Чтобы отобранная проба по своему составу соответствовала действительному составу материала, необходимо брать определенное количество мест из партии и учитывать крупность кусков. Если поступившее сырье или готовая продукция находится в таре (бочки, мешки, банки, ящики и т. д.), то из поступившей партии отбирают определенное количество мест или определенный процент от каждой партии. Если исследуемое вещество не вполне однородно, нужно брать несколько проб из разных мест: снизу, сверху, из середины и с боков. Из бочек пробу берут по вертикали до 3/4 глубины бочки. При отборе сыпучих материалов, поступающих в таре, необходимо отобрать пробу 10% тарных мест, но не менее чем от 3 мест. Пробу берут специальным приспособлением - щупом. Щуп представляет собой железный или медный узкий желоб, заостренный с одного конца. Для более точного отбора проб применяется щуп конструкции Говальского (рис. 1). Крупнокристаллические вещества берут совком.
Рис.1. Щуп конструкции Говальского
1 - клапан; 2 - ручка щупа.
Способы отбора генеральной пробы твердого вещества различны для веществ,, находящихся в виде целого (слиток, стержня, прутья и т.д) или сыпучего продукта. При прибороотборе от целого твердого объекта необходимо учитывать, что он может быть неоднородным. Состав массы отливки может быть отличен от состава ее поверхности вследствие постепенного остывания металла. Так, при затвердевании чугуна его примеси оттесняются внутрь. Неравномерно распределяются в слитках стали углерода, серы, фтора. Процесс расслаивания в слитках металлов и сплавов называется леквацией. Состав анализируемой пробы должен точно соответствовать среднему составу исследуемого материала, иначе анализ, как бы тщательно он не был выполнен, теряет свой смысл, так как он будет характеризовать лишь состав анализируемой пробы, а не всего исследуемого материала. Поэтому отбор пробы, ее усреднение и подготовка к анализу проводятся по строго определенным правилам.
Природные материалы не бывают однородными. Естественные скопления веществ (например, руд или других полезных ископаемых) не возникают обособленно, а находятся среди других пород или в непосредственной близости от них. Поэтому добываемые из земли полезные ископаемые содержат самые разнообразные примеси.
Неоднородность природного материала возникает также в результате хранения его после добычи на открытом месте. В поверхностных слоях в сухую погоду материал выветривается, теряя влагу. В сырую погоду, наоборот, может происходить увлажнение материала. Дождевая вода может глубоко проникать во внутренние слои материала и иногда вызывать химические изменения его. Химические изменения происходят также под влиянием температуры, кислорода и диоксида углерода воздуха.
Крупные и мелкие куски исследуемого материала часто имеют неодинаковый химический состав. При отборе проб отбирают крупные и мелкие куски пропорционально их действительному содержанию в исследуемом материале.
Вследствие различного размера кусочков и их различной плотности во время транспортирования происходит так называемая «сегрегация» материала; при этом мелкие частицы концентрируются в нижних слоях, а крупные в верхних. Сегрегация сильно затрудняет отбор и подготовку проб к анализу.
Учитывая возможность неоднородность целого анализируемого объекта, при отборе пробы его либо дробят, если вещество хрупкое, либо распиливают через равные промежутки, либо высверливают в различных местах слитка.(рис. 3.4)
Отборы проб сыпучих продуктов тем труднее, чем неоднороднее анализируемый объект.В пробе должны быть представлены куски различного размера, полны отражающие состав образца. При отборе пробы сыпучих продуктов масса исследуемого объекта перемешиваются и пробу отбирают в различных местах емкости на различной глубине, используя при этом специальные щупы- пробоотборники. Если материал объекта транспортируется, то пробу отбирают с транспортера или желоба через равные промежутки времени, при другом способе транспортировки берут на анализ, например, каждую десятую лопатку, тачку и т.д
После отбора генеральной (или лабораторной) пробы твердого вещества осуществляется процесс гомогенизации, включающий операции измельчения (дробления) и просеивания. Пробы, содержащие крупные куски, разбирают в дробильных машинах и мельницах разного типа, меньшие в шаровых мельницах и специальных ступках из закаленной инструментальной стали. Которая состоит из плит – основания, закрепляемого кольца и пестика ступки Абиха или Платтнера. Для тонкого измельчения используют фарфоровые, агатовые, яшмовые и кварцевые ступки с пестиками из такого же материала.
