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獻禮“十九大”——醒來,中國鮞狀鐵礦

來源:地調局成都綜合利用所 作者:地調局成都綜合利用所 發布時間:2017-10-18

  “喚醒沉睡的寶藏!”當地質隊員找到埋藏于深山億萬年的礦產資源時,常用這句話表達心中的喜悅與激情。可是,如果記者告訴你,在我國,有一種差不多百年前就找到的鐵礦資源——遠景資源量超百億噸的鮞狀赤鐵礦,卻因選礦技術掣肘,直到今天——中國經濟社會發展急需鐵礦石而又受制于進口鐵礦石屢創天價的今天,仍只能“沉睡”時,你會作何感想?

  最終“喚醒”這百億噸“寶藏”的,是他們——以劉亞川、張裕書、李元坤為項目負責人的中國地質科學院礦產綜合利用研究所的地質科技工作者們。近期,記者來到成都市,走進綜合所科研大樓,采訪了解開鄂西鮞狀赤鐵礦選礦這個“世界難題”的科學家們。

  歷史閃回:寧鄉式鮞狀赤鐵礦的百年滄桑 

  上世紀20年代初,地質學家丁格蘭在江西省萍鄉作地質調查時,發現了那里的鮞狀赤鐵礦層,遂命名為“萍鄉式鐵礦”。因為他認為此類鐵礦無重大經濟價值,甚至都未曾確定含礦層的地質時代,只是在1923年的《地質專報》上有所提及而已。

  1935年,謝家榮、孫健初和程裕淇等學者在長江中下游考察時,在湖南省的攸縣、茶陵、寧鄉、新化、安化及湖北省的宜都、枝江、長陽等地, 又一次發現了這種鐵礦。這一次,他們將賦存于上泥盆統海相地層中的鮞狀赤鐵礦,命名為寧鄉式鐵礦。3年后,王曰倫等地質學家,對寧鄉上泥盆統的鐵礦區進行了系統的地質調查,并發表了《湖南寧鄉鐵礦地質》。

  上世紀50年代末和70年代的鐵礦會戰中,新中國投入大量人力物力,開展了寧鄉式鐵礦勘查工作,提交了500余份普查、勘探報告等。經過五六十年間斷續的地質工作,已經查明,寧鄉式鮞狀赤鐵礦是我國分布最廣且儲量最多的沉積型鐵礦,廣泛分布于華南的湖北、湖南、江西、四川、云南、貴州、廣西及甘肅南部,已探明儲量達37.2億噸,占全國沉積鐵礦探明儲量的73.5%,預測資源量則可達上百億噸。其中,僅在湖北省的長陽、五峰、巴東、建始縣境內,就發現寧鄉式鮞狀赤鐵礦礦產地 89 處,其中大型礦床 4 處、中型礦床21處、小型礦床27處,查明鐵礦資源儲量近17億噸。

  不僅在中國,世界其他地方比如美國、法國等,都發現了大量的鮞狀赤鐵礦。但是,這種鐵礦因鮞粒繁多,結構復雜,品位低且含磷高,選冶效果差,被全球礦業界公認為難選冶礦石。雖然發達國家也在攻克這個難題。但是,無論是意大利,還是法國和日本,最終都無一例外地避重就輕繞道而過,或只選擇高品位的富鐵礦石進行脫磷,或避開選礦這個程序而選擇了在高能耗的冶煉過程中實現脫磷。

  從上世紀60年代起,我國也開始攻關寧鄉式低品位鐵礦的開發利用難題,當年的成都綜合所與我國多家科研單位、大專院校等,都先后進行過研究,并開展了數次規劃論證。遺憾的是,所有科研項目,差不多都在礦石“磷高難降”、“鐵貧難富”這兩只“攔路虎”面前,夭折了。

  寧鄉式鐵礦的開發利用,還要等待多久?誰能找到“芝麻開門”的秘訣,喚醒沉睡的寶藏?

  新世紀長鏡頭:明知山有虎,偏向虎山行 

  面對鮞狀赤鐵礦選冶這一世界級難題,中國能走出一條自主創新的低品位鮞狀赤鐵礦的低碳選礦之路嗎?

  “我們所再次選擇寧鄉式鮞狀赤鐵礦攻關,就意味著選擇了一條曲折的充滿荊棘的科研之路,很像在攀登一座看不到頂的險峰。”采訪中,綜合所所長、寧鄉式鐵礦利用工藝技術研究項目第一負責人劉亞川對記者說。

  是的,新世紀之初,當這項科研項目再一次被提到地科院綜合所議事日程的時候,一石激起千層浪。有人充滿擔心:我們并非沒有上馬過這項研究,如果再一次無功而返,豈非勞民傷財?有人提出質疑:以發達國家的先進技術與設備,尚且沒能取得突破,我們再搞,成功的可能性到底有多大?有人說得更干脆:還是不要以卵擊石吧!

