Оборудование для анализа проб: от автоматизации отдельных операций до полной автоматизации всего процесса

Скэйдж Хем, инженер-химик, компания FLSmidth Automation
Ларс Бойсен, региональный менеджер по продажам, компания FLSmidth Automation

Быстрый рост производственной мощности многих горнодобывающих предприятий предъявляет повышенные требования к работе лабораторий, осуществляющих химические и физико-технические испытания проб полезных ископаемых и образцов полученной продукции. Автоматизация процессов в таких лабораториях — один из способов удовлетворить растущие потребности развивающегося производства, не жертвуя при этом качеством работы.

Компания FLSmidth Automation (Дания) поставляет комплектные системы автоматизации аналитических исследований для промышленных лабораторий, использующих различные виды оборудования и методы анализа. Преимущества автоматизированных лабораторных комплексов заключаются в значительном увеличении их производительности (количестве проб, обрабатываемых в единицу времени), снижении затрат на единицу выполненной работы (на одну пробу) и общего их объема, повышении качества отбора и подготовки проб, а также в увеличении скорости обработки информации, повышении уровня техники безопасности работ и охраны труда персонала.

Системы автоматизации отбора и анализа проб


В свете постоянно растущих требований к объему и качеству продукции горно-металлургических компаний перед лабораториями химических и физико-технических исследований проб (образцов) сырья и продукции горнодобывающих предприятий ставятся задачи по существенному увеличению производительности (числа обрабатываемых проб в единицу времени) при сохранении неизменно высокого качества получаемых результатов.

Разрешение этой проблемы возможно при использовании полностью автоматизированных лабораторий, позволяющих выполнять анализ проб с высокой скоростью и точностью при полностью автоматизированной регистрации результатов исследований, недостижимых при ручном (традиционном) методе их обработки.

Главные преимущества полностью автоматизированных лабораторий анализа проб и образцов заключаются в следующем:

- возможность быстрого увеличения количества проб, обрабатываемых в единицу времени (производительности анализа) и общего их объема без ущерба для качества результатов;

- снижение стоимости обработки каждой пробы;

- получение возможности более оперативного внесения корректировок в технические процессы производства продукции из-за сокращения времени на обработку и полный анализ проб;

- существенно улучшаются условия труда, устраняются риски травматизма и профзаболеваний персонала лаборатории.

Перед принятием решения об автоматизации аналитических лабораторий конкретного предприятия необходимо взвесить ряд факторов. И обычно первым рассматривают вопрос: какую выгоду можно получить, вложив определенные деньги в приобретение полностью автоматизированной лаборатории?

При ответе на этот вопрос в конечном итоге оцениваются объемы перерабатываемых проб, требуемый и достижимый уровень их качества и полные затраты на них, а также наличие на предприятии специалистов соответствующей квалификации. Динамичное развитие мировой горнодобывающей отрасли, обусловленное бурным ростом экономик многих стран и повышенным спросом на минерально-сырьевые ресурсы, ужесточает конкуренцию на мировых товарно-сырьевых рынках, повышая требования к качеству товарной продукции.

Это обстоятельство мотивирует многие компании к инвестированию в модернизацию и техническое переоснащение производственных процессов, в том числе и лабораторных исследований. Несомненно, стимулирующее влияние на модернизацию собственных аналитических лабораторий оказывает рост цен на услуги специализированных независимых лабораторий, к которым предприятиям приходится обращаться в связи с увеличивающейся потребностью обработки проб для получения аналитической информации. Эти факторы способствуют увеличению числа заводских (объектовых) лабораторий, которые могут выиграть от перехода на автоматизированную систему работы.

Как показывает практика нашей работы, если в лаборатории обрабатывается ежедневно не менее 200 проб, наступает момент, когда необходимо задуматься об ее автоматизации. Однако минимальное количество проб, при котором уже следует задуматься об автоматизации процесса их обработки - не единственный критерий, так как это колличество может варьироваться в зависимости от применяемых методов контроля качества продукции и региона расположения предприятия: ведь роль экономических и кадровых составляющих в оценке этого процесса еще никто не отменял.

Второй вопрос, на который необходимо получить четкий ответ при рассмотрении целесообразности коренной модернизации и переоснащении аналитической лаборатории, вплоть до уровня полностью автоматизированной: какие операции, отдельные
или группы в технологической цепи исследования проб нуждаются в автоматизации?

Опять же наш опыт свидетельствует, что традиционно «узким местом» в работе лабораторий является скорость движения и время на выполнение полного анализа пробы. Именно в этом система автоматизации способна сыграть решающую роль: решить вопросы собственно отбора проб, их доставки и подготовки к исследованиям. Наши заказчики обычно высказывают пожелание начать переоснащение лаборатории с наиболее критичных участков, постепенно расширяя круг охватываемых системой автоматизации операций.

Такой подход оправдан, если первоначально затруднительно установить и оценить необходимость автоматизации выполнения определенных операций и процессов технологии анализа проб. Поэтапный переход к автоматизированным процессам обработки и анализа проб позволяет, с одной стороны, персоналу лабораторий адаптироваться к изменениям и новым особенностям труда, с другой стороны, настроить систему на решение комплекса конкретных задач в автоматическом режиме.

