焦炭皮帶自動取制樣裝置的研發應用

荊正平 王錳

（武昆股份制造管理部）

1 前言

隨著鋼鐵行業智能化、自動化設備的不斷發展，對于塊礦物料的取樣乃至制樣等檢測過程的技術也逐漸趨于成熟，在國內已有成功應用的案例。機械取樣技術雖已在昆鋼公司內部使用多年，但對于塊狀物料的取樣乃至自動化控制進行塊狀物料粒級組成篩分和其它在線試驗技術一直未有實施。長期以來仍采用人工取樣，勞動強度大，取樣代表性不強問題日益突出。

2 調研與分析

（1）目前新區進廠的焦炭均為汽車運輸，驗收卸貨的方式有兩種：一種是直接落地卸貨，此方式由于汽車落地卸貨的地點存在不確定性，故在此情況下不具備自動取樣條件，還將繼續采用人工取樣來完成樣品采集，樣品采集完成后后續檢驗項目采用機械自動檢測方式；第二種汽車卸料到汽車受料倉后通過皮帶運輸到高爐焦炭倉，經現場查看皮帶走向，在受料倉下皮帶運輸端部具備自動取樣條件，自動取樣完成后再自動進行后續檢驗檢測。

（2）預建設的焦炭自動取制樣設備是在一處空地處，沒有房屋建筑可以搭接，故需考慮房屋基礎設施。同時此處也需新建一個新的汽車受料倉用于皮帶運輸焦炭至高爐。另涉及自動取樣部分功能需搭建于新汽車受料倉皮帶運輸某個部位，與煉鐵廠溝通、查閱受料倉的具體位置、尺寸、皮帶走向、與已有皮帶搭接方式等設計資料。確定自動取樣機與受料倉運輸皮帶的搭接位置：位于新建受料倉運輸皮帶和老皮帶搭接處配置自動取樣裝置。該位置位于皮帶端部，可實現皮帶運輸焦炭端部取樣功能，這種方式所取樣品代表性優于皮帶中部的位置。

（3）考慮所有功能需實現全自動完成，在樣品取出來之后所有檢驗過程均需做好相關銜接功能，由于車輛卸貨是逐車進行，整個取樣過程也是逐車取樣，取樣時間較長，故后續檢驗設備如和取樣設備同時開啟運行則需運行時間較長，勢必造成一定量的電力資源浪費和設備磨損。為解決此問題，在整個檢驗流程中設計了一個樣品暫存倉，用于所取樣品暫時存放，在該批次車輛取樣完成后，再進行后續檢驗流程。

（4）通過以上實地調研及分析，考慮當運輸車輛進廠后，直接卸貨到受料倉，在受料倉下皮帶運輸端部配置相關設施，以實現全自動取樣制樣流程。設計流程見圖1。

圖1 在受料倉處配置皮帶自動取制樣裝置

3 研制思路

3.1 確定取樣方式

皮帶取樣根據取樣位置可分為中部和端部。而從現場條件來看，建設皮帶端部采樣機具有位置條件。全斷面端部采樣技術有皮帶正面取樣和側面取樣兩種方式，對比三種取樣位置取樣代表性和效果的優劣，見表1，為更好體現取樣代表性，確定最終取樣方式為側面，見圖2。

表1 三種取樣位置對比

圖2 皮帶端部側面自動取制樣裝置

3.2 確定合適的取樣位置和取樣頭寬度

焦炭落在皮帶上之后，經過皮帶不斷震動傳輸，小顆粒焦炭勢必會越來越貼近皮帶運輸表面，大顆粒焦炭在上，小顆粒焦炭在下的情況，當運輸到皮帶端部時，皮帶上運輸焦炭跌落時將會呈現拋物線形狀的狀態，且大顆粒焦炭在遠離皮帶一側，小顆粒焦炭（包含焦末）將會出現在貼近皮帶一側，如圖3 所示。

