Автоматизация пробирно- аналитических лабораторий

Д.А. Будаев — к.г.-м.н., руководитель проектов ООО «Термо Техно».



В последнее десятилетие намечается отчетливая тенденция ввода в эксплуатацию месторождений драгметаллов с низкими содержаниями полезных компонентов в руде (1–2 грамма на тонну), прибыльность которых обеспечивается большими объемами переработки горной массы (миллионы тонн в год). Фонд простых в обогащении руд также практически выработан, что обусловливает частое применение нескольких процессов обогащения для максимально возможного извлечения полезных компонентов. В итоге объем технологического опробования для золотоизвлекательных фабрик (ЗИФ) новых месторождений очень высок и составляет сотни тысяч проб в год. Объем разведочного бурения и геологического опробования сопоставим с объемом технологического опробования. Суммарная суточная нагрузка на лабораторию крупного ГОКа нередко превышает 500 проб. С учетом дефицита квалифицированных кадров в районах Сибири и Дальнего Востока, где сосредоточено 90 % золото-добывающих мощностей РФ, автоматизация процессов аналитического контроля и в первую очередь пробирного анализа для оперативной и корректной обработки большого количества проб, представляется необходимой.

Наиболее актуальными задачами для любой пробирно-аналитических лабораториии (ПАЛ) являются:

• автоматизация пробоподготовки геологических и технологических проб;
• автоматизация пробирного анализа геологических и технологических проб;
• автоматизация пробирного анализа готовой продукции (лигатурных сплавов).

Пробоподготовка геологических и технологических проб практически на всех ЗИФ осуществляется вручную. Стандартная схема предусматривает дробление на щековой дробилке, среднее измельчение и тонкое измельчение до аналитической крупности (150–200 меш в зависимости от методики выполнения анализа). Реально достижимая производительность одной линии ручной пробоподготовки (дробилка, три мельницы) не превышает 200 проб массой 4–5 кг в сутки. Численность сменного персонала для одной такой линии — 3 человека.

При больших объемах обрабатываемых проб становятся критичными сразу несколько особенностей ручной пробоподготовки, а именно:

• необходимость большого штата сотрудников, что особенно важно для предприятий с вахтовым режимом работы;
• лавинообразный рост количества ошибок, связанных с человеческим фактором. В первую очередь, это неправильная регистрация проб, несоблюдение параметров сокращения проб, проблемы с качеством из-за ненадлежащего контроля и несоблюдения методик;
• большое количество единиц эксплуатируемого оборудования требует помещения соответствующих размеров и кубатуры, мощной системы вентиляции и очистки, что приводит к росту эксплуатационных и капитальных затрат;
• освоение новых методик пробоподготовки требует обучения всего многочисленного персонала, длительного по времени.

При этом, обратившись к опыту смежных отраслей металлургии (черной и цветной), легко можно обнаружить примеры использования автоматизированных систем пробоподготовки для различных материалов. В качестве одного из вариантов можно рассмотреть комбинацию щековой дробилки, линейного делителя и двух вибромельниц производства широко известной немецкой фирмы.

Данная установка полностью в автоматическом режиме осуществляет все те же операции, что и линия ручной пробоподготовки: дробление, сокращение, истирание до 150 меш, что вполне достаточно для пробирного анализа. При производительности, равной двум ручным линиям, автоматизированная система обслуживается одним лаборантом вместо шести в ручном режиме. Задача лаборанта — загрузить пробы в устройство смены образцов емкостью 20 проб, запустить нужную программу с пульта управления, забрать готовые пробы из приемного устройства емкостью 20 проб. Влияние оператора на рутинные процессы (дробление, сокращение, истирание) полностью исключено, контроль качества осуществляется путем автоматического взвешивания пробы после каждой операции. Установка требует подвода одного вентиляционного патрубка и бункера для сокращенных «хвостов». Контаминация проб исключается путем продувки рабочих поверхностей сжатым воздухом после каждой пробы.

Типовая ПАЛ (1000 проб/сутки)	Автоматизированная ПАЛ (1000 проб/сутки)
Ручная пробоподготовка — 6 линий	Автоматизированная пробоподготовка — 3 линии
4 плавильные печи с ручной загрузкой	2 печи с фронтальной загрузкой
Помещение для гравиметрического анализа	Помещение для автоматизированного разложения проб (одна вытяжка) и АА-анализа или помещение для ОЭС
Помещение для ручного разложения проб (несколько вытяжек)
Помещение для спектрометров
Персонал (в смену): 27 человек	Персонал (в смену): 8 человек
Большие эксплуатационные расходы	Малые эксплуатационные расходы

Табл. 1. Сравнение автоматизированной и традиционной ПАЛ с аналогичной производительностью

На наш взгляд, автоматизация пробоподготовки должна рассматриваться в первую очередь при проектировании новых и модернизации эксплуатируемых ПАЛ, так как ошибки, связанные с подготовкой и регистрацией проб, составляют обычно 85–90 % всех ошибок, допускаемых в ПАЛ.

