火試金自動化檢測系統(tǒng)的研制及應(yīng)用

郝明陽,陳永紅,蘆新根,韓冰冰,趙可迪

(1.長春黃金研究院有限公司; 2.國家金銀及制品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心(長春))

引 言

火試金分析方法是國內(nèi)外黃金行業(yè)金、銀分析及貿(mào)易仲裁的主要檢測方法。目前,大部分實(shí)驗(yàn)室采用傳統(tǒng)的人工逐個樣品檢測模式,包括配料、混料、裝爐、出爐、灰吹、分金及稱量等步驟,個別實(shí)驗(yàn)室采用半機(jī)械輔助的批量操作方式。傳統(tǒng)方式配料過程中檢測人員會接觸大量的試劑粉塵;熔樣、灰吹過程面臨高溫、有毒煙氣;整個分析過程勞動強(qiáng)度大、檢測效率低、職業(yè)健康安全風(fēng)險(xiǎn)高;檢測流程復(fù)雜繁瑣,檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性易受人員主觀因素影響[1-4]。

為了改變目前行業(yè)現(xiàn)狀,推進(jìn)火試金分析行業(yè)向自動化、智能化方向發(fā)展,本研究將火試金檢測工藝與機(jī)器人、智能輸送線、智能圖像識別等技術(shù)相結(jié)合,配合自主研發(fā)的超高溫工況穩(wěn)定裝出爐技術(shù),以及批量自動分金技術(shù),開發(fā)了全流程火試金自動化檢測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)包含配料、混料、熔融、灰吹及分金一系列火試金關(guān)鍵工藝步驟的自動化檢測模式[5-7]。

火試金自動化檢測系統(tǒng)運(yùn)行期間,檢測效率提高了167百分點(diǎn)以上,通過機(jī)械臂代替操作員在爐前作業(yè),使操作員與高溫輻射、有毒煙氣和粉塵相隔離,極大程度地提高了職業(yè)健康安全水平,同時大幅度降低了勞動強(qiáng)度。

1 火試金自動化檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)備總體布局及運(yùn)行模式設(shè)計(jì)

火試金自動化檢測系統(tǒng)分為5個子系統(tǒng),分別為自動化配料系統(tǒng)、自動化混料添加系統(tǒng)、自動化熔樣系統(tǒng)、自動化灰吹系統(tǒng)及自動化分金系統(tǒng),對應(yīng)配料、混料、熔融、灰吹及分金5個分析步驟。火試金自動化檢測系統(tǒng)設(shè)備布局如圖1所示。

圖1 火試金自動化檢測系統(tǒng)設(shè)備布局示意圖Fig.1 Layout illustration of automated detection system for fire assay

場地由安全隔斷分割成人員操作區(qū)及機(jī)械臂操作區(qū)。機(jī)械臂操作區(qū)的六軸機(jī)械臂及相關(guān)滑臺負(fù)責(zé)熔融及灰吹工藝的批量裝爐、出爐、灰皿轉(zhuǎn)移等操作。機(jī)械臂替代人員在爐前進(jìn)行作業(yè),人員只需在隔斷后方做輔助操作,包括確認(rèn)配料信息、下達(dá)指令、簡單人工干預(yù)等。同時,通過人員操作區(qū)的負(fù)壓式排風(fēng)功能,防止有毒煙氣從機(jī)械臂操作區(qū)向人員操作區(qū)方向逸出。相關(guān)設(shè)備均設(shè)置了排風(fēng)功能,且自動操作過程不與人員發(fā)生接觸,從根源上杜絕了有毒煙氣、粉塵及高溫輻射對人員的傷害。

整套系統(tǒng)的兩條生產(chǎn)線交替式運(yùn)行,每條生產(chǎn)線可裝載40個樣品,且坩堝可重復(fù)使用。由上位機(jī)自主調(diào)配各動作模塊進(jìn)行協(xié)同操作,最大化提高檢測效率及設(shè)備利用率,并對人員到位機(jī)制,急停、緩?fù)４胧?檢修介入機(jī)制,語音提示播報(bào)等生產(chǎn)相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行了全面考量和功能設(shè)置。在上位機(jī)錄入配料方法,利用機(jī)械臂模擬真人操作手法,通過電爐溫控PLC編輯曲線加熱程序,使檢測操作標(biāo)準(zhǔn)化且可追溯。系統(tǒng)前后端可對接LIMS實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng),自動接收樣品信息,并傳回檢測工藝相關(guān)信息,自動生成檢測記錄,實(shí)現(xiàn)火試金工藝流程的高效檢測。

