矿业、设备及润滑剂发展

2021-07-02顾鑫郑印隋秀华

石油商技 2021年3期

顾鑫郑印隋秀华

中国石化润滑油有限公司国际业务中心

现代采矿过程包括勘探、开采、矿石加工、目标产品材料的提取及矿山关闭后的复垦[1]。矿业按资源来分，可以分为五大类。分别是油气开采、采煤、金属采矿、非金属矿物开采及采石、矿业支持活动[2]。其中，油气开采因其对全球经济重要性仍是其中最大一类，本文不包括这一类。采矿作业通常会对环境造成负面影响，包括开采期间和矿山关闭之后。因此，世界上大多数国家已通过立法以减少矿业对于环境带来的影响。另外，矿业安全也一直备受关注，现代矿业显著改善了矿山作业安全。

矿业发展

随着人类文明的开始，人们就开始使用地球表面的石头和瓷器，之后开始利用金属，主要用来制造工具和武器以供使用。考古有记录的最古老的矿是位于南部非洲的埃斯瓦蒂尼（斯威士兰）的Ngwenya矿，放射性碳年代测定表明它约有43000年的历史。该矿主要出产赤铁矿石，用于生产赭色染料。

20世纪，各种金属的使用得到了迅速增长。今天，世界主要国家如中国和印度的经济发展及技术进步带来了更大的矿物需求。随着金属矿业活动不断扩展，越来越多的矿产不再保存于地下，被开采出地面进行使用。其中一个关键被开采使用的矿物是铜。1932年到1999年，美国使用中的铜从人均73 kg增加到了238 kg[3]。

矿业推动着世界经济的不断发展。2007年，世界矿业公司的总市场资本达9620亿美元, 2007年同期全球上市公司的总市场资本约50万亿美元[4]。世界上很多国家拥有矿业。英国伦敦被誉为全球的矿业金融之都，全球五大矿业公司中的四大（必和必拓公司、力拓集团、英美资源集团和嘉能可）的股票都主要在伦敦上市。美国矿业也非常强大，以煤和其他非金属矿物（如岩和砂）为主。在发达国家，必和必拓在澳洲设立总部，澳洲也拥有多样的矿产资源，比如全球最多的铁矿和金矿储备，矿业在加拿大也尤为重要。南美很多国家都有矿产，其中智利、秘鲁、巴西和墨西哥的矿物和金属出口占南美总量的85%。智利是世界主要铜出口国，世界铜矿产量的25%来自于智利，秘鲁紧随其后。巴西是世界第三大铁矿生产国，墨西哥是世界最大的银生产国（尽管秘鲁的储量更大）[5]。非洲也是世界重要的矿业商品产地，含有丰富的矿产，如金、钻石、钴、铝土、铁、煤及铜，非洲主要产矿国家为刚果金、南非、纳米比亚和津巴布韦。非洲的矿产储量约为全球已知储量的30%，刚果金钴（主要用于锂电池生产）储量占全球一半左右（2019年刚果金钴产量约达10万t）。刚果金和卢旺达为全球最大的钽（手机、平板电脑、汽车等电子元器件的主要原料之一）产地。非洲利润最好的两类矿产是黄金和钻石，如南非及博茨瓦纳都生产钻石，刚果金则是世界第三大钻石生产国（仅次于俄罗斯和澳大利亚）。非洲还拥有全球多数的铂金储备，尤其是南非，其铂金储备约为63000 t[6]。2019年亚洲矿产品占全球的57.9%（来源：世界矿业数据2019）[5]，中国是矿业大国，除了煤和铁的广泛开采，据报道，2013年中国生产了世界95%的稀土金属[7]。矿业也是印度国家经济的重要来源之一。2019年，印度铁矿和铬矿产量都位居世界第四，铝土矿和锌矿产量都位居世界第五，锰、铅和硫的产量都位居世界第七。当前，世界采矿作业主要集中在以下国家：中国、澳大利亚、俄罗斯、美国、印度、南非、印尼、加拿大、巴西、智利、墨西哥和秘鲁等[8]。

2008年以来，全球矿业形势呈现下行趋势。2020年，因为新冠疫情的差异化影响，世界部分疫情影响较大的矿山比如智利的铁矿停产，疫情影响较小的比如澳洲矿业可以正常运营，矿石价格有明显的回升。

