荊正平 王錳

（武昆股份制造管理部）

1 前言

隨著鋼鐵行業(yè)智能化、自動化設(shè)備的不斷發(fā)展，對于塊礦物料的取樣乃至制樣等檢測過程的技術(shù)也逐漸趨于成熟，在國內(nèi)已有成功應(yīng)用的案例。機(jī)械取樣技術(shù)雖已在昆鋼公司內(nèi)部使用多年，但對于塊狀物料的取樣乃至自動化控制進(jìn)行塊狀物料粒級組成篩分和其它在線試驗(yàn)技術(shù)一直未有實(shí)施。長期以來仍采用人工取樣，勞動強(qiáng)度大，取樣代表性不強(qiáng)問題日益突出。

2 調(diào)研與分析

（1）目前新區(qū)進(jìn)廠的焦炭均為汽車運(yùn)輸，驗(yàn)收卸貨的方式有兩種：一種是直接落地卸貨，此方式由于汽車落地卸貨的地點(diǎn)存在不確定性，故在此情況下不具備自動取樣條件，還將繼續(xù)采用人工取樣來完成樣品采集，樣品采集完成后后續(xù)檢驗(yàn)項目采用機(jī)械自動檢測方式；第二種汽車卸料到汽車受料倉后通過皮帶運(yùn)輸?shù)礁郀t焦炭倉，經(jīng)現(xiàn)場查看皮帶走向，在受料倉下皮帶運(yùn)輸端部具備自動取樣條件，自動取樣完成后再自動進(jìn)行后續(xù)檢驗(yàn)檢測。

（2）預(yù)建設(shè)的焦炭自動取制樣設(shè)備是在一處空地處，沒有房屋建筑可以搭接，故需考慮房屋基礎(chǔ)設(shè)施。同時此處也需新建一個新的汽車受料倉用于皮帶運(yùn)輸焦炭至高爐。另涉及自動取樣部分功能需搭建于新汽車受料倉皮帶運(yùn)輸某個部位，與煉鐵廠溝通、查閱受料倉的具體位置、尺寸、皮帶走向、與已有皮帶搭接方式等設(shè)計資料。確定自動取樣機(jī)與受料倉運(yùn)輸皮帶的搭接位置：位于新建受料倉運(yùn)輸皮帶和老皮帶搭接處配置自動取樣裝置。該位置位于皮帶端部，可實(shí)現(xiàn)皮帶運(yùn)輸焦炭端部取樣功能，這種方式所取樣品代表性優(yōu)于皮帶中部的位置。

（3）考慮所有功能需實(shí)現(xiàn)全自動完成，在樣品取出來之后所有檢驗(yàn)過程均需做好相關(guān)銜接功能，由于車輛卸貨是逐車進(jìn)行，整個取樣過程也是逐車取樣，取樣時間較長，故后續(xù)檢驗(yàn)設(shè)備如和取樣設(shè)備同時開啟運(yùn)行則需運(yùn)行時間較長，勢必造成一定量的電力資源浪費(fèi)和設(shè)備磨損。為解決此問題，在整個檢驗(yàn)流程中設(shè)計了一個樣品暫存?zhèn)}，用于所取樣品暫時存放，在該批次車輛取樣完成后，再進(jìn)行后續(xù)檢驗(yàn)流程。

（4）通過以上實(shí)地調(diào)研及分析，考慮當(dāng)運(yùn)輸車輛進(jìn)廠后，直接卸貨到受料倉，在受料倉下皮帶運(yùn)輸端部配置相關(guān)設(shè)施，以實(shí)現(xiàn)全自動取樣制樣流程。設(shè)計流程見圖1。

圖1 在受料倉處配置皮帶自動取制樣裝置

3 研制思路

3.1 確定取樣方式

皮帶取樣根據(jù)取樣位置可分為中部和端部。而從現(xiàn)場條件來看，建設(shè)皮帶端部采樣機(jī)具有位置條件。全斷面端部采樣技術(shù)有皮帶正面取樣和側(cè)面取樣兩種方式，對比三種取樣位置取樣代表性和效果的優(yōu)劣，見表1，為更好體現(xiàn)取樣代表性，確定最終取樣方式為側(cè)面，見圖2。