圖3 不同粒度焦炭從皮帶跌落示意

同時以皮帶端部軸線為中心線，越往下物料跌落所形成的拋物面越寬，想要截取全斷面物料就需要更寬的取樣頭，由于卸料倉下料口大小固定，皮帶運輸速度固定，物料在皮帶表面堆砌的高度將會一定，因此皮帶端部焦炭自由跌落時的拋物面寬度在一定高度時將會固定。

皮帶運輸過程中，通過圖所示“3 皮帶端部”位置進行取樣，則取樣頭所處高度的選擇非常重要。為保證運輸皮帶的正常運行，皮帶取樣過程中取樣頭不能影響皮帶運行為基本原則，以皮帶端部轉動軸軸心線為水平線，取樣頭深入位置高于水平線位置，則取樣過程中貼近皮帶位置的物料將不能被取到，同時由于物料跌落過程中對取樣頭產生較大沖擊力，取樣位置若置于水平線以上，則很可能對皮帶造成傷害。因此合理的取樣位置應置于水平線以下，這樣不僅可以避免取樣頭在沖擊力作用下對皮帶的傷害，同時還能取到貼近皮帶的位置，保證了取樣的代表性，通過實際觀查和測量，水平線下貼近水平線位置為最佳取樣位置，此時只需測量物料形成拋物面的寬度，即可滿足既不對皮帶造成傷害，貼近皮帶位置的小顆粒焦炭可以取到，同時物料跌落對取樣頭產生的沖力相對較小。經過現場實際測量，皮帶運輸物料過程中此位置物料跌落形成的拋物面寬度基本為400 mm，因此決定取樣頭的寬度為400 mm。

3.3 全流程設備搭接

皮帶運輸位置和皮帶取樣位置、方式確定了以后，需要確定后續檢測設備的擺放位置和搭接方式。經過多次現場勘查和交流探討，最終確定的設備搭接方式如圖4 所示，可以滿足所取樣品后續的檢驗要求。

包含的主要設備清單見表2。

表2 焦炭皮帶自動取制樣裝置配置清單

4 取樣合規性確認

4.1 確定取樣量

在確定了料倉暫存功能后，對于暫存倉的大?。纱鎯Χ嗌贅悠罚┬枰ㄟ^計算獲得。根據GB/T 1997-2008《焦炭試樣的采取和制備》[1]及KGG73G006《崗位規程（生產方）》(原材料檢驗取樣轉樣篇)第1 版[3]相關要求，焦炭各類樣品樣品量如下：

①用于熱態、冷態檢測的樣品量應≥80 kg；

②用于水分、成分樣和粒度檢測的樣品量應≥100 kg；

③結合前兩條用于焦炭所有檢測項目樣品總量應≥180 kg；

④冷態檢測樣品量要求50 kg，同時粒度必須＞60 mm，通過對四月進廠的6 種焦炭計算了焦炭中＞60 mm 部分占比，以確保取樣量通過篩分之后滿足冷態轉鼓配鼓的要求，見表3。

表3 四月進廠的6 種焦炭粒級占比

通過表3 可以看出，按＞60 mm 部分占比即為≥80 mm 和-80+60 mm 部分之和最小值為25.03 %。因此為保證最終所取樣品＞60 mm 部分能滿足50 kg，則所取樣品量應大于50 kg/25.03%=199.76 kg。

綜合以上4 組條件，所取焦炭樣品如要滿足所有檢測項目，則最小取樣量應大于199.76 kg。因焦炭密度為500 kg/m3。設樣品暫存倉的容積為x，則x=（199.76 kg/500 kg/m3）=0.40 m3。故暫存倉的容積須≥0.40 m3才能滿足樣品量的需求。這一數據是滿足基本條件時的容積，為確保所取樣品可滿足要求，在發生極端情況也能滿足樣品量，將暫存倉容積設定為0.60 m3，此時樣品量可達到0.6 m3×500 kg/m3=300 kg。

