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我國浮選裝備研究的學術帶頭人沈政昌:讓大型高效選礦裝備躋身世界一流

2017-08-14 來源: 中國振動機械網
  沈政昌,我國著名大型高效選礦裝備專家、北京礦冶研究總院副總工程師、教授級高工,我國浮選裝備研究的學術帶頭人,長期從事礦物加工設備研究及工程轉化,在浮選設備通用化、多樣化、..

  沈政昌,我國著名大型高效選礦裝備專家、北京礦冶研究總院副總工程師、教授級高工,我國浮選裝備研究的學術帶頭人,長期從事礦物加工設備研究及工程轉化,在浮選設備通用化、多樣化、系列化和利用綜合力場等應用研究方面取得了重大突破,創建和完善了我國新的浮選裝備體系,在我國浮選設備大型化、帶動浮選工藝變革、拓展浮選應用領域等方面起到了關鍵作用。
 


沈政昌專家


浮選是一種根據礦物顆粒表面物理化學性質的不同,從礦石中分離有用礦物的選礦方法。浮選設備是礦物加工領域最重要的分選設備,世界上有90%的有色金屬和50%的黑色金屬礦石采用浮選法處理。礦冶行業發展進入新常態,資源稟賦愈來愈差,日趨貧、細、雜,對浮選設備提出了巨大挑戰。

多年來,沈政昌和他的研發團隊攻克了一系列技術難題,取得了多項科研成果,先后獲得了國家科技進步獎2項、國家發明獎3項、中國專利優秀獎4項、部級科技成果獎25項、授權專利34項,為我國大型浮選裝備托起了一片藍天,讓其躋身于國際一流行列,廣泛應用于國內外眾多的礦山企業。沈政昌獲得了“全國杰出專業技術人才”“中國有色金屬工業科學技術突出貢獻獎”等稱號。
 


自己的路  要自己走隨著工業化、城鎮化進程的加快,經濟的發展對礦石的需求量不斷增加,礦產資源逐漸貧雜化,為處理越來越多的貧礦石和難選礦石,必須大幅提高浮選設備的處理能力,這就使得大型浮選機的出現成為必然。

早在20世紀70年代,國外就開始研發大型浮選機。1996年,當國外單槽容積100立方米浮選機已成為大型礦山的標準配置時,我國首臺24立方米浮選機才剛剛研制成功,這嚴重制約了國內選礦廠大型化進程及資源的高效開發。到了2000年,國外浮選機的單槽容積已經達到160立方米,而我國浮選機單槽最大容積僅為38立方米。這種差距使得當時國內大型浮選機市場幾乎全被國外企業占領。“大型浮選機必須自己搞,如果不搞,中國的礦山企業就會受制于人,中國制造也就永遠沒有話語權!”沈政昌這樣說,更是為之付出了艱苦的努力。他所領導的“浮選機大型化關鍵技術研究及工業應用”科研項目于2000年正式立項,研究了浮選機大型化關鍵技術,進行了大規模的浮選機工業試驗。回想起項目的研究歷程,沈政昌不無感慨地說:“這個項目挺難的。一是技術上難,浮選是一個復雜的氣液固三相物理化學反應過程,浮選機不僅僅是攪拌礦物,而是要營造適合不同礦物選別的浮選環境。二是試驗時機難,大型設備做一個實驗要用掉上百萬、甚至上千萬經費,光靠我們的科研經費肯定不行,得尋找恰當的試驗機會。為了中國制造,我們時刻準備著。”

1999年,金川公司要擴建6000噸/天的選礦廠,計劃選用50立方米浮選機。面對國外浮選機廠商對中國市場的“虎視眈眈”,面對社會上對我國自主技術和中國制造的質疑,沈政昌沒有猶豫。他憑著多年來研制浮選機的心得和體會,依靠扎實的理論功底,帶領科研團隊在短短半年的時間內就研究完成了50立方米浮選機的成套技術。這其中包括設備的結構、對鎳礦選礦的適應性以及當時在國內幾乎處于空白的浮選過程自動控制系統。在北京礦冶研究總院和金川集團公司領導的大力支持下,沈政昌帶領科研團隊開展了試驗研究,沖擊50立方米浮選機。經過科研團隊夜以繼日的艱苦試驗,2001年,第一臺擁有自主知識產權的50立方米大型浮選機終于試驗成功,標志著我國大型浮選設備的研究邁出了趕超世界先進水平的第一步,縮短了我國在大型浮選設備方面與國外存在的差距,填補了國內大型浮選機的空白。2003年12月,科學技術部組織專家對“十五”國家攻關課題“大型高效選礦設備研制”進行驗收,經嚴格審查認定,KYF-50型浮選機為重大科技成果。

