試論冶金企業(yè)金屬礦石自動(dòng)取制樣技術(shù)

孫 煒

（江蘇省南京鋼鐵股份有限公司科技質(zhì)量部，江蘇 南京 210035）

我國(guó)對(duì)金屬礦石依存度達(dá)60%上，不合格金屬礦石進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)會(huì)影響國(guó)內(nèi)冶煉廠利潤(rùn)，為工藝生產(chǎn)建設(shè)帶來(lái)很大安全隱患。進(jìn)口計(jì)費(fèi)以金屬礦石到港地檢驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)，檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)貿(mào)易雙方利益產(chǎn)生重大影響，礦石取制樣分為機(jī)械化與人工取樣，金屬礦石機(jī)械化取制樣系統(tǒng)更具有代表性，能有效消除人工取樣誤差。研究介紹金屬礦石在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，分析國(guó)內(nèi)外港口金屬礦石自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀，將國(guó)內(nèi)外金屬礦石自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)分為傳統(tǒng)皮帶運(yùn)輸與機(jī)械手轉(zhuǎn)運(yùn)輸，從工藝流程，系統(tǒng)特點(diǎn)等方面對(duì)自動(dòng)在線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行介紹，從技術(shù)成熟性，準(zhǔn)確性及操作維護(hù)等方面進(jìn)行綜合比較，對(duì)冶金企業(yè)金屬礦石在線檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探索。

1 金屬礦石自動(dòng)取樣系統(tǒng)特點(diǎn)需求

隨著國(guó)內(nèi)金屬礦石取制樣系統(tǒng)建成投產(chǎn)，自動(dòng)化取制樣技術(shù)日趨成熟，系統(tǒng)特點(diǎn)呈現(xiàn)出向模塊化，高度自動(dòng)化方向發(fā)展，模塊化組織結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)功能更加全面化，取制樣系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)檢測(cè)提供水分樣，樣品檢測(cè)結(jié)果即時(shí)化，自動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在線快速檢測(cè)[1]。

取制樣工藝以定量取樣為基礎(chǔ)，系統(tǒng)中設(shè)備工作方式滿足工作要求，個(gè)單機(jī)能力滿足總制樣時(shí)間要求，樣品在系統(tǒng)中不能混樣。洗運(yùn)模式外其他模式時(shí)設(shè)備在無(wú)礦流通過(guò)處于待機(jī)狀態(tài)。破碎機(jī)應(yīng)設(shè)置校驗(yàn)出口，校驗(yàn)出口可在溜管系統(tǒng)中設(shè)置手動(dòng)切換閘門(mén)。系統(tǒng)取樣中不存在使樣品受污染導(dǎo)致粒度碎化環(huán)節(jié)。封閉避免設(shè)備間產(chǎn)生大氣流，防止水分損失。設(shè)計(jì)考慮物料通暢，避免粘附阻塞。

金屬礦石自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)要求偏差最小化，顆粒破損最小，份樣質(zhì)量滿足要求，采樣具有代表性。取樣偏差最小化很重要，可通過(guò)更多份樣改善精密度，偏差不能用重復(fù)測(cè)定降低。使可能產(chǎn)生偏差最小化，比改善緊密度更重要。取制樣系統(tǒng)是否存在不可接受偏差，需通過(guò)偏差校驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。有些偏差源通過(guò)正確取樣設(shè)計(jì)消除，包括樣品混雜采取，有些偏差源不能完全消除，包括粉塵損失與顆粒破損。用作力度測(cè)定樣品顆粒破損最小有利于降低粒度測(cè)定偏差。無(wú)論顆粒大小，形狀，必須使所有部位礦石有同等機(jī)會(huì)采取。

2 金屬礦石自動(dòng)在線檢測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)在線檢測(cè)系統(tǒng)

