通过电极分别测量电压或电流；以及处理器，被配置成控制所述测量。该系统的特征还在于，所述处理器被配置成：使用基于模型的计算来确定所述材料的导电率分布，所述计算包括所述材料之中的垂直导电率剖面的重构。 [0021] 在本发明的实施例中，所述处理器还被配置成：基于电压或电流测量结果确定所述材料的性质，所述性质包括以下各项中的至少之一：气泡大小分布，泡沫和/或浆液中的固体材料的量，以及泡沫的硬度。 [0022] 在本发明的实施例中，所述处理器还被配置成：估计泡沫-浆液和/或泡沫-气体界面之间、和/或所述过渡区与所述泡沫之间、和/或所述过渡区与所述浆液之间的界面水平。 [0023] 在本发明的实施例中，所述处理器还被配置成：通过所述界面的导电率值的阶梯状变化，估计浆液-泡沫界面水平和/或泡沫-气体界面水平。 [0024] 在本发明的实施例中，所述处理器还被配置成：估计所述泡沫和/或所述浆液的密度，所述密度与所述泡沫和/或所述浆液的导电率成比例。 [0025] 在本发明的实施例中，所述处理器还被配置成：当由这些电极测量到的电压或电流受系统的电源电压约束时，或者当测量到的电压超出容许的测量电压范围时，检测位于所述气体中的电极。 [0026] 在本发明的实施例中，所述系统应用于泡沫浮选工艺，并且所述处理器还被配置成：基于以下各项中的至少之一控制所述泡沫浮选工艺：气泡大小分布，泡沫和浆液中的固体材料的量，泡沫的硬度，以及泡沫-浆液和/或泡沫-气体之间的界面水平。 [0027] 在本发明的实施例中，通过以下各项中的至少之一实现控制步骤：添加改变所述泡沫的硬度的至少一种添加剂材料，选择输入材料供给的速率，选择通气的速率，以及改变研磨的参数。 [0028] 在本发明的实施例中，所述测量装置还被配置成：通过测量每个电极与要分析的材料之间的接触阻抗，监测电极的污染。 [0029] 在本发明的实施例中，所述系统还包括：摄像机，被配置成拍摄在分析中使用的可视检查数据。 [0030] 在本发明的实施例中，所述系统还包括：温度探针，被配置成测量温度并且连接到所述至少一个探针；以及所述系统还被配置成基于测量到的温度值补偿导电率值。 [0031] 根据本发明的第三方面，创造性的构思还包括一种用于使用至少一个探针分析包括浆液、和/或泡沫、和/或气体、和/或泡沫与浆液之间的过渡区的容器中的材料的计算机程序，所述至少一个探针共同包括能够与所述材料接触的多个电极。所述计算机程序包括当在数据处理系统上执行时适于控制以下步骤的代码： [0032] -通过至少两个电极注入电流或电压； [0033] -通过电极分别测量电压或电流； [0034] 其特征在于，所述计算机程序还适于： [0035] -使用基于模型的计算来确定所述材料的导电率分布，所述计算包括所述材料之中的垂直导电率剖面的重构。 [0037] 图1示出根据本发明的示例的包括探针布置的泡沫浮选罐， [0038] 图2示出在本发明的一个示例中的浮选罐的3D重构和不同类型材料之间的界面的位置， [0039] 图3示出描绘作为时间的函数的气泡大小（单位：mm2）和导电率（单位：mS/cm）的曲线，以及 [0040] 图4a和图4b示出与图片链接在一起的材料的导电率值，该图片通过可视地可观测的气泡大小示出材料的相对硬度。 具体实施方式[0041] 现在，将详细参照本发明的实施例，在附图中示出这些实施例的示例。 [0042] 本发明引入了基于计算电阻断层成像方法的技术，该计算电阻断层成像方法被应用以与探针布置一起使用。