Современные автоматизированные системы экспресс-анализа стали

Костенко И.В., Хмелевский С.К.

ЗАО Налхо Техно, г. Москва

Рынок диктует требования к качеству металла. Возрастает роль технологического контроля. Вместе с тем дефицит квалифицированного персонала обусловлен демографическими и социальными факторами. Одно из эффективных решений - использование автоматизированных систем (АС) в промышленных лабораториях.

Под автоматизированными мы понимаем лабораторные системы, в которых после ручного ввода пробы все операции происходят без участия оператора.

Различают 2 основных типа автоматизированных лабораторных систем.

1. Линейные системы, в которых приборы и станки пробоподготовки связаны транспортерами для перемещения проб. Автоматизация достигается за счет специальных механических узлов: магазины, 2-х координатные позиционеры и т. п. Данные системы относительно дешевы и позволяют автоматизировать простые рутинные операции, например, подготовку сыпучих проб (цемент, шлаки, электролит) и XRF анализ.

2. Роботизированные системы, в которых перемещения и все манипуляции с пробами осуществляет промышленный робот. При этом могут использоваться приборы и станки практически с любой степенью индивидуальной автоматизации. В сложных системах могут использоваться многочисленные роботы (иногда свыше 10). Главной особенностью таких систем является их гибкость, возможность масштабирования за счет изменения набора элементов и перепрограммирования ПО.
Важнейшим элементом является управляющее ПО. Оно обеспечивает идентификацию пробы на каждом этапе, управление всеми механическими и электронными устройствами, их диагностику, контроль снабжения энергоносителями, передачу данных в локальные сети и многие др. функции.

В РФ хорошо известны «Контейнерные лаборатории» — это частный случай автоматизированных систем. Контейнер - это строительное решение для помещения экспресс-лаборатории непосредственно в цехе. В последние 10 лет АС получили распространение в центральных лабораториях в обычных помещениях.

Автоматизированные лаборатории.

Автоматизированные лаборатории OBLF -Herzog - это единый комплекс по получению проб из различных источников, подготовке проб, анализу, обработке и передачи результатов.

С момента своего создания автоматические и контейнерные лаборатории на производственной площадке OBLF - Herzog стали высокотехнологичным стандартом во многих отраслях промышленности, поднимая результаты производства систему контроля качества на новый уровень. Они применяются при производстве исходного сырья для сталелитейной, цементной промышленности, изготовлении цветных металлов и других отраслях. Современные платформы OBLF QSG750 – Herzog HS-FF используется для повседневного анализа конвертерных проб. При этом данные о различных включениях (всего свыше 100 типов) экспортируются в базу данных на отдельном ПК-сервере. Рутинные операции с анализами выполняют 2 оператора в смену. Сотрудники лаборатории заняты исследовательской работой, разработкой методик и анализом накопленного материала вместе с технологами.

OBLF GmbH– мировой лидер в производстве оптических эмиссионных спектрометров. Отличительными чертами приборов этого немецкого производителя являются исключительная воспроизводимость, точность результатов анализов, низкие эксплуатационные затраты, долговечность. Флагманской моделью спектрометров OBLF является модель QSG750-II – наиболее совершенный по всем параметрам спектрометр из имеющихся на рынке аналогов с возможностью анализа неметаллических включений.

Herzog Maschinenfabrik GmbH (Германия) – ведущий мировой производитель оборудования для подготовки различных проб к спектральному анализу. Имеет мощный пакет управляющего ПО Prepmaster и располагает уникальным опытом реализации проектов АС в различных отраслях по всему миру. Изготавливает разнообразные АС с использованием OE спектрометров OBLF, XRF спектрометров PANalytical.

В автоматизированных лабораториях Herzog используются стандартные, хорошо зарекомендовавшие себя на рынке системы пробоподготовки и анализа. Отдельные компоненты объединяются в автоматизированную лабораторию посредством уникальной системы автоматизации Herzog PrepMaster.

Контейнерные лаборатории.

Контейнерная лаборатория разработана для полностью автоматизированной подготовки и спектрального анализа образцов стали и чугуна. Благодаря компактной конструкции и интеграции всех необходимых компонентов в один изолирующий контейнер система может быть установлена в производственной зоне вблизи точки забора проб.