1.2 自動化配料系統(tǒng)

自動化配料系統(tǒng)如圖2所示。自動化配料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動接收及傳輸樣品信息、自主生成配料方案、轉(zhuǎn)移坩堝、自動稱量、轉(zhuǎn)換托盤、對接后端自動化混料系統(tǒng)等一系列自動化操作。稱量工位有7個給料裝置,分別對應(yīng)碳酸鈉、硼砂、氧化鉛、硝酸鉀、面粉、二氧化硅及玻璃粉7種配料試劑。通過自研的投料結(jié)構(gòu)進(jìn)行投料、稱量模塊進(jìn)行稱量。除樣品為人工稱量外,其余試劑均可自動稱量。

圖2 自動化配料系統(tǒng)示意圖Fig.2 Illustration of automated batching system

自動化配料系統(tǒng)功能全面,智能化程度較高。其與LIMS實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)對接,自動接收樣品信息,并通過配料算法自主生成配料方案進(jìn)行自動配料。該系統(tǒng)后端對接自動化混料添加系統(tǒng),樣品傳遞無需人員干預(yù)。

1.3 自動化混料添加系統(tǒng)

自動化混料添加系統(tǒng)如圖3所示,其包括上料單元、混料單元、試劑添加單元、待裝爐單元等結(jié)構(gòu)。通過可自動上下料的翻轉(zhuǎn)式批量坩堝混勻技術(shù),搭配自研的硝酸銀及覆蓋劑自動添加結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)批量混料。該系統(tǒng)前端與自動化配料系統(tǒng)對接,后端對接自動化熔樣系統(tǒng)。

圖3 自動化混料添加系統(tǒng)示意圖Fig.3 Illustration of automated mixing and addition system

1.4 自動化熔樣系統(tǒng)

自動化熔樣系統(tǒng)如圖4所示。通過編程示教,將機(jī)械臂執(zhí)行動作與人工火試金操作手法相融合,利用上位機(jī)及PLC遠(yuǎn)程控制電爐爐門的自動開關(guān),運(yùn)用滑臺控制樣品在高溫區(qū)與人員操作區(qū)之間的傳遞,并搭載自主研發(fā)的高溫工況穩(wěn)定裝出爐技術(shù),實(shí)現(xiàn)1 200 ℃工況下批量坩堝的穩(wěn)定裝爐、出爐、傾倒及回收等一系列自動化操作。

圖4 自動化熔樣系統(tǒng)示意圖Fig.4 Illustration of automated sample smelting system

1.5 自動化灰吹系統(tǒng)

自動化灰吹系統(tǒng)如圖5所示。機(jī)械臂利用非標(biāo)夾具實(shí)現(xiàn)整批灰皿的轉(zhuǎn)移。自研多組控制、多道進(jìn)氣式自動灰吹電爐,大幅提高爐內(nèi)溫度均勻性及進(jìn)氣均勻性,保障檢測結(jié)果的可靠性。該系統(tǒng)可遠(yuǎn)程自動切換控溫模式,遠(yuǎn)程開關(guān)爐門,遠(yuǎn)程啟停進(jìn)氣設(shè)備。該電爐具備高溫視覺傳感器,定時獲取灰吹畫面,搭載自研灰吹終點(diǎn)智能識別算法,可自主判別灰吹終點(diǎn),實(shí)現(xiàn)火試金灰吹工藝的智能化檢測。

圖5 自動化灰吹系統(tǒng)示意圖Fig.5 Illustration of automated cupellation system

1.6 自動化分金系統(tǒng)

自動化分金系統(tǒng)如圖6所示,其由上下料工位、自動加液工位、加熱及退火工位組成。該系統(tǒng)搭配多線程調(diào)度算法,具有多通道加酸功能、儲液桶液位檢測功能及電爐快速冷卻降溫功能等人性化功能,同時加入了防酸氣腐蝕設(shè)計(jì),延長了各元件使用壽命。改變原人工分金操作方式,合粒通過自動加酸加熱、換酸、清洗、烘干、退火一系列自動化操作轉(zhuǎn)化為可直接稱量的金粒。人工稱量金粒,并通過LIMS實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)生成電子記錄單,結(jié)束火試金檢測流程。