開拓創新  勇攀高峰浮選機內為氣液固三相復雜的物理化學過程,設備幾何尺寸急劇放大仍需要保持流體動力學特征相似。實現粗、細粒級礦物在大型浮選機內高效礦化一直是浮選過程動力學研究的重點,也是世界性難題。針對這一難題,沈政昌定義了“大型浮選機內浮選動力學分區”,提出了“提高大型浮選機運輸區高度有利于粗粒礦物回收”“加強預礦化作用可增加細粒礦物回收”的新觀點,建立了不同粒級礦物在浮選機內的運動特性模型,形成了提高各粒級礦物礦化概率的新方法,為拓寬浮選粒度范圍和提高分選指標明確了方向。保持大型浮選機內優異的浮選流體動力學性能是浮選設備放大的關鍵。為此沈政昌提出了基于平均葉輪攪拌雷諾數相等、以幾何及懸浮相似為核心的趨勢外推浮選設備放大理論,建立了關鍵參數與氣液固三相流場特征的關系模型,為大型浮選設備開發奠定了基礎。同時他提出礦漿駐留時間動態計算模型,實現了短流程設計,保障了大型浮選機的高效應用。沈政昌還發明了弧面倒錐臺后傾葉輪及懸空定子的高效攪拌系統,提升混合區攪拌強度,在實現對細粒礦物預礦化的同時,增加了粗粒礦物的運輸高度;發明了定向流空氣分配器,保障了大流量、低壓頭下的空氣高效剪切和均勻彌散,實現了細粒礦物的預礦化;開發了以泡沫表面低負載率及溢流堰小載荷為基礎的泡沫快速輸送技術,解決了大型浮選機泡沫層變厚、承載負荷增大的問題。

有了技術上的突破,沈政昌和他帶領的科研團隊研發的步伐越來越快,不斷刷新著國產大型浮選機的紀錄。2005年,以金川公司擴建14000 噸/天項目為契機,成功研制了160 立方米浮選機,徹底改變了大型選礦設備被發達國家壟斷的局面,標志著我國大型選礦設備的研究開發躋身國際先進行列,極大地提高我國大型浮選設備在國際市場上的競爭力。2008年,抓住了江西銅業德興銅礦擴建90000噸/天項目的機會,成功開發了200立方米浮選機。2008年6月27日,由我國礦物工程領域知名專家王淀佐院士、陳清如院士和孫傳堯院士等組成的鑒定委員會一致認為,該設備達到國際先進水平。國人終于可以自豪地向外宣告:中國已順利跨入擁有特大型浮選裝備國家之列。2008年8月,就在200立方米浮選機研發成功不到兩個月之際,得知世界單系列最大的秘魯托洛莫克14.7萬噸/日銅鉬礦計劃采用320立方米浮選機,沈政昌當機立斷,立刻組織320立方米浮選機的科研工作,在短短的3個月內就完成了圖紙的設計、試驗方案的確認和設備的制造。2008年11月,當時世界上最大的320立方米浮選機就屹立在了德興銅礦大山選礦廠。隨著時任現場總指揮沈政昌的一聲“合閘”,這個龐然大物啟動了,巨大的葉輪突然間鉚足了勁,精神抖擻地運轉起來,大量的泡沫不斷上溢,在場的人眼中都閃爍出別樣的光芒,激動、興奮、自豪,各種感覺從他們的眼睛里投射出來,形成強大的穿透力,頃刻間感染了現場的每一個人,瞬息之間大家的血液沸騰起來。那一刻,預示著中國選礦設備的歷史再一次被改寫。與國外容積相當的浮選機相比,沈政昌團隊完成的320立方米浮選機,粗粒礦物回收率提高2~3個百分點,單位容積裝機功率低12%,實際功耗低13.79%。如此優異的成績,最終得到了秘魯托洛莫克項目的總包商——美國的Aker Solution公司的認可,在該項目中采用了28臺中國制造的320立方米浮選機。目前,本技術系列大型浮選機在國內外162家大型礦山得到應用,年處理各種礦石超過3.5億噸,鞏固了我國大型浮選裝備的國際先進地位。