Максимальная выгода, естественно, достигается при полностью автоматизированном процессе - от отбора проб до выдачи результатов их исследований: при этом получается значительный си-нергетический эффект, влияющий на основные производственно-экономические показатели.

Автоматизация операций - способ коренного улучшения работы лаборатории


Основные процессы технологии анализа проб, автоматизация которых может обеспечить наибольший эффект приведены в таблице.

Необходимо отметить, что автоматизация начальных стадий всего процесса в большей степени сказывается на качественных показателях, тогда как совершенствование завершающих стадий лабораторных исследований проб дает выигрыш в объеме работ, который может быть выполнен. Эти особенности связаны с характером ошибок, совершаемых персоналом на различных стадиях процесса отбора и исследований проб.

Так показатели воспроизводимости результатов очень низки при ручном отборе проб, более-менее нормальные - при подготовке образцов и вполне удовлетворительные - на стадии собственно анализа. Причина этого, отчасти, кроется в различной квалификации (и оплате труда) сотрудников, отвечающих за эти операции: обычно для отбора проб и их подготовки к исследованиям используются менее квалифицированные кадры, чем для проведения собственно исследования и окончательного анализа их результатов.

Другая причина кроется в высокой трудоемкости качественных ручных работ по отбору и подготовке образцов, в результате чего зачастую на многих предприятиях технология проведения этих операций анализа не соблюдается.

Некоторые особенности и элементы комплексных решений по автоматизации обработки проб

Комплексно автоматизированные лаборатории могут включать выполнение следующих операций: отбор проб из технологической цепочки; доставка их в лабораторию; сушка, подготовка образцов, исследование и выдача результатов полного анализа. Все эти стадии исследований объединяются в единую скоординированную систему.

Образцы породы из производственных, например , разведочных шурфов могут поступать в специальные устройства, которые в ковшах или лотках доставят их в лабораторию. Маркировка образцов может проводиться с помощью штрих-кодов или ЭМ-идентификации.

Весь процесс подготовки и анализа проб (образцов) управляется пакетом программного обеспечения системы QCX, взаимодействующим с системой LIMS и содержащем в себе некоторые функциональные элементы этой системы. Постоянно ведущиеся работы по совершенствованию пакета программ обеспечивают совместимость системы с различными типами оборудования и дают возможность ее дальнейшего развития. Систему можно последовательно приспосабливать для работы с новыми платформами программного обеспечения и видами оборудования, что является залогом ее эффективной работы в течение длительного времени.

На рис. 1 показан сенсорный экран монитора управляющей программы, позволяющей отслеживать состояние как всей системы, так и отдельных ее элементов. При нажатии на изображение каждого элемента или использовании кнопок меню, пользователь получает доступ к информации об этом элементе. Таким образом, легко можно управлять всей системой.

Система способна в автоматическом режиме выполнять функции входного и текущего контроля качества, причем встроенные в нее возможности отслеживания хода исследования каждого образца (пробы) делают эту работу значительно более эффективной. Полный технологический цикл исследований каждого образца обязательно фиксируется, поэтому любые несоответствия легко обнаруживаются, что почти полностью защищает от неквалифицирован" ных и ошибочных действий оператора.

Основой системы автоматизации лабораторий служат роботизированные ячейки. Они перемещают исследуемые образцы проб между элементами системы, обеспечивая строгое соблюдение течения технологического процесса. Ячейки управляются с помощью того же пакета программного обеспечения, что и элементы системы, поэтому их взаимодействие происходит легко и естественно.

В роботизированной лаборатории выполнение трудоемких работ, например, разделение (сокращение), взвешивание и дозирование исследуемого материала и добавок выполняются роботами. Проводимые после каждого исследования чистка и удаление пыли предохраняют от перекрестного загрязнения образцов в течение всего процесса, а автоматический делитель обеспечивает точную дозировку сокращенных проб.

Автоматическая система обработки проб, в свою очередь, позволяет исследовать крупные образцы проб, полученные, например, с участков дробления и размола руды. Выполнение всех этих операций вручную происходит очень медленно, и обычно сопряжено с повышенной опасностью для здоровья персонала. В случае установки полностью автоматизированной системы, руки человека не прикасаются к образцу (пробе) до момента его сдачи в архив.

На рис. 2 показана система, в которой роботизированные ячейки выполняют операции по дроблению, измельчению и взвешиванию образцов, а также по их дозированию для испытания на воспламеняемость и рентгеновских исследований (XRF). Отходы образцов, образующиеся при разделении и сокращении проб, упаковываются в мешки и остаются в резерве или используются как контрольный образец для проведения входного и текущего контроля качества выполненных исследований. Отдельно производится взвешивание сосудов с образцами для XRF или ICP -спектрометров.

