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摘 要：将机器人应用于铁矿石机械化采制样系统。样品经采制样单元制备后进入水分测试单元，进行在线水分测试。水分分析完毕后，样品被输送至在线烧灼减量（LOI）测试单元，检测烧灼减量。机器人将烧灼后的样品送入自动熔片单元自动制备玻璃熔片，并在X射线荧光光谱仪（XRF）中检测元素含量。该套系统的应用极大地拓展了铁矿石机械化采制样系统的效能。
关健词：机器人 铁矿石 在线检测
中图分类号：P575
传统铁矿石品质分析流程主要为取制样后分析水分[1]和粒度[2]，制备的分析样送实验室进行全铁、硅、铝、磷[3]、硫[4]含量以及其他杂质含量的检测。传统方法劳动强度大、耗费长且干扰因素多。目前，国内较大的铁矿石进口港均已实现铁矿石机械化取制样，并将机器人应用在水分在线检测[5]。但由于标准和技术限制，对铁矿石全铁及杂质含量等关键品质指标的在线检测还没有相关应用。
河北检验检疫局曹妃甸办事处经质检总局批准，于2009年底建成投产了国内首套一塔两线的矿石机械化采制样设备，实现了机器人在线水分粒度测试和制样。为更好发挥设备技术优势，后续技术改造将引入机器人在线测定烧灼减量（LOI）、熔片、X射线荧光光谱法（XRF）测定全铁及杂质含量技术，最终实现除硫含量之外的品质指标的在线检测，达到系统的效能最大化，获得更大的经济效益。
1 仪器设备
1.1 机器人
系统机器人为一组编程可控的多功能机械手。分别包括水分机械手、LOI机械手和自动熔片机械手。机械手具有6个自由度，能够借助可编程程序进行执行多项任务。机械手和控制器在光电传感器和识别处理器配合下，实现动作的识别和定向定位。在控制室通过中央控制系统对其进行远程操控，实现水分、LOI、熔片和品质测定。在线检测得到的水分、LOI和品质数据汇总到信息管理系统，等待进一步处理。
1.2 在线水分检测装置
在线水分检测为机械手操作的一组设备构成的工作站，包括样品盘、称量天平、干燥箱、刮平装置和清扫装置。样品盘为表面光洁的不锈钢盘，可容纳厚度不超过31.5mm的样品。自动称量单元精确度为0.0005g，最大称样量不小于5kg。干燥箱能够通过电磁阀控制自动开门，且安装温度指示和控制装置，保证箱体内任意一点的温度稳定在105±5℃。刮平装置能够将样品盘中试样刮平，保证厚度不超过31.5mm。清扫装置带有排尘口，旋转毛刷能够将样品盘清扫干净。
1.3 在线LOI测定装置
在线LOI测定装置为机械手根据PLC程序操作的全封闭单元，机械手准确度应小于0.1mm。除机械手外还包括转盘装载清洗站、转盘冷却站、低温炉和高温炉。转盘和坩埚均为陶瓷材料，保证高温下保持稳定。炉子能够在PLC控制下自动开关门，同样装有温控系统。每台炉子可单独设定温度，同时具备积累上批次检测时剩余能量的功能，以节省热量。装载清洗站通过真空和气喷对坩埚进行清洗、擦拭、称量，称量精确度为0.0001g。
1.4 在线熔片和XRF检测装置
该系统为机械手操作的封闭控制单元，系统还包括进出样模块、熔片炉、称量模块、坩埚清洗装置和XRF光谱仪。进出样模块通过进样输送机将上游单元送来的样品输送至机械手，输送机上配备塑料瓶存储样品。称量单元能够按照设定的量称量样品和助熔剂，精确度为0.0001g。熔片炉带旋转轴，在熔片过程在旋转保证熔片的均匀性。熔片炉熔片前对模具进行加热，熔片完成后通过风冷对熔片冷却。出片输送机通过铰链将冷却后的熔片输送至XRF光谱仪。XRF光谱仪预设全铁及其他杂质元素测定方法，在PLC控制下自动开门。
2 机器人在线铁矿石品质检测的动作过程
2.1 水分在线检测动作过程
2.1.1 干燥箱門由PLC 程序控制自动打开。机械手从干燥箱中取出清洁的空样品盘， 放到称量设备样品支架后，称量数据。