目前使用廣泛的是通過(guò)皮帶機(jī)輸送礦物試樣，分層實(shí)現(xiàn)物料收集，破碎等。采樣定量周期系統(tǒng)取樣，流量信號(hào)達(dá)到取制樣設(shè)定值，全橫幅截取從碼頭運(yùn)輸皮帶及頭部落下礦石流，輸送皮帶機(jī)輸送金屬礦石流將礦石流落入返礦皮帶，擺動(dòng)溜槽轉(zhuǎn)向料斗稱一端，料斗稱量質(zhì)量達(dá)到程序設(shè)定取樣總量，輸送皮帶停止運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)輸送皮帶機(jī)輸送至廠房控制系統(tǒng)、出采機(jī)下端輸送皮帶將預(yù)料返回碼頭主輸送皮帶，塊礦根據(jù)程序設(shè)定時(shí)間，輸送皮帶啟動(dòng)輸送至料斗稱采取粒度樣品。剩余金屬礦石通過(guò)返礦皮帶輸送至主輸送皮帶。粒度篩分單元針對(duì)塊礦，滿足不同礦種粒級(jí)測(cè)定要求，篩分中各粒級(jí)試樣存放在緩存料斗中，緩存料斗依次打開(kāi)，數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在終端機(jī)。系統(tǒng)進(jìn)行塊礦取制樣，根據(jù)終端機(jī)選定礦石種類，自動(dòng)選擇需要測(cè)定項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)輸送皮帶到達(dá)輔助篩，20mm以下粒度金屬礦石顆粒落到提升斗，破碎至20mm以下進(jìn)入破碎機(jī)二次破碎，破碎至10mm以下落入提升機(jī)，將試樣輸送到后輸送皮帶。

輸送皮帶經(jīng)過(guò)一次縮分機(jī)，部分通過(guò)排礦皮帶排出，部分試樣進(jìn)入水分測(cè)定單元。部分試樣被縮分進(jìn)入可逆輸送皮帶A，人口制樣試樣通過(guò)擺動(dòng)溜槽下落緩存斗，被輸送到收集槽人工收集。自動(dòng)調(diào)制試樣收集份樣存放在可逆輸送皮帶A，皮帶運(yùn)輸試樣到混料機(jī)混合式樣，輸送皮帶B進(jìn)入二次縮分機(jī)。塊礦縮分試樣分為3部分，部分通過(guò)提升機(jī)進(jìn)入試樣調(diào)制單元，部分進(jìn)入旋轉(zhuǎn)收集器，剩余部分通過(guò)排礦皮帶排出。粉礦試樣部分通過(guò)提升機(jī)進(jìn)入試樣調(diào)制單元，部分通過(guò)排礦皮帶排出。

2.2 機(jī)械手在線檢測(cè)系統(tǒng)

機(jī)械手在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是將采樣后試樣采用機(jī)械手操作實(shí)現(xiàn)縮分，水分含量測(cè)定自動(dòng)分析系統(tǒng)。采用等質(zhì)量間隔法采取份樣，流量信號(hào)達(dá)到取樣制定設(shè)定值，由初采機(jī)啟動(dòng)，截取碼頭運(yùn)輸皮帶機(jī)落下金屬礦石流，落入輸送皮帶經(jīng)稱量皮帶確認(rèn)采樣分量，份樣質(zhì)量與設(shè)定值差大于20%，試樣進(jìn)入返礦皮帶，份樣質(zhì)量與設(shè)定值小于20%，試樣進(jìn)入兒采機(jī)。縮分后試樣通過(guò)返礦皮帶進(jìn)入碼頭輸送主皮帶。正轉(zhuǎn)試樣進(jìn)入機(jī)械手單元工位試樣收集桶。

機(jī)械手抓取工位試樣收集器下試樣桶，將試樣倒入縮分級(jí)得到粒度試樣，機(jī)械手抓取試樣桶倒入收集車(chē)中。試樣為塊礦時(shí)，機(jī)械手取存裝試樣收集桶，縮分后取15kg粒度試樣，收集到30kg試樣，機(jī)械手夾取粒度試樣桶倒入振動(dòng)篩篩分。機(jī)械手逐層夾取篩網(wǎng)稱重。裝試樣篩網(wǎng)稱重后，將試樣倒入棄料提升斗。倒完試樣空篩網(wǎng)稱重，稱重?cái)?shù)據(jù)上傳至上位機(jī)系統(tǒng)。交貨批粒度測(cè)定后，上位機(jī)系統(tǒng)計(jì)算形成最終測(cè)定報(bào)告。