矿业对环境的影响及应对

矿业过程的环境问题包括土壤侵蚀、塌陷坑的形成、生物多样性受损，矿业作业过程中的化学物质对土壤及地下和地表水的污染等。在某些情况下，也存在矿山附近的森林被砍伐腾出用于矿业作业产生的废弃物和土堆对环境造成的影响[9]。如果没有进行适当的控制，泄漏的化学物质带来的污染也可能会对当地居民的健康造成危害[10]。极端的矿业活动的污染包括煤矿着火，可以持续几年甚至数十年，产生严重的环境污染。

大多数国家都要求矿业公司遵守严苛的环境及复垦准则，进而降低矿业对环境和人类健康的影响。这些准则要求采取相同的步骤：环境影响评估、环境管理计划、矿山关闭计划（必须在开采前完成）以及作业过程中和矿山停止作业后的环境监测。然而，在一些地区，尤其是在发展中国家，政府相应的规章制度存在不健全或执行不到位的情况。

新能源对矿业的影响

很多矿山都位于偏远地区，无法连上已有的电网。除个别建在煤矿附近的发电厂可以为矿山提供电力供应外，传统矿山一般采用柴油机发电。由于柴油昂贵的运输成本，矿山的发电成本通常较高。近年来由于天然气的广泛开采及应用，部分离天然气资源比较近的矿山也开始使用天然气发动机进行发电。在各大矿业公司面临碳排放要求不断加严的影响下，可再生能源的使用正成为一个替代或者修正方案，尤其受到了新矿山的广泛青睐。在矿山附近建设太阳能或者风能发电厂与使用柴油相比可降低发电成本，并能显著降低碳排放，世界几大矿业公司纷纷制定了减碳目标及措施，有些公司已经计划对主要矿山100%采用可再生能源。在澳洲、南美洲、北美洲及非洲，许多国家的矿山已经建立了可再生能源发电厂或者选择使用可再生能源发电合作方提供电力供应[11]，比柴油发电成本可以节省70%[12]。如2019年5月，国际矿业公司必和必拓宣布永久关闭其自有的煤电厂、采购可再生能源发电以降低65%的美国犹他州的Kennecott 铜矿的碳排放。还有另外一些矿也开始由柴油变更为天然气发电机，采用了柴油、太阳能混合，天然气、太阳能及电池组混合等等[13]。

矿业安全

安全一直是矿业关注的焦点，尤其是地下采矿。尽管近年来矿业作业比以前安全很多，但是矿业事故仍有发生。美国1978年建立了《矿业安全和健康管理》，以降低矿业作业引起的伤害、疾病和死亡，促进矿业作业场所的安全和矿工的健康[14]。该规定实施以来，美国矿难人数从1978年的242人降低到了2019年的24人。

与矿业相关的职业危害有很多，包括尘土吸入（可导致矽肺病等肺部疾病）、毒气窒息或中毒。矿体塌陷、岩石掉落及过热暴露都是已知的矿业危害。矿业设备会产生大量的噪音，容易导致听力减弱或者丧失。

矿业设备技术发展

世界多数矿山都位于偏远的环境恶劣地区，很大程度上依赖矿业设备、技术及现场服务。采矿技术可以分为两个常见的采掘类型：地表采矿和地下采矿。当前，地表采矿更为普遍，如生产了美国85%的矿物（不包括石油和天然气），包括98%的金属矿石[15]。

矿业采用重型机械来进行勘探开发，运输及储存非目标产品以外的废料，破碎及移除各种硬度及粗糙度的岩石，加工采集到的矿石，以及进行开采关闭后的复垦项目。一般需要采用推土机、钻机、炸药、挖机及矿业卡车等进行矿石的采掘。对于冲击床矿藏，冲积土进料送到料斗及振动筛或滚筒筛中，从中筛出所需的矿砂，然后使用水滑梯进行矿砂粉的冲洗，将目标矿物进行浓缩。

大型钻机用于沉轴、挖采样品进行勘探分析。轨道车辆用于运输矿工、矿石及废料。升降机用于运输矿工、矿石和矿砂以及矿机设备进出地下矿。地表矿采用大型矿卡、矿挖、起重机来进行矿石及非目标废物的移动和运输。矿石加工厂采用大型破碎机、磨（如球磨机）、反应器、焙烧炉和其他设备来富集含矿物质的材料，从矿石中提取目标化合物和金属。

