Автоматизация процесса пробирного анализа

Е.В. Бессонов — заместитель Генерального Директора ООО «Термо Техно».

Пробирный анализ — метод количественного определения содержания металлов, главным образом благородных, в рудах, различных продуктах металлургического производства, отходах, сплавах, изделиях и др.

История определения драгоценных металлов в рудах насчитывает уже более 3000 лет. В Египте, а позже в Вавилоне, Греции, Риме этот метод использовался в связи с добычей и торговым обращением золота. Развитию пробирного анализа в России содействовали реформы Петра I (расширение торговли, увеличение объёма чеканки золотых и серебряных монет, развитие добычи золота и серебра).

Рис. 1

Методы пробирного анализа точны и позволяют определять, например, содержание золота в рудах до 0,1–0,05 г/т; это даёт возможность использовать его в качестве контрольного и арбитражного методов. По данным пробирного анализа рассчитывают содержание благородных металлов в залежах полезных ископаемых, осуществляют контроль за технологией извлечения, аффинажа, гальванического покрытия и т.п., ведут учёт расходования благородных металлов, выпускают ювелирно-бытовые изделия определённых проб и др.

Рис. 2

Метод анализа довольно прост (почти алхимия). На анализ отбирается 25–40 граммов руды. Отобранная часть пробы дробится, измельчается и взвешивается. Навеску смешивают с шихтой, в состав шихты обычно входят коллектор (PbO), флюсы (кварц, бура, сода и др.), восстановители (напр., древесный уголь, крахмал), иногда окислители (Pb3O4, KNO3 и др.). Состав и соотношение компонентов шихты определяется составом анализируемого материала. Обычно применяют тигельную плавку и смесь расплавляют до температуры ~ 1100°C в специальном огнеупорном тигле. PbO восстанавливается до Pb. Происходит шлакование компонентов породы и образование сплава свинца с благородными металлами (веркблей). Расплав выливается в конусообразную изложницу, после охлаждения веркблей отделяют от шлака. Проводится взвешивание свинцового веркблея. Его плавление в MgO чашке (капели) в открытой печи. Этот процесс называется «купелированием». Pb окисляется до PbO, большая часть которого поглощается в капели, а остальная часть испаряется. Драгметаллы в виде сплава (королька) остаются на капели. В дальнейшем королек взвешивают и выполняют анализ гравиметрическим, ICP-OES, ICP/ MS методами.

Рис. 3. Пробирная лаборатория несколько веков назад

Метод, используемый на протяжении тысячелетий, выжил благодаря своей точности, низким пределам обнаружения и возможности анализа практически любой руды. К недостаткам метода стоит отнести длительность и трудоемкость пробирного анализа, его высокую энергоемкость, загрязнение воздуха (примерно 2% свинца улетучивается). Идея усовершенствования метода пробирного анализа заключается в том, чтобы:

• Избавиться от стадии купелирования с вредными выбросами свинца.
• Заменить традиционный анализ на оптико-эмиссионный спектральный анализ свинцовой таблетки.

Преимущества такого усовершенствованного метода в том, что он:

• упрощает и ускоряет процесс анализа;
• экономит на купелях, печах, электроэнергии, химикатах, лабораторном оборудовании и т.д.;
• отсутствуют потери драгметаллов в купелях;
• результаты с высокой точностью по всем драгметаллам получаются примерно за 1 минуту, удовлетворяя даже самым строгим требованиям к анализу (например, при анализе шламов в обогатительных установках для контроля работы установки и учета металлов).
• экологичнее (нет загрязнений свинцовыми парами);
• стабильная работа, низкие затраты на обслуживание и рестандартизацию пробирного анализа гарантируют его высокую доступность для выполнения рутинных анализов;
• квалифицированный персонал можно использовать на других работах;
• возможность автоматизации подготовки и обработки проб гарантируют высокую пропускную способность и надежность анализа.

