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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Bestimmung der Massendichte von Volumenströmen einer Suspension in einer
Aufbereitungsanlage für
Erze, Minerale, Kohle, Gips, Sand od. dgl., insbesondere zur Bestimmung
der Massendichte eines Erztrübe-Volumenstroms
einlauf- und überlaufseitig
eines Hydrozyklons in einer Erzzermahlungs- und Hydrozyklon-Klassieranlage, sowie
eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur
Bestimmung der einlauf- und überlaufseitig
eines Hydrozyklons fließenden Massenströme in einer
Erzzermahlungs- und Hydrozyklon-Klassieranlage.
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Bei derartigen Erzzermahlungs- und
Hydrozyklon-Klassieranlagen wird Roherz nach einer trocken durchgeführten Vor- und Mittelzerkleinerung
mit Prozeßwasser
versetzt, in Mühlen
fein aufgemahlen und mittels Klassierern in Körnerkollektive aufgeteilt. Die
Klassierer trennen den Feststoff in der Feststoff-/Prozeßwasser-Suspension
(Trübe)
in eine Fraktion "Grobgut" und eine Fraktion "Feingut". Das Grobgut wird
in einem Kreislauf den Mühlen
wieder zugeführt;
das Feingut verläßt den Kreislauf
zur Weiterverarbeitung. Als Klassierer werden Hydrozyklone eingesetzt.
Diese verfügen über einen
Einlauf, über den
die zu klassierende Trübe
unter Druck zugeführt wird,
einen Auslauf, über
den grobe Körnerkollektive erneut
dem Mahlprozeß zugeführt werden
und einen Überlauf, über den
das Feingut den Mahl- und Klassierkreislauf zur Weiterverarbeitung
verläßt. Bei
der Prozeßsteuerung
einer derar tigen Anlage sind verschiedene Vorgaben zu beachten:
Da der Mahl- und Klassiervorgang kontinuierlich ablaufen soll, wird
angestrebt, den Feststoffmassenstrom, der den Hydrozyklon über den Überlauf
zur Weiterverarbeitung verläßt, eingangsseitig
in den Kreislauf in gleicher Größenordnung
wieder einzuspeisen. Weiterhin wird angestrebt, daß der dem
Kreislauf zugeführte
Volumenstrom möglichst
dem dem Kreislauf entnommenen entspricht. Kurzfristige Schwankungen
können
durch einen im Kreislauf angeordneten Sumpf, der ein Puffervolumen
darstellt, kompensiert werden. Ein weiteres Ziel besteht darin,
die sog. umlaufende Last, d.h. das Verhältnis des aus dem Hydrozyklon
zurückgespeisten
Rücklaufgutmassenstroms
zu dem Massenstrom der neuen Aufgabe zu maximieren. Außerdem soll
die Dichte der dem Hydrozyklon zugeführten Erztrübe in einem vorgegebenen Bereich
konstant gehalten werden, um eine befriedigende Trennschärfe des
Hydrozyklons zu erhalten.
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Die den Mühlen zugeführte Erzaufgabe ist hinsichtlich
Menge und Korngrößenzusammensetzung
Schwankungen unterworfen, so daß sich
die mühlenausgangsseitige
Zusammensetzung der Trübe
ständig ändert. Eine
manuelle Steuerung des Aufbereitungsprozesses, wie sie bei bekannten
Anlagen üblich
ist, kann wegen dieser Schwankungen eine optimale Steuerung der
Anlage unter den verschiedenen Zielvorgaben nicht gewährleisten.
Um eine automatisch gesteuerte Prozeßführung zu erreichen, ist es
im Hinblick auf die obengenannten Vorgaben erforderlich, die Massenströme und Durchflußmengen
innerhalb der Anlage ständig
zu bestimmen. Zur Bestimmung der Massenströme muß die Durchflußmenge und
die Massendichte der Trübe
an verschiedenen Stellen der Anlage gemessen werden. Zur Messung
der Massendichte ist es beispielsweise bekannt, Gammastrahlgeräte zu verwenden.
Diese Geräte
sind teuer und in der rauhen Umgebung von Erzaufbereitungsanlagen
nur bedingt einsetzbar.