表1 三種取樣位置對比

圖2 皮帶端部側(cè)面自動取制樣裝置

3.2 確定合適的取樣位置和取樣頭寬度

焦炭落在皮帶上之后，經(jīng)過皮帶不斷震動傳輸，小顆粒焦炭勢必會越來越貼近皮帶運(yùn)輸表面，大顆粒焦炭在上，小顆粒焦炭在下的情況，當(dāng)運(yùn)輸?shù)狡Ф瞬繒r，皮帶上運(yùn)輸焦炭跌落時將會呈現(xiàn)拋物線形狀的狀態(tài)，且大顆粒焦炭在遠(yuǎn)離皮帶一側(cè)，小顆粒焦炭（包含焦末）將會出現(xiàn)在貼近皮帶一側(cè)，如圖3 所示。

圖3 不同粒度焦炭從皮帶跌落示意

同時以皮帶端部軸線為中心線，越往下物料跌落所形成的拋物面越寬，想要截取全斷面物料就需要更寬的取樣頭，由于卸料倉下料口大小固定，皮帶運(yùn)輸速度固定，物料在皮帶表面堆砌的高度將會一定，因此皮帶端部焦炭自由跌落時的拋物面寬度在一定高度時將會固定。

皮帶運(yùn)輸過程中，通過圖所示“3 皮帶端部”位置進(jìn)行取樣，則取樣頭所處高度的選擇非常重要。為保證運(yùn)輸皮帶的正常運(yùn)行，皮帶取樣過程中取樣頭不能影響皮帶運(yùn)行為基本原則，以皮帶端部轉(zhuǎn)動軸軸心線為水平線，取樣頭深入位置高于水平線位置，則取樣過程中貼近皮帶位置的物料將不能被取到，同時由于物料跌落過程中對取樣頭產(chǎn)生較大沖擊力，取樣位置若置于水平線以上，則很可能對皮帶造成傷害。因此合理的取樣位置應(yīng)置于水平線以下，這樣不僅可以避免取樣頭在沖擊力作用下對皮帶的傷害，同時還能取到貼近皮帶的位置，保證了取樣的代表性，通過實(shí)際觀查和測量，水平線下貼近水平線位置為最佳取樣位置，此時只需測量物料形成拋物面的寬度，即可滿足既不對皮帶造成傷害，貼近皮帶位置的小顆粒焦炭可以取到，同時物料跌落對取樣頭產(chǎn)生的沖力相對較小。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際測量，皮帶運(yùn)輸物料過程中此位置物料跌落形成的拋物面寬度基本為400 mm，因此決定取樣頭的寬度為400 mm。

3.3 全流程設(shè)備搭接

皮帶運(yùn)輸位置和皮帶取樣位置、方式確定了以后，需要確定后續(xù)檢測設(shè)備的擺放位置和搭接方式。經(jīng)過多次現(xiàn)場勘查和交流探討，最終確定的設(shè)備搭接方式如圖4 所示，可以滿足所取樣品后續(xù)的檢驗(yàn)要求。

包含的主要設(shè)備清單見表2。

表2 焦炭皮帶自動取制樣裝置配置清單

4 取樣合規(guī)性確認(rèn)

4.1 確定取樣量

在確定了料倉暫存功能后，對于暫存?zhèn)}的大小（可存儲多少樣品）需要通過計算獲得。根據(jù)GB/T 1997-2008《焦炭試樣的采取和制備》[1]及KGG73G006《崗位規(guī)程（生產(chǎn)方）》(原材料檢驗(yàn)取樣轉(zhuǎn)樣篇)第1 版[3]相關(guān)要求，焦炭各類樣品樣品量如下：

①用于熱態(tài)、冷態(tài)檢測的樣品量應(yīng)≥80 kg；

②用于水分、成分樣和粒度檢測的樣品量應(yīng)≥100 kg；

③結(jié)合前兩條用于焦炭所有檢測項目樣品總量應(yīng)≥180 kg；

④冷態(tài)檢測樣品量要求50 kg，同時粒度必須＞60 mm，通過對四月進(jìn)廠的6 種焦炭計算了焦炭中＞60 mm 部分占比，以確保取樣量通過篩分之后滿足冷態(tài)轉(zhuǎn)鼓配鼓的要求，見表3。