通過大量的試驗，最終取樣量定為約260 kg即可滿足各種樣品總的樣品量需求，同時對整個流程中的三個二分器進行調節，保證每個檢測項目的最終樣品量滿足要求，最終各個環節的樣品量如表4 所示：

表4 各檢驗環節所需樣品量

4.2 確定取樣頻次

在總的取樣量260 kg 確定之后，需進一步確定取樣頻次，保證所取樣品總量滿足要求，同時具有良好的取樣代表性。實際當中進廠新區的焦炭品種較多，最多時每天在5-6 個品種，每個品種的車輛會安排在拉運車輛到齊后統一卸車。（少數情況下當同一品種同一天進廠量較大時，可能會分兩批次進行集中卸車。）

進廠車型分為平板車和自卸車，由于兩種車型卸貨方式及裝運重量不同而導致最終的卸貨時間不同，經過現場計時，平板車平均卸車時間為15 分鐘/車，自卸車平均卸車時間為5 分鐘/車。

平板車小時卸貨量為：60 分鐘/10（分鐘/車）×40（噸/車）=240 噸。

集裝箱車小時卸貨量為：60 分鐘/4（分鐘/車）×22（噸/車）=330 噸。

焦炭料倉及倉下皮帶設計運輸量為250 t/h（即4.17 t/min），不管是哪種車型，每小時卸料量均可基本滿足或滿足有余，因此可基本保證倉下皮帶運輸過程中有物料，只要采用隨機取樣方式，在一定時間運輸時間內取一定的次數，即可滿足總的取樣量。

那么當進廠車數一定時，卸車總時長就已確定。同時總的取樣量已定、取樣頭大小已定即每次取樣量已定，那么要在固定卸車總時長內取夠總的取樣量，取樣次數就可以確定：

取樣次數=取樣總量/取樣頭單次取樣量；

兩次取樣動作之間時間間隔=倉下皮帶運送總時長/（取樣次數-1）；

通過以上分析，則兩次取樣動作之間的時間間隔（x）計算方法具體如下：x=進廠總量/（取樣總量/取樣頭單次取樣量-1），分鐘。

5 比對結果

焦炭皮帶自動取制樣裝置基本建設完成后，開展了機械與人工所取樣品結果比對工作。對同一批樣品同時進行機械取樣和人工取樣的平行試驗，對比兩種方式的關鍵指標，包括冷態、熱態、焦末、水分結果，以確保機械所取樣品代表性滿足要求。對2021 年4 月進廠的三種焦炭進行了比對試驗，對比結果見表5～表7：

表5 第1 組試驗三批本部干熄焦

表6 第2 組試驗三批師宗焦

表7 第3 組試驗三批外購焦

開展的三組試驗當中，既有昆鋼的自產焦，又有外購焦；既有干熄焦，又有水熄焦；既有頂裝焦、又有搗鼓焦?？梢哉f本次所對比的焦炭品種覆蓋了昆鋼新區目前所有中類的焦炭，其對比意義具有很強的代表性。

從表5～表7 可以看出，對于進廠焦炭所關注的多個指標，通過機械取樣和人工取樣后開展的各種試驗結果的偏差均在國標允許范圍以內，說明機械取樣和人工取樣的試驗結果之間只存在系統性偏差，不存在取樣方式帶來的誤差。

同時，通過以上數據我們可以發現：

（1）機械取樣和人工取樣的冷態結果和熱態結果無單向偏差，偏差值有正有負，說明機械取樣和人工取樣帶來的是系統偏差，是合理的。

（2）但對于焦末和水分結果來看，雖然其偏差結果在允差范圍內，但對比結果存在明顯的單向偏差。為此，通過對比結果分析，探究了為什么機械取樣的焦末和水分比人工取樣的結果偏高。

