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【学科发展报告】矿物加工工程学科发展报告简要综述

发布时间:2019-01-25收藏本文关闭本文

 矿物加工工程,在以往相当长的时期内称为选矿工程,也称矿物工程。在我国现今学科分类中,矿物加工工程属于矿业工程的二级学科。国外有些国家往往将矿物加工工程纳入冶金工程、化学工程或材料科学与工程。

矿物加工是用物理或化学方法将矿石中的有用矿物与无用矿物(通常称脉石)或有害矿物分开,或将多种有用矿物分离的过程。在矿产资源开发和综合利用产业链中,矿物加工是介于地质、采矿与冶金或化工之间的重要流程作业环节。矿石通过矿物加工(选矿)处理,可将有用矿物品位显著提高,从而大幅减少运输费用;而且可减轻后续工序如冶金、化工处理或材料制备的困难,降低后续工序的处理成本,对国民经济的发展具有重要支撑作用。

近年来,中国矿物加工学科建设取得了长足进步,以矿物加工理论、工艺、装备、药剂和选矿厂自动化及过程控制为代表的选矿技术发展迅速,为中国矿物加工事业发展提供了人才保障及理论和技术支撑,在世界矿物加工技术发展过程中起到了重要作用。为了促进矿物加工学科的进一步发展,提高矿物加工学科在资源开发及环境生态相关领域中的地位和作用,对中国矿物加工学科建设、人才培养、科学研究情况进行了调查评估,系统展示了中国矿物加工学科发展的成就和学科发展的支撑条件,对比分析了国内外矿物加工学科的发展态势及未来发展趋势,指出了学科发展面临的问题与挑战。

1、中国矿物加工学科建设取得重大成就,形成了完备的教学、科研、设计与工程应用学科体系,拥有高水平的人才队伍和研究团队,建立了完备的基础研究、技术开发与成果转化平台。

中国矿物加工学科经过全国高校和研究机构几十年的建设,不断得到完善具备较强的国际竞争力。本学科的本科生教育和研究生培养快速发展,截止到20179月,中国开设矿物加工工程本科专业的高等学校共计37所,全国拥有2个二级学科的重点学科。大学矿物加工学科共有专任教师600多名,在校本科生15000多名,硕士研究生3600多名,博士生650多名。

中国拥有矿物加工学科的研究和设计机构20余家,这些专业研究和设计机构拥有高水平的研究和设计队伍,完备的科研条件与先进的技术平台是中国开展矿物加工科学基础理论与应用基础研究、实现科研成果转化、促进科研合作与学术交流的重要基地。

中国拥有矿物加工学科相关的国家重点实验室工程技术研究中心等国家级研究平台22个,各类省部级实验室和研究中心共计58个。这些高端研究平台既是学科发展实力体现,也是学科发展的支撑硬件之一,对促进学科快速发展起到了重要作用。

目前中国矿物加工学科领域从业人员共40多万人,其中院士6名,国家有突出贡献的中青年专家和政府特殊津贴专家350多名,长江学者特聘教授/讲座教授10多,国家杰出青年科学基金获得者10多名,跨世纪、新世纪百千万人才工程国家级人选20多名。中国拥有几十支各具特色的矿物加工科学与技术研究团队,这些团队中国矿物加工科学与技术的发展做出了重要贡献。近年来,在国家纵向和矿业企业横向科研项目的支持下,国内矿物加工学科产出大批学术著作和科技成果,所取得的研究成果为国家矿产资源开发提供了有力的技术支持。

2、矿物加工科技进步为中国矿产资源开发提供了坚实的技术支撑,形成了有特色的基础理论研究方向,部分技术与装备已居国际领先水平,建成了一批技术先进、装备优良的大型现代化选矿厂。