近些年，各国矿业机械设备广泛研究和应用的技术主要包括设备的大型化、节能化、智能化、安全化及新的能源供应方式与设备电动化等。

设备的大型化

为了提高矿山的工作效率和投入产出比，矿业设备不断升级，主要方向之一是设备的处理能力或者载荷越来越大，比如下述的矿区移动装备索斗铲、矿用挖机及矿卡。

索斗铲（Dragline）

P&H及卡特是当前大型电铲的主要生产商。矿用电铲自重从8000 t到13000 t左右，铲斗容量一般在30 ～60 m3，超大的可达170 m3。铲斗通过钢绳由柴油机或者电机进行驱动。大型矿用电铲一般直接用电机驱动，有些小型的采用柴油-液压驱动。太原重工是国内的专业化的矿用电铲（机械式挖机）的生产企业，其生产的电铲采用交流电机驱动，近几年铲斗容从之前的4 ～45 m3扩大到55 ～75 m3，除了国内各大煤矿铁矿等金属矿，也在非洲、南美、俄罗斯及蒙古中东等地的矿业开采得到较广泛应用。

液压挖机（Excavator）

液压挖机的制造商更多，国际矿用的挖机以Bucyrus卡特、小松、日立及利勃海尔等为主。中国的三一、徐工及中联重科等在国际上的市场份额也逐渐增加，尤其2020年上升显著。矿业挖机制造商在逐渐增加液压挖机的斗容量，目前大型液压挖机的容量已经可以达到40 ～50 m3。目前全球前十大新型液压挖机中如卡特所有的 Bucyrus RH400 自重 980 t，斗容 45 m3；卡特6090 FS（工作载重1000 t）斗容已达到52 m3（有效载荷达103 t）；日立EX8000-6，自重811 t，斗容45 m3；利勃海尔R9800斗容为42 m3。

矿卡(Haul Truck/Dump Truck)

国际大型矿卡如：卡特797/797B/797F(柴油机，机械传动),小松830E/930E/960E-1/980E4（柴油机，GE电机驱动）及利勃海尔T 282/284 系列（柴油，AC电机）及日立的EH5000矿卡（柴油，AC电机）；国内大型矿卡如湘电重工730E/830E/930E/SF33901D（载重量范围108 ～320 t，柴油机，电动轮驱动），给澳洲力拓供应的230 t的矿卡自重经过革新实现了194 t降至180 t。以上世界主流矿卡，发动机多以康明斯、卡特、MTU/DDC及小松为主；传动系除了卡特采用机械传动外，越来越多的矿卡制造商开始采用电动轮传动，如除了最早的小松之外，日立及国内的湘电都开始采用电动轮传动。各制造商所生产矿卡型号的升级，多伴随着发动机功率及技术的提高及有效载荷的提高，目前有效载重可高达400 t；同时，也在尽可能地降低自重，进而提高工作效率。

矿石加工设备

移动装备部分之外，矿石加工厂的矿石加工设备也不断地刷新规模纪录。如铁矿石加工核心设备球磨机：中信重工为中国黄金集团乌努格吐山项目研发生产的直径8.8 m、长度4.8 m的半自磨机和直径6.2 m、长度9.5 m的溢流型球磨机在2008年创造了当时国内企业使用纪录，后来其为世界最大的铁矿项目-澳大利亚中信泰富SINO铁矿项目研发的6组直径7.93 m、长度13.6 m的溢流型球磨机，直径12.2 m、长度11 m的自磨机组合也成功地交付使用，再次刷新了矿山球磨机的技术及规格的国际纪录[16]。

设备高效节能化

为减少能源转化过程从一种形式转化为另外一种形式（如从柴油燃烧燃料热能转化为机械能）的中间损失，矿业设备如大型矿卡多采用电动轮驱动，以及电力直接驱动设备。同时矿业设备所采用柴油机的技术水平、功率输出及转化率也在不断提升。如卡特新推出的下一代20 t挖机320 GC、320 及 323—提升了效率和生产率，并降低了操作成本。再如日立建机公司的EX-7系列挖机（100 ～800 t）进一步提升了生产效率。

