火试金自动化检测系统的研制及应用

郝明阳,陈永红,芦新根,韩冰冰,赵可迪

(1.长春黄金研究院有限公司; 2.国家金银及制品质量检验检测中心(长春))

引 言

火试金分析方法是国内外黄金行业金、银分析及贸易仲裁的主要检测方法。目前,大部分实验室采用传统的人工逐个样品检测模式,包括配料、混料、装炉、出炉、灰吹、分金及称量等步骤,个别实验室采用半机械辅助的批量操作方式。传统方式配料过程中检测人员会接触大量的试剂粉尘;熔样、灰吹过程面临高温、有毒烟气;整个分析过程劳动强度大、检测效率低、职业健康安全风险高;检测流程复杂繁琐,检测数据准确度及稳定性易受人员主观因素影响[1-4]。

为了改变目前行业现状,推进火试金分析行业向自动化、智能化方向发展,本研究将火试金检测工艺与机器人、智能输送线、智能图像识别等技术相结合,配合自主研发的超高温工况稳定装出炉技术,以及批量自动分金技术,开发了全流程火试金自动化检测系统,实现包含配料、混料、熔融、灰吹及分金一系列火试金关键工艺步骤的自动化检测模式[5-7]。

火试金自动化检测系统运行期间,检测效率提高了167百分点以上,通过机械臂代替操作员在炉前作业,使操作员与高温辐射、有毒烟气和粉尘相隔离,极大程度地提高了职业健康安全水平,同时大幅度降低了劳动强度。

1 火试金自动化检测系统设计

1.1 设备总体布局及运行模式设计

火试金自动化检测系统分为5个子系统,分别为自动化配料系统、自动化混料添加系统、自动化熔样系统、自动化灰吹系统及自动化分金系统,对应配料、混料、熔融、灰吹及分金5个分析步骤。火试金自动化检测系统设备布局如图1所示。

图1 火试金自动化检测系统设备布局示意图Fig.1 Layout illustration of automated detection system for fire assay

场地由安全隔断分割成人员操作区及机械臂操作区。机械臂操作区的六轴机械臂及相关滑台负责熔融及灰吹工艺的批量装炉、出炉、灰皿转移等操作。机械臂替代人员在炉前进行作业,人员只需在隔断后方做辅助操作,包括确认配料信息、下达指令、简单人工干预等。同时,通过人员操作区的负压式排风功能,防止有毒烟气从机械臂操作区向人员操作区方向逸出。相关设备均设置了排风功能,且自动操作过程不与人员发生接触,从根源上杜绝了有毒烟气、粉尘及高温辐射对人员的伤害。

整套系统的两条生产线交替式运行,每条生产线可装载40个样品,且坩埚可重复使用。由上位机自主调配各动作模块进行协同操作,最大化提高检测效率及设备利用率,并对人员到位机制,急停、缓停措施,检修介入机制,语音提示播报等生产相关环节进行了全面考量和功能设置。在上位机录入配料方法,利用机械臂模拟真人操作手法,通过电炉温控PLC编辑曲线加热程序,使检测操作标准化且可追溯。系统前后端可对接LIMS实验室管理系统,自动接收样品信息,并传回检测工艺相关信息,自动生成检测记录,实现火试金工艺流程的高效检测。

1.2 自动化配料系统

自动化配料系统如图2所示。自动化配料系统实现了自动接收及传输样品信息、自主生成配料方案、转移坩埚、自动称量、转换托盘、对接后端自动化混料系统等一系列自动化操作。称量工位有7个给料装置,分别对应碳酸钠、硼砂、氧化铅、硝酸钾、面粉、二氧化硅及玻璃粉7种配料试剂。通过自研的投料结构进行投料、称量模块进行称量。除样品为人工称量外,其余试剂均可自动称量。

图2 自动化配料系统示意图Fig.2 Illustration of automated batching system

自动化配料系统功能全面,智能化程度较高。其与LIMS实验室管理系统对接,自动接收样品信息,并通过配料算法自主生成配料方案进行自动配料。该系统后端对接自动化混料添加系统,样品传递无需人员干预。

1.3 自动化混料添加系统

自动化混料添加系统如图3所示,其包括上料单元、混料单元、试剂添加单元、待装炉单元等结构。通过可自动上下料的翻转式批量坩埚混匀技术,搭配自研的硝酸银及覆盖剂自动添加结构,实现批量混料。该系统前端与自动化配料系统对接,后端对接自动化熔样系统。

图3 自动化混料添加系统示意图Fig.3 Illustration of automated mixing and addition system

1.4 自动化熔样系统

自动化熔样系统如图4所示。通过编程示教,将机械臂执行动作与人工火试金操作手法相融合,利用上位机及PLC远程控制电炉炉门的自动开关,运用滑台控制样品在高温区与人员操作区之间的传递,并搭载自主研发的高温工况稳定装出炉技术,实现1 200 ℃工况下批量坩埚的稳定装炉、出炉、倾倒及回收等一系列自动化操作。