2.1.2 机械手转移称量过的样品盘到采制样系统来料皮带后的二分器受料器下部的托盘， 放第2个样品盘到二分器受料器下部的另一端，接收样品。
2.1.3 机械手操作刮平装置将样品刮平，并依次拿走样品盘。
2.1.4 机械手将样品盘放到称量设备称量。
2.1.5 干燥箱门由PLC 程序控制自动打开， 机械手把样品盘移入烘箱， 105±5℃烘干6 h 后， 机械手再按照1～4过程把装有样品的样品盘称重。
2.1.6 机械手把称重后的样品倒入研磨机内， 再移动样品盘到清扫装置内， 清洗样品盘。样品经研磨后进入料筒。
2.1.7 料筒收集所有副批的样品，经缩分机缩分进入储料罐，作为下游单元分析样。机械手将分析样品样品输送至下一单元样品罐。
2.1.8 样品盘清洗干净后， 机械手打开干燥箱门， 将清洁样品盘放入干燥箱内待用。
2.2 LOI在线检测动作过程
2.2.1 机械手从样品罐中收集上游单元输送的样品。
2.2.2 机械手从清洗站抽取已经清洗称重的坩埚，放入装载站。
2.2.3 机械手持样品罐通过铰链转动倾倒样品至装载站中的坩埚，并称重。为保证下游熔片样品用量，机械手应称取多份样品至坩埚中。
2.2.4 样品称重完毕后，机械手从托盘下方托起托盘，放入低温炉中，在105±5℃预干燥1 h。
2.2.5 机械手从低温炉中取出样品放入冷却站冷却。之后从冷却站将托盘转移至高温炉，在1100℃下烧失4h。
2.2.6 烧失结束后机械手将托盘从高温炉中取出，放入上方冷却站冷却后称重。
2.2.7 机械手收集LOI测试完毕的样品至下游单元样品瓶，放入熔片单元进样输送机轨道。将托盘和坩埚转移至清洗站清洗备用。 2.3 在线熔片和XRF检测动作过
2.3.1 机械手拾取上游单元输送的装有烧失后样品的塑料瓶，放入称量单元。同时拾取已清洗干燥后的铂黄坩埚放入称量单元。
2.3.2 称量单元通过旋转倾倒0.7g样品至铂黄坩埚，并通自动加料漏斗加入8g四硼酸锂，0.36g硝酸钠和0.03g碘化铵，旋转混合30s。
2.3.3 熔片炉旋转轴在PLC控制下自动打开，称量单元将坩埚转移至熔片炉旋转轴。旋转轴提升至熔片炉中，在1150℃旋转熔融8min。
2.3.4 熔片炉旋转轴在PLC控制下自动下降，机械手将坩埚中的熔融物倾倒在预先加热的模具之中。模具在通风孔上方通过风冷进行冷却10min。
2.3.5 出料输送机通过真空吸取模具中冷却的熔片。XRF光谱仪在PLC控制下自动打开，出料输送机将熔片放入光谱仪制定位置。PLC控制光谱仪按照指定的方法进行全铁和杂质的检测。
3 机器人在线铁矿石品质检测的动作过程
机器人在线水分测定流程图见图1，在线LOI流程图见图2，在线品质分析见图3.
4 结果处理
在线检测到的水分、LOI和品质数据通过通信模块传输到信息管理系统，统一进行处理。
4.1水分
4.2 LOI
4.3 在线熔片和XRF检测
5 结论
机器人在铁矿石在线检测应用能够实时提供交货批水分、LOI、全铁和杂质含量。虽然由于标准方法限制，全铁含量仅作为参考值，但也能为实验室进一步检测提供依据。机器人在鐵矿石品质检测中的应用，使得铁矿石机械化采制样系统的应用范围得到了较大拓展，极大地提高了铁矿石检验和通关效率。
参考文献：
[1] GB/T 10322.7-2004， 铁矿石 交货批水分含量的测定[S].
[2] GB/T 10322.7-2004， 铁矿石 粒度分布的筛分测定[S].
[3] SN/T 0832-1999， 进出口铁矿中铁、硅、钙、 锰、铝、钛、镁和磷的测定 波长色散X射线荧光光谱法[S].
[4] GB/T 6730.61-2005， 铁矿石 碳和硫含量的测定 高频燃烧红外吸收法[S].