基础研究方面,形成了基因矿物加工工程、矿物表面断裂键与各向异性理论、流体包裹体浮选效应、金属离子配位调控分子组装、复杂难选铁矿磁化焙烧与深度还原、矿物加工计算化学及药剂分子设计、矿物分选过程的数值化计算与仿真等矿物加工领域新方向与新观点,在国际选矿界产生了较大的影响。(1)提出了“基因矿物加工工程”的理念,以矿床成因、矿石性质、矿物物性等矿物加工的“基因”特性研究与测试为基础,将现代信息技术与矿物加工技术深度融合,经过智能推荐、模拟仿真和有限的选矿验证试验,快捷、高效、精准地选择选矿工艺技术和装备;(2)开展了矿物表面断裂键与矿物各向异性的理论研究,提出了利用矿物表面断裂键性质准确预测矿物的解理性质和常见暴露面、及矿物表面质点反应活性的思想,为实现含钙矿物、铝硅酸盐矿物的选择性浮选分离奠定了理论基础;(3)深入研究了矿物晶体解离时流体包裹体组分向溶液中释放、矿物表面原子沿法向的位移及矿物表面对溶液中流体包裹体组分及捕收剂分子的吸附,形成了以“流体包裹体组分释放-矿物表面弛豫-流体包裹体组分吸附”为核心的硫化矿物流体包裹体浮选理论;(4)形成了基于“金属离子配位调控分子组装”的浮选界面调控新理论,通过金属离子与配体的配位形成具有特定捕收能力的配位捕收剂,或通过金属离子的配位调控形成具有特定结构的胶束,为新型浮选药剂的的开发提供了新的方向;(5)围绕菱铁矿、褐铁矿、极微细粒铁矿、鲕状赤铁矿等劣质铁矿资源的高效开发与利用,开展了大量的基础研究和技术开发工作,基本达成了采用选冶联合工艺才能实现劣质铁矿资源高效利用的共识,形成了流态化磁化焙烧和深度还原等新技术理论;(6)在矿物加工计算化学领域,开展了浮选药剂分子模拟计算和设计、矿物浮选界面结构及相互作用的分子动力学模拟计算、药剂分子与矿物表面的对接技术等研究;(7)借助数值试验方法进行选矿设备研发,能够显著减少设备物理模型的制作,大大降低了研发成本,提高了研发效率,同时利用数值试验方法进行矿物分选理论的研究也有所进展;(8)开展了非均衡柱式分选过程及强化理论研究,从颗粒气泡的碰撞出发,研究了气--液三相体系中影响颗粒气泡碰撞矿化及分离的流体特征及颗粒界面特性,提出了从微观强化、界面调控到宏观流场强化的非均衡强化过程。

技术开发和成果转化方面针对矿产资源开发利用过程中的突出问题开展重点研究,在选矿工艺技术、选矿药剂、选矿装备研发及应用、矿产资源综合利用、选矿自动化、矿物材料研发和深加工方面均取得了突破性进展,形成了一批具有重大影响力的新技术、新成果。(1)选矿工艺方面,开发了超大规模微细粒复杂难选红磁混合铁矿选矿技术复杂难处理钨矿高效分离关键技术、基于页岩钒行业全过程污染防治的短流程清洁生产关键技术、有色金属共伴生硫铁矿资源综合利用关键技术多流态梯级强化浮选技术等高效选矿工艺技术,显著提高了我国有色金属、黑色金属、煤炭与非金属资源的开发利用水平;(2)选矿药剂方面,成功开发出了一系列新型环保绿色特效药剂,利用硫化矿新型高效捕收剂合成技术发明了新型硫氨酯等高效铜捕收剂并在大型铜矿山应用,针对各类型铁矿与不同脉石矿物研发了系列新型铁矿浮选药剂;(3)选矿设备方面,碎磨与分选设备的研究设计和制造取得重大突破,Φ12.19×10.97m大型半自磨机、Φ7.9×13.6m球磨机320m3大型浮选机在国内外矿山推广应用,超大型粗粒磁选机成功应用于贫磁铁矿抛尾;(4)选矿自动化方面,目前国内大型先进选矿厂碎磨作业的工艺参数基本实现了自动控制,选别作业中浓度、粒度和品位的在线检测系统逐步应用,全流程优化控制技术的研究也取得了一定进展;(5)依靠工艺技术进步与装备水平提升,我国近年建成了鹿鸣钼矿乌奴格吐山铜钼矿甲玛铜多金属矿、袁家村铁矿、鞍千铁矿技术先进、装备优良的大型、特大型现代化选矿厂,整体水平显著提升。

