有色金屬冶煉廠中心化驗室的設計研究

彭少君

（中國恩菲工程技術有限公司，北京 100038）

在現代有色金屬冶煉廠中，中心化驗室的主要任務是檢測原料、周轉物料、產品、半成品和副產品的成分，承擔著全廠各車間生產過程的控制分析以及其他科研等輔助任務。有色金屬中心化驗室的設計應在滿足相關國家設計規范的前提下，滿足安全生產、功能合理、便于操作、方便管理、節約投資等要求。

常見的有色金屬冶煉廠主要包括銅、鉛、鋅、鎳有色冶煉廠，這些冶煉廠的各類精礦通常含銅、鉛、鋅、鎳、鈷、砷、銻、鉍、鐵等金屬元素，以及硫、碳、氟、氯等非金屬元素，因此這些元素是有色冶煉廠主要的分析對象。此外，冶煉工藝中常用的輔料、熔劑如煤等，與環保相關的廢水、廢氣等也是化驗室重要的分析對象。

這些需分析的元素和對象就是中心化驗室的工作量，是化驗室設計中最主要的設計依據。因此，在設計中心化驗室前，需由工藝專業，如火法冶煉、濕法冶煉等提出本專業每班或每天對各種試樣取樣的次數，需要分析的元素及大致含量，表1、表2列出了某鋅冶煉廠的化驗分析工作量。

1 工藝設計

中心化驗室的設計，首先應根據分析任務量來確定使用的分析方法，以及相關的分析儀器和設備，再根據設備特征以及中心化驗室的職能要求來做整體配置以及其他公輔專業的設計。

1.1 分析方法的確定

分析方法應滿足生產的需求，需符合相應的法規、標準和規范，精礦和產品的質量仲裁都應按現行國家標準或行業（部標）標準規定的方法執行。

通常，微量、痕量的雜質元素采用現代化儀器分析，而主量、常量元素的分析選擇化學分析如滴定等方法來完成，也有一些儀器如X射線熒光分析儀適用于主量、常量元素的分析。人們應根據需檢測樣品的含量、物理形態，結合各類儀器設備的適用范圍來選擇合適的分析方法。

1.2 設備選型

分析方法的確定與分析儀器的選型是相輔相成的，需根據儀器設備的功能、適用范圍和需要分析的元素及其大致含量，進行儀器與設備選擇。

鑒于有色冶煉廠中心化驗室的分析對象和任務，通常選用光電直讀光譜儀（ARL）、X射線熒光光譜儀（XRF）、電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-AES）、原子吸收分光光度計（AAS）這四種分析設備作為主要的分析儀器，這四種設備的分析范圍很廣，可滿足大部分金屬雜質檢測的分析要求，再輔助其他儀器設備來完成化驗室所有的分析任務，下面詳細介紹各種分析設備的功能和適用范圍。

光電直讀光譜儀（ARL）適用于金屬樣品的檢測，可測量銅、鉛、鋅、鎳、鈷、鐵、鋁、鈦、錫、鎂、金、銀等，分析雜質范圍：0.00001%～40%，通常用于這些金屬產品或中間產品中常量、微量、痕量、超痕量的雜質元素的多元素定量分析，需配備氬氣凈化器、車床等制樣設備、UPS或穩壓電源。

X射線熒光光譜儀（XRF）與光電直讀光譜儀（ARL）有些類似，它適用于金屬樣、渣樣、粉末樣、玻璃溶片樣等樣品的多元素微量、痕量成分分析，也可進行主量、常量元素檢測，檢測范圍極廣，可分析元素周期表中O～U，分析范圍為0.0001%～100%，需配套冷水機以及制樣設備如壓樣機、熔融爐和振動磨樣機等。

表1 化驗分析工作量（固體）

表2 化驗分析工作量（液體）

電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-AES）可分析元素周期表中的大部分金屬元素和部分非金屬元素，是檢測溶液樣品中多元素常量、微量、痕量成分分析的重要手段，檢測范圍為0.0001%～15%，需配備冷水機、氬氣凈化器、UPS或穩壓電源。