經過10年的理論探索與試驗研究,“浮選機大型化關鍵技術研究及工業應用”項目對大型浮選機礦化理論、設計技術及設備結構進行了創新發明,沈政昌將浮選機大型化、高效低耗及簡化流程作為研究重點,根據提出的浮選動力學新觀點和放大理論,發明了高比轉數后傾葉輪、懸空定子及定向流空氣分配器,提高了運輸區高度并實現預礦化;開發了以泡沫表面低負載率及溢流堰小載荷為基礎的泡沫快速輸送技術,形成了我國擁有自主知識產權的浮選機大型化核心技術;研制成功了容積為40、50、70、100、130、160、200、320立方米浮選機,實現了大規模工業化應用。設備綜合性能及技術經濟指標均達國際領先,改變了我國長期使用20立方米以下浮選機、且型號單一的局面,推進了我國選礦廠的大型化、現代化進程,使我國躋身浮選裝備技術的三大強國之一。科研成果的不斷刷新,既與國家相關政策對礦業發展的長期支持、北京礦冶研究總院幾十年來為科技創新提供良好的科研氛圍密不可分,更與沈政昌和他帶領的科研團隊結構穩定,老、中、青三代科研人員齊心協力、永攀高峰的奮斗精神密切相關。

科學求實  攻堅克難礦產資源稟賦變化,礦物粗細粒度嵌布不均,共伴生關系復雜。難選的粗粒和細粒占比顯著增加,傳統浮選設備技術難以適應礦石品質的新變化。針對這一問題,沈政昌在粗顆粒浮選機技術的基礎上,創新開發了我國獨有的寬粒級浮選技術,拓寬了浮選粒度上、下限,解決了單一粗粒礦物分選難題。粗、細顆粒要求的浮選流體動力學環境是矛盾的,如何解決這些矛盾,一直是礦物加工領域研究的難點。越粗重的顆粒,礦化以粘附為主,易脫落;越細的顆粒,礦化以碰撞為主,不易脫落。根據粗粒礦物浮選的特殊流體動力學環境,沈政昌提出了低輸入功率下粗、重顆粒充分懸浮、縮短礦化氣泡上升距離、分離區平穩和兼顧常規粒級的技術思想來解決這一難點。他還創新提出浮選機內建立氣液固三相沸騰層,形成以低紊流為特征的粗粒礦物分選區,建立了浮選機內密度梯度,實現礦物顆粒按粒級及礦化狀態的選擇性循環路徑,形成以高紊流為特征的細粒礦物分選區。為此,他發明了礦漿定向循環槽體、阻流柵板、大流量低壓頭葉輪和循環量調控假底,使礦物按粒級及礦化狀態進行選擇性循環,顯著提高了粗、細粒級礦物的分選指標。這一技術推動了冶煉爐渣的資源化利用,填補了國內外爐渣浮選設備技術的空白;實現了含寬粒級礦物的高效回收,在中國五礦宜春鉭鈮礦、中國建材通遼矽砂等國內外90余家礦山企業推廣應用,獲得了巨大的經濟和社會效益。

國外充氣式浮選機不具備自吸礦漿功能,作業間須階梯配置,并配套中礦返回系統,能耗高、工藝流程復雜、基建投資高、金屬易流失。針對于此,沈政昌巧妙提出攪拌系統分區構想,論證了充氣式浮選機自吸漿的可行性。發明了具有兩個獨立工作區的葉輪,下葉片循環礦漿、分散空氣,上葉片卷吸中礦,攻克了充氣式浮選機無法自吸礦漿的國際性難題。形成了充氣式浮選機聯合配置機組設計方法,實現了水平配置,既簡化了工藝流程又提高了資源利用水平,推動選礦廠設計和設備配置技術的重大變革。該配置模式已在國內外300多家選礦廠應用,僅節能一項,每年可節電1億度,創造了顯著的社會經濟效益。