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Aus der WO 97/24596 ist es bekannt,
eine physikalische Größe einer
Suspension oder Trübe, insbesondere
deren Massendichte, über
eine Leistungsmessung der entsprechenden Pumpe sowie eine Differenzdruckmessung
zu bestimmen, wobei die Messung der Pumpenleistung stets nur in
Kombination mit der Differenzdruckmessung erwähnt wird. Ferner wird eine
Abhängigkeit
der Pumpenleistung von der Betriebsdauer der Pumpe in diesem Dokument
bzw. deren Berücksichtigung
nicht diskutiert.
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Aus der
SU 1510944 A1 bzw. dem zugehörigen Abstract
ist es bekannt, eine Steuerung eines Hydrozyklon-Aufbereitungsprozesses
derart vorzunehmen, dass die Pumpeneffizienz maximiert wird, indem
diese anhand verschiedener Messungen, u.a. einer Messung der Leistungsaufnahme
der Pumpe bestimmt wird und verschiedene Anlagenparameter im Hinblick
auf eine Maximierung der Pumpeneffizienz verändert werden. Aus diesem Dokument
ist es jedoch nicht bekannt, eine aus Referenzmessungen bestimmte
und drehzahl- und lebensdauerabhängig korrigierte
Pumpeneffizienz dazu heranzuziehen, die Massendichte der Suspension
zu bestimmen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht
darin, den Aufwand für
eine Massendichtenbestimmung erheblich zu verringern, so daß eine auch über eine
längere
Betriebsdauer der Anlage zuverlässige
On-Line-Bestimmung dieser Größe mittels ei ner
geringen Anzahl preiswerter Maßnahmen
erfolgen und basierend auf den Meßergebnissen eine automatische
Prozeßführung erreicht
werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein
Verfahren zur Bestimmung der Massendichte eines Volumenstroms einer
Suspension in einer Aufbereitungsanlage für Erze, Minerale, Kohle, Gips,
Sand od. dgl. mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie durch
eine Vorrichtung zur Bestimmung der Massendichte eines Volumenstroms
einer Suspension in einer Aufbereitungsanlage für Erze oder Minerale mit den
Merkmalen des Patentanspruches 3 gelöst. Ferner wird ein Verfahren
zur Bestimmung der einlauf- und überlaufseitig
eines Hydrozyklons fließenden Massenströme
in einer Erzzermahlungs- und Hydrozyklon-Klassieranlage mit den
Merkmalen des Patentanspruches 4 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den weiteren abhängigen Ansprüchen.
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Da die Förderpumpen in bekannten Anlagen der
eingangs genannten Art mittels Frequenzumrichtern angetrieben werden,
bei denen eine Messung der Leistungsaufnahme ohne weiteres möglich ist, kann
die erfindungsgemäße Bestimmung
der Massendichte mit äußerst geringem
Kostenaufwand erfolgen.
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Der Proportionalitäts-Zusammenhang
zwischen Massendichte der Trübe ρ und der
erforderlichen Antriebsleistung P ergibt sich wie folgt: P = Q·H·ρ·η·C
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Dabei ist Q die Fördermenge der Pumpe (d.h. der
Volumenstrom durch die Pumpe), H die Gesamtförderhöhe, die sich aus geodätischer
Förderhöhe, hydraulischen
Widerständen
der Förderleitung und
dem Druckverlust im Hydrozyklon zusammensetzt, n der Wirkungsgrad
der Pumpe sowie C eine Konstante. Bei kon stanter Pumpendrehzahl
bleiben Q, H und η konstant,
so daß sich
die Dichte bestimmt zu ρ = P/Kwobei K einen von
der Pumpendrehzahl und vom Pumpenwirkungsgrad abhängigen Pumpenleistungskoeffizienten
darstellt.
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Zweckmäßigerweise kann der Pumpenleistungskoeffizient
mittels eines funktionalen Zusammenhangs wenigstens in Abhängigkeit
von der vorgegebenen Pumpendrehzahl und dem von der Gesamtbetriebszeit
der Pumpe abhängigen
Pumpenwirkungsgrad bestimmt werden. Durch die Abhängigkeit
von der Gesamtbetriebszeit werden Verschleißerscheinungen des Laufrades
und der Pumpengehäuseauskleidungen
berücksichtigt.
Der funktionale Zusammenhang wird vorzugsweise anhand von Testreihen
ermittelt und als mathematische Funktion oder in einem Tabellenspeicher
im Steuerungsrechner abgelegt.
