地質試樣制備自動化技術及其必要性分析

安碾糧　趙奎鵬（.西北有色地質勘查局七一二總隊，陜西 咸陽 7000；. 陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 700）

地質試樣制備自動化技術及其必要性分析

安碾糧1趙奎鵬2
（1.西北有色地質勘查局七一二總隊，陜西 咸陽 712000；2. 陜西科技大學機電工程學院，陜西 西安 710021）

在系統調研國內外試樣制備的現狀的基礎上，分析普遍存在的問題，通過采用機械化、自動化控制技術予以解決，結果表明：采用現代化自動控制技術進行試樣制備，使試樣加工質量得到有效保障，大幅提高了試樣制備效率，改善了操作環境，提高了經濟效益。

地質試樣；制備；自動化技術；質量控制；生產效率

1 引言

地質勘查采集的原始樣品必須經過破碎后，制備成符合化驗室分析測試要求的樣品，才能進行測試分析。巖礦試樣的制備就是將地質勘查過程中采集的原始巖礦樣品，通過破碎、縮分，制備成具有代表性的分析試樣，制備的試樣必須保證原始樣品的物質組分及其含量不變，同時樣品應均勻并且粒度值達到規定的目數，以便于分解。樣品制備的質量將直接影響到地質找礦成果的質量和礦山開發工作的決策，由此可以看出試樣制備的必要性和重要性，但在實際制備過程中，由于各種原因導致樣品的制備不能完全滿足行業規范要求。

本文將針對目前試樣制備行業存在的普遍問題著手，從試樣自動化制備技術的角度進行分析，如何解決存在問題，保證試樣制備質量和提高制備效率的。

2 試樣制備現狀及存在問題分析

2.1 試樣制備現狀

地質試樣加工的重要性不言而喻，但在試樣制備過程中卻存在很多問題，我們通過對國內各測試中心和化驗室的調研發現：很多測試中心使用的是進口的智能化、自動化程度很高的分析測試儀器設備，但是試樣加工手段卻非常落后，使用的是上世紀60年代的產品，單機作業、人工操作環節很多，嚴重影響了分析試樣的制備質量乃至整個分析成果的質量，造成實驗室化驗結果和實際勘查對象中礦物質含量存在一定的偏差。

2.2 存在的問題分析

由現狀可以歸納分析主要有以下幾個方面的因素影響到了試樣分析的質量和破碎效率：

（1）加工的環節較多，各個環節基本都采用單機破碎作業，機械化程度不高，工人勞動強度大，導致人為影響加工質量的因素大幅增加，同時也大大降低了試樣加工效率。

（2）人工清掃環節較多，由于操作人員的責任心以及片面追求效益等原因，往往清掃不到位造成試樣交叉污染，樣品制備質量難以保證。

（3）管理規范存在漏洞，忽視過程監管。試樣加工過程中經常存在操作人員不按照規范執行，甚至不留粗付樣（不愿意對粗副樣進行加工），用分析付樣代替粗付樣等現象，導致內檢失去了應有的意義。制備的樣品同樣難以保證質量。

（4）目前，原始樣品加工過程中的縮分仍大量采用人工縮分，受人為因素影響較大。通常是根據切喬特（qeqoTT）經驗公式Q=Kd2進行縮分。

式中：

Q―樣品最低可靠重量（kg）；

d―樣品中最大顆粒直徑（mm）；

K―根據巖樣品特性確定的縮分系數。

試樣混勻常用的堆錐法、滾移法以及礦樣進行縮分常用的堆錐四分法（四分法）、二分器法、方格法、割環法等均采用人工作業。以經驗公式為理論依據，輔以大量的人工操作，而人工操作又具有很大的不確定性，例如為減少工作量，不遵循切喬特公式，留樣量過少，或在樣品粒度過大的情況下就進行縮分，這樣制備的試樣就失去了代表性。所以由以上兩方面結合制備的試樣的質量同樣難以保證。

以上是當前各測試中心及化驗室在試樣制備過程中，影響試樣制備質量及加工效率的一些主要問題。除此之外，設備陳舊，操作人員工作環境較差，粉塵污染較嚴重等問題也會直接或間接影響到試樣制備的質量。

圖1 工作結構原理圖

3 試樣制備自動化技術分析

目前國內一些企業經過多年的不懈努力，通過層層科研攻關，終于研制成功了技術先進，操作方便的試樣制備自動化機組，很好的解決上述存在的絕大多數問題，同時也填補了國內空白，成為各測試中心和化驗室的有力助手，現已開始被各測試中心使用。以機械化代替手工操作，以數字化、智能化的控制流程來代替充滿不確定性的單機手工操作流程，極大的提高了試樣制備效率和有效的保證了制樣制備的質量，這是該機組的主要特色。

3.1 試樣制備結構與原理

從技術的角度來剖析該試樣制備機組是如何通過機械化、自動化控制技術來解決前述試樣制備過程中存在問題的。

試樣制備自動化機組結構工作原理圖如圖1所示。

3.2 試樣制備的過程

通過科學的設計，將粗碎、上料送料裝置、中碎、中細碎混勻縮分、出料等單機作業合理地組合在一起，減少了人工作業環節，大幅度提高加工效率，降低了勞動強度。

（1）接通電源，啟動運行按鈕后，機組就會自動按照設定的程序開始運行。操作人員將樣品送入加料口，由雙段顎式破碎機進行粗碎，通過監視器和聲音判斷破碎完成后按動上料按鈕，料斗提升裝置將樣料送入頂部料倉，然后由電磁震蕩送料機均勻的送入對輥破碎機破碎腔進行中碎。中碎后經擺式縮分，一部分樣料進入棄料斗，另一部分進入盤式破碎機破碎腔，經中細碎后進入旋轉式混勻縮分器進行混勻縮分。由監視器觀察縮分完成后啟動出料按鈕，最后由出料小車將制備好的試樣送出。