3、中国与世界矿物加工强国的研究重点有区别,中国更重视先进技术的开发与应用,国外更多进行微观基础研究;在全球范围内,中国矿物加工学科总体上处于“工艺技术领跑、装备自动化并跑、基础研究跟跑”的地位。

面对以贫细杂为特点的资源劣势,国矿物加工领域面临着许多国外并不存在或尚未涉及的复杂题,并从政府的宏观引导层面和企业的实际需求方面,投入了大量技术研发力量与研发经费。在多年的努力下,成功开发了如流态化磁化焙烧-磁选技术与装备、低品位铜矿绿色循环生物提铜关键技术、复杂铅锌硫化矿高浓度分速浮选新技术、复杂难选低品位黑白钨共生多金属矿高效选矿新技术、适合处理中低品位硫化-氧化矿资源的选冶联合流程等特色技术,选矿工艺总体水平已达到了世界先进水平,部分选矿工艺技术水平处于世界领先水平

国外注重矿物加工基础理论的研究,在矿物颗粒碎磨过程中的力学分析,分选过程中运动轨迹及力场分析,气泡-颗粒相互作用、药剂与矿物作用机理分析都有更加科学和深入的研究。国外也重视新型矿物加工方法,如湿法浸出、微生物选矿、细颗粒三维浮选技术工艺的机理研究,为此研制新型选别设备,强化选别过程,提高分选效果。中国在矿物加工基础理论方面同样进行了大量研究,但与国外侧重点不同,一般针对具体矿种进行应用基础研究,与资源开发实践联系相对紧密,但对微观层面研究较少;在计算机数值仿真与模拟方面研究应用方面明显不足。

国外矿物加工设备发展较早,已经形成较大的规模,设备的技术性能和自动化水平较高,在众多大型矿山获得广泛应用,这些技术主要掌握在美国、俄罗斯、英国、德国、日本、澳大利亚、瑞典等发达国家中国矿物加工设备起步较晚,但是发展迅速,与国外发达国家的差距正在缩小,如大型浮选机和磁选机已达到国际领先水平国整体技术水平与国外相比还有较大差距,创新能力有待提高

4、未来矿物加工技术的发展,需要好地满足社会和行业需求,更加注重科研和教学过程的智能化,开展更深入的微观领域基础研究,应用领域更加多样化,同时需要知识背景更为丰富的复合型人才形成支撑。主要有以下发展趋势:

1)矿物加工技术发展更好地满足社会和行业需求社会和行业发展对矿物加工技术的需要包括:尽可能提高资源回收率和综合利用率降低生产成本降低水资源和能源消耗减少污染物排放提高过程可靠性等。基于以上需求,矿物加工技术总体发展趋势可概括为:绿色、高效、节能、低耗、低排放、自动化和智能化。此外,矿物加工技术的发展需要从采、选、冶、化工、材料全流程考虑能量和资源消耗,建立“资源开采-选矿-冶金一体化”流程思想,加强行业沟通,获取经济效益与资源利用率最大化,是矿物加工技术发展的重要方向。

2)矿物加工科研和教学过程的智能化。当前,CFDFEMDEM等数值试验方法已广泛应用于矿物分选理论研究和矿物加工设备研发过程,信息技术在矿物加工科研和教学过程中的作用日益凸显,矿物加工科研和教学过程的智能化将是未来矿物加工学科发展的重要趋势之一。“互联网+教育”和“互联网+矿物加工”将在矿物加工科研和教学中发挥重要作用,大数据技术将为矿物加工科学研究工作提供更多便利,虚拟选矿厂将在矿物加工教研和生产管理中扮演重要角色。