[5] 鞠溯， 袁晓鹰， 胡首鹏， 等.利用机器人对铁矿石进行在线水分测定的方法[J].金属矿山， 2010， 409（7）： 129-131.
关健词：机器人 铁矿石 在线检测
中图分类号：P575
传统铁矿石品质分析流程主要为取制样后分析水分[1]和粒度[2]，制备的分析样送实验室进行全铁、硅、铝、磷[3]、硫[4]含量以及其他杂质含量的检测。传统方法劳动强度大、耗费长且干扰因素多。目前，国内较大的铁矿石进口港均已实现铁矿石机械化取制样，并将机器人应用在水分在线检测[5]。但由于标准和技术限制，对铁矿石全铁及杂质含量等关键品质指标的在线检测还没有相关应用。
河北检验检疫局曹妃甸办事处经质检总局批准，于2009年底建成投产了国内首套一塔两线的矿石机械化采制样设备，实现了机器人在线水分粒度测试和制样。为更好发挥设备技术优势，后续技术改造将引入机器人在线测定烧灼减量（LOI）、熔片、X射线荧光光谱法（XRF）测定全铁及杂质含量技术，最终实现除硫含量之外的品质指标的在线检测，达到系统的效能最大化，获得更大的经济效益。
1 仪器设备
1.1 机器人
系统机器人为一组编程可控的多功能机械手。分别包括水分机械手、LOI机械手和自动熔片机械手。机械手具有6个自由度，能够借助可编程程序进行执行多项任务。机械手和控制器在光电传感器和识别处理器配合下，实现动作的识别和定向定位。在控制室通过中央控制系统对其进行远程操控，实现水分、LOI、熔片和品质测定。在线检测得到的水分、LOI和品质数据汇总到信息管理系统，等待进一步处理。
1.2 在线水分检测装置
在线水分检测为机械手操作的一组设备构成的工作站，包括样品盘、称量天平、干燥箱、刮平装置和清扫装置。样品盘为表面光洁的不锈钢盘，可容纳厚度不超过31.5mm的样品。自动称量单元精确度为0.0005g，最大称样量不小于5kg。干燥箱能够通过电磁阀控制自动开门，且安装温度指示和控制装置，保证箱体内任意一点的温度稳定在105±5℃。刮平装置能够将样品盘中试样刮平，保证厚度不超过31.5mm。清扫装置带有排尘口，旋转毛刷能够将样品盘清扫干净。
1.3 在线LOI测定装置
在线LOI测定装置为机械手根据PLC程序操作的全封闭单元，机械手准确度应小于0.1mm。除机械手外还包括转盘装载清洗站、转盘冷却站、低温炉和高温炉。转盘和坩埚均为陶瓷材料，保证高温下保持稳定。炉子能够在PLC控制下自动开关门，同样装有温控系统。每台炉子可单独设定温度，同时具备积累上批次检测时剩余能量的功能，以节省热量。装载清洗站通过真空和气喷对坩埚进行清洗、擦拭、称量，称量精确度为0.0001g。
1.4 在线熔片和XRF检测装置
该系统为机械手操作的封闭控制单元，系统还包括进出样模块、熔片炉、称量模块、坩埚清洗装置和XRF光谱仪。进出样模块通过进样输送机将上游单元送来的样品输送至机械手，输送机上配备塑料瓶存储样品。称量单元能够按照设定的量称量样品和助熔剂，精确度为0.0001g。熔片炉带旋转轴，在熔片过程在旋转保证熔片的均匀性。熔片炉熔片前对模具进行加热，熔片完成后通过风冷对熔片冷却。出片输送机通过铰链将冷却后的熔片输送至XRF光谱仪。XRF光谱仪预设全铁及其他杂质元素测定方法，在PLC控制下自动开门。
2 机器人在线铁矿石品质检测的动作过程
2.1 水分在线检测动作过程
2.1.1 干燥箱門由PLC 程序控制自动打开。机械手从干燥箱中取出清洁的空样品盘， 放到称量设备样品支架后，称量数据。
2.1.2 机械手转移称量过的样品盘到采制样系统来料皮带后的二分器受料器下部的托盘， 放第2个样品盘到二分器受料器下部的另一端，接收样品。