機(jī)械手抓取旋轉(zhuǎn)縮分級(jí)水分試樣罐，倒入破碎機(jī)破碎，收集在下放樣品桶中，抓取試樣桶倒入旋轉(zhuǎn)縮分機(jī)，取水分試樣倒入經(jīng)稱量空盤(pán)中，抓取試樣盤(pán)至振動(dòng)裝置，使試樣鋪平，稱重后放入烘箱干燥。達(dá)到設(shè)定時(shí)間后烘箱打開(kāi)，機(jī)械手夾取水分試樣盤(pán)干燥后稱重，將試樣盤(pán)放入烘箱干燥1h二次稱重。至試樣2次稱量質(zhì)量差小于初始質(zhì)量0.05%。交貨批水分測(cè)定后，上位機(jī)系統(tǒng)計(jì)算形成水分含量測(cè)定報(bào)告。

水分測(cè)定后試驗(yàn)樣由機(jī)械手抓取導(dǎo)入收集器中，另一試樣導(dǎo)入縮分破碎記憶體積縮分破碎3mm以下，將150g樣導(dǎo)入盤(pán)式研磨儀研磨，試樣流成分試樣縮分收集器中。收集后成分試樣由機(jī)械手抓取放入試樣發(fā)東站，成分分析單元機(jī)械手抓取試樣送至熔融爐，采用高精度天平試樣，氧化劑配料，溶液在室溫下冷卻固化采用壓縮孔融過(guò)去冷區(qū)。自動(dòng)稱重確保清洗效果，將完整熔片送至X射線熒光分析儀分析成分，熔片試樣傳送至打靶機(jī)封裝標(biāo)識(shí)。

3 金屬礦石自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

全自動(dòng)金屬礦石取制樣系統(tǒng)基于物料參數(shù)設(shè)計(jì)。取樣系統(tǒng)取樣機(jī)制以定量取樣為主，取樣機(jī)制為定量取樣，主系統(tǒng)質(zhì)量脈沖信號(hào)消失轉(zhuǎn)變?yōu)槎〞r(shí)采樣。主系統(tǒng)流量為1000t/h～6250t/h，系統(tǒng)基于定量取樣原理設(shè)計(jì)，在主傳送帶運(yùn)行下，采樣器截取500kg初級(jí)樣品，以定量取樣為基準(zhǔn)，通過(guò)變頻器控制取樣機(jī)橫移截取速度，通過(guò)監(jiān)測(cè)皮帶秤信號(hào)對(duì)取樣機(jī)無(wú)極調(diào)速。

截取粒度為50mm塊礦時(shí)，取樣機(jī)截取口徑150mm，截取最大粒度小于50mm礦種，截取速度按Vc=0.3×（1+L/3d）修正，Vc為修正后截取速度m/s，d為金屬礦石最大粒度mm，L為截取開(kāi)口150mm。定時(shí)取樣基制下，全機(jī)橫移截取速度為礦種對(duì)應(yīng)速度。根據(jù)ISO03082要求，需在取樣前向操作系統(tǒng)輸入礦樣批量大小，主皮帶秤出現(xiàn)故障下，取樣系統(tǒng)按主皮帶額定流量計(jì)算時(shí)間取樣間隔運(yùn)行。取樣系統(tǒng)是基于定量原理設(shè)計(jì)，移動(dòng)斗式初級(jí)采樣機(jī)取到434kg初樣，初級(jí)份樣CV值低于15%，移動(dòng)斗式初級(jí)采樣機(jī)由變速控制器執(zhí)行，運(yùn)行速度根據(jù)主皮帶流量1000t/h～6250t/h調(diào)控。

