地质试样制备自动化技术及其必要性分析

安碾粮　赵奎鹏（.西北有色地质勘查局七一二总队，陕西 咸阳 7000；. 陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 700）

地质试样制备自动化技术及其必要性分析

安碾粮1赵奎鹏2
（1.西北有色地质勘查局七一二总队，陕西 咸阳 712000；2. 陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021）

在系统调研国内外试样制备的现状的基础上，分析普遍存在的问题，通过采用机械化、自动化控制技术予以解决，结果表明：采用现代化自动控制技术进行试样制备，使试样加工质量得到有效保障，大幅提高了试样制备效率，改善了操作环境，提高了经济效益。

地质试样；制备；自动化技术；质量控制；生产效率

1 引言

地质勘查采集的原始样品必须经过破碎后，制备成符合化验室分析测试要求的样品，才能进行测试分析。岩矿试样的制备就是将地质勘查过程中采集的原始岩矿样品，通过破碎、缩分，制备成具有代表性的分析试样，制备的试样必须保证原始样品的物质组分及其含量不变，同时样品应均匀并且粒度值达到规定的目数，以便于分解。样品制备的质量将直接影响到地质找矿成果的质量和矿山开发工作的决策，由此可以看出试样制备的必要性和重要性，但在实际制备过程中，由于各种原因导致样品的制备不能完全满足行业规范要求。

本文将针对目前试样制备行业存在的普遍问题着手，从试样自动化制备技术的角度进行分析，如何解决存在问题，保证试样制备质量和提高制备效率的。

2 试样制备现状及存在问题分析

2.1 试样制备现状

地质试样加工的重要性不言而喻，但在试样制备过程中却存在很多问题，我们通过对国内各测试中心和化验室的调研发现：很多测试中心使用的是进口的智能化、自动化程度很高的分析测试仪器设备，但是试样加工手段却非常落后，使用的是上世纪60年代的产品，单机作业、人工操作环节很多，严重影响了分析试样的制备质量乃至整个分析成果的质量，造成实验室化验结果和实际勘查对象中矿物质含量存在一定的偏差。

2.2 存在的问题分析

由现状可以归纳分析主要有以下几个方面的因素影响到了试样分析的质量和破碎效率：

（1）加工的环节较多，各个环节基本都采用单机破碎作业，机械化程度不高，工人劳动强度大，导致人为影响加工质量的因素大幅增加，同时也大大降低了试样加工效率。

（2）人工清扫环节较多，由于操作人员的责任心以及片面追求效益等原因，往往清扫不到位造成试样交叉污染，样品制备质量难以保证。

（3）管理规范存在漏洞，忽视过程监管。试样加工过程中经常存在操作人员不按照规范执行，甚至不留粗付样（不愿意对粗副样进行加工），用分析付样代替粗付样等现象，导致内检失去了应有的意义。制备的样品同样难以保证质量。

（4）目前，原始样品加工过程中的缩分仍大量采用人工缩分，受人为因素影响较大。通常是根据切乔特（qeqoTT）经验公式Q=Kd2进行缩分。

式中：

Q―样品最低可靠重量（kg）；

d―样品中最大颗粒直径（mm）；

K―根据岩样品特性确定的缩分系数。

试样混匀常用的堆锥法、滚移法以及矿样进行缩分常用的堆锥四分法（四分法）、二分器法、方格法、割环法等均采用人工作业。以经验公式为理论依据，辅以大量的人工操作，而人工操作又具有很大的不确定性，例如为减少工作量，不遵循切乔特公式，留样量过少，或在样品粒度过大的情况下就进行缩分，这样制备的试样就失去了代表性。所以由以上两方面结合制备的试样的质量同样难以保证。

以上是当前各测试中心及化验室在试样制备过程中，影响试样制备质量及加工效率的一些主要问题。除此之外，设备陈旧，操作人员工作环境较差，粉尘污染较严重等问题也会直接或间接影响到试样制备的质量。

图1 工作结构原理图

3 试样制备自动化技术分析

目前国内一些企业经过多年的不懈努力，通过层层科研攻关，终于研制成功了技术先进，操作方便的试样制备自动化机组，很好的解决上述存在的绝大多数问题，同时也填补了国内空白，成为各测试中心和化验室的有力助手，现已开始被各测试中心使用。以机械化代替手工操作，以数字化、智能化的控制流程来代替充满不确定性的单机手工操作流程，极大的提高了试样制备效率和有效的保证了制样制备的质量，这是该机组的主要特色。

3.1 试样制备结构与原理

从技术的角度来剖析该试样制备机组是如何通过机械化、自动化控制技术来解决前述试样制备过程中存在问题的。

试样制备自动化机组结构工作原理图如图1所示。

3.2 试样制备的过程

通过科学的设计，将粗碎、上料送料装置、中碎、中细碎混匀缩分、出料等单机作业合理地组合在一起，减少了人工作业环节，大幅度提高加工效率，降低了劳动强度。

（1）接通电源，启动运行按钮后，机组就会自动按照设定的程序开始运行。操作人员将样品送入加料口，由双段颚式破碎机进行粗碎，通过监视器和声音判断破碎完成后按动上料按钮，料斗提升装置将样料送入顶部料仓，然后由电磁震荡送料机均匀的送入对辊破碎机破碎腔进行中碎。中碎后经摆式缩分，一部分样料进入弃料斗，另一部分进入盘式破碎机破碎腔，经中细碎后进入旋转式混匀缩分器进行混匀缩分。由监视器观察缩分完成后启动出料按钮，最后由出料小车将制备好的试样送出。