在这种方法中，金属电极可以附着在探针表面上，通过金属电极注入正弦电流，并且通过至少两个电极测量作为结果的电压。替选地，可以在任意两个电极之间供应电压，并且可以通过这些电极测量作为结果的电流。系统硬件中的电子器件处理注入、测量和基于测量结果执行的分析。 [0043] 探针布置可以包括一个或多个单独的探针。将探针浸没在浮选室中，用于分析泡沫浮选罐中存在的泡沫和/或浆液材料的属性。如果浆液层和泡沫层在浮选罐中被分离，则可以利用根据本发明的工艺确定它们的相互界面水平位置。根据本发明的探针还能够检测并且估计泡沫-气体界面的界面水平。通常，在泡沫体和浆液体之间还存在过渡区。探针布置还可以用于检测过渡区和泡沫之间的界面以及过渡区和浆液之间的界面。 [0044] 利用基于模型的计算方法分析测量到的数据。这意味着，这种方法考虑了例如探针的几何形状、正被测量的对象的几何形状以及电极的可能污染。通过对模型的数学分析，可以检测诸如泡沫-浆液界面的不同界面的位置，可以基于该位置以所需方式进一步分析两种介质的属性。 [0045] 可以通过两种不同的方法检测泡沫-空气界面。在这两种方法中，向电极施加注入信号，注入信号可以是注入的电压或电流。在检测泡沫-空气界面的主要方法中，硬件中的注入电子器件检测输出信号是否受电源电压限制并且波形因此被裁剪。在这种方法中，以任何次序向电极对施加注入信号或者在电极和信号接地之间施加注入信号，并且可被施加注入信号而没有裁剪标记的第一（最上面的）电极被确定为在泡沫表面正下方的第一电极。 [0046] 检测泡沫-气体界面的第二种方法是通过测量由注入信号导致的电压来检测泡沫-气体界面。该测量是在任意电极之间进行的、或者是在电极和信号接地之间进行的。当测量电子器件检测到测量到的信号电压超出容许的测量电压范围时，得出电极位于气体内的结论。 [0047] 将检测到容许限度以下的信号的第一（最上面的）电极或电极对标记为在泡沫表面正下方的第一电极。当组合这两种方法或者单独使用这两种方法时，可以实现气体和泡沫之间的界面位置确定。 [0048] 在本发明的示例性布置中，探针包括附着于一个或多个探针表面的16个至22个电极。然而，也可应用其它数量的电极，但是为了在电极之间供应并且测量电压（或电流），总是需要至少两个电极。如已经提及的，探针布置可以包括一个或多个单独的探针。每个探针可包括两个或更多个电极。此外，例如，单个探针可被制定为笔直的探针，或者单个探针可被设计为L形、T形探针或者弯曲探针。在一个示例中，电极可被放置为使得在同一垂直层上存在数个电极，从而探针具有这些层中的多个层。例如，这种布置可以包括每层上具有四个电极的两层、每层上具有八个电极的两层或者每层上具有十六个电极的四层。可以根据利用这种电极布置观测到的体积获得真实的三维图示。 [0049] 更精确地，可以将电极按照可以容易地实现与周围材料接触的方式连接到笔直或被制定的金属主体的表面。另外，也可以选择在泡沫浮选罐或其它可测量体积中设置笔直的、平面状的、或被制定的探针的取向（角度）。取向信息在控制逻辑中必须是已知的，以便以良好的精度保持每个电极的位置数据。 [0050] 在本发明的一个实施例中，考虑了探针布置中的至少一个电极的污染或变脏的影响。电极周围的污染导致金属电极和待测量的材料之间的非理想连接，这将进一步造成额外的电阻。非理想连接可被视为额外的电压降，并且可以用被称为接触阻抗的量来表示非理想连接。通过一对电极测量到的电压（或电流）一般是注入的电流（或电压）、电流路径中的导电率分布、以及电极和待测量的周围材料之间的接触阻抗的函数。