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Zur Bestimmung der Pumpenantriebsleistung
ist eine bestimmte Meßzeit
erforderlich. Während
dieser Zeit ist die Pumpe mit konstanter Drehzahl zu betreiben. Üblicherweise
wird die Drehzahl der Pumpe jedoch kontinuierlich variiert, um bestimmte
Anlagenparameter – z.
B. den Füllstand
im Sumpf – in
einem vorgegebenen Bereich zu halten. Deshalb kann in vorteilhafter
Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß der Pumpenantriebsmotor durch
den Steuerungsrechner in einem ersten Betriebsmodus zur Regelung
der Motordrehzahl abhängig
von wenigstens einem Anlagenparameter mit variabler Drehzahl betrieben
wird und daß der
Pumpenantriebsmotor in einem zweiten Betriebsmodus zur Bestimmung
der Massendichte des Volumenstroms für eine vorgegebene Zeitdauer
mit konstanter Drehzahl betrieben wird. Die Bestimmung der Massendichte
erfolgt in diesem Falle also nur innerhalb des zweiten Betriebsmodus.
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Erfindungsgemäß wird zur Lösung der
genannten Aufgabe weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung der
Massendichte eines Volumenstroms einer Trübe in einer Aufbereitungsanlage
für Erze oder
Minerale, insbesondere zur Bestimmung der Massendichte einer aus
dem Überlauf
wenigstens eines Hydrozyklons austretenden Erztrübe in einer Erzzermahlungs-
und Hydrozyklon-Klassieranlage, mit den Merkmalen des Patentanspruchs
3 vorgeschlagen, bei der die Massendichte durch eine Druckmessung
in zwei unterschiedlichen Höhen
einer Erztrübesäule und
Multiplikation des gemessenen Differenzdrucks mit einer vorgegebenen
Differenzdruckkonstanten erfolgt. Die Differenzdruckkonstante ist
von der Geometrie des Differenzdruckaufbaus abhängig. Mit diesem alternativen
Verfahren ist in besonders zweckmäßiger Weise eine Messung der
Massendichte im Überlauf
des Hydrozyklons möglich.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens weist einen eine Erztrübesäule aufnehmenden Meßbehälter mit
zwei in verschiedenen Höhen den
Druck der Flüssigkeitssäule messenden
Drucksensoren auf.
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Weiterhin ist vorgesehen, daß der Meßbehälter in
zwei Kammern aufgeteilt ausgebildet ist, daß der ersten Kammer aus dem Überlauf
eines Hydrozyklons Erztrübe
von oben her zugeführt
und durch eine Öffnung
im unteren Bereich der ersten Kammer wieder abgeführt wird,
daß die
zweite Kammer durch eine Öffnungen
aufweisende Trennwand mit der Flüssigkeitssäule in der
ersten Kammer verbunden ist und daß die Drucksensoren im Bereich
der zweiten Kammer angeordnet sind. Durch die Aufteilung in zwei
Kammern wird eine Beruhigung der Flüssigkeitssäule erzielt, an der die Differenzdruckmessung erfolgt,
so daß eine
Verfälschung
des Meßergebnisses
durch Strömungseinflüsse vermieden
wird.
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Mit den erfindungsgemäß bestimmten
Massendichtewerten können
die einlauf- und überlaufseitig
eines Hydrozyklons fließenden
Massenströme
in einer Erzzermahlungs- und Hydrozyklon-Klassieranlage zweckmäßigerweise
dadurch ermittelt werden, daß die
einlaufende Erztrübe-Durchflußmenge bestimmt
wird, die aus dem Hydrozyklonüberlauf
austretende Erztrübe-Durchflußmenge über ein
Durchflußmengenmeßgerät gemessen
wird und aus den einlauf- und überlaufseitig
gemessenen Durchfluß mengen
und Massendichten die einlauf- und überlaufseitigen Massenströme bestimmt
werden.
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Die Bestimmung der einlaufenden Durchflußmenge kann
mittels einer Druckmessung im Bereich des Einlaufs des wenigstens
einen Hydrozyklons erfolgen. Da der eingangsseitige Druck und die eingangsseitige
Durchflußmenge
in einem eindeutigen, von der Geometrie des Hydrozyklons abhängigen Zusammenhang
stehen, kann die Durchflußmenge
aus dem gemessenen Druck und der bekannten Druck-/Durchflußcharakteristik
des Hydrozyklons bestimmt werden.
