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推进系统创新努力实现我国贫铁矿资源的绿色高效开发
2015/3/20 | 发布者:许文耀 | 查看: 1536
 

推进系统创新 努力实现

我国贫铁矿资源的绿色高效开发

中国铁矿行业中长期发展规划领导小组组长、鞍钢矿业集团总经理邵安林

 

铁矿业是工业化的重要支撑产业。我国铁矿资源丰富,资源量744亿吨,居世界第四位,但先天条件不足,贫铁矿占97%以上,开发利用率低,难以满足钢铁工业快速发展的需求。国内钢企大量进口铁矿石,对外依存度超过70%。国外矿商垄断操控市场,国际矿价大幅上涨,国家遭受巨大经济损失,严重威胁产业安全。破解贫铁矿高效开发利用的难题,加快自有资源开发,是我国现实而迫切的战略选择!

鞍钢铁矿资源量全国第一,资源种类、埋藏特征和利用水平在国内都具代表性,是我国铁矿资源开发的缩影。建国以来,累计生产铁矿石13.8亿吨,为国民经济建设做出了巨大贡献。进入市场经济时期,鞍钢矿山经历了一个艰难的转型发展过程,“十五”以前,矿山规模小、成本高、质量差,竞争力弱,一度成为鞍钢的包袱。近年来,我们从服务鞍钢大局和引领行业发展的要求出发,紧紧围绕“打造世界级铁矿山企业”发展目标,大力实施基于“五品联动”的系统创新模式,突破技术和管理瓶颈,解决了贫铁矿开发质量低、成本高、规模小、环境破坏大等突出问题,实现贫铁矿资源的绿色高效开发,推动了矿山可持续发展。

鞍钢贫铁矿开发利用大致经历四个阶段:

一、创建多矿种选矿提纯技术体系,盘活贫铁矿资源

 

我国铁矿资源具有贫、细、杂的特点,“贫”:矿石品位低,平均品位比国外富矿低30多个百分点;“细”:矿物结晶粒度细,需细磨至几十微米,才能有效提纯铁元素;“杂”:多种不同种类矿物伴生,相互浸染,难以分离。鞍钢主要有四类铁矿石:磁铁矿、赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿。“十五”以前,受选矿技术制约,前两类矿石提纯后的精矿品位分别为65%和62%,质量低,冶炼性能差,后两类矿石无法工业应用,在开采过程中作为废石被排放,造成资源及成本的极大浪费。

我们以提高精矿品位为核心,开展选矿技术、工艺流程、设备、药剂的系统攻关与综合集成,研发四大关键技术,实现四类矿石高效利用。

1.研发阳离子反浮选技术,开创磁铁矿提铁降硅先例。磁铁矿选矿一直沿用单一磁选或正浮选工艺,直接从矿物中“选铁”,夹杂杂质,提纯效果差。我们针对矿物中杂质成分单一、以硅为主的特点,采取逆向思维,由“选铁”转为“选硅”,研发了反浮选技术,通过降低铁矿物中的硅含量提高铁品位,并开发了新型阳离子高效选矿药剂及浮选柱等关键技术和设备,集成为提铁降硅技术体系,将精矿品位由65%提至69%,纯度达到95.8%,实现了以低品位贫铁矿生产高质量铁精矿的历史性突破,建成国内首个提铁降硅工程,在国内掀起提铁降硅革命。这一技术成为贫铁矿高效开发利用的核心技术,获国家科技进步二等奖。

2.研发“三力场”联选技术,实现赤铁矿选矿重大突破。针对贫赤铁矿难利用的问题,我们改变单一力场选矿的传统思维,根据不同力场作用效果,确定“磁选保收率、浮选提品位、重选降成本”技术路线,集成重力法、磁力法、浮力法,形成独特的“三力场”联合选矿方法,研发“阶段磨矿、粗细分选,重—磁—浮”组合工艺流程,解决了重力法难以回收细颗粒,金属回收率低;磁力法对磁性弱的矿物提取效果差,精矿品位低;浮力法要求磨矿粒度细,操作难、成本高的问题,实现了不同选矿方法的优势互补,赤精矿品位达到67.5%,纯度达到96.4%。这一流程现已成为贫赤铁矿选矿基础流程。该技术获国家科技进步二等奖。

3.研发分步浮选技术,破解菱铁矿无法利用的难题。鞍山东部矿区有近10亿吨含碳酸铁难选矿石(即菱铁矿),与赤铁矿伴生,提纯难度极大,过去只能大量堆存,增加占地、浪费资源、污染环境,也影响正常开采。我们通过研究攻关,揭示细粒菱铁矿“吸附罩盖”机理,研发分步浮选技术,解决了含碳酸盐赤铁矿“精矿和尾矿不分”的技术难题。鞍钢每年多入选碳酸铁矿石100万吨,创效1.5亿元。该成果获辽宁省科学技术一等奖,被列为国家矿产资源节约与综合利用示范工程。

