鐵礦石、錳礦石和鉻礦石取樣和樣品制備技術(shù)概況

郭成偉，王歡，蔣曉光，王艷君

(中華人民共和國鲅魚圈海關(guān)，遼寧營口 115007)

金屬是當(dāng)今社會發(fā)展必不可缺的基礎(chǔ)材料和重要的戰(zhàn)略物資，其產(chǎn)量和消費(fèi)能力體現(xiàn)一個(gè)國家的綜合國力。金屬來源于金屬礦產(chǎn)，我國將金屬礦產(chǎn)分為黑色金屬礦產(chǎn)、有色金屬礦產(chǎn)、貴金屬礦產(chǎn)、稀有金屬礦產(chǎn)、稀土金屬礦產(chǎn)和分散元素金屬礦產(chǎn)。黑色金屬礦產(chǎn)包括鐵礦、鉻礦、錳礦、釩礦和鈦礦，我國黑色金屬礦產(chǎn)資源品種齊全，儲量豐富，分布廣泛［1］。其中，鐵礦總保有儲量礦石463 億噸，居世界第五位；錳礦總保有儲量礦石5.66 億噸，居世界第三位；鉻礦總保有儲量礦石1 078 萬噸，富礦少，遠(yuǎn)不能滿足需要。2019 年，我國鋼鐵產(chǎn)量9.936 4 億噸，占全球鋼鐵產(chǎn)量的半壁江山，穩(wěn)居全球第一。我國鋼鐵工業(yè)的主要原料鐵礦石、錳礦石和鉻礦石進(jìn)口量大，對外依存度分別在80%，55%，95%以上，貿(mào)易中經(jīng)常發(fā)生質(zhì)量糾紛，有些質(zhì)量糾紛對檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)采取的樣品的代表性提出質(zhì)疑，質(zhì)疑涉及到取樣和樣品制備方法、取樣部位、最小樣品數(shù)和最小樣品量、縮分方法和最小留樣量、取樣和樣品制備設(shè)備等。國內(nèi)也有人對鐵礦石、錳礦石、鉻礦石取樣和樣品制備技術(shù)進(jìn)行了探討和研究［2–11］。筆者從影響樣品代表性的要素角度綜述了鐵礦石(包括直接還原鐵和熱壓塊)、錳礦石和鉻礦石取樣和樣品制備方法標(biāo)準(zhǔn)中的取樣部位、品質(zhì)波動、最小樣品數(shù)和最小樣品量、縮分方法和最小留樣量、取樣和樣品制備設(shè)備的要求，分析了影響樣品代表性的因素并提出了應(yīng)采取的措施。

1 取樣和樣品制備方法標(biāo)準(zhǔn)

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和我國均制訂了鐵礦石（包括直接還原鐵和熱壓塊）、錳礦石和鉻礦石取樣和樣品制備方法標(biāo)準(zhǔn)。我國鐵礦石、直接還原鐵與熱壓塊、錳礦石和鉻礦石取樣和樣品制備方法的國家標(biāo)準(zhǔn)等同采用ISO 標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

表1 鐵礦石(包括直接還原鐵和熱壓塊)、錳礦石和鉻礦石取、制樣方法標(biāo)準(zhǔn)

2 取樣

2.1 取樣器具

2.2.1 機(jī)械取樣裝置

文獻(xiàn)［12，14，17］中給出了機(jī)械切割型取樣機(jī)、手工樣品切割型取樣器的基本要求。

2.2.2 手工取樣器具

手工取樣器具應(yīng)保證不引入取樣偏差。取樣鏟和取樣探子是手工取樣最常用的器具，一般為不銹鋼材質(zhì)。

(1)取樣鏟。鐵、錳和鉻礦取樣方法標(biāo)準(zhǔn)中使用的取樣鏟技術(shù)要求和尺寸見表2。取樣鏟可有三角形尖，以方便插入礦石中。沒有三角形尖的取樣鏟即可用作取樣鏟，還可作為份樣縮分法的份樣鏟。

表2 取樣鏟技術(shù)要求與尺寸

(2)取樣探子。常用的取樣探子有針形取樣探子、鏟式取樣探子和管式取樣探子。針形取樣探子適用于最大公稱粒度小于1 mm 礦物取樣。鏟式取樣探子可由被切成兩等分的管子制作，插入礦物中的銳角端為圓錐狀，隔板焊接于管子另一端隔斷主腔。管式取樣探子是一支裝有木柄的管子，管子可以是整個(gè)的或有兩槽的管子，兩槽管子上安有擋圈。