Для обеспечения безотказного функционирования сложных аналитических комплексов в промышленных условиях применяются специальные контейнерные лаборатории. В них все компоненты, от станков пробоподготовки до аналитических систем, заключены в надежный водонепроницаемый контейнер, имеющий систему кондиционирования воздуха и вибрационную защиту.

Оболочка контейнера изготовлена из стальных листов с гальваническим и полимерным покрытием. Толщина изоляции из минерального волокна составляет около 80 мм. Корпус контейнера усилен стальным профилем для надежной поддержки включенного оборудования и для удобной транспортировки краном или вилочным погрузчиком. Контейнер имеет герметически закрывающуюся дверь для доступа персонала и все необходимые устройства для подключения коммуникаций – кабелей электропитания, передачи данных и т.п. Конструкция и расположение узлов внутри контейнера обеспечивают и возможность доступа и работы оператора или обслуживающего персонала без остановки системы. Температура внутри контейнера контролируется компактным устройством климатического контроля.

Основные элементы конструкции.

Пробы транспортируются от места отбора (печного агрегата) до АС как правило, пневмопочтой, реже ленточными транспортерами. Часто доставка и ввод проб осуществляется вручную.
Терминал ввода проб снабжен клавиатурой и выполняет функции идентификации проб. При использовании пневмопочты, как правило, терминал монтируется на отправляющей станции. Идентификатор является функцией ПО и может варьироваться.

Далее следует стадия пробоподготовки. Она может включать для сыпучих материалов сушку, деление, измельчение, прессование или сплавление. Для металлических проб требуется подготовка поверхности. В настоящее время стали, чугун и цветные металлы готовятся почти исключительно фрезерованием; шлифование практически не применяется в автоматических системах (однако широко распространено в ручном режиме).
Преимущества фрезерования: скорость, качество поверхности, отвод тепла, отсутствие загрязнений образца и абразивных отходов. Для АС используются исключительно металлические пробы со стандартными геометрическими формами и размерами, отобранные разовыми пробоотборниками.

Дополнительные системы включают устройства для маркировки образцов, оптического или электромагнитного контроля качества поверхности перед анализом, устройства охлаждения проб, а также защитные ограждения роботов, магазины для хранения контрольных (рекалибровочных) образцов.

Инфраструктура АС включает системы электропитания, сжатого воздуха, снабжения и очистки лабораторных газов, а также вентиляции, климатического контроля и удаления отходов.
Процесс работы можно описать следующими пунктами:

• после ручного ввода данных образца на регистрирующем терминале, образец подается в приемник. Последующие действия полностью автоматизированы и не требуют вмешательства оператора
• образец помещается в станок пробоподготовки. Пробоподготовка начинается по команде управляющего ПК. Пробоподготовка включает фрезерование и охлаждение образца. Все параметры пробоподготовки могут регулироваться для получения оптимального результата
• подготовленный образец подается на автоматизированный оптический эмиссионный спектрометр, где происходит 2-3 параллельных измерения 
• после анализа образец маркируется индивидуальным идентификационным номером и, наконец, опускается роботом в приемный магазин для хранения
• Преимущества
• Применение автоматизированных лабораторий позволяет:
• повысить достоверность и качество аналитических результатов;
• увеличить скорость анализа и пропускную способность оборудования;
• сократить время доставки и подготовки пробы;
• устранить влияния человеческого фактора;
• снизить стоимость анализа.

Автоматическая аналитическая платформа OBLF

OBLF GmbH (Виттен Германия) — один из ведущих мировых производителей ОЕ спектрометров. В настоящее время выпускает АС на базе своих приборов QSx750 шлифовальных станков ASM1800 и роботов ABB IRB-140. Недорогая и надежная АС имеет также опции маркировки образцов, оптического анализа качества поверхности. Используется с успехом на предприятиях чугунного литья в Европе(Georg Fischer, Bosch Rexroth).

OBLF сформулировал концепцию автоматической аналитической платформы (ААП) и внедрил ее на практике вместе с Herzog и PANalytical. ААП конструктивно объединяет на жесткой металлической раме ОЕ спектрометр станок пробоподготовки, робот и вспомогательные устройства. ААП может помещаться в контейнере или в любом ином приспособленном помещении.

При необходимости ААП OBLF может быть оснащена системой маркировки образцов, системой анализа поверхности образца и т.д. Автоматическая линия OBLF может работать как отдельная система, которая устанавливается в помещение лаборатории, так может быть заключена в стандартный контейнер, устанавливаемый непосредственно на площадке.