4.研发尾矿再选技术,实现褐铁矿尾矿变废为宝。鞍钢各大尾矿库累计排放尾矿多达9亿多吨,每年排放量达4000万吨。尾矿中有用成分主要以赤褐铁矿为主。近年来,鞍钢矿业开展尾矿再选工艺技术研究,经试验,综合尾矿经两段重选弱磁扫选获得的粗精矿再磨后,再经弱磁强磁离心机流程选别,综合尾矿品位降低2.3个百分点。该技术推广应用后,每年回收铁精矿100万吨,实现利润3.8亿元,既提高了资源利用率和经济效益,又减少了尾矿排放和环境污染。该成果获中国钢铁工业协会冶金科学技术一等奖。

通过选矿技术攻关,建立了贫铁矿选矿技术及理论体系,解决了几代人未解决的难题,实现了用贫铁矿生产高质量铁精矿的历史性突破,引领了冶金矿山行业的技术进步。鞍钢完成了全部老选厂的技术改造,盘活资源110亿吨,工艺装备和产品质量达到世界领先水平,选矿处理能力由3500万吨提高到7000万吨。

 

二、研发协同开采技术,破解贫铁矿规模环保采矿难题

 

选矿技术创新盘活了贫铁矿资源,但采矿能力不足导致采选能力不匹配,成为制约矿山发展的新瓶颈。

国外铁矿床倾角缓、矿体厚、埋藏浅,可多采场同时开采,产量高。国内铁矿床70%为倾斜矿体,倾角陡、层位多、延深大,不利于多采场同时开采。半个世纪以来,国内一直沿用露天、井下单采场分期开采方式,开采效率低、规模小。露天开采大范围开挖地表、排放岩石,井下开采易造成地表塌陷,严重破环环境。

按传统设计,井下开采用固定岩移角确定错动界限,随开采深度延伸,塌陷范围不断扩大,不具备露天井下同时开采条件,只能采用单一方式,露天和井下协同开采在国内外尚属空白。我们经多年技术攻关,突破半个世纪以来的传统设计理念,创建临界散体柱支撑理论,研发大型铁矿山露天井下协同开采技术,使地表塌陷范围不随井下开采深度的增加而扩大,解决露天和井下同时开采相互干扰问题,为贫铁矿规模环保开采提供了有力支撑。该技术通过统筹时空关系、集约开拓系统、优化回采方式等关键工艺创新,由单采场分期开采转为多采场同时开采,实现露天井下近距离高强度开发,产量规模提升1倍以上,资源利用率提高20%。通过控制岩移活动,减小塌陷范围,降低了对地表的扰动和破坏;通过利用井下塌陷坑直接回填露天岩石,减少排岩量30%,节约用地20%。通过研发双重卸荷条件下高陡边坡预警与风险防控技术和强干扰环境采空区精准探测技术,为露天井下协同开采提供了安全保证。

为进一步推进绿色开发,我们突破传统“开发破坏治理恢复”的矿山开采模式,探索“无害、无废、无扰动”绿色开采新模式。正在建设世界规模最大的地下铁矿山——西鞍山铁矿,利用选矿后的尾砂进行采空区充填,可以实现无扰动开采。同时研发地下采选一体化技术,首次提出“将选矿建在地下”的理念,通过在地下合理设置开拓运输系统和各种选矿硐室,可以实现无污染、无排放开采,该技术及配套设备研究已经完成,正在张家湾铁矿进行实践应用,将是铁矿开采的革命性转变。

 

三、开展全过程系统优化,实现贫铁矿高效率低成本开发

 

采选技术瓶颈的突破,为贫铁矿开发利用提供了技术支撑,但由于过程管理粗放,资源利用效率仍然较低,生产成本仍然较高。主要原因是贫铁矿开发须经勘查、采矿、配矿、选矿、冶炼五大工序,工艺流程长,要素变化频繁,时空关系复杂。传统管理生产布局分散,矿多厂多系统多,各环节各自为政,封闭运行,资源难以共享,导致开发效率低,成本高,竞争力弱。为打造持久竞争优势,必须进行全价值链、全过程、全系统的整体优化,提升系统增值能力。