  但是,綜合所里,更多的科技人員卻熱議著:當前,國際鐵礦石市場被外國礦業巨頭壟斷,鐵礦石價格一路飆升,中國處處受制于人,扭轉這種局面的最有效辦法,就是立足國內找鐵。我國目前的三種類型鐵礦中,以鞍山為代表的沉積變質型鐵礦和以攀枝花為代表的巖漿型鐵礦,都已實現了開發利用,唯有以寧鄉為代表的鮞狀赤鐵礦,仍在沉睡,這種狀況不能再繼續下去了!開發利用儲量巨大的鮞狀鐵礦,對于我們這個以實現礦產資源綜合利用為己任的地質科研單位來說,責無旁貸!

  劉亞川所長看得更長遠。他的話擲地有聲:“已經找到的呆礦,如果得不到利用,將毫無意義。而且,正在重慶開展的幾個鐵礦整裝勘查項目,都是難選冶礦,都需要通過綜合利用實現其價值。在當前我國礦產資源供給吃緊形勢下,上馬鮞狀鐵礦項目,意義重大。再說,礦山企業、商業性投資者不愿冒風險涉足的科技攻關項目,更需要我們公益性地質科技工作義無反顧地擔當。還要看到,當今選礦設備、選礦藥劑等在不斷更新換代,都已今非昔比,問題是,我們必須在總結以往失敗的選別方法基礎上,另辟蹊徑,以飽滿的熱情和強烈的責任心,找到一條節能降耗和低成本的選礦之路!”

  就這樣,2005年,寧鄉式鐵礦利用工藝技術研究的論證工作,開始了。

  “思路決定出路”——對于科學研究來說,同樣如此。張裕書等項目組科技人員,立即投入了對以往國內外研究成果、相關資料的搜集、整理、對比,以期通過梳理與研究,提出新的科研思路。

  此時,國內攻關鮞狀赤鐵礦的科研單位已經有八家,他們都不約而同地選擇了慣常的選礦思路,即提鐵降磷(提高鐵的品位,降低磷的品位)的正浮選之路,但都在降磷難關面前躊躇不前。

  其實,綜合所在上世紀70年代,就曾對高磷鮞狀赤鐵礦進行過至少四種方法的試驗研究。當然,結果均不如人意。

  比如,采用焙燒磁選流程,鐵精礦品位雖達56%,但堿比1.2的燒結礦品位下降為48%;圍巖混入率高,在采用鞍山式豎爐閉路焙燒時,其圍巖與未燒透的鐵礦石因屬非磁和弱磁性,在磁滑輪作業中一同進入返礦中,再進豎爐焙燒勢必造成惡性循環,而要克服此弊端,流程將更為復雜,且存在著難以解決的粉礦處理問題。

  采用重選—浮選流程,燒結出的樣品與單一重選流程樣品相比,品位很接近,若不考慮除磷則更無意義;而繼續深選,也只能選除已解離的碳酸鹽礦物,大部分硅質礦物仍存留鐵精礦中,冶煉時,必須大量配入石灰石,精礦品位再度降低,因此,也無多大意義。

  采用重選—直接還原—磁選流程,可獲得含鐵94%的金屬鐵粉,原礦回收率達85%,選別指標較好。但是,在試驗室中取得的指標較好,卻難以在現實中實現1250攝氏度高溫和長達3個小時還原時間,在當前我國工藝條件下,無法實現工業化生產。

  再有,鄂西寧鄉式鐵礦含磷高是其特點,作為伴生元素,每1億噸鐵礦石中,伴生的磷礦石就達1500萬噸左右,相當一個中型磷礦。因此,磷的綜合利用,也是個不可忽略的問題。

  在科學的道路上,無論成功的經驗,還是失敗的教訓,對后來者,都是寶貴財富。現在,項目組總結了國內外以及自己以往科研實踐的利與弊,就意味著他們已經站在了前人的肩膀上,就意味著他們可以趨利避害,向著新目標前進了。于是,在此基礎上,他們又通過對鮞狀赤鐵礦深入的工藝礦物學研究和還原相變研究,提出了新的科研技術路線。

  2005年末,浸透著綜合所科技人員心血的《鄂西寧鄉式鐵礦利用工藝技術研究》課題,被列入中國地質大調查項目中。

  滄海與桑田蒙太奇:在鄂西深山尋找實驗樣品 

  從2006年起,張裕書、李元坤、蒙立棟、劉述平等項目組科技人員,一頭扎進了鄂西的崇山峻嶺中。

  張裕書是位年逾五十的女礦物學家,但仍像年輕人一樣攀山越嶺。“天哪,沒想到的是,鄂西不少地方都有人在偷偷地亂采濫挖赤鐵礦,完全是破壞性的。”她在接受記者采訪時痛心疾首,“那一刻,我忽然意識到,我們的科研是在與時間賽跑,與盜采礦產資源的人賽跑。因為,如果采富棄貧的非法行為再延續下去,將來即使解決了選礦問題,怕是也無法整裝開發了。”