Так как в процессе дробления куски разного размера растирают по-разному. Как правило, мягкие материалы измельчаются гораздо быстрее чем твердые Возможны потери в виде пыли, приводящие к изменению состава пробы. Чтобы избежать этого, в процессе измельчения периодически делят крупные и мелкие частицы просеиванием, и крупные частицы растирают отдельно. Операции измельчения и просеивания чередуют до тех пор, пока не получат достаточно растертую однородную пробу. Измельчение проб проводят дроблением с предварительным грохочением. Грохочение – это подготовительная операция, целью которой является разделение сыпучих материалов на классы (два и более) крупности, которые перерабатывают отдельно. Для грохочения проб применяют ручные и механические проволочные (стальные, медные, бронзовые, латунные, никелевые, резиновые, капроновые, капросталевые) сита и грохоты различных конструкций и размеров. В некоторых случаях (в отсутствие грохотов) используют механические встряхиватели, предназначенные для рассева проб при ситовых анализах.
Для измельчения проб используют разнообразные инструменты и механизмы. Большие массы материала с крупностью кусков более 25 мм измельчают дроблением, проводимым в несколько стадий в дробилках, шаровых или стержневых мельницах. Измельчать необходимо все куски без исключения; недопустимо отбрасывать трудноизмельчаемые куски. Дальнейшее измельчение проб до крупности 0,1 мм проводят в дисковых и других истирателях, а также в механизированных металлических или фарфоровых ступках. В ряде случаев, когда крупные куски пробы не проходят через приемные отверстия дробилок, используют ручное дробление на стальной плите с помощью молотков, кувалд или специальных болванок (массой 6-8 кг). Орудия для измельчения должны быть достаточно прочными, чтобы в пробу не попадали в результате истирания материалы, из которых изготовлены части этих орудий.
Дробление бывает сухим и мокрым (с использованием воды для уменьшения пылеобразования). Если же пробы очень влажные, то перед дроблением их подсушивают, иначе они забивают грохоты и дробилки. Для больших проб применяют сушку на воздухе, малые сушат на противнях в печах.
Измельченные до необходимых размеров частиц пробы перемешивают для их усреднения и сокращают. Перемешивание проводят в механическом смесителе, представляющем наклонный вращающийся цилиндр, в верхнее отверстие которого загружается проба, а из нижнего непрерывно выходит равномерно перемешанная смесь
Следующим этапом отбора пробы – усреднение. Включает в себя операции перемешивания и сокращения пробы. Перемешивания проводят механически в емкостях (ящиках, коробках), перекатыванием из угла в угол на различных плоскостях (брезентовые полотнища, листы бумаги).Перемешиванием методом конуса и кольца представлено на (РИС3.5а)
Ручное перемешивание сыпучих материалов в зависимости от массы пробы осуществляют различными способами: перелопачивания, «кольца – конуса», перекатывания.
Способ «кольца – конуса» является наиболее распространенным способом ручного перемешивания большого количества пробы. При перемешивании этим методом материал располагают на площадке в виде кольца диаметром примерно вдвое большим, чем диаметр первоначальной конической кучи сокращаемого материала. Затем один или несколько пробщиков равномерно забирают лопатой или совком материал по внешней или внутренней окружности кольца и перебрасывают его в центр кольца, формируя конус. Каждую порцию материала забрасывают на вершину конуса. Для того, чтобы конус не отходил от своей оси, устанавливают вертикальный стержень или используют направляющую воронку. По мере увеличения конуса крупные куски скатываются с вершины к его основанию, при этом процесс сегрегации (т.е. расслаивания материала по степени его дисперсности вследствие различной величины кусков и различной плотности) усиливается. После пересыпания всего материала конус разворачивают движением стержня или сплющивают сверху в диск широкой доской или лопатой, а затем преобразуют диск в кольцо, после чего операция насыпания конуса повторяется снова. Перемешивание по способу «кольца – конуса», в зависимости от неравномерности пробы, производят до трех раз.
Способ перелопачивания является наиболее простым, но трудоемким методом перемешивания. Он применим при массе пробы в несколько сотен килограммов и крупности максимальных кусков до 100 мм. Этот способ заключается в том, что пробу несколько раз перебрасывают лопатой или совком из одной кучи в другую. При этом материал набирают произвольно из разных мест уменьшаемой кучи. Перелопачивание проводят на ровной, без щелей, чистой бетонной, металлической или деревянной площадке.
Способ перекатывания применим только для проб массой до 20 – 25 кг при крупности кусков не более 10 мм. Пробу высыпают на квадратную подстилку из брезента, пленки или плотной бумаги. Затем поочередно приподнимают углы подстилки так, чтобы проба перекатилась из одного угла в противоположный и вернулась в исходное положение. Цикл операции повторяется не менее 25 раз по обеим диагоналям.