表3 四月進(jìn)廠的6 種焦炭粒級占比

通過表3 可以看出，按＞60 mm 部分占比即為≥80 mm 和-80+60 mm 部分之和最小值為25.03 %。因此為保證最終所取樣品＞60 mm 部分能滿足50 kg，則所取樣品量應(yīng)大于50 kg/25.03%=199.76 kg。

綜合以上4 組條件，所取焦炭樣品如要滿足所有檢測項目，則最小取樣量應(yīng)大于199.76 kg。因焦炭密度為500 kg/m3。設(shè)樣品暫存?zhèn)}的容積為x，則x=（199.76 kg/500 kg/m3）=0.40 m3。故暫存?zhèn)}的容積須≥0.40 m3才能滿足樣品量的需求。這一數(shù)據(jù)是滿足基本條件時的容積，為確保所取樣品可滿足要求，在發(fā)生極端情況也能滿足樣品量，將暫存?zhèn)}容積設(shè)定為0.60 m3，此時樣品量可達(dá)到0.6 m3×500 kg/m3=300 kg。

通過大量的試驗(yàn)，最終取樣量定為約260 kg即可滿足各種樣品總的樣品量需求，同時對整個流程中的三個二分器進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證每個檢測項目的最終樣品量滿足要求，最終各個環(huán)節(jié)的樣品量如表4 所示：

表4 各檢驗(yàn)環(huán)節(jié)所需樣品量

4.2 確定取樣頻次

在總的取樣量260 kg 確定之后，需進(jìn)一步確定取樣頻次，保證所取樣品總量滿足要求，同時具有良好的取樣代表性。實(shí)際當(dāng)中進(jìn)廠新區(qū)的焦炭品種較多，最多時每天在5-6 個品種，每個品種的車輛會安排在拉運(yùn)車輛到齊后統(tǒng)一卸車。（少數(shù)情況下當(dāng)同一品種同一天進(jìn)廠量較大時，可能會分兩批次進(jìn)行集中卸車。）

進(jìn)廠車型分為平板車和自卸車，由于兩種車型卸貨方式及裝運(yùn)重量不同而導(dǎo)致最終的卸貨時間不同，經(jīng)過現(xiàn)場計時，平板車平均卸車時間為15 分鐘/車，自卸車平均卸車時間為5 分鐘/車。

平板車小時卸貨量為：60 分鐘/10（分鐘/車）×40（噸/車）=240 噸。

集裝箱車小時卸貨量為：60 分鐘/4（分鐘/車）×22（噸/車）=330 噸。

焦炭料倉及倉下皮帶設(shè)計運(yùn)輸量為250 t/h（即4.17 t/min），不管是哪種車型，每小時卸料量均可基本滿足或滿足有余，因此可基本保證倉下皮帶運(yùn)輸過程中有物料，只要采用隨機(jī)取樣方式，在一定時間運(yùn)輸時間內(nèi)取一定的次數(shù)，即可滿足總的取樣量。

那么當(dāng)進(jìn)廠車數(shù)一定時，卸車總時長就已確定。同時總的取樣量已定、取樣頭大小已定即每次取樣量已定，那么要在固定卸車總時長內(nèi)取夠總的取樣量，取樣次數(shù)就可以確定：

取樣次數(shù)=取樣總量/取樣頭單次取樣量；

兩次取樣動作之間時間間隔=倉下皮帶運(yùn)送總時長/（取樣次數(shù)-1）；

通過以上分析，則兩次取樣動作之間的時間間隔（x）計算方法具體如下：x=進(jìn)廠總量/（取樣總量/取樣頭單次取樣量-1），分鐘。

5 比對結(jié)果

焦炭皮帶自動取制樣裝置基本建設(shè)完成后，開展了機(jī)械與人工所取樣品結(jié)果比對工作。對同一批樣品同時進(jìn)行機(jī)械取樣和人工取樣的平行試驗(yàn)，對比兩種方式的關(guān)鍵指標(biāo)，包括冷態(tài)、熱態(tài)、焦末、水分結(jié)果，以確保機(jī)械所取樣品代表性滿足要求。對2021 年4 月進(jìn)廠的三種焦炭進(jìn)行了比對試驗(yàn)，對比結(jié)果見表5～表7：