  從那一刻起,鄂西神農架神秘的洞窟與漫野綠蔭、武當山瑰麗的宮殿與遍嶺山花,再也吸引不住礦物學家的眼球;楚韻巴風的人文景觀,侗歌苗舞的徹夜狂歡,再也拉不住礦物學家前行的腳步。項目組人員的目光,緊緊盯住了裸露在山野間的那些紅褐色的巖石上——那里,有著他們夢寐以求的鮞狀赤鐵礦。在他們眼里,鄂西的紅巖,遠比武當山宮殿金色的琉璃瓦更光芒四射。當地質錘敲打堅硬紅巖發出的金屬般叮當聲在寂靜山間回蕩的時候,在他們聽來,遠比任何侗族大歌悅耳動聽。

  美麗的鄂西地區,4億年前,在被地質學家稱為“魚的世界”的中泥盆世時期,曾經是汪洋中的一片海灣。在這里,沉積了砂巖和少量碳酸鹽。鐵礦層, 也就開始產于碳酸鹽巖內。到了晚泥盆世時, 海水進一步蔓延, 于是,沿湘、贛交界和鄂西、湘西北相對較封閉的海盆或海灣深達數十米的溫暖海底,漸漸形成了一批以鮞狀赤鐵礦為主的大中型鐵礦床。億萬年中,由于未受到強烈地質活動影響,赤鐵礦物和石英、黏土、磷、硅等,像樹木的年輪那樣,一圈圈地層層包裹,緊緊膠著,你中有我,我中有你,像熱戀中的情人生生死死擁抱在一起,而且,多數赤鐵礦單體或集合體粒度極小,只有5~30微米大小,極難粉碎與分離。

  就這樣,大自然在賜給人類鮞狀赤鐵礦寶藏的同時,也給人類預留了一道大大的難題。

  現在,綜合所專家行色匆匆的步履,就穿行在這片“曾經滄海難為水”的鄂西山野間。他們在恩施、宜昌、五峰地區的官莊、黃糧坪、謝家坪礦區踏勘,收集礦區地質資料和前人工作材料。同時,在官莊、官店、火燒坪、黃糧坪、謝家坪等礦區,采集探索性小樣。在恩施,他們還與湖北省地質二隊簽訂了協議,由二隊承擔官店礦區原礦采樣,供科研使用……

  當項目組返回成都時,官店礦區6噸試驗礦樣,已經運抵研究所。

  來不及修整,項目組成員立即投入了科研之戰。

  科研大特寫:站在科學高峰上歡呼,將“世紀難題”踩在腳下 

  在影視作品中,我們常常看到身著潔白長衫的科學家,坐在一塵不染的實驗室中,將面前各種各樣晶亮試管中五顏六色的試劑倒來倒去,又高雅又神秘。其實,那只是藝術需要。

  當記者走進綜合所工藝礦物學和選礦實驗室,發現這里簡直就是一個微縮的生產車間——在這里,恩施來的6噸樣品,再加上項目組野外踏勘時在其他幾個礦區采集到的樣品,要分別進行碎樣,按不同的礦點和層位加以區分、記錄、編號;對破碎出的正式試驗樣品,要添加預先設置好的試劑,均勻地涂抹在小小的狹長的玻璃片上,制作成玻片;要在顯微鏡下,耐心地一絲不茍地觀察、分辨、記錄下不同數據;最后,要按照不同選別方案,進行選礦探索性試驗工作……

  在這里,粉碎礦樣的微型磨機,每天都在發出嗡嗡的噪音;透明的有機玻璃容器中,礦粉在溶液與試劑的作用下,發生著化學變化,散發出各種氣味,流入下邊像小簸箕一般的鐵槽中,伴隨著鐵槽橫向震動篩選,其中的鐵、锍、硅等元素,依自身各不相同的比重,一步步次第分流到更下邊的不同容器中……

  在這里,盡管科研人員都穿著耐臟的深藍色大褂兒,但褐色的粉塵、暗紅的鐵銹和試劑等,仍難免將藍衫染得紅一塊紫一塊。實際上,這里的“白領”遠比車間里的“藍領”辛苦得多。因為,工人只要按照既定的千篇一律的工作流程操作,只要保證機器正常運轉,就可以了。可科技人員不成,他們要在礦物每一次的物理或者化學演變后,立即停下來,將新獲得的實驗樣品制成玻片,放到顯微鏡下,放到其他精密儀器中,仔細觀察、記錄其變化情況,用以驗證自己的設計與設想……