2.2 品質(zhì)波動

品質(zhì)波動(quality variation)是對交貨批不均勻性的度量。在系統(tǒng)取樣法和分層取樣法中，σW是交貨批中取出的份樣間的品質(zhì)特性的標(biāo)準(zhǔn)偏差。在二級取樣法中，σb是交貨批中選出的貨車之間的品質(zhì)特性標(biāo)準(zhǔn)偏差；σW是從選出的貨車內(nèi)取出的份樣間的品質(zhì)特性標(biāo)準(zhǔn)偏差。一般將品質(zhì)波動分為大、中和小三個(gè)類型。鐵(包括直接還原鐵和熱壓塊)、錳和鉻礦的品質(zhì)波動類型見表3。

表3 品質(zhì)波動類型

2.3 份樣量

份樣量是指由一交貨批礦石中的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)部位按規(guī)定質(zhì)量取出的樣品。根據(jù)最大粒度確定每個(gè)份樣的質(zhì)量。鐵礦石(包括直接還原鐵)、錳礦石和鉻礦石手工取樣應(yīng)采取的最小份樣量見表4。

2.4 份樣數(shù)

為了保證取樣精密度，對品質(zhì)波動大小未知的和需要進(jìn)行粒度試驗(yàn)的樣品，應(yīng)按品質(zhì)波動“大”采取份樣數(shù)，當(dāng)樣品用作測定一個(gè)以上品質(zhì)特性時(shí)，按品質(zhì)波動“大”采取份樣數(shù)。不同批量鐵礦石、鉻礦石、錳礦石、直接還原鐵和熱壓塊采取的最小份樣數(shù)和取樣精密度分別見表5～表8。

表4 手工取樣采取的最小份樣量

表5 鐵礦石采取的最小份樣數(shù)和取樣精密度

表6 鉻礦石采取的最小份樣數(shù)和取樣精密度

表7 錳礦石采取的最小份樣數(shù)和取樣精密度

表8 直接還原鐵和熱壓塊采取的最小份樣數(shù)和取樣精密度

2.5 取樣部位

交貨批中所有部位的礦石都有同等的機(jī)會被采取，并成為用于分析的副樣或大樣的一部分，最好在帶式輸送機(jī)之間的轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)以固定的間隔截取到礦石流的全截面。不允許在貨船、料堆、集裝箱和料倉上就地取樣。

3 樣品制備用設(shè)備

3.1 縮分用器具

(1)份樣鏟。份樣鏟是沒有三角形尖的取樣鏟，其規(guī)格和尺寸見表2。

(2)十字分樣板。十字分樣板一般分大、中、小三種，用于四分法四等分樣品用。

(3)二分器。二分器是非機(jī)械式樣品縮分器，樣品通過時(shí)被縮分成兩等分。二分器型號和尺寸見 表9。

3.2 破碎、研磨設(shè)備

(1)鄂式破碎機(jī)。鄂式破碎機(jī)是破碎礦石樣品設(shè)備之一，分為PJ 系列(簡擺顎式破碎機(jī))［27］、PE 系列(復(fù)擺鄂式破碎機(jī))［28］和PEX 系列(復(fù)擺細(xì)碎式鄂式破碎機(jī))［29］，PJ 系列的型號有PJ–400，PJ–500，PJ–600，PJ–750，PJ–900，PJ–1200，PJ–1500，PJ–2100，PE 系列的型號有PE–150×250，PE–250×400，PE–400×600，PE–500×750，PE–600×900，PE–750×1060，PE–900×1200，PE–1200×1500，PEX 系列的型號有PEX–100×600，PEX–150×500，PEX–150×750，PEX–200×1000，PEX–250×750，PEX–250×1000，PEX–250×1200，PEX–300×1300，PEX–350×750。金屬礦產(chǎn)品粒度一般小于300 mm，金屬礦產(chǎn)品樣品制備使用較多的是PE 系列和PEX 系列鄂式破碎機(jī)。市售標(biāo)準(zhǔn)型號以外的顎式破碎機(jī)，最小出料粒度小于1 mm；也有專用顎式破碎機(jī)，如浙江福特機(jī)械制造有限公司的HJPS 型合金料破碎專用顎式破碎機(jī)。各系列顎式破碎機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表10。