表5 第1 組試驗(yàn)三批本部干熄焦

表6 第2 組試驗(yàn)三批師宗焦

表7 第3 組試驗(yàn)三批外購焦

開展的三組試驗(yàn)當(dāng)中，既有昆鋼的自產(chǎn)焦，又有外購焦；既有干熄焦，又有水熄焦；既有頂裝焦、又有搗鼓焦?？梢哉f本次所對比的焦炭品種覆蓋了昆鋼新區(qū)目前所有中類的焦炭，其對比意義具有很強(qiáng)的代表性。

從表5～表7 可以看出，對于進(jìn)廠焦炭所關(guān)注的多個指標(biāo)，通過機(jī)械取樣和人工取樣后開展的各種試驗(yàn)結(jié)果的偏差均在國標(biāo)允許范圍以內(nèi)，說明機(jī)械取樣和人工取樣的試驗(yàn)結(jié)果之間只存在系統(tǒng)性偏差，不存在取樣方式帶來的誤差。

同時，通過以上數(shù)據(jù)我們可以發(fā)現(xiàn)：

（1）機(jī)械取樣和人工取樣的冷態(tài)結(jié)果和熱態(tài)結(jié)果無單向偏差，偏差值有正有負(fù)，說明機(jī)械取樣和人工取樣帶來的是系統(tǒng)偏差，是合理的。

（2）但對于焦末和水分結(jié)果來看，雖然其偏差結(jié)果在允差范圍內(nèi)，但對比結(jié)果存在明顯的單向偏差。為此，通過對比結(jié)果分析，探究了為什么機(jī)械取樣的焦末和水分比人工取樣的結(jié)果偏高。

①焦末結(jié)果偏高的同時水分結(jié)果也偏高，這一趨勢是符合焦炭物理特性的。通常來說，焦末吸水量較塊狀焦炭多，因此焦末高則水分高是合理的。

②機(jī)械取樣的焦末含量比人工取樣的高。通過對比人工取樣方式和機(jī)械取樣方式即可發(fā)現(xiàn)這一過程是可以理解的。焦炭取樣過程上描述，人工取樣時應(yīng)扒去附著在焦炭表面的焦末，再進(jìn)行人工取樣；而全斷面端部取樣機(jī)在取樣時截取的是皮帶的全截面，沒有人為去掉焦炭表面附著焦末的動作，故其采取樣品的焦末含量高于人工所取樣品，是正常的。

（3）通過以上對比和分析，可以得出以下結(jié)論：

①機(jī)械取樣的試驗(yàn)結(jié)果和人工取樣試驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差，但此偏差屬于系統(tǒng)性偏差，和取樣方式?jīng)]有關(guān)系。

②機(jī)械取樣的焦末和水分要略高于人工取樣，其結(jié)果也屬正常范圍，更可以說明機(jī)械取樣的代表性比人工取樣更好，更切合焦炭實(shí)物的實(shí)際狀態(tài)。

6 成果與創(chuàng)新

6.1 實(shí)施成果

（1）真正實(shí)現(xiàn)塊狀物料全斷面取樣，取樣代表性符合實(shí)物真實(shí)情況。本次全自動取樣位置定于皮帶端部，并從皮帶側(cè)面進(jìn)入采樣，物料從皮帶運(yùn)輸自然下落過程中形成的物料全斷面所有位置均可成功取到，包括位于皮帶表面上的小粒度焦炭，所取樣品客觀真實(shí)地反應(yīng)了物料應(yīng)有狀態(tài)。

（2）實(shí)現(xiàn)了塊狀物料自動取樣問題。新區(qū)從建廠開始，進(jìn)廠焦炭一直采用人工取樣，勞動強(qiáng)度大，取樣代表性不強(qiáng)，同時人工取樣管控困難，存在較大廉潔風(fēng)險。機(jī)械自動取樣替代人工取樣，很好地解決了人工取樣存在的問題。