Рис. 4. Расплав пробы с флюсом

  С данной задачей может справиться оптико-эмиссионный спектрометр. Требования к такому прибору, задействованному в процессе пробирного анализа, должны быть следующими:

• прибор должен иметь калибровки, необычные для Pb матрицы, сделанные по специальным образцам с введенными драгоценными металлами на следовых уровнях;
• сверхнизкие пределы обнаружения драгметаллов;
• хорошая воспроизводимость, около 1–2% отн. на уровне 1 ppm по Pt;
• хорошая кратко- и долговременная стабильность спектрометра для минимизации значимости аппаратурной погрешности анализа;
• погрешность анализа не более 5% отн.;
• два параллельных определения (2 прожига) в течение 1 минуты для обеспечения достаточной пропускной способности прибора;
• малая область обыскривания свинцовой таблетки;
• возможность автоматизирования всех операций измерения и расчета для получения высокой скорости анализа (увеличения количества анализируемых образцов).

Для пробирного анализа большого количества образцов в настоящее время создаются автоматизированные системы. При построении такой системы идеально подходит автоматизированная система ARL SMS-2000 (Sample Manipulation System). Основные ее функции и достоинства:

• автоматизированный захват и установка пробы в аналитическое положение спектрометра ARL 4460;
• автоматическая очистка электрода;
• надежность и высокая пропускная способность;
• маркировка образца (дополнительно);
• аналитические весы (дополнительно);
• может быть объединена с оборудованием для пробоподготовки.

ARL SMS-2000 объединяется с системой автоматической подготовки проб компании Herzog в автоматизированный комплекс по проведению пробирного анализа.

Рис. 5. Процесс купелирования

Благодаря автоматизированному комплексу для проведения пробирного анализа можно решать весь комплекс задач по платиноидам и золотодобывающей промышленности:

• анализ шлама на обогатительных комбинатах для технологического контроля;
• анализ кернов, частиц породы при исследовательских задачах и добыче руды;
• учет драгметаллов с высокой точностью анализа.

Преимущества использования такого комплекса очевидны:

• не требуется высококвалифицированный персонал для проведения анализа;
• пробирный анализ можно проводить непосредственно на рудниках;
• результаты анализа получаются не более, чем через 40 минут после загрузки пробы в систему.

На рис. 10 приводится схема автоматизированной лаборатории для пробирного анализа, позволяющей проводить анализ до 1000 образцов в сутки.

Рис. 6. Схема пробирного анализа 

Комплекс для проведения пробирного анализа может оснащаться следующими дополнительными устройствами:

Рис. 7. ARL SMS-2000

1. Образцы от системы автоматической подготовки проб Herzog передаются посредством сдвоенной транспортерной ленты.

На спектрометре ARL 4460 можно измерять пробы малого размера, так как для пробирного анализа используется диаметр аналитического пятна всего 4 мм.

Рис. 8–9. ARL SMS-2000

2. Взвешивание свинцового образца до подготовки к анализу.
3. Интеграция с автоматическим фрезерным станком Herzog HN-FF. Производится черновая и чистая подготовка поверхности, достаточная для работы со сверхнизкими (менее 1 ppm) содержаниями.
4. Коррекция результатов с учетом навески пробы, взятой для анализа, и массы веркблея. Рассчитывается концентрация драгметаллов в руде в г/ тонну (ррм).
5. Маркировка свинцового образца для последующего хранения и идентификации.

Рис. 10. Схема лаборатории

Типовые пределы обнаружения и значения среднеквадратического отклонения комплекса по автоматическому пробирному анализу представлены в таблице 1.

