火試金自動化檢測系統的研制及應用

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.國家金銀及制品質量檢驗檢測中心(長春))

引 言

火試金分析方法是國內外黃金行業金、銀分析及貿易仲裁的主要檢測方法。目前,大部分實驗室采用傳統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,個別實驗室采用半機械輔助的批量操作方式。傳統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度大、檢測效率低、職業健康安全風險高;檢測流程復雜繁瑣,檢測數據準確度及穩定性易受人員主觀因素影響[1-4]。

為了改變目前行業現狀,推進火試金分析行業向自動化、智能化方向發展,本研究將火試金檢測工藝與機器人、智能輸送線、智能圖像識別等技術相結合,配合自主研發的超高溫工況穩定裝出爐技術,以及批量自動分金技術,開發了全流程火試金自動化檢測系統,實現包含配料、混料、熔融、灰吹及分金一系列火試金關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運行期間,檢測效率提高了167百分點以上,通過機械臂代替操作員在爐前作業,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健康安全水平,同時大幅度降低了勞動強度。

1 火試金自動化檢測系統設計

1.1 設備總體布局及運行模式設計

火試金自動化檢測系統分為5個子系統,分別為自動化配料系統、自動化混料添加系統、自動化熔樣系統、自動化灰吹系統及自動化分金系統,對應配料、混料、熔融、灰吹及分金5個分析步驟?；鹪嚱鹱詣踊瘷z測系統設備布局如圖1所示。

圖1 火試金自動化檢測系統設備布局示意圖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及機械臂操作區。機械臂操作區的六軸機械臂及相關滑臺負責熔融及灰吹工藝的批量裝爐、出爐、灰皿轉移等操作。機械臂替代人員在爐前進行作業,人員只需在隔斷后方做輔助操作,包括確認配料信息、下達指令、簡單人工干預等。同時,通過人員操作區的負壓式排風功能,防止有毒煙氣從機械臂操作區向人員操作區方向逸出。相關設備均設置了排風功能,且自動操作過程不與人員發生接觸,從根源上杜絕了有毒煙氣、粉塵及高溫輻射對人員的傷害。

整套系統的兩條生產線交替式運行,每條生產線可裝載40個樣品,且坩堝可重復使用。由上位機自主調配各動作模塊進行協同操作,最大化提高檢測效率及設備利用率,并對人員到位機制,急停、緩停措施,檢修介入機制,語音提示播報等生產相關環節進行了全面考量和功能設置。在上位機錄入配料方法,利用機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,使檢測操作標準化且可追溯。系統前后端可對接LIMS實驗室管理系統,自動接收樣品信息,并傳回檢測工藝相關信息,自動生成檢測記錄,實現火試金工藝流程的高效檢測。

1.2 自動化配料系統

自動化配料系統如圖2所示。自動化配料系統實現了自動接收及傳輸樣品信息、自主生成配料方案、轉移坩堝、自動稱量、轉換托盤、對接后端自動化混料系統等一系列自動化操作。稱量工位有7個給料裝置,分別對應碳酸鈉、硼砂、氧化鉛、硝酸鉀、面粉、二氧化硅及玻璃粉7種配料試劑。通過自研的投料結構進行投料、稱量模塊進行稱量。除樣品為人工稱量外,其余試劑均可自動稱量。

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

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

1.3 自動化混料添加系統

自動化混料添加系統如圖3所示,其包括上料單元、混料單元、試劑添加單元、待裝爐單元等結構。通過可自動上下料的翻轉式批量坩堝混勻技術,搭配自研的硝酸銀及覆蓋劑自動添加結構,實現批量混料。該系統前端與自動化配料系統對接,后端對接自動化熔樣系統。

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

1.4 自動化熔樣系統

自動化熔樣系統如圖4所示。通過編程示教,將機械臂執行動作與人工火試金操作手法相融合,利用上位機及PLC遠程控制電爐爐門的自動開關,運用滑臺控制樣品在高溫區與人員操作區之間的傳遞,并搭載自主研發的高溫工況穩定裝出爐技術,實現1 200 ℃工況下批量坩堝的穩定裝爐、出爐、傾倒及回收等一系列自動化操作。

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

1.5 自動化灰吹系統

自動化灰吹系統如圖5所示。機械臂利用非標夾具實現整批灰皿的轉移。自研多組控制、多道進氣式自動灰吹電爐,大幅提高爐內溫度均勻性及進氣均勻性,保障檢測結果的可靠性。該系統可遠程自動切換控溫模式,遠程開關爐門,遠程啟停進氣設備。該電爐具備高溫視覺傳感器,定時獲取灰吹畫面,搭載自研灰吹終點智能識別算法,可自主判別灰吹終點,實現火試金灰吹工藝的智能化檢測。

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

1.6 自動化分金系統

自動化分金系統如圖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。該系統搭配多線程調度算法,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計,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化為可直接稱量的金粒。人工稱量金粒,并通過LIMS實驗室管理系統生成電子記錄單,結束火試金檢測流程。

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

2 工業應用

本套系統投產前進行了大量的實驗驗證,考察設備的穩定性。目前,已投產運行近兩年,經過不斷優化,系統的穩定性、數據的精密度和準確度均達到了預期要求。

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準物質(GBW(E) 070138)、金精礦金成分分析標準物質(GBW(E) 070141、GBW(E) 070142、GBW(E) 070143、GBW(E) 070273)、金精礦銀成分分析標準物質(GBW(E) 070293、GBW(E) 070294)進行精密度實驗,每種樣品測定10次,結果取平均值(如表1所示)。

表1 方法的精密度實驗結果Table 1 Method precision test results

由表1可知,火試金自動化檢測系統測定結果在標準樣品標值范圍之內,且測定結果相對標準偏差較小,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分別對不同品位、不同基體的金礦石金成分分析標準物質(GBW(E) 070138)、金精礦金成分分析標準物質(GBW(E) 070141、GBW(E) 070142、GBW(E) 070273)、金精礦銀成分分析標準物質(GBW(E) 070293)進行檢測,每種樣品測定6次,結果如表2所示。

表2 火試金自動化檢測系統實驗結果對比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與人工檢測結果無明顯差異,表明準確度良好。

2.3 應用效果

火試金自動化檢測系統已成功應用于生產近兩年,報出數據2萬余個,與人員手動操作測定結果無明顯差異。投產應用現場如圖7所示?；鹪嚱鹱詣踊瘷z測系統的研發實現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投產應用現場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械化批量樣品檢測模式。以1個標準工作日(8 h)為例,傳統8人的工作量,使用火試金自動化檢測系統最多只需3人便可完成,檢測效率提高了167百分點以上。

2)一改善三降低?；鹪嚱鹱詣踊瘷z測系統的研制及應用,改善了人員的作業環境,降低了人員的勞動強度、職業安全健康風險及檢測結果受人員主觀因素的影響程度,實現了一改善三降低,解決了火試金分析行業多年以來的共性痛點問題。

3 結 論

1)整套系統的結構設計合理穩定,軟件功能流暢全面,雙生產線節點設置妥當合理,檢測結果準確可靠,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。

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

3)隨著機器人、大數據、物聯網技術的快速發展,通過機器人、傳感技術、物聯網技術、智能算法、網絡集成技術替代人的“手、腳、眼、腦”在眾多領域已成為現實。礦產檢測行業未來必然向自動化、智能化、在線檢測等方向發展,真正解決行業的短板,推動礦產行業全產業鏈的自動化、智能化、無人化。