我们研究发现,贫铁矿开发五大工序对应的边界品位、采出品位、入选品位、精矿品位和入炉品位不断提升,五个品位相互联系相互制约,决定贫铁矿开发规模、效益、环境等诸多方面,是关键决策参数。为此,我们以系统工程理论为指导,以整体效益最大化为目标,以优化五个品位为核心,打破勘、采、配、选、冶五大工序分割优化思维定式,将五个工序集成为大系统,建立基于品位—成本分析的优化决策模型,开发“五品联动”动态优化系统,进行各系统的集成优化和协同联动,创建“五品联动”模式。其本质是系统工程方法论。

1.系统布局,优化资源配置。根据区域内矿体分布、矿石种类等情况,统筹规划五个品位,确定五大工序最优运行方案,使纵横交错的矿体实现协同开采,种类多样的资源实现协同配置,功能相近的设施进行统一设置,粗放式的经营实现集约管理。以鞍山东部矿区为例,我们变单矿山独立开发为大矿区联合开发,将6个单矿山集成为一个大矿区,6个选矿厂集成为4个,6个尾矿输送泵站集成为1个,6个变电站集成为3个等,实现了设备大型化配置和规模化生产。

2.协同联动,提高运行效率。在勘查工序,准确描述矿石种类和品位的自然属性,为多矿种分采进行综合设计,实现“以勘定采”;在采矿工序,通过分穿分爆、分采分运,把相同矿石种类和品位的矿石分别采出并运送到配矿工序,实现“以采保配”;在配矿工序,通过网络化配矿,将同类和品位的矿石分配到选矿工序,实现“以配稳选”;在选矿工序,按照矿石品位和种类进行差异化分选,提高选矿质量和效率,提升冶炼性能,实现“以选提冶”;在冶炼工序,通过优化炉料结构,增加低品位矿石的使用数量,降低边界品位提高产量规模和资源的利用率,实现“以冶促勘”。鞍山东部矿区通过联动运行,资源可利用率由原来的58%提升至97%,盘活资源32亿吨。

3.整体优化,合理分担成本。利用动态优化系统,定量分析工序短板,合理确定勘查、采矿、配矿、选矿、冶炼等指标参数,增加低代价环节投入,减少高代价环节支出,各工序有序互动,提升整体效益。勘查工序通过精准找矿,减少无效剥岩,分担采矿成本;采矿工序通过增加爆破破碎,减少机械破碎,分担配矿成本;配矿工序通过预选降杂,减少杂质入选,分担选矿成本;选矿工序通过提前脱硅,减少炼铁除渣,分担冶炼成本。鞍山东部矿区通过整体优化,2013年生产成本比2008年降低20%以上,低于市场价格30%以上,具备了低成本竞争优势。

通过“五品联动”系统管理,实现了贫铁矿高效率低成本开发,为业内提供了成功范例和实践方法。获国家管理创新成果一等奖,被评为世界钢铁工业十大技术要闻。

 

四、实施资源发展战略,推进产业转型升级

 

我国铁矿资源开发滞后,除了贫铁矿开发技术和管理原因,还有一条重要原因,就是行业发展缺乏顶层设计和系统规划,产业布局不合理,集中度低,竞争力弱。鞍钢矿业通过系统创新,具备了贫铁矿高质量、低成本、大规模开发的能力。在此基础上,制定了“自给为主”的资源发展战略,确立了“打造世界级铁矿山企业”的发展目标,制定了以铁矿山建设规划为核心的完整战略规划体系,明确了以产业化经营为核心的转型升级路径,将矿业发展提升到以战略为主导的层面。

1.建设亿吨级矿业集团,抗衡国际垄断。建设具有国际竞争力的大型矿业集团、提高产业集中度,是中国矿业可持续发展的必由之路。鞍钢资源发展战略规划目标是:到2015年,铁矿石产能达到1亿吨,到2020年,铁矿石产能达到2亿吨,成为世界级铁矿山企业,带动全国铁矿行业快速发展。围绕战略目标,我们实施了国内最大规模铁矿山群建设,目前14个矿山建设项目已全面启动,铁矿石产量创历史最高水平。规划项目全部实施后,矿山稳定服务年限30年以上,企业可持续发展能力显著增强。

2. 打造技术领跑企业,提升竞争优势。全球铁矿资源80%以上为贫铁矿。拥有先进的贫铁矿开发技术已成为我们的独特优势。近年来,我们充分利用具有完全自主知识产权的选矿工艺技术成果,在技术输出方面实现重大突破,先后承揽国内外10多个重点项目的设计和总包工程,累计实现外部合同额6亿元。我们还全面承接了行业和国家标准的制定工作,去年完成3项国家标准审定,2014年继续承接3项国家标准制定、9项国家标准和10项行业标准的审定工作。今后,我们将进一步巩固和提升贫铁矿开发技术成果,将鞍钢矿业打造成为世界采选技术的引领者、行业标准的制定者。