3)先进检测技术和试验方法的发展促进微观领域基础研究的深入开展。矿物加工学科近百年的发展历程中,技术进步带动理论的发展是长久以来的一大特点,由于缺乏有效的研究手段,许多矿物加工分选过程中的机理尚没有得到统一认识和完美解释。随着科学技术的进步,先进检测技术和试验方法的发展,将促进矿物加工科技工作者深入开展矿物加工基础研究解析矿物加工分选过程,实现矿物加工领域的理论指导实践。

4)矿物加工技术应用空间更加广阔循环发展是未来重要的社会发展模式,党的十八大报告中首次将绿色发展、循环发展、低碳发展并列提出。欧洲日本等发达国家已经建立起了具有循环经济发展特色的经济模式,中国循环经济还处于起步阶段。矿物加工技术可根据待处理物料的物理、化学性质的不同,采用不同的方法进行物料分离与富集,为循环经济的发展提供技术支撑。此外,矿物加工原理可推广应用于其他领域,从而拓宽矿物加工学科领域。如高梯度磁选用于医学上红细胞的分离,生物学中离子的分离,核工业中核原料放射性固体的分离,超导磁选机分离液态氧、氧,浮选法从纸浆废液中回收纤维素,从废纸上脱油墨、脱炭黑,废旧塑料的回收,医药微生物方面分选结核杆菌与大肠杆菌等。

5)矿物加工学科未来发展需要大量复合型人才。长期以来,由于受到培养理念和传统教育模式的影响,中国矿物加工高校在专业设置、课程安排、教学计划等方面过于强调专业性人才的培养,人才专业面偏窄、适应能力不强等问题已无法满足行业发展对复合型专业人才的需求。矿物加工行业未来绿色化高效化和信息化的发展趋势对行业人提出更高要求。随着经济全球化、中国“一带一路”战略的实施及国内矿业集团公司国际化发展的需求,亟需一批具有国际化视野的复合型高端人才。

5、中国矿产资源开发领域面临资源保障不足和需求持续增长的矛盾、资源过度开发和环境有限承载的矛盾、产业升级滞后和科技高速发展的矛盾,矿物加工学科发展机遇与挑战并存。

人类对矿产资源需求量继续增加,而优质资源的持续消耗、环境硬约束日益强化及现有技术的局限性,矿物加工学科的发展面临诸多挑战。一国内矿产资源供需矛盾日益加剧,对资源高效节约开发利用技术的需要更加迫切;二是矿产资源禀赋差的情况不可逆转甚至更恶化,对复杂难处理资源综合开发利用技术需求更加迫切;三建设美丽国家对生态环境保护提出了新的更高要求,对矿产资源的绿色、低碳开发的需求更加迫切;四供给侧结构性改革和产业转型升级,对发展节能低耗的矿物加工技术和装备的需求更加迫切;五是信息时代的行业转型升级,对矿物加工智能化发展的需求更加迫切;六选矿下游产业的升级换代对更高品质矿物加工产品的需求更加迫切

数字化、智能化是21世纪最重要的新兴技术,发展智能矿业有利于提升产品质量、提高生产效率和降低生产及运营成本,有利于在未来国际竞争中求得更大生存和发展空间。以数字化、智能化技术应用为切入点,加快信息技术与传统矿物加工技术的深度融合;通过科技创新,推进矿物加工行业技术进步及产业升级,抢占国际矿业行业竞争的制高点,谋求未来发展的主动权是中国矿物加工学发展的当务之急,也是促进中国从矿业大国走向矿业强国的战略要求。

“中华民族伟大复兴”的目标指引下,国家相继提出了“一带一路”、“新型城镇化建设”、“中国制造2025”、“互联网+”等重要战略部署,对国内外资源开发、产业布局、技术装备能力、数字化与智能化水平等提出了新的要求,作为矿产资源开发和为众多行业提供各类矿产品的重要学科,矿物加工学科肩负着使命,在资源高效节约开发利用技术、绿色矿物加工技术、智能矿物加工技术的持续创新方面,在推动行业科技进步、促进行业转型升级、为国家重大战略部署的实施做好服务方面必将会有更大的作为

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