2.1.3 机械手操作刮平装置将样品刮平，并依次拿走样品盘。
2.1.4 机械手将样品盘放到称量设备称量。
2.1.5 干燥箱门由PLC 程序控制自动打开， 机械手把样品盘移入烘箱， 105±5℃烘干6 h 后， 机械手再按照1～4过程把装有样品的样品盘称重。
2.1.6 机械手把称重后的样品倒入研磨机内， 再移动样品盘到清扫装置内， 清洗样品盘。样品经研磨后进入料筒。
2.1.7 料筒收集所有副批的样品，经缩分机缩分进入储料罐，作为下游单元分析样。机械手将分析样品样品输送至下一单元样品罐。
2.1.8 样品盘清洗干净后， 机械手打开干燥箱门， 将清洁样品盘放入干燥箱内待用。
2.2 LOI在线检测动作过程
2.2.1 机械手从样品罐中收集上游单元输送的样品。
2.2.2 机械手从清洗站抽取已经清洗称重的坩埚，放入装载站。
2.2.3 机械手持样品罐通过铰链转动倾倒样品至装载站中的坩埚，并称重。为保证下游熔片样品用量，机械手应称取多份样品至坩埚中。
2.2.4 样品称重完毕后，机械手从托盘下方托起托盘，放入低温炉中，在105±5℃预干燥1 h。
2.2.5 机械手从低温炉中取出样品放入冷却站冷却。之后从冷却站将托盘转移至高温炉，在1100℃下烧失4h。
2.2.6 烧失结束后机械手将托盘从高温炉中取出，放入上方冷却站冷却后称重。
2.2.7 机械手收集LOI测试完毕的样品至下游单元样品瓶，放入熔片单元进样输送机轨道。将托盘和坩埚转移至清洗站清洗备用。 2.3 在线熔片和XRF检测动作过
2.3.1 机械手拾取上游单元输送的装有烧失后样品的塑料瓶，放入称量单元。同时拾取已清洗干燥后的铂黄坩埚放入称量单元。
2.3.2 称量单元通过旋转倾倒0.7g样品至铂黄坩埚，并通自动加料漏斗加入8g四硼酸锂，0.36g硝酸钠和0.03g碘化铵，旋转混合30s。
2.3.3 熔片炉旋转轴在PLC控制下自动打开，称量单元将坩埚转移至熔片炉旋转轴。旋转轴提升至熔片炉中，在1150℃旋转熔融8min。
2.3.4 熔片炉旋转轴在PLC控制下自动下降，机械手将坩埚中的熔融物倾倒在预先加热的模具之中。模具在通风孔上方通过风冷进行冷却10min。
2.3.5 出料输送机通过真空吸取模具中冷却的熔片。XRF光谱仪在PLC控制下自动打开，出料输送机将熔片放入光谱仪制定位置。PLC控制光谱仪按照指定的方法进行全铁和杂质的检测。
3 机器人在线铁矿石品质检测的动作过程
机器人在线水分测定流程图见图1，在线LOI流程图见图2，在线品质分析见图3.
4 结果处理
在线检测到的水分、LOI和品质数据通过通信模块传输到信息管理系统，统一进行处理。
4.1水分
4.2 LOI
4.3 在线熔片和XRF检测
5 结论
机器人在铁矿石在线检测应用能够实时提供交货批水分、LOI、全铁和杂质含量。虽然由于标准方法限制，全铁含量仅作为参考值，但也能为实验室进一步检测提供依据。机器人在鐵矿石品质检测中的应用，使得铁矿石机械化采制样系统的应用范围得到了较大拓展，极大地提高了铁矿石检验和通关效率。
参考文献：
[1] GB/T 10322.7-2004， 铁矿石 交货批水分含量的测定[S].
[2] GB/T 10322.7-2004， 铁矿石 粒度分布的筛分测定[S].
[3] SN/T 0832-1999， 进出口铁矿中铁、硅、钙、 锰、铝、钛、镁和磷的测定 波长色散X射线荧光光谱法[S].
[4] GB/T 6730.61-2005， 铁矿石 碳和硫含量的测定 高频燃烧红外吸收法[S].
[5] 鞠溯， 袁晓鹰， 胡首鹏， 等.利用机器人对铁矿石进行在线水分测定的方法[J].金属矿山， 2010， 409（7）： 129-131.