新的能源供应方式及设备电动化

如前所述，为了降低碳排放，提升设备的燃油经济性和降低对环境的污染，全世界范围内的矿业公司都陆续开始采用清洁及可再生能源，如天然气发动机发电，氢能、风电和太阳能发电进行供电及电池组进行储电，且以上能源供应方式以离矿区近为优先考虑和建设，进而减少输电过程带来电网建设及相应的管理运营成本。

当前，矿业设备如矿卡和挖机的电动化进程才刚起步，矿业设备全电动化率仅为0.5%左右，电池相对于内燃机的成本优势随着电池技术的发展越来越明显。不远的将来，成本加上环保等驱动，越来越多的矿业设备制造商将放弃使用柴油机而采用电池驱动（如绿色氢燃料电池或锂电池）或者电机驱动。矿业巨头英美资源集团已与全球能源及能源服务公司ENGIE合作开发世界最大的氢动力矿卡（燃料电池混合动力电动矿卡，氢燃料电池加锂离子电池混合能源系统，样机由小松930E为主体改装），计划在南非矿上开展试验，成功后计划将该技术推广到其他矿区和车型主体[17]。国内的潍柴动力与中车永济电机公司（控制系统）合作开发的200 t燃料电池矿卡（氢燃料-锂电池混合能源系统，燃料电池模块由巴拉德公司提供）2019年样机下线，正式量产车将在2021年下半年下线开展矿山现场测试[18]。再如沃尔沃工程设备及服务公司的电缆连接双电70 t挖机样板-EX1可以直接采用电力驱动（电力可以来自氢气发电、风电及太阳能发电），可以降低98%的碳排放、70%的能源损失和40%的运营损失。

设备的智能化安全化

在无人驾驶即将为城市交通服务时，为了降低矿业作业风险，提高作业人员职业健康安全水平，并提升设备工作效率和生产率，无人驾驶技术已经在世界先进矿业的诸多作业领域早一步得到了应用。

力拓集团推行设备自动化已经超过十年。自动化让其运营更安全、高效，并可以降低运营成本。通过增加自动驾驶的卡车、自动钻机及自动驾驶的火车，消除了驾驶故障并改善了作业安全性。其铁矿业务率先在全球采用全自动驾驶的重负荷火车系统AutoHaul, 迄今已经运行超过700万km，光节省的运输火车司机往返火车的路程每年可达150万km。其在西澳的铁矿采用了130多辆自动驾驶矿卡。这些卡车由位于离矿山1500 km之外的珀斯中央监控系统而不是司机进行操控，该系统使用预先定义的GPS线路，自动进行矿卡导航，所有车辆的位置、速度及方向都可实时监控掌握。2018年，平均每辆自动驾驶矿卡估计比传统矿卡多运营700 h，成本低15%，生产效率提升非常明显，且让卡车操作者远离危险，降低了在重型机械附近工作的风险。力拓拥有26台自动钻机，可以安全准确地遥控而不是现场手工进行爆破钻孔。在其很多作业过程中，采用了远程控制的越野车或者无人机开展有风险的作业进而保证设备操作人员的安全。

力拓在澳洲的珀斯及布里斯班、加拿大魁北克省的萨格奈地区的运营中心使得其矿山、码头及铁路系统都可以在一处进行操控。工作组在布满了显示实际工作现场的屏幕前实时进行监控，使用像预测数学、计算机代码及强大软件等工具，进行改进及增效的识别分析[19]。

力拓之外，世界最大的矿业公司必和必拓也在澳洲铁矿石开采过程中使用无人驾驶卡车及钻机。Fortescue Metals Group (FMG)矿业公司为了降低运营成本，也开始将其西澳Pilbara的矿卡转为无人自动驾驶。

为了支持矿业公司的自动化运营，世界的主流设备制造商也纷纷推出了自动控制设备。除了前述的力拓及必和必拓在澳洲矿区采用的小松自动驾车矿卡之外，卡特还推出了最新一代自动钻机Cat MD6250，操控者可以坐在远程的安全舒适的操控站里，而不用离开操控站，使得操控者远离爆破尘土、震动噪音等现场作业危害，可同时操控3台自动钻机，不光准确性更高，生产效率也大大提高。