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Alternativ kann die einlaufende Durchflußmenge auch
anhand der Pumpendrehzahl- und Förderkennlinie
bestimmt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnungen beispielhaft näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
schematisches Fließbild
einer erfindungsgemäßen Erzaufbereitungsanlage,
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2 ein
Diagramm, das den zeitlichen Verlauf verschiedener charakteristischer
Anlagensignale darstellt und
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3 eine
schematische Ansicht einer Wandstärkeüberwachungsvorrichtung für die Unterlaufdüse eines
Hydrozyklons.
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Gemäß 1 wird einer Kugel- oder Stabmühle 1 Erz über eine
Erzzufuhr 20 zur Durchführung einer
Naßmahlung
zugeführt.
Das Erz wird vorher in nicht dargestellten Vor- und Mittelzerkleinerungsstufen
auf eine geeignete Korngröße heruntergebrochen.
In der Mühle 1 wird
das Erz bis zu einer Korngröße im μm-Bereich
zerkleinert, die für
die nachfolgende Flotation zur Aufkonzentration der Wertminerale
erforderlich ist. Das Mahlgut wird anschließend einem Klassiervorgang
zugeführt,
bei dem zu grobes Mahlgut der Mühle 1 erneut
zugeführt
wird, wohingegen ausreichend feines Mahlgut den Kreislauf verläßt. Das
Mahlgut gelangt hierzu zunächst
in einen Sumpf 18, in den über eine Wasserzufuhr 22 Prozeßwasser
hinzugesetzt wird. Die Wasserzufuhr wird mittels eines elektrisch
angesteuerten Wasserregelventils 9 über eine speicherprogrammierbare
Steuerung (SPS) 11 geregelt. Die Steuerung 11 steht
auch mit den übrigen
Sensoren und Aktuatoren in Verbindung. Der Füllstand des Sumpfes wird mittels
eines Niveaumeßgeräts 10 überwacht.
Die Erztrübe
wird mittels einer mit einem Motor 15 angetriebenen Kreiselpumpe 16 mit
vorgeschaltetem Absperrschieber 17 in den Einlauf 8 eines
höher gelegenen
Hydrozyklons 38 gefördert.
Der Pumpenmotor 15 wird über einen von der Steuerung 11 angesprochenen
Frequenzumrichter 14 versorgt. Der Frequenzumrichter 14 übermittelt
der Steuerung 11 ein Drehzahlsignal 12 und einen
Antriebsleistungsmeßwert 13.
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In einem ersten Betriebsmodus der
Anlage wird die Drehzahl des Pumpenmotors geregelt, um ein vorgegebenes
Niveau im Sumpf 18 aufrecht zu erhalten. Die Wasserzufuhr
in den Sumpf wird über das
Ventil 9 so geregelt, daß der Druck am Hydrozykloneinlauf,
der über
einen Drucksensor 19 gemessenen wird, und die erfindungsgemäß bestimmte
einlaufseitige Erztrübedichte
jeweils in vorgegebenen Bereichen liegen, so daß der Hydrozyklon 38 ordnungsgemäß arbeitet.
In regelmäßigen Zeitabständen schaltet
die Steuerung 11 in einen zweiten Betriebsmodus mit konstanter
Pumpendrehzahl um. In diesem Betriebsmodus wird – wie vorstehend bereits näher beschrieben – durch
die Steuerung 11 die Leistungsaufnahme 13 der
Pumpe 16 gemessen und aus der Drehzahl und der Gesamtbetriebszeit
der Pumpe 16 ein Pumpenleistungskoeffizient und damit letztlich die
Massendichte der Erztrübe
im Hydrozykloneinlauf bestimmt. Die Steuerung 11 berechnet
weiterhin die einlaufseitige Durchflußmenge aus dem bei 19 bestimmten
einlaufseitigen Druck und der bekannten Druck-/Durchflußcharakteristik
des Hydrozyklons 38. Aus diesen Größen kann dann der einlaufseitige Massenstrom
bestimmt werden.
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Durch den Hydrozyklon 38 erfolgt
eine Trennung des Feststoffanteils in einen am Auslaß 24 austretenden
Grobanteil und einen am Überlauf 7 austretenden
Feinanteil. Der Grobanteil wird der Mühle 1 wieder zugeführt. Der
Feinanteil wird einem nicht dargestellten Flotationsverfahren zugeleitet.
Um den Massenstrom der überlaufseitig
dem Kreislauf entzogenen Trübe
zu bestimmen, wird die Trübe
in die erste Kammer eines zweikammerigen Meßbehälters 3 geleitet.
