上海羅涇港鐵礦石全自動取制樣系統應用及改進*

王 兵 陳 杰 徐 鼎 王意彤 劉 曙

(上海出入境檢驗檢疫局工業品與原材料檢測技術中心)

我國作為全球鐵礦石進口大國，2016年全年進口量已突破了10億t大關。上海羅涇礦石碼頭地處長江入海口，依托長江12.5m黃金深水航道，地理位置優越，區位優勢明顯，主要承擔上海周邊及長江沿線各鋼鐵企業進口鐵礦石的中轉接卸任務。作為我國鐵礦石進口的縮影，羅涇礦石碼頭年接卸船舶數及卸貨量從2007年開港至今持續攀升，2016年全年吞吐量已超過5 200萬t，已遠超港口設計作業能力。羅涇礦石碼頭靠泊鐵礦船基本以拼裝船為主，具有數量大、批次多的特點，取制樣任務繁重，僅依靠手工取制樣已很難適應進口貿易發展的需要。

上海出入境檢驗檢疫局于2011年在羅涇礦石碼頭建設了我國首套鐵礦石全自動取制樣設施，該取制樣系統自建成投入使用后，至今已穩定運行7 a時間，年均取樣量約150批次，1 500萬t左右。作為國內首套以機械手為主要設備的自動化取制樣系統，完全滿足鐵礦石相關取制樣標準要求，與常規取制樣系統相比，工藝技術先進，使用方便靈活，節能環保效益顯著，是未來散裝貨物取制樣設備的發展方向[1]。為此，對該系統的組成、功能及應用等情況進行了詳細的介紹，并總結出使用過程中應重點關注的問題，為其他港口類似系統的設計、建設和使用提供參考，提高我國自動化取制樣技術水平。

1 機械取制樣系統發展

目前，鐵礦石取制樣主要有手工和機械兩種取樣方式，且逐步呈現出以機器取樣為主、手工取樣為輔的發展格局。我國機械化取制樣系統的發展可以概括為三個階段：

(1)單體設備取樣階段。該階段主要以單個取制樣設備為主，如取樣器、縮分器等，是手工取制樣的輔助用具。

(2)半自動化取制樣階段。我國從20世紀80年代開始，陸續從國外引進或自主設計建造了一批機械取制樣設施，該階段已開始形成一個比較完備的取制樣系統，但自動化程度較低，機器可以完成部分程序，如取樣、縮分等，但仍有部分程序如更換篩網、稱量水分等需要人工介入，依靠手工輔助完成。

(3)全自動取制樣階段。即全自動取制樣設施，這也是目前采用的主流系統。1998年寶鋼率先在鐵礦石取制樣系統中引入了機器人的水分在線測定系統，拉開了機器人用于取制樣系統的序幕[2]。近幾年得益于自動控制技術和機器人技術的發展，使得自動化程度大大提高。除故障檢修外，系統運行期間，基本不需人工介入，從而保證了樣品的代表性和檢驗數據的客觀準確。全自動取制樣系統與常規取制樣系統詳細比較見表1。

2 羅涇港取制樣系統組成

上海羅涇港鐵礦石全自動取制樣系統主要由取樣系統部分、機器人單元部分、棄樣系統部分和控制系統部分四部分組成。全自動取制樣系統組成見圖1。

取樣系統部分主要由一采機、二采機和樣品輸送皮帶組成。棄樣系統部分主要由棄樣皮帶機、斗提機、棄樣溜槽組成，此部分與常規取制樣方案基本相同。

表1 全自動取制樣系統與常規取制樣系統工藝方案比較

圖1 全自動取制樣系統組成

機器人單元部分主要設備包括機械手、縮分機、烘箱、振動篩、破碎機、研磨機、篩網存儲架、稱量設備等。機械手是全自動系統在線檢測部分的核心設備，采用瑞士ABB公司產品，其最大負載可達130 kg，最大工作半徑為2 m。周邊設備采用澳大利亞ESSA公司產品，呈環形分布于機械手的周圍。該單元可完成的主要任務有：礦石的粒度分布測定、礦石水分含量測定、化學分析樣品的制備及各類樣品的收集等。

控制系統具有對取制樣設備進行控制、監視管理的功能。控制系統的主要設備有工業控制計算機、PLC可編程序控制器和視頻監控設備等。工控機用于實現人機交互聯系、系統指令的發送、顯示取制樣系統的實時工作情況等。PLC可編程序控制器采用美國AB公司產品，具有處理能力強大，運行穩定可靠，人機界面友好等特點。通過設備網實現PLC對現場所有設備的控制。設備現場還安裝有視頻監控設備及通話設備，可用于實時查看取樣機取樣過程，觀察港口皮帶機卸貨情況 ，設備周圍環境等，及時了解設備狀態和保證現場人員的安全。通話設備可用于控制室控制人員與現場人員的遠程聯系和互動。