  幾年里,項目組成員,就是這樣一天天做著各種不同的設計與實驗,一次次向破解鮞狀鐵礦石最佳選礦技術方法發起沖擊。當你了解到科研人員在千百次的試驗中,要千百次經受失敗的無情打擊的時候,你才能理解他們的科研之路是多么曲折漫長,他們的精神世界是多么堅韌不拔。

  時間,記錄了項目組選礦攻堅克難的辛勤付出,也見證著他們一步步攀登科技高峰的創業史:

  2006年到2007年,項目組完成了探索試驗樣和正式試驗研究礦樣的采集與制備,對6個探索樣和正式樣開展了工藝礦物學研究工作,對7個樣品開展了不同磁選方法和磁—浮聯合工藝的選礦探索試驗研究。得到的結果是,單一磁選工藝雖然能使鐵的品位大于50%,鐵精礦回收率達到80%左右,但精礦中磷的含量則在0.55%~0.85%,為不合格精礦。經再磨—脫泥—浮選后,磷雖然降到0.3%以下,鐵精礦品位達55%,但回收率又太低。總之,兩年的努力奮斗,以失敗而告終。

  鮞狀赤鐵礦選礦科研工作,一時間似乎陷入了絕境。 

  這時候,新的選礦藥劑和新的選礦方法,成了橫亙在項目組面前的一座大山。

  2008年,項目組終于艱難地登上了“科研之山”,迎來了“柳暗花明又一村”——新的磨礦—磁選—解膠磁選工藝研究,最終獲得鐵精礦品位56.12%、磷0.13%,鐵回收率73.35%的好成績。特別是,在開展磨礦—脫泥—浮選工藝研究脫硅脫磷浮選探索試驗時,項目組研制的EM-1脫磷和EM-506陽離子脫硅捕收劑問世了——新藥劑的發明,不僅讓長久以來困擾項目突破的難題迎刃而解,更使鮞狀赤鐵礦的各項研究指標,一下子躍居全國同類研究領先水平!

  2009年,磨礦—脫泥—浮選工藝更上層樓,獲得了鐵品位57.62%,磷低于0.03%,鐵回收率達80%以上的合格鐵精礦產品!

  在礦業領域,一項科技創新成果要想從實驗室走向生產一線,還必須再攀上最后一道“山嶺”——中試,就是說,要經過一項幾乎與生產實際一樣的科學檢驗。2010年6月,鮞狀赤鐵礦選礦新技術項目在綜合所峨眉基地中試成功!10月,當記者走進峨眉山腳下的中試車間時,看到的場景與在各地礦山見過的選礦車間差不多一模一樣,只是有的設備略小些而已。在寬敞明亮的車間里,科研人員向記者詳細介紹著幾個月前中試的情況。記者則撫摸著在初冬陽光里靜默無言的龐大設備,耳畔似乎傳來中試成功時科研人員在機器轟鳴中的歡呼雀躍之聲。因為,中試的成功,標志著鮞狀赤鐵礦選礦科研成果,可以真正應用于生產實踐了!

  “市場經濟條件下,科學研究不僅要與生產相結合,更要與市場相結合。因為,再好的科研成果,如果進入生產環節后因產品價格過高而不能被市場接受,也是枉然。”綜合所老專家在談到這項成果的推廣時,這樣告訴記者,“這項新成果,在推廣應用上有著先天的優勢:選礦流程短,能耗低,可以利用選礦的常用設備,還能綜合回收磷,對環境的污染大大減少,有利于環保和共伴生礦產資源的綜合利用;鐵精礦噸成本只有100元多一點,遠遠低于噸成本近180元的焙燒方法。凡此種種,都預示著此項科技新成果的良好市場前景。”

  采訪結束時,記者心中不時回蕩起馬克思的那句名言:“在科學的道路上,沒有平坦的大路可走,只有不畏艱險沿著崎嶇小徑攀登的人,有希望達到光輝的頂點。”記者覺得,綜合所鮞狀赤鐵礦選礦研究的科技工作者們,已經越過了一道道險峰峻嶺,登上了光輝的頂點。可是,劉亞川所長說,科研無止境,他們對鮞狀赤鐵礦的選礦工藝學研究,只是邁上了一個成功的新臺階,他們還將繼續攀登綜合利用新高峰。

  劉所長還告訴記者,他們新成果面世的消息一經傳出,湖北一家企業立即要求綜合所進行成果轉化;重慶鋼鐵公司則立即停止了正在籌備的桃花選礦廠焙燒工藝選礦廠的基建工程,主動找上門來,希望綜合所用新的工藝武裝他們的新選廠。現在,桃花礦的試驗研究工作,正在緊張進行中。

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