圖6 自動化分金系統(tǒng)示意圖Fig.6 Illustration of automated gold separation system

2 工業(yè)應(yīng)用

本套系統(tǒng)投產(chǎn)前進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,考察設(shè)備的穩(wěn)定性。目前,已投產(chǎn)運(yùn)行近兩年,經(jīng)過不斷優(yōu)化,系統(tǒng)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)的精密度和準(zhǔn)確度均達(dá)到了預(yù)期要求。

2.1 方法的精密度

采用不同品位、不同基體的金礦石金成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW(E) 070138)、金精礦金成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW(E) 070141、GBW(E) 070142、GBW(E) 070143、GBW(E) 070273)、金精礦銀成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW(E) 070293、GBW(E) 070294)進(jìn)行精密度實(shí)驗(yàn),每種樣品測定10次,結(jié)果取平均值(如表1所示)。

表1 方法的精密度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Method precision test results

由表1可知,火試金自動化檢測系統(tǒng)測定結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)樣品標(biāo)值范圍之內(nèi),且測定結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較小,表明精密度良好。

2.2 方法對比

采用火試金人工方式與火試金自動化檢測系統(tǒng)分別對不同品位、不同基體的金礦石金成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW(E) 070138)、金精礦金成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW(E) 070141、GBW(E) 070142、GBW(E) 070273)、金精礦銀成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW(E) 070293)進(jìn)行檢測,每種樣品測定6次,結(jié)果如表2所示。

表2 火試金自動化檢測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Table 2 Comparison of the test results of automated detection system for fire assay

由表2可知,火試金自動化檢測系統(tǒng)與人工檢測結(jié)果無明顯差異,表明準(zhǔn)確度良好。

2.3 應(yīng)用效果

火試金自動化檢測系統(tǒng)已成功應(yīng)用于生產(chǎn)近兩年,報(bào)出數(shù)據(jù)2萬余個,與人員手動操作測定結(jié)果無明顯差異。投產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)場如圖7所示?；鹪嚱鹱詣踊瘷z測系統(tǒng)的研發(fā)實(shí)現(xiàn)了提高檢測效率及一改善三降低。

圖7 火試金自動化檢測系統(tǒng)投產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)場Fig.7 On-site application of the automated detection system for fire assay

1)提高檢測效率。將人工逐個樣品檢測模式改為帶有智能控制的機(jī)械化批量樣品檢測模式。以1個標(biāo)準(zhǔn)工作日(8 h)為例,傳統(tǒng)8人的工作量,使用火試金自動化檢測系統(tǒng)最多只需3人便可完成,檢測效率提高了167百分點(diǎn)以上。

2)一改善三降低?；鹪嚱鹱詣踊瘷z測系統(tǒng)的研制及應(yīng)用,改善了人員的作業(yè)環(huán)境,降低了人員的勞動強(qiáng)度、職業(yè)安全健康風(fēng)險(xiǎn)及檢測結(jié)果受人員主觀因素的影響程度,實(shí)現(xiàn)了一改善三降低,解決了火試金分析行業(yè)多年以來的共性痛點(diǎn)問題。

3 結(jié) 論

1)整套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理穩(wěn)定,軟件功能流暢全面,雙生產(chǎn)線節(jié)點(diǎn)設(shè)置妥當(dāng)合理,檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠,為包含配料、混料、熔樣、灰吹及分金工藝的全流程火試金自動化檢測系統(tǒng)。

2)與傳統(tǒng)火試金操作方法比較,自動化系統(tǒng)檢測效率提高了167百分點(diǎn)以上,且大幅降低了勞動強(qiáng)度,避免了作業(yè)人員與高溫輻射、有毒煙氣及粉塵直接接觸,極大程度地提高了職業(yè)健康安全。

3)隨著機(jī)器人、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,通過機(jī)器人、傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能算法、網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)替代人的“手、腳、眼、腦”在眾多領(lǐng)域已成為現(xiàn)實(shí)。礦產(chǎn)檢測行業(yè)未來必然向自動化、智能化、在線檢測等方向發(fā)展,真正解決行業(yè)的短板,推動礦產(chǎn)行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的自動化、智能化、無人化。