通过将接触阻抗插入到计算模型作为额外的电压损耗参数，可以使用接触阻抗来补偿电极的变脏。 [0051] 关于实际中的浮选室，可以存在不同的三级：浆液和/或泡沫和在浆液和泡沫都存在的情况下在浆液和泡沫之间的过渡区。根据本发明的探针能够检测泡沫和过渡区之间的界面、过渡区和浆液之间的界面、甚至过渡区内部（如果被测量材料的导电率在过渡区内显著变化）的界面。注意，当泡沫变得更硬时，过渡区扩大。泡沫硬度表示泡沫的属性，以及泡沫硬度例如取决于泡沫中的空气气泡的大小和固体的量，并且泡沫硬度与估计的泡沫导电率有关。 [0052] 例如，通过优化浮选室中的操作以实现更好的回收效率，可使用浆液和泡沫的作为结果的属性来增强工艺。例如，可以通过泡沫硬度数据来预测泡沫崩溃。使用泡沫属性（例如，气泡大小分布、平均气泡大小、所有材料之中的固体材料的量（绝对地或相对地）和泡沫的硬度）将工艺控制为更优化的配置。相应地控制工艺的示例是将液体（例如，磺酸盐或油）添加到浮选腔室中。 [0053] 举例来说，关于泡沫的硬度，在0.15…0.20mS/cm之间的导电率值表示不需要被经常地检查的弹性泡沫。在0.20…0.25mS/cm之间的导电率值描述了合适硬度，但泡沫仍然需要被检查，以便将其硬度保持在合适范围内。超过0.25mS/cm的导电率值表示硬泡沫，该硬泡沫在最差情况下会停止整个浮选工艺。 [0054] 在实施例中，基于导电率选择合适的泡沫硬度，以便实现优化运行的工艺。在示例中，泡沫的导电率被设置成达到并且被保持在0.21…0.23mS/cm的最佳窗口中。然而，此外就不同工艺和其它参数的改变很可能要求针对材料导电率的不同最佳值而言，这并没有排除一些其它范围也可被发现为最佳的事实。 [0055] 图1示出例如泡沫浮选罐10中的测量布置。材料可被供给到罐中并从罐中离开，以及材料包括溶解在液体材料之中的固体材料。在罐的底部，分离体积的浆液11a和泡沫11b被形成并且分层。浆液11a和泡沫11b之间的界面水平被标记为Y坐标h1，并且泡沫 11b和气体（空气）之间的界面水平被标记为h2。在浆液层11a和泡沫层11b之间还可以存在过渡层（未示出）。 [0056] 在这种情况下包括单个探针12的探针布置被放低到罐10中并且优选地被固定在其测量位置。探针布置包括一组电极12'。在该示例性情况下使用十个电极。实际上，探针例如被放低，使得探针与浆液体积和泡沫体积均接触，以及最上面的电极位于泡沫表面的正下方并且探针在垂直位置对齐。可以在控制器13中定义探针（还有探针的电极12'）相对于材料容器的Y坐标。控制器13还可以处理不同对的电极12'之间的电流（或电压）供应和电压（或电流）测量。服务器或计算机14执行需要的计算并且存储所需的参数。可以通过在控制器13中实现的计算机程序、服务器14或通过远程位于网络中的外部服务器（未示出）执行测量步骤、分析步骤和计算步骤。工艺控制装置（提供信号以改变参数值，例如要被供给到工艺中的材料的输入速率）也可以通过控制器13或服务器14来实现。可以注意到，实体13可以是引导探针布置并且始终知道探针的取向和位置的电机，而实体14控制电机和整个浮选过程。 [0057] 另外，系统可以包括相机15，相机15适于监控浮选罐内部的泡沫的表面。以此方式，可以人工地检查泡沫，例如，泡沫表面的气泡大小。图片数据可被供给到服务器14和/或图片数据可被提供给用户的人工检测。此外，图片数据可被用来例如在气泡大小指示泡沫崩溃或者其它需要紧急动作的紧要处理情形的情况下触发警报。