环境及安全要求

除了设备的效率相关特性一直备受关注之外，设备操作的安全性和环境兼容性也得到了多数制造商和分销商越来越多的关注。降低排放，减少维护和操作成本，改善设备操作者的安全和舒适性，已经成为当前及今后设备制造商对如挖机和钻机等矿山现场作业设备的首要关注点。

矿业设备对润滑剂性能要求

新能源供应方式

在偏远地区的风电及太阳能板的广泛采用，为减少设备及油品维护保养的周期，减少人力在偏远恶劣地带换油的操作频次，会要求使用长寿命高性能的润滑剂产品，故而风电齿轮箱及传动轴和液压系统一般都采用全合成长寿命齿轮油、合成润滑脂及合成液压油。太阳能发电板也要求开发提供长寿命的冷却液产品。另外，燃气发电机也会要求使用获得大型燃气发电机制造商认可（如康明斯、瓦克夏、颜巴赫等）的燃气发动机油。

润滑油脂工作条件更加苛刻

大型电铲及钻机等要求使用耐高温高湿高粉尘的油脂新产品，比如承担高负荷的新的大型电铲齿轮开式齿轮脂，耐高温高湿高负荷的含钼磺酸钙型矿山润滑脂等高性能新产品。

大型矿卡电动轮的轮边减速齿轮箱逐渐开始要求使用全合成的高性能齿轮油，以延长换油保养周期及提高对昂贵的轮边减速齿轮的保护。

昂贵的矿石加工大型球磨机等设备的开式齿轮逐渐开始要求使用黏附性强、流动性好的超大黏度齿轮油或者黏附性强、极压性好的开式齿轮润滑脂，以提高对齿轮的保护，减少维修停工损失，并延长设备服务寿命。矿石粉碎设备的闭式齿轮箱要求使用的工业齿轮油也逐渐由矿物型向全合成型高性能长寿命产品转变。

设备节能化、电动化

设备的节能化会要求使用更多的合成型长寿命节能型润滑油脂产品，提高油品的润滑寿命和质量，降低能源消耗，降低设备维护保养和人工参与的频次。电驱动设备的广泛采用将带来润滑脂类产品（如耐矿区苛刻工况的高性能电机轴承脂等）需求的不断增加。

设备智能化、安全化

因为电气元件的敏感度要求不断提高，要求润滑油在使用中如液压系统保持较高的清洁度和灵敏度。同时考虑到作业场所的安全化，矿业作业的某些特殊（如高温、高压、易燃、易爆等）工作场所已经开始使用带加注了荧光指示剂的润滑油产品（加入后需要用类似手电筒发出的紫外蓝光进行照射，荧光指示剂在紫外蓝光下可以发出绿或者指定的别的亮色），以监控油液泄漏和进行高压人体摄入定位识别，非常便于及时发现和进行后续防护处理，降低作业场所的安全隐患和职业健康危害。

矿业设备润滑剂发展趋势

改进的氧化安定性及长寿命（合成型润滑剂的需求增加）

大型矿车的轮边减速器使用的减速机齿轮油从矿物型向全合成长寿命型过渡，如日立的EH5000等矿卡电动轮减速齿轮箱要求使用全合成齿轮油GL-580W-140。

为了降低苛刻环境下的设备维护等人工成本，风电齿轮箱及液压油系统一般都要求使用合成齿轮油、液压油和合成脂。矿石加工粉碎设备的齿轮也逐渐开始要求使用全合成型高性能长寿命润滑剂。

未来，合成型的长寿命润滑剂产品将越来越受到工作环境苛刻的矿区的青睐。

更强的油膜保持能力和低温流动性

为了应对设备大型化及矿业作业的恶劣环境带来的更强的油膜保持能力要求，黏附性强、润滑膜保持能力强的新产品如含钼型润滑油脂的需求不断增加，如含钼凿岩油和含钼矿山脂。矿石加工厂新的大型设备如昂贵的球磨机要求使用黏附性、低温流动性好（低温泵送性好，合成型）的大黏度齿轮油(采用大黏度合成基础油，40 ℃运动黏度可高达20000甚至40000 mm2/s)或者黏附性（采用大黏度基础油，如基础油40 ℃运动黏度可高达2000甚至4000 mm2/s）、极压性强（承载能力强，如含有固体）的高性能开式齿轮脂。地下矿要求使用抗氧化、极压性高且耐水性更强的含钼磺酸钙型矿山脂产品。