整个制备流程，操作人员只按运行、上料、出料三个按钮即可，大幅降低了劳动强度，提高了的制备效率。机械化、自动化的设计，也减少了大量的中间人工操作环节，消除了人为因素的影响，提高了样品制备的质量。

（2）自动化混匀缩分技术，完全排除经验公式和人工操作带来的不确定性。传统加工方式主要根据切乔特公式来确定最少的留样量，而新一代的自动化混匀缩分技术是依靠设备去完成试样的缩分，留样量一般足够，因此，切乔特（qeqoTT）经验公式已经没有多大存在的意义，用户也不用再去确定相应的K值，也舍去了粗加工后的混匀缩分步骤，参考图2。原本复杂、繁琐、充满不确定性的混匀缩分步骤，在强大的自动化技术面前，一切变得是这么简单。经过测量，采用的摆式缩分技术和旋转式缩分技术，完美的将缩分误差控制1.5%以内，并进行了充分的混匀，有力的保证了缩分质量，使制备的试样更具有代表性。

图2 试样制备流程图

（3）自动清扫技术、清扫闭锁控制技术，很好的实现了试样加工过程中的内部质量控制，防止混样、试样交叉污染。

每加工完一个样品，多台压风清扫风机按照一定的程序自动交替进行风力清扫，此过程也可手动完成，防止了样品的交叉污染，对于磨盘破碎机破碎腔的清扫，采用电机驱动自锁连杆机构进行控制。清扫时，圆盘端盖自动打开，清扫风机进行无死角残留试样的清扫。通过自动清扫技术，消除了人为因素的试样交叉污染。

清扫闭锁控制指每加工完一个试样后，如果清扫风机没有清扫，则在闭锁控制的作用下，料斗不能上升，下一个试样无法进入试样制备机组，有效防止了混样现象。

（4）数字化、智能化PLC控制技术的应用，简单易懂的人机交互操作界面，在大幅提升制备效率的同时，也使试样制备操作变得如此简单。

图3 PLC控制结构图

自动化试样制备机组采用了先进的可编程控制器PLC进行全程自动控制。PLC全称为可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统或者称为工业计算机，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程，其硬件结构基本与计算机相同。触摸屏、PLC控制结构图如图3所示。

操作人员通过触摸屏来对PLC输入相应的指令，就可轻松完成对设备的操作和工艺参数的调整。设备启动后，PLC根据设定好的程序及参数，控制机组各组成部分完成相应的操作，从而实现试样制备的自动化，从而省略了大量的人工操作，提升了加工效率，保证了加工质量。

（5）自动除尘技术的使用，净化了外部操作人员工作环境。如图4所示，该机组采用全封闭罩壳，使工作人员和尘源完全隔离，罩壳后部接强力引风机，试样加工过程中产生的粉尘直接从排尘口吸走，对于排出的粉尘可经过旋风式除尘器除尘、水雾除尘达到净化的目的。

全封闭罩壳的使用，不仅隔离了尘源，也对噪音也产生了相当程度的降低，减少了噪音对人体的危害。

（6） 采用现代监控技术来对制备过程的关键点进行重点监控。在试样制备流程的关键作业点，都装置有防尘摄像头，可使作业的全过程通过监视器清楚的反映在操作者的面前，有利于操作者快速发现加工过程中的异常状况。并通过CF卡同步完成样品各种参数的详细记录，完整的保留了操作信息，有利于检查、追溯样品加工的全过程。

以上为咸阳西北地勘机械有限公司开发的试样制备自动化机组采用的六大技术，因保密原因，对于各技术细节，不能进行过于详细的分析描述，请读者原谅。

图4 自动化试样制备机组

结论

通过机械化、自动化控制技术的应用，新的试样制备机组将比传统破碎方式取得如下的巨大优势：

（1）能很好地解决试样制备过程中存在的各种影响试样加工质量的缺陷，消除制备过程中人为因素的影响，使试样制备的质量得到了较好的控制，制备的试样更具有代表性。

（2）大幅提高试样制备效率，降低了工作人员劳动强度。制备过程一个人操作，原本3～4人的工作，一个人就可完成，每天可加工150～200个样品；工作人员只需将原始采集的试样送入进料口，启动相应的按钮即可，所有的中间环节将由设备自动完成，最后，经过破碎、混匀缩分后的试样由出料小车自动送出，省去了所有的中间人工劳动环节。

（3）防尘罩壳和配套除尘设备的使用，可以大幅度改善员工工作环境，降低了粉尘和噪音对人体的危害。

（4）提高了自动化试样制备质量：进料粒度为不大于100mm，出料粒度为20～120目，生产率为200kg/h，缩分范围为1/2～1/8（还可根据用户需要进行调整，加大缩分比例）。

综上所述，采用现代化自动控制技术进行试样制备，是保证样品制备质量、提高制备效率、降低工人劳动强度的重要手段，是与现代化分析测试仪器配套之需，是试样制备行业发展的必然趋势。

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安碾粮（1970-），男，机械工程师。从事地质勘查、实验室试样加工相关设备与技术开发。