Малые по объему пробы хорошо перемешиваются при растирании в шаровых мельницах. Сокращение пробы проводят различными способами(рис.3.5б,в)
Подготовка первичной пробы. Отобранная первичная проба всегда бывает значительной по массе и может достигать нескольких десятков килограммов. В лабораторию же для анализа необходимо направить не более 2 кг материала. Подготовка лабораторной пробы из первичной заключается в сокращении ее, перемешивании и измельчении. Поскольку у многих материалов наиболее сильно изменяется содержание влаги, отбор лабораторной пробы проводят в таких условиях, при которых влажность изменяется возможно меньше.
Оборудование, применяемое для измельчения проб, должно быть достаточно прочным, чтобы в пробу не попадали продукты его истирания. Пробы измельчают с помощью дробилок, шаровых мельниц или ручным способом. Необходимо измельчать все куски без исключения; недопустимо выбрасывать трудноизмельчаемые куски.
Работы по перемешиванию и сокращению пробы проводят на чистом и ровном полу, без щелей. Для перемешивания пробу насыпают конической кучей (рис. 62, а), высыпая каждую лопату на вершину конуса. Кучу насыпают равномерно, обходя ее кругом и набрасывая материал наверх; образуется конус. Когда весь материал будет собран, его перекладывают, перебрасывая материал лопатой из разных мест кучи на вершину нового конуса.
Для сокращения пробы конусную кучу расплющивают, надавливая на вершину конуса широкой доской, или же кучу развертывают с помощью доски, вдавливая ее ребро в вершину кучи и вращая вокруг оси конуса так, чтобы материал ссыпался к периферии. Развертывание или расплющивание проводят до тех пор, пока куча не превратится в диск равномерной толщины (рис. 62,6). Выравнивать толщину, перебрасывая материал лопатой, не разрешается.
Круг делят на четыре сектора взаимно перпендикулярными диаметрами (рис. 62, в) и два противоположных сектора отбрасывают. Материал в двух оставшихся секторах перемешивают и снова собирают в конус, как и в первый раз. Эту новую кучу расплющивают, делят на сектора и вновь сокращают. Такой способ сокращения пробы называется квартованием. Если требуется, материал измельчают. Такое сокращение в чередовании с измельчением продолжают до получения нужной массы пробы.
Отбор и подготовка лабораторной пробы. Когда масса материала в результате сокращения будет доведена примерно до 5-6 кг, его также ссыпают в коническую кучу, сплющивают ее и делят диск на 16-20 квадратов взаимно перпендикулярными линиями, как показано на рис. 63. В шахматном порядке отбирают порции пробы совком по всей глубине слоя. Совок вертикально погружают в слой до дна, затем, наклонив совок, закрывают его лопатой и вынимают. Полученную среднюю пробу делят на две части (масса каждой около 500 г), помещают в стеклянные банки с притертой пробкой и снабжают этикетками. На этикетке указывают название материала, место отбора пробы, дату и фамилию отборщика пробы. Одну пробу передают в лабораторию для анализа, другую опечатывают и хранят в течение установленного срока на случай арбитражного анализа.
Пробу в лаборатории, не вскрывая тары, хорошо перемешивают встряхиванием. Если требуется определить влажность материала, для этого отбирают часть пробы. Остальную часть пробы измельчают в стальной или фарфоровой ступке и просеивают через сито с отверстиями определенного диаметра (например, 1-2 мм). Непросеявшийся остаток истирают до тех пор, пока вся проба не пройдет через сито. Измельченную пробу сокращают квартованием до получения количества, нужного для аналитических целей (10-20 г). Окончательно всю аналитическую пробу истирают до состояния тончайшего порошка (пудры) в агатовой ступке. Для истирания берут каждый раз небольшое количество пробы и просеивают через сито, диаметр отверстий которого 0,1 мм.
Очень влажный материал предварительно просушивают, а затем измельчают. Сокращение лабораторной пробы проводят на большом не ржавом железном листе или на листе плотной бумаги. Во избежание загрязнений рекомендуется использовать для растирания однородных материалов агатовую ступку. Ступку и пестик после пользования требуется очень тщательно мыть, так как загрязнения на их рабочей поверхности удерживаются довольно прочно
Этот процесс, как правило, многостадийный, включающий повторное перемешивание и деление. Степень сокращения может быть определена заранее на основании расчета величины генеральной и анализируемой пробы, которые получают в результате последовательного уменьшения объема анализируемого объекта.