①焦末結果偏高的同時水分結果也偏高，這一趨勢是符合焦炭物理特性的。通常來說，焦末吸水量較塊狀焦炭多，因此焦末高則水分高是合理的。

②機械取樣的焦末含量比人工取樣的高。通過對比人工取樣方式和機械取樣方式即可發現這一過程是可以理解的。焦炭取樣過程上描述，人工取樣時應扒去附著在焦炭表面的焦末，再進行人工取樣；而全斷面端部取樣機在取樣時截取的是皮帶的全截面，沒有人為去掉焦炭表面附著焦末的動作，故其采取樣品的焦末含量高于人工所取樣品，是正常的。

（3）通過以上對比和分析，可以得出以下結論：

①機械取樣的試驗結果和人工取樣試驗結果存在一定偏差，但此偏差屬于系統性偏差，和取樣方式沒有關系。

②機械取樣的焦末和水分要略高于人工取樣，其結果也屬正常范圍，更可以說明機械取樣的代表性比人工取樣更好，更切合焦炭實物的實際狀態。

6 成果與創新

6.1 實施成果

（1）真正實現塊狀物料全斷面取樣，取樣代表性符合實物真實情況。本次全自動取樣位置定于皮帶端部，并從皮帶側面進入采樣，物料從皮帶運輸自然下落過程中形成的物料全斷面所有位置均可成功取到，包括位于皮帶表面上的小粒度焦炭，所取樣品客觀真實地反應了物料應有狀態。

（2）實現了塊狀物料自動取樣問題。新區從建廠開始，進廠焦炭一直采用人工取樣，勞動強度大，取樣代表性不強，同時人工取樣管控困難，存在較大廉潔風險。機械自動取樣替代人工取樣，很好地解決了人工取樣存在的問題。

（3）焦炭粒級組成是焦炭檢驗主要指標之一，焦炭皮帶自動取制樣裝置的實施，成功實現焦炭粒度的自動檢測。實現自動取樣后，取樣代表性增強，在取樣完成后，首先稱量樣品總重，焦炭5級粒度情況，通過震動給料機緩慢給料，逐級篩分，實現了焦炭粒級組成的自動篩分、自動稱量、自動計算各粒級占比。

（4）在焦炭粒級篩分完成之后，按＞80 mm和60 mm-80 mm 部分實際重量比例進行冷態轉鼓試樣配鼓。配鼓樣品粒度經自動篩分后滿足試驗要求，同時配鼓比例滿足標準要求，配鼓重量可進行配置，經過不斷的摸索試驗，最終設定機械自動配鼓冷態試樣55 kg，滿足國標要求50 kg。

（5）實現了棄料自動收集，集中處理。在機械篩篩分完成后，分別稱量并計算焦炭各粒度重量級粒度組成，完成冷態試樣配鼓后，剩余物料由設備通過皮帶運輸到固定位置，集中擺放集中處理，減少了人工搬運物料帶來的勞動強度。

（6）通過三級二分裝置，自動同時完成焦炭粒度篩分樣品、成分水分樣品、焦炭熱態試驗樣品、焦炭備用樣品的自動分取，全過程無需人工干預自動完成，且各種試樣比例合適，各種試驗樣品占比見表8。

表8 各種試驗樣品占比

（7）高清數字式視頻監控系統的應用實現了對取制樣全過程、關鍵點的無死角全覆蓋實時監控和記錄，即可對整個取制樣過程進行還原，也可通過視頻查看整個過程是否存在人為干預的影響，增加了廉潔風險防控手段。

6.2 技術創新

機械取樣技術雖已在昆鋼公司內部使用多年，但對于塊狀物料的取樣乃至自動化控制進行塊狀物料粒級組成篩分和其它在線試驗技術一直未有實施。在原燃料進廠檢驗環節自動化技術不斷發展的前提下，開展塊狀物料自動化流程，并根據現場實際情況結合功能需求進行了不斷完善，最終完成了初設全部功能，在實施過程中產生的創新點如下：

（1）改進了塊狀物料皮帶取樣方式，對原來已有的皮帶中部采樣技術進行了研究分析，對比端部取樣效果。最終采用端部方式替代中部取樣方式，對于塊狀物料，取樣代表性大幅增強。