（3）焦炭粒級組成是焦炭檢驗(yàn)主要指標(biāo)之一，焦炭皮帶自動取制樣裝置的實(shí)施，成功實(shí)現(xiàn)焦炭粒度的自動檢測。實(shí)現(xiàn)自動取樣后，取樣代表性增強(qiáng)，在取樣完成后，首先稱量樣品總重，焦炭5級粒度情況，通過震動給料機(jī)緩慢給料，逐級篩分，實(shí)現(xiàn)了焦炭粒級組成的自動篩分、自動稱量、自動計算各粒級占比。

（4）在焦炭粒級篩分完成之后，按＞80 mm和60 mm-80 mm 部分實(shí)際重量比例進(jìn)行冷態(tài)轉(zhuǎn)鼓試樣配鼓。配鼓樣品粒度經(jīng)自動篩分后滿足試驗(yàn)要求，同時配鼓比例滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，配鼓重量可進(jìn)行配置，經(jīng)過不斷的摸索試驗(yàn)，最終設(shè)定機(jī)械自動配鼓冷態(tài)試樣55 kg，滿足國標(biāo)要求50 kg。

（5）實(shí)現(xiàn)了棄料自動收集，集中處理。在機(jī)械篩篩分完成后，分別稱量并計算焦炭各粒度重量級粒度組成，完成冷態(tài)試樣配鼓后，剩余物料由設(shè)備通過皮帶運(yùn)輸?shù)焦潭ㄎ恢?，集中擺放集中處理，減少了人工搬運(yùn)物料帶來的勞動強(qiáng)度。

（6）通過三級二分裝置，自動同時完成焦炭粒度篩分樣品、成分水分樣品、焦炭熱態(tài)試驗(yàn)樣品、焦炭備用樣品的自動分取，全過程無需人工干預(yù)自動完成，且各種試樣比例合適，各種試驗(yàn)樣品占比見表8。

表8 各種試驗(yàn)樣品占比

（7）高清數(shù)字式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對取制樣全過程、關(guān)鍵點(diǎn)的無死角全覆蓋實(shí)時監(jiān)控和記錄，即可對整個取制樣過程進(jìn)行還原，也可通過視頻查看整個過程是否存在人為干預(yù)的影響，增加了廉潔風(fēng)險防控手段。

6.2 技術(shù)創(chuàng)新

機(jī)械取樣技術(shù)雖已在昆鋼公司內(nèi)部使用多年，但對于塊狀物料的取樣乃至自動化控制進(jìn)行塊狀物料粒級組成篩分和其它在線試驗(yàn)技術(shù)一直未有實(shí)施。在原燃料進(jìn)廠檢驗(yàn)環(huán)節(jié)自動化技術(shù)不斷發(fā)展的前提下，開展塊狀物料自動化流程，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況結(jié)合功能需求進(jìn)行了不斷完善，最終完成了初設(shè)全部功能，在實(shí)施過程中產(chǎn)生的創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）改進(jìn)了塊狀物料皮帶取樣方式，對原來已有的皮帶中部采樣技術(shù)進(jìn)行了研究分析，對比端部取樣效果。最終采用端部方式替代中部取樣方式，對于塊狀物料，取樣代表性大幅增強(qiáng)。

（2）結(jié)合現(xiàn)場條件，對原設(shè)計的皮帶正前方端部取樣方式進(jìn)行改進(jìn)，采用皮帶端部側(cè)方位全斷面取樣替代皮帶端部正前方位置的取樣，取樣代表性滿足要求，同時取樣設(shè)備占地面積小，不影響皮帶正常運(yùn)行和檢修。

（3）真正意義上實(shí)現(xiàn)了塊狀物料從取樣、制樣、粒級在線檢測、試驗(yàn)樣品自動選取、自動配比、自動棄料的全套功能，在昆鋼塊狀物料全自動取制樣技術(shù)方面取得巨大進(jìn)步。

（4）由于皮帶取樣位置和制樣位置垂直高度相差較大，而所取樣品需通過皮帶運(yùn)輸。為了防止所取樣品在提升運(yùn)輸過程中滑落的問題，采用槽型皮帶替代傳統(tǒng)皮帶，實(shí)現(xiàn)了接近30°傾角皮帶運(yùn)輸塊狀物料而沒有出現(xiàn)物料回撒情況。