在优选的实施例中，相机15是能够连续拍摄图片的摄像机，或者相机15能够在合适的时刻或以指定的时间间隔拍摄静止照片。 [0058] 图2示出示例性的测量图，该测量图示出了浮选罐中的材料的三维剖面（左侧）和作为时间的函数的界面水平的位置（右上侧）。 [0059] 图3示出通过示例性的测量布置得到的、作为时间的函数的泡沫的平均气泡大小（单位：平方毫米）和泡沫的导电率（单位：mS/cm）的曲线。如从图3中可以看到的，气泡大2 小长时间保持在65…80mm 之间并且导电率也停留在0.17…0.23mS/cm之间。如还可以看到的，泡沫的导电率在13:00左右开始第一次上升。导电率的峰值大约为0.34mS/cm，在此之后，该值快速减小回到0.17mS/cm。在13:50左右，泡沫的平均气泡大小开始上升，峰值在 2 2 值85mm 处并且减小回到值70mm。根据测量结果清楚的是，当导电率开始快速上升时，可以比气泡大小开始上升更早地触发警报，从而有更多时间例如通过添加合适物质（例如磺酸盐或油）或者通过控制材料流的速度来控制工艺。 [0060] 在本发明的一个实施例中，通过用合适的相机或者用其它可视检测装置（图1中已经看到）拍摄泡沫的一张或数张图片（作为时间的函数），从泡沫的表面获取可视信息。在图4a和图4b中示出来自示例性泡沫表面的这种图片。用户或操作人员可以使用图片以通过人工检查并且在工艺的可能的人工控制之前获得信息。在泡沫的导电率和泡沫的气泡大小之间存在清楚的相关性。从图4a-4b中可以看到，较大的气泡大小对应于较小的导电率值。应该注意，导电率通常还取决于主要温度。因此，还可以用合适的温度传感器测量温度。温度传感器可以沿着其它电极附着于探针。作为计算算法中的其它步骤，可以通过消除温度对导电率值的影响来补偿温度效应。 [0061] 如根据以上明显的，本发明可以用在泡沫浮选工艺中。此外，本发明可以用在被测量材料的导电率值可以作为高度的函数而突然改变并且测量是基于电阻断层成像的任何界面水平测量中。 [0062] 根据本发明的其它方面，测量和控制过程由包括应用软件的控制器来处理。本发明中要求的计算可以通过处理器或其它处理装置来实现，同时应用至少一个计算机程序，并且还使用用于保存并保持在控制器中使用的所有相关测量结果和参数的合适存储装置（例如，存储器）。计算机程序的执行也可以通过内部或外部服务器来执行，该内部或外部服务器能够与探针布置和测量装备中存在的其它硬件交换数据。 [0063] 与现有技术相比，本发明的优点众多。本发明相比于参考文献Normi的区别在于，在Normi中使用管几何形状而不是探针。另外，这里实现了不对泡沫或浆液进行分析。清楚的是，管几何形状无法用在大浮选室中，而是仅可用在Normi中所使用的小实验室规模的柱状浮选室中。 [0064] 与例如WO93/00573中引入的简单导电率探针技术相比，本发明利用基于模型的计算方法，该方法可以考虑到探针和对象的几何形状以及该方法的明显污染问题。没有使用单独的导电率室，而是数学模型根据电流-电压测量直接计算导电率剖面。通过分析导电率剖面中的最大导电率变化，根据导电率剖面来检测泡沫-浆液界面。进一步基于导电率分布信息分析浆液和泡沫介质的属性。 [0065] 根据上文，本发明的可应用性和可用性是明显的。本发明可以用于发现例如采矿工程中使用的泡沫浮选工艺中的泡沫和/或浆液的属性。其它可能的应用领域是纸浆和造纸工业（脱墨工艺）、以及还有不同的分离工艺（例如，从矿石中分离出锌）。 |
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