Пробирный анализ на практически всех ПАЛ осуществляется вручную, вне зависимости от метода определения концентрации драгметаллов — весового, АА или ИСП-АЭС. Ограничения и узкие места традиционного пробирного анализа хорошо известны:

• сложная схема анализа, низкие производительность и оперативность;
• сильная зависимость качества анализа от опыта и квалификации персонала лаборатории;
• большой расход реагентов и расходных материалов для плавки, разложения проб и анализа (реагенты, посуда, газы);
• серьезные требования к кубатуре помещения, производительности вентиляции, микроклимату, ПБ и ОТ; 
• разрушение материала пробы при переводе в раствор для АА и ИСПАЭС — невозможно повторно проанализировать один и тот же образец.

При этом имеется обширный международный и отечественный опыт по автоматизации всех стадий пробирного анализа — от шихтовки до спектрального определения химического состава проб.

Для максимальной автоматизации процесса пробирной плавки предлагаются следующие решения:

• система автоматического дозирования навесок в тигли;
• система автоматического шихтования; 
• система одновременной загрузки/ выгрузки тиглей;
• плавильные и купеляционные печи с фронтальной загрузкой.

Как показывает практика работы крупных иностранных сетей коммерческих лабораторий, при наличии вышеуказанного оборудования и двух плавильных печей на 50 тиглей каждая, достижима производительность 1000 плавок в смену (при 12-часовой смене).

При концентрациях драгметаллов выше 1 г/т (в благоприятных случаях — выше 0,5 г/т) возможна замена традиционного пробирного гравиметрического анализа анализом веркблея непосредственно на оптическом искровом спектрометре, откалиброванном на свинцовую матрицу. Опытно-методические работы, проведенные ООО «Термо Техно» в 2014 году на пробах трех разных месторождений драгметаллов, показали отличную повторяемость результатов, полученных стандартной методикой и методом эмиссионной спектроскопии. Предлагаемый метод является неразрушающим (веркблей остается в качестве сохранного образца) в отличие от АА и ИСП-АЭС, что очень важно для решения спорных вопросов по качеству работы ЗИФ и подсчету металлургического баланса. Дополнительными преимуществами данной методики анализа являются:

• сокращение времени анализа за счет отказа от стадий купелирования, разварки;
• малая зависимость качества результатов от квалификации персонала в отличие от классического пробирного анализа;
• сокращение операционных расходов (на купели, химреактивы, электроэнергию);
• малая экологическая нагрузка на окружающую среду (нет выбросов паров свинца).

При концентрациях золота менее 1 г/т (анализ геологических проб и «хвостов») возможно внедрение систем автоматизации методик «мокрой химии», разложения проб, и автоматизированного АА или ИСП-АЭС анализа. Данные системы хорошо зарекомендовали себя в разных отраслях горнорудной промышленности (черная и цветная металлургия, горнохимическое сырье) и позволяют полностью убрать человеческий фактор из аналитического процесса. Экономическая целесообразность внедрения подобных систем должна рассчитываться для каждого предприятия отдельно; на наш взгляд, наибольшей привлекательностью полностью автоматизированные системы обладают для ЗИФ в отдаленных районах Крайнего Севера и Дальнего Востока, где высоки операционные издержки по оплате труда вахтового персонала и его доставке.

Для ПАЛ с большой загрузкой (более 100 000 проб в год) предлагаются следующие типовые решения.

При концентрациях золота в пробах более 1 г/т:

• автоматизированная система пробоподготовки;
• автоматизированная система пробирной плавки;
• автоматический фрезерный станок для подготовки поверхности веркблея оптико-эмиссионному анализу;
• оптико–эмиссионный искровой спектрометр;
• роботизированная система для управления образцами для оптикоэмиссионого спектрометра;
• весы для контроля массы веркблеев;
• система штрих-кодирования.

При концентрациях золота в пробах менее 1 г/т:

• автоматизированная система пробоподготовки;
• автоматизированная система пробирной плавки;
• система автоматического разложения, подготовки проб и АА (ИСПАЭС) анализа;
• система штрих-кодирования.

При бедных рудах (Au < 1 г/т) и богатых промпродуктах — сочетание двух комплектаций.

В сравнительной таблице 1 приводятся комплектации ПАЛ с большим объемом анализов (1000 проб/сут) в традиционном и автоматизированном варианте.

Очевидно, что автоматизированный вариант более привлекателен по текущим расходам (ФОТ, расходные материалы, энергоносители) и менее — по капитальным. Кроме того, для автоматизированного варианта гораздо ниже неявные потери, причиняемые производству из-за некачественного анализа. Количественная оценка таких неявных потерь, если она возможна, указывает, как правило, на очень короткий период окупаемости решений по автоматизации ПАЛ — в пределах 1–2 лет.

Приведенные выше примеры показывают, что существует успешный и многочисленный опыт автоматизации ПАЛ и автоматизации аналитических процессов в смежных областях промышленности (черная и цветная металлургия, минудобрения). Внедрение данного опыта в практику отечественных ПАЛ — необходимость, продиктованная экономическими, географическими и организационными реалиями.

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 1 (27)/март 2015 г.