(2)雙輥破碎機(jī)。常用的雙輥破碎機(jī)有雙光輥破碎機(jī)和雙齒輥破碎機(jī)。礦產(chǎn)品樣品制備通常采用雙光輥破碎機(jī)。JB／T 10245–2015 《雙輥破碎機(jī)》中給出了雙光輥破碎機(jī)的技術(shù)參數(shù)［30］，其主要技術(shù)參數(shù)見表11。

表10 鄂式破碎機(jī)

表11 雙光輥破碎機(jī)

(3)震動研磨機(jī)。震動研磨機(jī)是金屬礦產(chǎn)品制樣的常用設(shè)備之一。震動研磨過程中，物料發(fā)熱量較大，不適用于化合水和／或易被氧化的物質(zhì)含量高的礦物(如褐鐵礦)。裝料量和出料粒度是震動研磨機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)，典型震動研磨機(jī)的技術(shù)參數(shù)見表12。

(4)圓盤粉碎機(jī)。圓盤粉粹機(jī)為直通式粉碎設(shè)備。相對于震動研磨機(jī)而言，物料粉碎過程中發(fā)熱量較少，適用于含有化合水和／或易被氧化的物質(zhì)含量高的礦物(如褐鐵礦)。典型圓盤粉粹機(jī)技術(shù)參數(shù)見表13。

4 樣品制備

4.1 樣品制備方法

礦產(chǎn)品樣品制備常用的方法有份樣縮分法、格槽縮分法、圓錐四分法、機(jī)械縮分法，這些縮分方法在鐵(包括直接還原鐵和熱壓塊)、錳礦石和鉻礦石樣品制備中的使用情況見表14。

表12 典型震動研磨機(jī)的技術(shù)參數(shù)

表13 典型圓盤粉碎機(jī)技術(shù)參數(shù)

表14 縮分方法使用情況

4.2 份樣縮分法采取的最小份樣數(shù)

份樣縮分法是最普遍使用的樣品縮分方法之一，在鐵礦石(包括直接還原鐵和熱壓塊)、錳礦石和鉻礦石樣品縮分中均有使用，該法使用的份樣鏟見3.1，采取的最小份樣數(shù)見表15。

表15 份樣縮分法采取的最小份樣數(shù)

4.3 縮分最小留樣量

制備化學(xué)分析和水分測定用樣品時(shí)，不同粒度級的大樣、副樣和／或份樣的縮分最小留樣量亦有不同。鐵礦石和直接還原鐵化學(xué)分析和水分測定用樣品的縮分最小留樣量見表16；鉻礦石、錳礦石化學(xué)分析和水分測定用樣品的縮分最小留樣量見表17。

5 實(shí)例

文獻(xiàn)［8］采用震動研磨機(jī)研磨褐鐵礦(楊迪礦)：研磨2 min 時(shí)總鐵含量為57.87%，進(jìn)一步間歇式研磨3～12 min，總鐵含量從58.00%提高到58.43%，即褐鐵礦樣品研磨時(shí)間越長，樣品溫度升的越高，樣品中的化合水失去的越多，導(dǎo)致樣品中總鐵含量相對提高。該實(shí)例證實(shí)不宜使用震動研磨機(jī)研磨褐鐵礦，褐鐵礦樣品研磨至160 μm 即可。

表16 鐵礦石和直接還原鐵化學(xué)分析和水分測定用樣品的縮分最小留樣量

表17 鉻礦石和錳礦石化學(xué)分析和水分測定用樣品的縮分最小留樣量

6 結(jié)語

在鐵(包括直接還原鐵和熱壓塊)、錳礦石和鉻礦石檢驗(yàn)檢測中，有的檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)重視化學(xué)分析，對取樣和樣品制備工作重要性認(rèn)識不足、資源配備欠佳，對取樣和樣品制備人員缺乏專業(yè)培訓(xùn)，導(dǎo)致取樣和樣品制備人員不能正確執(zhí)行取樣和樣品制備方法標(biāo)準(zhǔn)。有的取樣和樣品制備方法標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)齡長、技術(shù)信息少。建議有關(guān)部門應(yīng)采取相應(yīng)措施，加大取樣和樣品制備方法標(biāo)準(zhǔn)宣貫和人員培訓(xùn)力度，配備相應(yīng)的取樣和樣品制備資源，修訂標(biāo)齡長的取樣和樣品制備標(biāo)準(zhǔn)，確保取樣和樣品制備人員能正確執(zhí)行取樣和樣品制備方法標(biāo)準(zhǔn)、采取有代表性的樣品。