原子吸收分光光度計（AAS）也是分析液體樣品的重要分析儀器，與ICP-AES相比，分析的金屬元素偏少一些，分析精度也較低，可分析樣品中含量5%以下的金屬元素和極少的非金屬元素，需根據分析的元素配置空心陰極燈，也需要配置穩壓電源。

此外，還需要根據不同的分析要求選擇一些輔助的分析設備，主要包括原子熒光光譜儀、可見光分光光度計等。原子熒光光譜儀（AFS）通常用來分析砷、銻、鉍、汞、硒等元素，硫碳測定儀用于固體試樣中的硫、碳檢測，分光光度計可用于溶液試樣中含量小于1%的陰離子檢測，如氟離子、硝酸根離子等。電位滴定儀適用于酸度及氯離子等難以觀察滴定終點的滴定操作中。試金爐、灰吹爐是金銀檢測的常規設備。煤炭檢測的儀器主要包括量熱儀、工業分析儀、定碳儀等。此外，還有一些用于物理性質檢測的分析設備如X射線衍射儀等，或者其他一些特殊功能的小儀器，可根據分析要求進行選用。

2 中心化驗室配置

設備和分析方法確定后可進行中心化驗室的配置，中心化驗室的配置應以簡單實用為原則，房間的長度在6～7 m，寬度一般為3.6 m，兩側為房間，中間設置一個2.4～3 m寬的過道。中心化驗室的樓層一般不超過三層，房間主要由制樣室、化學分析室、儀器室和輔助室四部分組成。

制樣室主要用于試樣的破碎、研磨縮分、干燥等操作，主要包括破碎室、研磨室、干燥室、副樣存放室等房間。由于制樣室的主要設備如破碎機、振動磨樣室有振動、灰塵和噪音，一般將制樣室配置在中心化驗室的首層，或者單獨配置在中心化驗室旁的單層建筑，也有項目為方便取樣，在地磅房附近設置一個單獨的取制樣室，用于取樣、縮分等操作。

化學分析室用于滴定等分析操作，主要包括滴定室、化學處理室、熔融室、蒸餾室等。一般設通風櫥或通風罩，盡量集中布置，方便風機和管道集中配置。

儀器室也是現代中心化驗室中非常重要的功能房間，主要包括天平室、光電直讀光譜室等房間。大型精密儀器如光電直讀光譜儀、X射線熒光光譜儀等要求防震較嚴格的設備最好配置在一層，遠離振動源。

輔助室主要包括純水室、標準室、工作氣瓶室、配電室等房間。需考慮防火防爆的可燃氣體氣瓶室一般放置在第一層的端頭，方便做防火防爆的特殊設計。

根據分析任務來確定所需的房間，應以滿足生產、安全為主，其他輔助要求為輔，統籌配置。圖1為某銅廠中心化驗室的布置圖，該銅冶煉廠為2層配置，配置中分別考慮了分析功能區、生活功能區。

工藝管道與水管、通風管道應統籌考慮設計位置，可燃易爆氣體的管道宜明線敷設，不宜穿過不相關的房間，相關閥門、儀表應設置于易于操作、觀察和檢修的位置[2]。

3 結語

中心化驗室除了承擔全廠的試驗分析任務，還會針對本廠各種試樣開發各類新的分析方法，另外，通常需設置環保室等房間來放置現場產生廢氣、廢液的儀器設備等。為了有效提升中心化驗室的設計水平，其不僅需要全面考慮中心化驗室的實用性、合理性、安全性，以及各個專業的設計需求，還需要滿足相關設計規范的要求。隨著技術的不斷提升，選擇先進的設備和分析方法也是非常必要的。

參考文獻

1 中華人民共和國工業和信息化部.SH/T 3103-2009石油化工中心化驗室設計規范[S].北京：中國標準出版社，2009.

2 張運翻.高純氣體管道設計[J].工程設計與應用研究，2009，（3）：1-6.