自動(dòng)化粒度測(cè)定針對(duì)塊礦，粉礦由人工測(cè)定，394kg塊礦樣品可篩分粉礦樣品給入3臺(tái)振動(dòng)篩，振動(dòng)篩允許分礦石3個(gè)粒級(jí)，物料篩分后，不同粒級(jí)物料貯存緩存斗。稱量取值后第二粒級(jí)物料拋如稱量斗，物料通過(guò)皮帶機(jī)輸送回主皮帶。

40kg塊礦樣品輸送至可逆皮帶輸送機(jī)，塊礦輸送至一級(jí)破碎機(jī)，采粉礦時(shí)物料不通過(guò)破碎機(jī)。破碎物料被輸送到帶樣品口縮分器，縮分比可調(diào)節(jié)。物理樣1:25，第一取樣口取出1.6kg樣品，第二取樣口取出6.7kg輸送至二級(jí)破碎機(jī)。6.7kg樣品被WS40/20型對(duì)輥破碎機(jī)破碎，由電動(dòng)樣品出口轉(zhuǎn)臺(tái)式縮分器縮分樣品，A出口縮分比為1:13，B出口縮分比為1:30，縮分出0.2kg樣品貯存在樣品收集器中，用于水分分析。收集器使用可逆轉(zhuǎn)模式，第一最終樣品收集到瓶一。

4 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)設(shè)備包括PLC控制器，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備機(jī)旁操作箱，計(jì)算機(jī)，警報(bào)裝置等?？刂葡到y(tǒng)是具有中央自動(dòng)控制能力的集成系統(tǒng)，提供系統(tǒng)運(yùn)行所需聯(lián)鎖，運(yùn)行程序。取樣機(jī)與主皮帶機(jī)聯(lián)鎖，皮帶秤與系統(tǒng)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，數(shù)據(jù)為取樣機(jī)運(yùn)行定量控制依據(jù)。主皮帶機(jī)運(yùn)行信號(hào)等信息為流程運(yùn)行條件。取樣中故障不能退出料流時(shí)向港區(qū)中控室發(fā)出信號(hào)。外部輸入能量包括累計(jì)流浪，設(shè)備速度信號(hào)，堵塞信號(hào)等I/O變量，來(lái)自以太網(wǎng)總線信號(hào)，外部輸出變量包括調(diào)速信號(hào)，報(bào)警提示等。PLC選用ABL61系列，邏輯控制軟件采用RSLogix5000，輸入輸出點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)，確定PLC模塊配置。3塊1756-PB75電源模塊，1756-IF16模擬量輸入模塊，3塊1756-CNB通訊模塊，8塊1756-OW16I數(shù)字量輸出模塊。

金屬礦石取制樣軟件包括采樣中數(shù)據(jù)與采樣報(bào)告數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)滿足當(dāng)?shù)夭樵冃枰?，軟件結(jié)構(gòu)及組成針對(duì)系統(tǒng)維護(hù)工程師使用對(duì)象，軟件劃分為PLC程序控制軟件，數(shù)據(jù)管理軟件。電控系統(tǒng)PLC程序采用梯形圖語(yǔ)言編程，包括組織程序，部分自動(dòng)流程，單純化學(xué)取樣7個(gè)流程。主程序根據(jù)流程功能需要調(diào)用CMD控制，錘式取樣控制，收集器控制，偏差實(shí)驗(yàn)工藝控制程塊。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)金屬礦石自動(dòng)取樣技術(shù)進(jìn)行研究，首先對(duì)檢測(cè)取樣系統(tǒng)進(jìn)行介紹，論述金屬礦石自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，闡述自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。冶金企業(yè)金屬礦石自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)：①實(shí)現(xiàn)了金屬礦石遠(yuǎn)程控制自動(dòng)取樣；②配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全流程無(wú)死角監(jiān)督；③取樣部分可與自動(dòng)制樣部分無(wú)縫連接；④杜絕不同品種間的成分污染。對(duì)提高我國(guó)冶金企業(yè)金屬礦石生產(chǎn)與銷(xiāo)售管理水平，提供可靠檢驗(yàn)數(shù)據(jù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。