某自動填料裝置的結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)優(yōu)化研究

吳專，楊盼，王嘯，樂育生

（湖北省地質(zhì)勘查裝備中心，湖北 武漢 430034）

為實現(xiàn)對礦產(chǎn)資源精準、高效利用，必須對各種地質(zhì)礦床的成分、含量有清楚地了解。地質(zhì)礦產(chǎn)部門常采用光譜分析方法勘查地質(zhì)元素成分，在光譜分析時最為繁瑣的工序就是向碳棒電極內(nèi)填料，地質(zhì)樣品通過人工作業(yè)填充到電極內(nèi)，勞動強度大，生產(chǎn)效率低，樣品受污染風險大。某地質(zhì)裝備中心研制出一種自動填料裝置，可將混勻后的地質(zhì)樣品快速、自動地裝填至碳棒電極內(nèi) 。采用該裝置進行填料自動化程度高、操作便捷、環(huán)保清潔、效率高。本研究采用該自動填料裝置開展試驗，考察不同結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)對填料效果的影響，并提出優(yōu)化改進措施。

1 試驗裝置基本原理及特性

圖1為某地質(zhì)勘查裝備中心自主設(shè)計開發(fā)的自動填料儀機械結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上可分為五大部分：倒料組件、推棒組件、填料組件、取棒組件和除塵組件。

圖1 自動填料儀機械機構(gòu)

工作時將經(jīng)由振動攪拌儀混合好的物料整盤固定在電動旋轉(zhuǎn)平臺上，氣缸頂出坩堝，直線模組帶著夾爪夾取坩堝，退回到填料漏斗的正上方，回轉(zhuǎn)氣缸帶動夾爪旋轉(zhuǎn)180°，將物料倒入下方的填料組件漏斗內(nèi)。同時，推棒組件開始工作，由氣缸帶動電極料盒前后移動，料盒內(nèi)的電極落入滑道內(nèi)，直線模組帶動推桿前推，將電極推出固定長度，并抵在填料組件的漏斗孔內(nèi)。待倒料組件將料粉倒入漏斗，且推棒組件已經(jīng)將電極推入漏斗孔內(nèi)時，氣缸帶動填料桿做往復(fù)運動，將漏斗中的料粉通過擠壓填入電極孔內(nèi)，往復(fù)幾次之后，裝填完成，旋轉(zhuǎn)平臺帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，裝填好的電極進入下一工位，取料組件取走電極，整個過程采用氣壓清洗除塵，以此循環(huán)往復(fù)，其填料工序示意圖如圖2所示。

圖2 填料工序示意圖

2 填料桿設(shè)計

該自動填料儀的關(guān)鍵部位為填料漏斗和填料桿，填料漏斗見圖3。

圖3 填料漏斗

圖4 不同結(jié)構(gòu)填料桿的三維實體模型圖

漏斗本體內(nèi)底面開有集粉槽，集粉槽兩端向外開孔延伸分別形成電極孔和填料桿孔，電極孔內(nèi)設(shè)有電極定位結(jié)構(gòu)；填料時，礦粉倒入填料漏斗本體后落入集粉槽，電極凹槽端伸入漏斗電極孔內(nèi)并頂緊在定位結(jié)構(gòu)上，填料桿伸入填料桿孔后繼續(xù)前進，將集粉槽內(nèi)的礦粉填入電極凹槽端。因此，填料桿的設(shè)計必須與填料漏斗一致，既要使礦粉能夠順利被推入至碳棒電極內(nèi)，同時，也要保證填料效率。基于以上觀點，設(shè)計了圖4所示的橫截面積相同的圓柱型、方形、V型三種填料桿。

3 試驗方法

分別稱取0.1g干燥后的樣品和0.1g加有內(nèi)標元素Ge的緩沖劑加入坩堝中，將坩堝放置在光譜樣品振動攪拌機上進行攪拌，攪拌完成后的樣品連同坩堝整盤置于自動填料儀的電動旋轉(zhuǎn)平臺上，同時將碳棒裝入電極盒中，打開儀器開始填料，對填料完成后的碳棒進行填料效果測試，各項檢驗指標如下。

3.1 填充率

碳棒填充率是填料效果的直觀反映，試驗前稱取碳棒的質(zhì)量即為m1，待填料完成后再稱取碳棒的重量記為m2，采用公式（1）即可計算出樣品填充率。

3.2 填充緊實度

試驗中采用填充緊實度作為碳棒是否填充合格的檢驗依據(jù)。將填料完成后的碳棒放置于振動篩上，逐漸增大振動頻率，稱量各個碳棒脫落樣品的質(zhì)量，計算樣品脫落量，并進行比較，在相同振動頻率下脫落量越小，則表明填充緊實度越好。

3.3 樣品污染程度

碳棒裝填樣品間有無交叉污染也是試驗的一項重要檢驗指標。試驗時選用兩個坩堝，分別裝入土壤樣品和白鎢礦粉，待填料工作完成后，取碳棒內(nèi)填充料置于載玻片上平鋪制片，并在熒光顯微鏡下照射成像，采用Matlab軟件分析統(tǒng)計圖像中的熒光物質(zhì)百分含量，即為樣品污染程度。圖5所示為熒光顯微鏡下樣品不同污染程度的圖像。