3 取制樣系統工作流程

上海羅涇港有2個20萬t級卸船泊位，進口的鐵礦石主要分為3種，塊礦、粉礦和球團礦，允許取樣的最大公稱粒度為50 mm。港口有2條卸貨主皮帶機，分別為DS3和DS4。兩條皮帶機規格相同，均為帶寬1 600 mm，帶速3.15 m/s，額定卸貨能力為4 500 t/h。其中DS4皮帶機具有“水水中轉”功能，貨物通過該皮帶機，可直接由大船卸到接駁小船上，省去進入場地再出貨環節。在實際工作過程中，DS3和DS4會同時輸送相同或不同種類礦石，當港口兩條皮帶機同時接卸兩種不同的礦種時，取制樣系統對其中一種礦種進行作業，另一種礦種將由所對應的來樣皮帶機反轉，利用旋轉取樣機進行取樣，樣品送入制樣間進行后續制備工作。塊礦、球團礦和粉礦取制樣流程見圖2、圖3。

圖2 塊礦或球團礦取制樣流程

4 系統性能改進

該鐵礦石全自動取制樣系統在設計、建造過程中，參考了國外先進系統的經驗。考慮到羅涇港在接卸礦石種類、卸貨方式、設施布局等方面均與國外港口存在明顯不同，因此在設計、建造過程中進行了相應的改進和完善，使之更加適應取制樣工作的需要。

(1)由于碼頭先于取制樣系統建設，因此在后期建造取制樣系統時，發現部分預留空間不足，造成設備安裝和維修困難。建議在空間允許的情況下：①在一采機周邊留出足夠的落料空間，避免因空間狹小造成積料，影響采樣機的運行；②對單向運行皮帶機，在空間滿足的情況下盡量將電機安裝在主動端處，對雙向運行皮帶機，將電機安裝在皮帶機主要運行的方向端，以減少皮帶打滑和欠速現象的發生。

(2)通常接卸礦石、煤炭等散貨的碼頭，作業環境都相對較差，加強對設備的防護尤其重要。粉塵、潮濕、振動、貨物腐蝕等因素都會對設備的正常運行造成潛在的威脅。建議對電機、傳感器等重要設備加裝保護罩，并采用不銹鋼材料，增強耐腐蝕能力；在取制樣過程中，尤其對水分含量較大或較黏濕的礦種時，應增加巡視，發現積料，及時清除。對控制箱，電源箱可進行全密封保護；對裸露在外的螺栓和螺母，也應加裝保護套，否則受環境影響兩者很容易被銹蝕在一起，螺紋紋路堵塞，造成維修時無法拆卸。

圖3 粉礦取制樣流程

(3)取制樣系統中使用的溜槽主要用于輸送物料，工作中除受到料流腐蝕外，受料流沖擊影響較大。應有足夠的強度和耐磨度，否則易發生被料流擊穿，產生溢料的情況。因此建議：①加強溜槽的強度，在溜槽的受力面采用硬度和耐磨度更好的材料或在內部沖擊面處加裝耐磨襯板。同時要求溜槽內部光滑，抗腐蝕，無棱角、棱邊；②改變溜槽的傾斜角度，最好采用垂直式設計，既方便料流排出，減少溜槽內堵料，又可以減小料流對溜槽的沖擊，延長溜槽使用壽命。在溜槽適當位置應設置密封檢視窗口，方便檢查溜槽內部情況和清除溜槽內積料[3]。

(4)機器人單元環境雖沒有取樣單元的環境惡劣，但粉塵、溫度和振動對設備的影響依然很大。①機器人單元內精密設備和傳感器眾多，該單元為相對密閉的空間，通風不暢，除塵設施很難做到全方位無死角除塵，對設備精密防護要求較高。建議設備制造商在確定設備參數時，可參照防水等級參數，引入防塵等級參數的概念，對設備提供更好的防護；②該單元內烘箱和設備散熱較多，室溫較高，易造成電氣設備工作異常，尤其影響PLC的正常工作。建議在該單元內加裝溫度調節設施，控制環境溫度；對位置固定的氣管可使用金屬氣管替代塑料氣管，減少破損；③機械手動作及夾具位置在調試完成后，均已固定，幾乎沒有可以調節的余量，因此對機器人及周邊設備的相對位置要求固定，應減小振動等外力對設備位移的影響，減少夾具報警。對傳感器、PLC，觸摸屏等精密設備盡可能提供密封保護，防止灰塵入侵；定期排除空氣壓縮機中的過濾水，防止進入氣路，對設備造成腐蝕和損壞；對機械手夾具的傳動部分應經常進行檢查，防止粉塵和異物對夾具張合的影響。

5 結 語

以機器人為主要設備的全自動取制樣設施在我國應用的時間不長，總結了使用中出現的問題，通過改造可有效提升應用設備的能力，從而更好地提升取制樣水平。相信隨著自動化技術的快速發展和對系統應用水平的不斷提高，未來的取制樣系統也會不斷升級，為我國鐵礦石貿易持續提供強有力的技術支撐。

[1] ISO/TC102鐵礦石與直接還原鐵技術委員會SC1取樣分委員會.ISO3082:2017鐵礦石:取樣和制樣方法[S].北京:中國標準出版社，2017.

[2] 王春生，陳小奇，孫 良，等.寶鋼自動化取制樣系統的應用與發展[J].金屬礦山，2010(11)：116-120.

[3] 史 剛.北侖礦石碼頭取制樣設施系統環保措施研究[J].交通節能與環保，2013(1)：61-62，83.