Преимущества:

• высокая скорость анализа и обработки данных при стабильных результатах, пропускная способность до 650 проб/сутки
• линия полностью совместима с имеющимися автоматизированными системами
• система контроля качества поверхности перед анализом
• невысокие эксплутационные расходы
• низкая стоимость, оптимальное соотношение цена/качество
• не требует значительной площади
• быстрый срок запуска в эксплуатацию

Порядок работы аналитической платформы ААП в автоматическом режиме определяет химический состав стальных и чугунных образцов без участия оператора.

Каждый компонент автоматической лаборатории (терминал ввода проб, станок пробоподготовки, анализатор металлов, робот и др.) может функционировать параллельно и независимо от других. Одновременно могут обрабатываться до трех проб: анализ, подготовка поверхности, маркировка. В это время поступающие пробы могут быть загружены через приемный терминал, и помещены в магазин в режиме ожидания. Их количество определяется емкостью магазина.
После анализа — пробы сбрасываются в контейнер и могут складироваться в отдельном помещении.

Оборудование автоматической лаборатории позволяет анализировать пробы, отобранные разовыми пробоотборниками.

Перед вводом хвостовик пробы удаляется при помощи пневматического резака (pin-cutter HERZOG HSA) или отрезного станка. Максимальный остаточный отросток / хвостовик O5x4 мм.
Автоматизированная лаборатория обеспечивает идентификацию каждой пробы с момента ее загрузки до выдачи результатов анализа. Приемный терминал оснащен блокирующим механизмом, предотвращающим ввод неправильных или необозначенных проб неавторизованным персоналом.

Система подготовки проб имеет конструкцию, предотвращающую выход пыли в атмосферу, и обеспечивает высокое качество подготовки поверхности проб с высокой воспроизводимостью.
Опционально имеется возможность анализа поверхности образца после шлифования для выбора оптимальных точек последующего анализа. Для этого ААП оснащена специальным модулем визуального контроля.
Подготовленный образец подается роботом на ОЭ спектрометр, где производится 2 или 3 измерения для точного определения химического состава образца.

Результаты анализа выводятся на монитор и печатающее устройство. Данные также могут быть переданы по локальной сети и выведены на удаленных мониторах и печатающих устройствах.

После анализа образцы маркируются индивидуальными идентификационными номерами и опускаются роботом в контейнеры для хранения. Образцы сортируются в соответствии с заданными критериями; бракованные образцы хранятся отдельно.
Автоматическая лаборатория также поддерживает следующие специальные функции:

• автоматическую рекалибровку спектрометра;
• автоматическую подготовку контрольных и рекалибровочных образцов.

Система позволяет производить анализ контрольных и рекалибровочных образцов из внутреннего магазина, равно как и возврат образцов на станок пробоподготовки для повторной обработки поверхности.

Выводы.

Преимущества автоматизированных лабораторий:

Высокая надежность, точность анализа, воспроизводимость результатов (отсутствие человеческого фактора). Как правило, АС эксплуатируется одним лаборантом-инженером посменно, функции которого могут включать загрузку проб, но большей частью сводятся к визуальному контролю действий АС на одном или нескольких мониторах. АС освобождают высококвалифицированных специалистов от примитивных рутинных операций для более продуктивного использования их потенциала. 

Метрологическое обеспечение

Метрологические характеристики АЭЛ соответствуют требованиям ГОСТ 18895.

Руководство пользователя и комплект технической документации спектрометра (паспорт, техническое описание, инструкция по эксплуатации, методика поверки приборов, сертификат ГОСТ РФ и др.) выполнены на русском языке.
Оптический эмиссионный спектрометр, входящий в комплект автоматизированной лаборатории, внесен в Госреестр СИ и имеет Свидетельство об утверждении типа средств измерений, поставляется с утвержденной методикой поверки и Свидетельством первичной поверки сроком действия 12 мес.

Nalkho Techno SA  (Налхо Техно) оснащает лаборатории оборудованием фирм- производителей - мировых лидеров в области спектрального анализа и пробоподготовки, оборудованием для проведения полного комплекса материаловедческих исследований.

Сертифицированные инженеры Nalkho Techno обеспечивают аналитическую, методическую и техническую поддержку в течение всего срока эксплуатации оборудования.

Опубликовано: ИТБ "Литье Украины", №06 (154) 2013 г.