（2）結合現場條件，對原設計的皮帶正前方端部取樣方式進行改進，采用皮帶端部側方位全斷面取樣替代皮帶端部正前方位置的取樣，取樣代表性滿足要求，同時取樣設備占地面積小，不影響皮帶正常運行和檢修。

（3）真正意義上實現了塊狀物料從取樣、制樣、粒級在線檢測、試驗樣品自動選取、自動配比、自動棄料的全套功能，在昆鋼塊狀物料全自動取制樣技術方面取得巨大進步。

（4）由于皮帶取樣位置和制樣位置垂直高度相差較大，而所取樣品需通過皮帶運輸。為了防止所取樣品在提升運輸過程中滑落的問題，采用槽型皮帶替代傳統皮帶，實現了接近30°傾角皮帶運輸塊狀物料而沒有出現物料回撒情況。

（5）實現了焦炭五級粒級組成自動在線檢測、焦炭冷態試驗樣品自動配鼓、熱態樣品自動分取、水分樣品自動分取等全自動功能，徹底取消了人工參與檢驗過程的歷史，大幅增強檢測結果的客觀公正性。

7 結論

（1）塊狀物料全自動取制樣一直以來都是檢驗環節的難題，特別是取樣代表性問題，采用汽車采樣機等設備采取樣品時會對物料原始形狀進行破壞，同時各種粒級樣品無法保證均勻采取，從而所取樣品代表性不足。目前來說唯一可行方法為皮帶取樣，而皮帶取樣最好的方式是端部截取樣品，這樣樣品采取時取樣裝置不會對焦炭外形影響，而且塊狀物料各粒級均可均勻取到，其代表性具有真實性。取樣總樣量＞260 kg，可同時滿足多種試驗樣品量，其中粒級檢測樣量約占65 %，成分水分樣量約占5 %，熱態樣量約占20 %，剩余10 %為備用樣。

（2）在原燃料檢驗過程中，另一個主要問題是人工參與檢驗過程的問題。而解決此問題的方式就是采用全自動方式進行檢測作業，徹底隔絕人與物料，從而更能提高檢驗檢測過程的客觀公正性。對于質檢業務來說，全自動裝置不僅能提升檢驗檢測效率，降低職工勞動強度，更為主要的是降低人為參與檢驗工作存在的廉潔風險。效率提高體現在兩方面：一是以每天進廠50 車焦炭舉例，原人工取樣時間約3分鐘/車，每天可節省2.5 h；粒度篩分檢測數據報出時間由原來平均耗時約12 小時，到現在的0.5 小時完成，實際時間縮短了95.83 %。

（3）設計之初充分考慮了現存的各種問題，同時外出考察，學習同行業先進的做法，再結合昆鋼新區焦炭進廠檢驗流程和位置等條件，在充分論證其可行性后設計出了整體流程。經過近半年的努力終于成功實施完成，達到預設目標。后經現場不斷的調試，對焦炭皮帶自動取制樣裝置功能再次修改完善。目前進廠新區的焦炭，從卸料口卸貨的可很好采用全自動流程進行取制樣檢驗工作，而落地部分也只有經人工取樣后再經過自動制樣流程。自設備正式投入使用以來，運行狀態穩定良好。徹底解決了焦炭進廠檢驗環節取樣代表性和人工參與檢驗的問題。

（4）在昆鋼公司，玉鋼公司、云煤公司進廠焦炭檢驗業務也和昆鋼新區一樣，存在相同的問題。焦炭皮帶自動取制樣裝置的技術路線和研究成果具有前瞻性和引領性，完全可在玉鋼公司、云煤公司進行推廣，同時新區二期建設時可借鑒本案例，提前作出全面統籌考慮，在焦炭皮帶自動取制樣裝置的基礎上增加冷態轉鼓在線檢測等更加先進的技術，從而使焦炭檢驗工作從進廠取樣、過程檢測、樣品制備等全流程實現自動化作業。