图4 自动化熔样系统示意图Fig.4 Illustration of automated sample smelting system

1.5 自动化灰吹系统

自动化灰吹系统如图5所示。机械臂利用非标夹具实现整批灰皿的转移。自研多组控制、多道进气式自动灰吹电炉,大幅提高炉内温度均匀性及进气均匀性,保障检测结果的可靠性。该系统可远程自动切换控温模式,远程开关炉门,远程启停进气设备。该电炉具备高温视觉传感器,定时获取灰吹画面,搭载自研灰吹终点智能识别算法,可自主判别灰吹终点,实现火试金灰吹工艺的智能化检测。

图5 自动化灰吹系统示意图Fig.5 Illustration of automated cupellation system

1.6 自动化分金系统

自动化分金系统如图6所示,其由上下料工位、自动加液工位、加热及退火工位组成。该系统搭配多线程调度算法,具有多通道加酸功能、储液桶液位检测功能及电炉快速冷却降温功能等人性化功能,同时加入了防酸气腐蚀设计,延长了各元件使用寿命。改变原人工分金操作方式,合粒通过自动加酸加热、换酸、清洗、烘干、退火一系列自动化操作转化为可直接称量的金粒。人工称量金粒,并通过LIMS实验室管理系统生成电子记录单,结束火试金检测流程。

图6 自动化分金系统示意图Fig.6 Illustration of automated gold separation system

2 工业应用

本套系统投产前进行了大量的实验验证,考察设备的稳定性。目前,已投产运行近两年,经过不断优化,系统的稳定性、数据的精密度和准确度均达到了预期要求。

2.1 方法的精密度

采用不同品位、不同基体的金矿石金成分分析标准物质(GBW(E) 070138)、金精矿金成分分析标准物质(GBW(E) 070141、GBW(E) 070142、GBW(E) 070143、GBW(E) 070273)、金精矿银成分分析标准物质(GBW(E) 070293、GBW(E) 070294)进行精密度实验,每种样品测定10次,结果取平均值(如表1所示)。

表1 方法的精密度实验结果Table 1 Method precision test results

由表1可知,火试金自动化检测系统测定结果在标准样品标值范围之内,且测定结果相对标准偏差较小,表明精密度良好。

2.2 方法对比

采用火试金人工方式与火试金自动化检测系统分别对不同品位、不同基体的金矿石金成分分析标准物质(GBW(E) 070138)、金精矿金成分分析标准物质(GBW(E) 070141、GBW(E) 070142、GBW(E) 070273)、金精矿银成分分析标准物质(GBW(E) 070293)进行检测,每种样品测定6次,结果如表2所示。

表2 火试金自动化检测系统实验结果对比Table 2 Comparison of the test results of automated detection system for fire assay

由表2可知,火试金自动化检测系统与人工检测结果无明显差异,表明准确度良好。

2.3 应用效果

火试金自动化检测系统已成功应用于生产近两年,报出数据2万余个,与人员手动操作测定结果无明显差异。投产应用现场如图7所示。火试金自动化检测系统的研发实现了提高检测效率及一改善三降低。

图7 火试金自动化检测系统投产应用现场Fig.7 On-site application of the automated detection system for fire assay

1)提高检测效率。将人工逐个样品检测模式改为带有智能控制的机械化批量样品检测模式。以1个标准工作日(8 h)为例,传统8人的工作量,使用火试金自动化检测系统最多只需3人便可完成,检测效率提高了167百分点以上。

2)一改善三降低。火试金自动化检测系统的研制及应用,改善了人员的作业环境,降低了人员的劳动强度、职业安全健康风险及检测结果受人员主观因素的影响程度,实现了一改善三降低,解决了火试金分析行业多年以来的共性痛点问题。

3 结 论

1)整套系统的结构设计合理稳定,软件功能流畅全面,双生产线节点设置妥当合理,检测结果准确可靠,为包含配料、混料、熔样、灰吹及分金工艺的全流程火试金自动化检测系统。

2)与传统火试金操作方法比较,自动化系统检测效率提高了167百分点以上,且大幅降低了劳动强度,避免了作业人员与高温辐射、有毒烟气及粉尘直接接触,极大程度地提高了职业健康安全。

3)随着机器人、大数据、物联网技术的快速发展,通过机器人、传感技术、物联网技术、智能算法、网络集成技术替代人的“手、脚、眼、脑”在众多领域已成为现实。矿产检测行业未来必然向自动化、智能化、在线检测等方向发展,真正解决行业的短板,推动矿产行业全产业链的自动化、智能化、无人化。