Пробы доставляются в лотках по 50 шт. и промаркированными штрих-кодом. Перед отправкой проб на анализ робот производит сканирование, считывая штрих-коды образцов. После этого производится дробление ^ разделение ^ размол ^ дозирование материала проб. Остатки образцов собираются в мешки.

Производительность лаборатории - 36 проб в час.

Об устройстве и применении роботизированных ячеек


В некоторых случаях оптимальным решением представляется автоматизация лишь некоторых процессов исследования проб или только одной операции.

Например, можно автоматизировать только операции подготовки и обработки образцов, хотя автоматизации можно подвергнуть любую из операций технологической цепочки лабораторного исследования. Большая установка по подготовке образцов способна обрабатывать 36 образцов в час с помощью 2 дробилок и 6 мельниц. Она представляет собой хорошо зарекомендовавшее оборудование ESSA, управляемое пакетом программного обеспечения QCX, разработанным специалистами компании FLSmidth Automation. В установку включена входная станция подачи проб, где образцы взвешиваются, и данные о них регистрируются в системе. Затем они подаются на роторную лабораторную дробилку, где масса пробы разделяется (сокращается). Коэффициент сокращения определяется исходя из массы поступившего образца (пробы), обеспечивая подачу в мельницу строго необходимого количества материала.

Отобранный после сокращения образец взвешивается в чаше той мельницы, которая в данный момент свободна. После измельчения материала он попадает из чаши в станцию выдачи, а чаша подается в мойку, где ее обдувают кремнием для исключения перекрестного загрязнения последующих проб. Система обычно оснащается мельницами типа LM-2 или LM-5, хотя имеются и аналогичные системы с использованием мельницы Micron Mill, способной перерабатывать образцы массой до 10 кг. Мельницы большого объема идеально подходят для образцов, потенциально содержащих драгметаллы или кристаллы в форме самородка, что имеет место при работе с золотыми и платиновыми рудами.

Хорошим примером действия роботизированной ячейки служит плавильная установка ADFX-4 (рис. 4). В нее загружают небольшое количество руды в форме пульпы и получают расплав, пригодный для (XRF) исследований. В установку подается чаша, содержащая 20-40 г материала. Автомат отбирает точное количество руды и флюса LiTB/LiMB, помещая их в платиновый тигель. Затем тигель подается в одну из четырех печей, где шихта плавится в процессе вращения чаши. Получившийся робот разливает расплав в подогретую форму, после чего форму вместе с образцом охлаждают с помощью сжатого воздуха до температуры, пригодной для помещения образца в аппарат для XRF-исследований. После выгрузки расплава пробы платиновый тигель промывают в кислотной ванне с одновременной обработкой ультразвуком.

Одна установка ADFX-4 способна обрабатывать до 18 образцов в час. Для этого требуется быстрое дозирование материала поступивших образцов с выделением малообъемных проб (массой 0.7-1.5 г), что представляет собой определенные трудности. Высокая точность формирования этих проб достигается с помощью изменения количества отмеряемого флюса в зависимости от массы исходного материала, что позволяет сохранить коэффициент сокращения массы. Взвешивание, дозировка флюса, смешивание шихты и чистка тигля происходят в едином устройстве - аппарате DCF-800 производства Autec (см. рис. 4).

Вся роботизированная ячейка заключена в специально изготавливаемый вытяжной короб, занимающий очень небольшое пространство, если учесть количество выполняемых операций. Аналогичным образом имеет смысл автоматизировать исследования на воспламеняемость, а также исследования, связанные с гидролизом.

Сферы и масштабы распространения знаний и опыта компании FLSmidth Automation


FLSmidth Automation уже поставила свыше 100 автоматизированных лабораторий по всему миру, интегрировав многие из них в основные технологические процессы, существующие на производствах клиентов.

Лаборатории выполняют различные исследовательские задачи, работая с широким спектром исходных материалов. Самыми распространенными среди них - исследования с помощью рентге-но-флуоресцентного анализа, анализ размера частиц, анализ соотношения серы и углерода, рентгенография, анализ на воспламеняемость, а также и другие исследования, зависящие от сферы деятельности заказчика. При разработке решений для горно-обогатительных производств горнодобывающей отрасли, специалисты компании работают в тесном сотрудничестве с другими инженерными подразделениями FLSmidth. Это, безусловно, способствует обогащению специалистов знаниями и опытом, необходимыми для понимания потребностей широкого круга заказчиков и соответствующей адаптации продукции компании.

Использование труда квалифицированных инженерных кадров и четкое руководство компанией позволяют успешно реализовьГ вать проекты, которыми компания по праву гордится. Основную задачу FLSmidth Automation видит в обеспечении надежности, своевременности выполнения обязательств в соответствии с жестким графиком, обычно устанавливаемым заказчиком. Полученные компанией сертификаты ISO 9001-2000 свидетельствуют о большом внимании, уделяемом вопросам качества.

Приверженность строгим принципам контроля качества и тщательного предварительного тестирования оборудования позволяет пользоваться заслуженным и неизменным доверием клиентов к специалистам и компании в целом по всему миру.

Журнал "Горная Промышленность" №2 2008, стр.56