圖5 樣品不同污染程度圖像

4 試驗結(jié)果

4.1 填料桿結(jié)構(gòu)對填料緊實度的影響

保持填料3次，在相同的吹掃工藝下，采用不同形狀的填料桿進行試驗，探索其結(jié)構(gòu)對填料緊實度的影響，并與人工填料的指標進行對比，試驗結(jié)果見圖6。

圖6表明，隨著振動篩頻率的增大，三種結(jié)構(gòu)填料桿下碳棒內(nèi)填充樣品的脫落量逐漸增大，但在相同振動頻率下，V型填料桿試驗后樣品脫落量最小，其次是圓柱型，最后是方形，說明填料后緊實度大小排序依次為V型>圓柱型>方形。同時，在試驗過程中，也可以發(fā)現(xiàn)圓柱型和方形結(jié)構(gòu)填料桿僅是平直地將集粉槽內(nèi)的礦粉推動到碳棒電極的凹槽端，但V型填料桿不僅可以平直推動礦粉，而且在每次裝填時還可以垂直切割樣粉，使其順利下落，可以有效地避免在裝填過程中樣粉由于自粘性不易下落，導(dǎo)致填料不滿、緊實度低的問題。此外，人工填料的填充緊實度僅在圓柱型和方形結(jié)構(gòu)的填料桿之間，遠達不到V型填料桿的填充緊實度，說明該裝置采用V型填料桿的填料效果要優(yōu)于人工填料。

圖6 填料桿結(jié)構(gòu)對填料緊實度的影響

4.2 填料次數(shù)對填充率的影響

使用V型填料桿，在吹掃工藝一致的情況下，改變填料次數(shù)進行試驗，并與人工填料進行比較，試驗結(jié)果見圖7。

圖7 填料次數(shù)對填充率的影響

圖7中結(jié)果表明，不管是人工填料，還是設(shè)備填料，填料次數(shù)越多，碳棒內(nèi)填充率越大，且在各填料次數(shù)下，填料裝置的填充率都要高于人工填料。人工填料時，填料次數(shù)小于4次時，填充率隨著填料次數(shù)的增大呈直線上升，增加填料次數(shù)為5次，填充率不再增大，最大填充率達74.9%。設(shè)備填料時，填料次數(shù)為2次時，碳棒內(nèi)填充率便可達74.7%，與人工填料的指標相近；填料次數(shù)為3次時，填充率繼續(xù)增加至79.8%；填料次數(shù)增加到4次或5次時，填充率不再增大，維持在80%左右。因而，與人工填料相比，采用該裝置填料時料粉利用率更好，效率更高。綜合考慮能耗和效率問題，該裝置工作時填料次數(shù)選取3次為最佳。

4.3 吹掃工藝對樣品污染程度的影響

在不同吹掃工藝（吹掃時間、吹掃壓力、吹掃次數(shù)）下，樣品污染程度試驗結(jié)果見圖8～10。

圖8 吹掃時間與樣品污染程度的關(guān)系

圖8表明，隨著吹掃時間的增加，樣品污染程度逐漸降低。當吹掃時間由0s增加至12s時，樣品的污染程度急劇下降，由20.4%降低至1.2%；但當吹掃時間由12s增加至16s時，樣品污染程度僅由1.2%降至0.8%，說明吹掃時間超過12s后，清洗效果提高幅度不大，綜合考慮清洗效果和能耗，吹掃時間選取為12s為宜。

圖9 吹掃壓力與樣品污染程度的關(guān)系

圖9表明，樣品污染程度與吹掃壓力關(guān)系密切，吹掃壓力越大，樣品的污染程度越小，但當壓力超過0.7MPa后，樣品污染程度并沒有明顯改善，故吹掃壓力定為0.7MPa為宜。

圖10 吹掃次數(shù)與樣品污染程度的關(guān)系

圖10表明，樣品污染程度隨吹掃次數(shù)的增多逐漸減小。不吹掃時，樣品污染程度高達34.2%，當吹掃一次后，污染程度立即大幅降至9.7%。說明吹掃能夠有效除塵，改善樣品污染程度。當吹掃次數(shù)為3次和4次時，樣品污染程度分別為0.7%和0.5%，兩者差異不大。因此，吹掃次數(shù)選3次最為高效節(jié)能。

5 結(jié)語

（1）相比于圓柱型和方形，V型為填料桿的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，采用V型結(jié)構(gòu)在裝填時可以切割礦粉，使其連續(xù)下落，從而提高填料緊實度，改善填料效率。

（2）采用該裝置填料3次后，碳棒內(nèi)填充率可以達到80%，而人工填料時，即使填料次數(shù)更多，填充率也僅能達到75%左右。

（3）吹掃工藝的最佳參數(shù)為吹掃時間12s，吹掃壓力0.7MPa，吹掃次數(shù)3次。該工藝下可使樣品污染程度降低1%以內(nèi)，能夠有效地避免樣品間交叉污染，保證樣品清潔。

（4）與人工填料相比，該裝置填料后各項指標更好，效果更優(yōu)。且操作簡便，高效節(jié)能，具有良好的經(jīng)濟效益和應(yīng)用前景。