In der durch eine Trennwand 5 beruhigten zweiten Kammer
sind in zwei verschiedenen Höhen Drucksensoren 6 angeordnet.
Der von den Drucksensoren gemessene Druck ist jeweils von der Masse
der darüberliegenden
Flüssigkeitssäule abhängig. Durch
Differenzdruckbildung und Multiplikation mit einer Differenzdruckkonstanten
kann auf diese Weise die Massendichte der überlaufseitigen Trübe bestimmt
werden. Die Trübe
tritt über
einen handbetätigten
Regelschieber 4 dosiert an der Unterseite des Meßbehälters 3 aus.
Mittels eines magnetisch-induktiv arbeitenden Durchflußmengenmeßgeräts 2 wird zusätzlich die
Durchflußmenge
gemessen, so daß der überlaufseitige
Massenstrom bestimmt werden kann.
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Aus den so erhaltenen einlauf- und überlaufseitigen
Massenströmen
kann mittels einer Kontinuitätsgleichung
auch der auslaufseitige Massenstrom 24 bestimmt werden,
so daß sich
eine Messung in diesem Zweig erübrigt.
Die einlauf- bzw. überlaufseitig
gemessenen Durchflußmengen
und Massendichten werden jeweils über Anzeigegeräte 30, 32, 34 und 36 ausgegeben.
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Der Übergang zwischen den verschiedenen Betriebsmodi
ist anhand des beispielhaften zeitlichen Verlaufs verschiedener
Anlagensignale in 2 dargestellt
(Y-Achse in willkürlichen
Einheiten). Die mit 44 bezeichnete Pumpendrehzahl wird
in regelmäßigen Zeitabständen auf
eine vorgegebene konstante Dreh zahl (kD) eingestellt. In diesem
zweiten Betriebsmodus wird die mit 42 bezeichnete Motorleistung – über eine
Meßzeit
von z.B. 30 s gemittelt – gemessen
und daraus die Erztrübedichte 40 bestimmt. Im
ersten Betriebsmodus wird die Drehzahl 44 kontinuierlich
geregelt, um den bei 46 dargestellten Füllstand im Sumpf in einem vorgegebenen
Bereich zu halten. Die konstante Drehzahl im zweiten Bereich muß so gewählt werden,
daß starke
Variationen des Sumpfniveaus während
der Meßzeit
vermieden werden, um Verfälschungen
des Dichtemeßwerts
zu vermeiden.
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Um einen ordnungsgemäßen Betrieb
des wenigstens einen Hydrozyklons sicherzustellen, ist gem. 3 eine automatische Überwachungsvorrichtung
für die
Wandstärke
in der Unterlaufdüse
des Hydrozyklons vorgesehen. Da die Unterlaufdüse innerhalb von 800 bis 9000
Arbeitsstunden verschleißt, muß, diese
periodisch ausgetauscht werden. Wie schnell die Unterlaufdüse Verschlissen
ist, hängt
vom Konstruktionsmaterial der Düse,
von den Eigenschaften der Suspension und den Arbeitsparametern der
Anlage ab. Eine visuelle Erkennung des Verschleißzustandes der Düse ist während des
Betriebes der Anlage kaum möglich;
die Wandstärke
kann erst beim Stillstand der Anlage "von Hand" gemessen werden: Dadurch passiert es
häufig,
daß ein
weit fortgeschrittener Verschleiß nicht rechtzeitig festgestellt wird.
Um diesem Problem zu begegnen, ist in der Wandung der Unterlaufdüse 24 ein
Wandstärkesensor 50 vorgesehen,
der einen Meßwiderstand
aufweist. Der Meßwiderstand
wird gleichzeitig mit dem Düsenmaterial
abgeschliffen. Ein beispielhafter Querschnitt einer nicht-verschlissenen
Unterlaufdüse ist
mit 52 bezeichnet; ein Querschnitt einer um etwa 50% verschlissenen
Düse ist
mit 54 gekennzeichnet. Durch den Verschleiß verkleinert
sich der Widerstandswert des Meßwiderstandes.
Der Widerstandswert wird von der Steuerung 11 gemessen
und in einen Wandstärkewert
umgerechnet, der auf einer Anzeige 48 (1) dem Benutzer zur Information angezeigt
wird, damit ein Auswechseln der Unterlaufdüse rechtzeitig veranlaßt werden
kann.