Эл.	Ag	Au	Ir	Pd	Pt	Rh	Ru	Bi	Cu	Ni	S	As	Co	Fe	Sb	Te	Ti
Типовой DL (ppm)	0,004	0,08	0,18	0,004	0,08	0,004	0,01	0,005	0,005	0,05	0,3	0,3	0,03	0,08	0,3	0,2	0,05
Концентрация (ррm)	SD	SD	SD	SD	SD	SD	SD	SD	SD	SD	SD	SD	SD	SD	SD	SD	SD
0,1	0,002			0,0015		0,0025	0,005										0,004
0,2	0,002			0,0025	0,025	0,0025	0,008						0,03	0,03			0,005
0,5	0,003	0,02	0,075	0,005	0,03	0,0035	0,015	0,015			0,2		0,04	0,03	0,07	0,07	0,009
1	0,004	0,03	0,085	0,0085	0,035	0,005	0,025	0,015		0,03	0,2	0,1	0,065	0,035	0,075	0,08	0,02
2	0,007	0,045	0,1	0,015	0,045	0,008	0,045	0,015		0,09	0,25	0,15	0,1	0,045	0,085	0,1	0,04
5	0,015	0,085	0,25	0,04	0,075	0,02	0,1	0,02	0,02	0,3	0,4	0,25	0,25	0,08	0,1	0,15	0,05
10	0,03	0,15	0,65	0,075	0,15	0,045	0,25	0,025	0,025	0,6	0,65	0,5		0,15	0,15	0,3	0,07
20	0,055	0,3		0,15	0,25			0,03	0,045	1	1	1		0,25	0,3		0,1
30	0,08	0,45			0,4			0,04	0,075	2	1,5			0,45	0,4		0,15
40	0,1	0,06			0,55			0,05	0,1	2,5	2			0,7	0,55
50	0,05	0,07						0,06	0,15	3	2,5			0,95	0,7
100	0,25	1,5						0,1	0,35	6,5	5				2
200	0,50	3						0,25	1	15	10				8
500	1,5	7						0,9	3,5	30	25
1000									9,5	65	50

Таблица 1

Пределы обнаружения, полученные на однородных образцах для пробирного анализа, сравнимы с результатами на образцах «чистого» свинца.

Рис. 11. Робот для управления пробами 

Для Pd, Rh, Ru, Ag пределы обнаружения примерно на порядок ниже тех, которые требуются производителям драгметаллов.

Для группы элементов Pt, Au и Ir можно сделать следующие выводы:

• значения DL близки к требуемым значениям;
• на самом деле можно получить и лучшую чувствительность, но возникают проблемы, связанные с неоднородным распределением этих металлов в образце;
• тем не менее, результаты удовлетворительные.

Концентрирование драгметаллов можно проводить, используя большее количество руды при неизменном количестве флюса. Для оптимизации процесса концентрирования используют и другие вещества в качестве флюса (например, сульфат никеля).

Рис. 12–13. Автоматическое взвешивание пробы 

Для полного анализа рудных проб требуется проводить определение основных компонентов, таких, как Fe, Cu, Ni, Co… Для этого в автоматической лаборатории ставится делитель пробы. Одна часть измельчается, прессуется и подается на рентгено-флуоресцентный спектрометр для определения таких элементов. Другая часть в это же время используется для проведения пробирного анализа.

Рис. 14–16. Станок Herzog HN-FF с двумя фрезами

В лаборатории, предназначенной для анализа рудных материалов от разных поставщиков, предусматривается:

• использование различных программ проведения пробирного анализа с различными шихтовыми смесями, различными режимами проведения адсорбции драгметаллов;
• проведение первичного анализа основных компонентов на рентгено-флуоресцентном спектрометре с автоматическим выбором программы проведения пробирного анализа.

Рис. 17. Коррекция с учетом массы

Автоматизированная лаборатория может включаться в систему управления лабораторной информацией (LIMS) для автоматической оценки полученных результатов, передачи информации Заказчику, ведения учета драгметаллов…

Рис. 18. Маркировщик проанализированных проб

Таким образом, можно сделать вывод о том, что современные системы автоматизированного пробирного анализа позволяют:

• быстро и с высокой точностью проводить контроль содержаний благородных металлов;
• уменьшить стоимость каждого анализа;
• увеличить количество анализируемых проб за единицу времени (час, смену, сутки);
• приблизить автоматизированную лабораторию к технологическим участкам (рудники, обогатительные комплексы…) и обеспечить своевременное влияние на техпроцесс;
• отказаться от метода купелирования, сопровождаемого свинцовыми испарениями;
• проводить экспресс-анализ проб различного состава анализируемого материала;
• одновременно с пробирным анализом проводить анализ основных элементов;
• избежать необходимости в постоянном присутствии высококвалифицированного персонала.

---

ООО «Термо Техно»
Тел.: +7 (495) 783-82-11
Факс: +7 (495) 783-82-12
Web-site: www.thermotechno.ru
E-mail: info@thermotechno.ru

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 1 (8)/февраль 2010 г.