（5）實(shí)現(xiàn)了焦炭五級粒級組成自動在線檢測、焦炭冷態(tài)試驗(yàn)樣品自動配鼓、熱態(tài)樣品自動分取、水分樣品自動分取等全自動功能，徹底取消了人工參與檢驗(yàn)過程的歷史，大幅增強(qiáng)檢測結(jié)果的客觀公正性。

7 結(jié)論

（1）塊狀物料全自動取制樣一直以來都是檢驗(yàn)環(huán)節(jié)的難題，特別是取樣代表性問題，采用汽車采樣機(jī)等設(shè)備采取樣品時會對物料原始形狀進(jìn)行破壞，同時各種粒級樣品無法保證均勻采取，從而所取樣品代表性不足。目前來說唯一可行方法為皮帶取樣，而皮帶取樣最好的方式是端部截取樣品，這樣樣品采取時取樣裝置不會對焦炭外形影響，而且塊狀物料各粒級均可均勻取到，其代表性具有真實(shí)性。取樣總樣量＞260 kg，可同時滿足多種試驗(yàn)樣品量，其中粒級檢測樣量約占65 %，成分水分樣量約占5 %，熱態(tài)樣量約占20 %，剩余10 %為備用樣。

（2）在原燃料檢驗(yàn)過程中，另一個主要問題是人工參與檢驗(yàn)過程的問題。而解決此問題的方式就是采用全自動方式進(jìn)行檢測作業(yè)，徹底隔絕人與物料，從而更能提高檢驗(yàn)檢測過程的客觀公正性。對于質(zhì)檢業(yè)務(wù)來說，全自動裝置不僅能提升檢驗(yàn)檢測效率，降低職工勞動強(qiáng)度，更為主要的是降低人為參與檢驗(yàn)工作存在的廉潔風(fēng)險。效率提高體現(xiàn)在兩方面：一是以每天進(jìn)廠50 車焦炭舉例，原人工取樣時間約3分鐘/車，每天可節(jié)省2.5 h；粒度篩分檢測數(shù)據(jù)報出時間由原來平均耗時約12 小時，到現(xiàn)在的0.5 小時完成，實(shí)際時間縮短了95.83 %。

（3）設(shè)計之初充分考慮了現(xiàn)存的各種問題，同時外出考察，學(xué)習(xí)同行業(yè)先進(jìn)的做法，再結(jié)合昆鋼新區(qū)焦炭進(jìn)廠檢驗(yàn)流程和位置等條件，在充分論證其可行性后設(shè)計出了整體流程。經(jīng)過近半年的努力終于成功實(shí)施完成，達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)。后經(jīng)現(xiàn)場不斷的調(diào)試，對焦炭皮帶自動取制樣裝置功能再次修改完善。目前進(jìn)廠新區(qū)的焦炭，從卸料口卸貨的可很好采用全自動流程進(jìn)行取制樣檢驗(yàn)工作，而落地部分也只有經(jīng)人工取樣后再經(jīng)過自動制樣流程。自設(shè)備正式投入使用以來，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定良好。徹底解決了焦炭進(jìn)廠檢驗(yàn)環(huán)節(jié)取樣代表性和人工參與檢驗(yàn)的問題。

（4）在昆鋼公司，玉鋼公司、云煤公司進(jìn)廠焦炭檢驗(yàn)業(yè)務(wù)也和昆鋼新區(qū)一樣，存在相同的問題。焦炭皮帶自動取制樣裝置的技術(shù)路線和研究成果具有前瞻性和引領(lǐng)性，完全可在玉鋼公司、云煤公司進(jìn)行推廣，同時新區(qū)二期建設(shè)時可借鑒本案例，提前作出全面統(tǒng)籌考慮，在焦炭皮帶自動取制樣裝置的基礎(chǔ)上增加冷態(tài)轉(zhuǎn)鼓在線檢測等更加先進(jìn)的技術(shù)，從而使焦炭檢驗(yàn)工作從進(jìn)廠取樣、過程檢測、樣品制備等全流程實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)。