整個制備流程，操作人員只按運行、上料、出料三個按鈕即可，大幅降低了勞動強度，提高了的制備效率。機械化、自動化的設計，也減少了大量的中間人工操作環節，消除了人為因素的影響，提高了樣品制備的質量。

（2）自動化混勻縮分技術，完全排除經驗公式和人工操作帶來的不確定性。傳統加工方式主要根據切喬特公式來確定最少的留樣量，而新一代的自動化混勻縮分技術是依靠設備去完成試樣的縮分，留樣量一般足夠，因此，切喬特（qeqoTT）經驗公式已經沒有多大存在的意義，用戶也不用再去確定相應的K值，也舍去了粗加工后的混勻縮分步驟，參考圖2。原本復雜、繁瑣、充滿不確定性的混勻縮分步驟，在強大的自動化技術面前，一切變得是這么簡單。經過測量，采用的擺式縮分技術和旋轉式縮分技術，完美的將縮分誤差控制1.5%以內，并進行了充分的混勻，有力的保證了縮分質量，使制備的試樣更具有代表性。

圖2 試樣制備流程圖

（3）自動清掃技術、清掃閉鎖控制技術，很好的實現了試樣加工過程中的內部質量控制，防止混樣、試樣交叉污染。

每加工完一個樣品，多臺壓風清掃風機按照一定的程序自動交替進行風力清掃，此過程也可手動完成，防止了樣品的交叉污染，對于磨盤破碎機破碎腔的清掃，采用電機驅動自鎖連桿機構進行控制。清掃時，圓盤端蓋自動打開，清掃風機進行無死角殘留試樣的清掃。通過自動清掃技術，消除了人為因素的試樣交叉污染。

清掃閉鎖控制指每加工完一個試樣后，如果清掃風機沒有清掃，則在閉鎖控制的作用下，料斗不能上升，下一個試樣無法進入試樣制備機組，有效防止了混樣現象。

（4）數字化、智能化PLC控制技術的應用，簡單易懂的人機交互操作界面，在大幅提升制備效率的同時，也使試樣制備操作變得如此簡單。

圖3 PLC控制結構圖

自動化試樣制備機組采用了先進的可編程控制器PLC進行全程自動控制。PLC全稱為可編程邏輯控制器，是一種數字運算操作的電子系統或者稱為工業計算機，專為在工業環境應用而設計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算，順序控制，定時，計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程，其硬件結構基本與計算機相同。觸摸屏、PLC控制結構圖如圖3所示。

操作人員通過觸摸屏來對PLC輸入相應的指令，就可輕松完成對設備的操作和工藝參數的調整。設備啟動后，PLC根據設定好的程序及參數，控制機組各組成部分完成相應的操作，從而實現試樣制備的自動化，從而省略了大量的人工操作，提升了加工效率，保證了加工質量。

（5）自動除塵技術的使用，凈化了外部操作人員工作環境。如圖4所示，該機組采用全封閉罩殼，使工作人員和塵源完全隔離，罩殼后部接強力引風機，試樣加工過程中產生的粉塵直接從排塵口吸走，對于排出的粉塵可經過旋風式除塵器除塵、水霧除塵達到凈化的目的。

全封閉罩殼的使用，不僅隔離了塵源，也對噪音也產生了相當程度的降低，減少了噪音對人體的危害。

（6） 采用現代監控技術來對制備過程的關鍵點進行重點監控。在試樣制備流程的關鍵作業點，都裝置有防塵攝像頭，可使作業的全過程通過監視器清楚的反映在操作者的面前，有利于操作者快速發現加工過程中的異常狀況。并通過CF卡同步完成樣品各種參數的詳細記錄，完整的保留了操作信息，有利于檢查、追溯樣品加工的全過程。

以上為咸陽西北地勘機械有限公司開發的試樣制備自動化機組采用的六大技術，因保密原因，對于各技術細節，不能進行過于詳細的分析描述，請讀者原諒。

圖4 自動化試樣制備機組

結論

通過機械化、自動化控制技術的應用，新的試樣制備機組將比傳統破碎方式取得如下的巨大優勢：

（1）能很好地解決試樣制備過程中存在的各種影響試樣加工質量的缺陷，消除制備過程中人為因素的影響，使試樣制備的質量得到了較好的控制，制備的試樣更具有代表性。

（2）大幅提高試樣制備效率，降低了工作人員勞動強度。制備過程一個人操作，原本3～4人的工作，一個人就可完成，每天可加工150～200個樣品；工作人員只需將原始采集的試樣送入進料口，啟動相應的按鈕即可，所有的中間環節將由設備自動完成，最后，經過破碎、混勻縮分后的試樣由出料小車自動送出，省去了所有的中間人工勞動環節。

（3）防塵罩殼和配套除塵設備的使用，可以大幅度改善員工工作環境，降低了粉塵和噪音對人體的危害。

（4）提高了自動化試樣制備質量：進料粒度為不大于100mm，出料粒度為20～120目，生產率為200kg/h，縮分范圍為1/2～1/8（還可根據用戶需要進行調整，加大縮分比例）。

綜上所述，采用現代化自動控制技術進行試樣制備，是保證樣品制備質量、提高制備效率、降低工人勞動強度的重要手段，是與現代化分析測試儀器配套之需，是試樣制備行業發展的必然趨勢。

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安碾糧（1970-），男，機械工程師。從事地質勘查、實驗室試樣加工相關設備與技術開發。