3.大力发展循环经济,转变发展方式。国内矿山普遍存在粗放式开发问题,高消耗、高排放、高污染,严重破坏生态环境,发展模式不可持续。我们把提高资源利用效率、发展循环经济作为战略重点,在构建绿色发展模式方面取得显著成效。

生产过程控制方面,从铁元素全生命周期出发,构建“资源产品废弃物资源化”循环利用模式。勘查工序精准找矿、合理设计,避免无序开采,最大化利用资源;采矿工序优化孔网参数,提高爆破质量和效率,减少矿石损失和贫化;配矿工序通过管道胶带机输送,盘活铁路设施和汽运设备,杜绝粉尘逸散;选矿工序采用高效破碎机、大型球磨机等现代化装备,实现节能减排,并通过综合利用循环水,实现污水零排放;冶炼工序通过脱硫脱硝,实现低碳运行,通过余热综合利用,减少能源损失。

资源综合利用方面,通过采矿技术改造,将以往无法开采的边、难、残、小矿体进行回收利用,盘活铁矿资源14亿吨;在排岩场建设破碎岩石干选工艺,年回收矿石600万吨以上,相当于一座大型铁矿山的产量;在尾矿综合利用上研发铁尾矿提取河沙、生产高强结构材料和轻质保温墙体材料、改良苏打盐碱地等多项成果,取得专利9项,专有技术12项,被列入中央企业重大技术创新项目。目前,鞍钢露采回采率达到97%,地采回采率达到88%,金属回收率达到87%,均为国内领先。

矿山生态恢复方面,建立生态恢复长效机制,做到边建设、边生产、边恢复。近年来累计投资5亿多元,对矿区周边以及排岩场、尾矿库进行大规模治理,完成绿化面积2228万平,从源头上消除了扬尘污染和水土流失,极大地改善了周边生态环境。昔日尘土飞扬的排岩场、尾矿库成为风光秀丽的多功能生态园。

通过十年努力,鞍钢矿业经过盘活资源、规模开采、系统优化、战略推进等四个主要阶段,建立起一套以战略为导向的、以“五品联动”为核心的、产学研用一体化的、针对我国贫铁矿资源特点的系统创新模式,从根本上解决了贫铁矿加工提纯难、规模开采难、生产管理难、环境保护难等瓶颈问题,实现了贫铁矿资源的绿色高效开发,成为集勘探、采矿、选矿、冶炼、爆破工程、矿山设备制造、资源综合利用和工程技术输出为一体的具有完整产业链的大型矿业集团。资源优势更加突出,掌控资源量达到276亿吨,领先于国外矿业巨头;规模能力显著提升,采剥能力和选矿处理能力分别达到2.4亿吨和7000万吨,居世界前列;工艺技术水平行业全面领先,取得重大科研成果98项,获省部级以上奖项34项,国家科技进步奖3项;盈利水平大幅提高,铁精矿的完全成本保持520元/吨,行业排名由第7位上升至第1位;管理创新取得丰硕成果,2008年以来有6项管理成果获得国家级管理创新成果一、二等奖;矿山环境明显改善,绿化复垦率达到43%,为同行业最好水平。先后荣获全国矿产资源开发整合先进矿山、全国践行生态文明优秀企业称号。

鞍钢矿业系统创新和发展模式得到了有关部委和行业协会的认可和重视,有力地支撑和推动了国家铁矿资源保障体系建设。近年来,我们受冶金矿山企业协会委托,牵头组建了冶金矿业发展研究中心,负责冶金矿山行业发展研究、决策支持和咨询服务。还受工信部和行业协会委托,牵头编制中国首个《铁矿行业中长期发展规划》,系统解决我国铁矿行业战略定位、后续资源保障、产品竞争力提升、优化产能布局、提升政策保障水平等问题,进一步引领我国铁矿业可持续发展。

 

结束语

 

通过多年探索实践,我们深深体会到,铁矿业科技创新不仅要重视单项技术的突破,更要注重集成创新和协同创新,实现系统优化、整体提升。鞍钢矿业的跨越发展就是得益于持久深入地推进“五品联动”系统创新。铁矿山企业要适应未来发展要求,以系统思维全面推进技术创新,加强前瞻性关键技术的研究攻关和新技术、新成果的推广应用,提高资源综合利用水平。国家层面要从财税政策、资源配置、项目审批等方面加大对铁矿产业扶持力度,推动贫铁矿资源的绿色高效开发。我们愿与业内同仁一道,携手并肩,共同努力,为增强我国铁矿石市场话语权、提升钢铁原料保障能力、维护产业经济安全贡献绵薄之力。

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