此外,沈政昌教授在浮選柱、泡沫浮選的機理、復合力場在礦物加工領域的應用、礦產資源的綜合利用研究方面也作出了重要貢獻,在國內外發表學術論文90余篇,出版著作4部。其中《浮選機理論與技術》獲得了中國有色金屬出版物圖書一等獎。

刻苦鉆研  學無止境幾十年來,沈政昌的足跡踏遍了國內外的數千家礦山。從中國最東面的琿春紫金礦業,到身處大西北戈壁荒漠的國投新疆羅布泊鉀鹽有限責任公司;從國內海拔最高的礦山之一的德爾尼銅礦到大洋彼岸的秘魯托洛莫克銅鉬礦,都留下了他忙碌的身影。這些礦山一線的實踐經歷,為他在浮選設備的技術創新和進步打下了堅實的基礎。在艱苦奮戰的幾千個日日夜夜里,沈政昌和他帶領的科研團隊用汗水和智慧夯實了浮選機快速發展的技術與理論基礎,顯著提高了我國礦產資源綜合利用水平,實現了低品位難處理礦產資源的大規模高效開發利用,推動了行業科技進步。沈政昌及其團隊采用全新的研究手段和設計理念,結合我國礦物加工實際,簡化設備結構,改進礦漿循環方式,研制高效新型葉輪定子系統,建立適合礦物選別要求的礦漿運動路線,確定了最優技術參數和方案,開創了具有鮮明特點、自主知識產權的系列浮選機。現有18個型號、300余種規格,可滿足不同礦物、規模選礦廠的需求,回收率提高1~3個百分點,節能15%~40%,節省藥劑15%~20%。國內應用兩萬多臺套,占總量的85%以上,推動了我國礦物加工工藝變革與進步,出口歐美等31個國家,打破了國外對我國大型浮選機市場的壟斷。

沈政昌常說:“我們的目標只有一個——干好我們的浮選機。”浮選是一個復雜的過程,其理論研究一直落后于工程實踐。要做好大型浮選機,就必須基礎研究和應用研究兩手抓,只有兩者的有機結合,才能做出性能優異、質量可靠的大型浮選機。沈政昌以嚴謹的科學態度,堅持基礎研究與工業實踐相結合。他說:“理論研究指導工業試驗的方向,而工業實踐是檢驗大型浮選機的性能的最高標準”。為了做好大型浮選機的研究,他率領科研團隊長期堅守在生產第一線,很多科研人員每年在一線的時間都長達150天,甚至200天。“要干成一兩件事,并不是說我是這個團隊的負責人,就能干成,其實都是靠大家的同心協力。”沈政昌總是這樣謙虛地說。

求索的路是艱苦的。只有潛心鉆研,才能迸出創新的火花,“厚積”方能“薄發”。沈政昌深知這一點的重要性。浮選機是一種在三相流狀態下工作的設備,結構上看起來比較簡單,但理論上的研究卻非常復雜。對浮選機相關理論深入理解并有所創新,需要學習國際上最新的技術資料和進行大量的試驗。沈政昌有著良好學習習慣,每年都要把浮選設備相關的論文資料、專利裝訂成冊,不僅自己認真研讀,還要求專題組的其他成員認真學習。30年如一日,他始終堅持學習,收集的資料不僅把辦公室的箱柜裝滿了,自己家的書柜也都是專業書籍。2006年160立方米浮選機工業試驗期間,他帶了整整一大箱技術書籍,幾乎占滿了汽車的后備箱,利用盡可能多的空余時間進行研讀。每當同事們交流起技術問題,他總能在書柜中找出相關的文獻,與大家共同討論。浮選機試驗數據的積累和分析是研究的重要一環,只要有新想法,沈政昌都會開展很多實驗室試驗和小型試驗進行印證。

求索的路是苦澀的。只有不斷地付出,才能結出累累的碩果,“天道酬勤”。求索的路更是漫長的。只有不停地追求,才能在科學的道路上不斷前進,“路漫漫其修遠兮,吾將上下而求索”。

終年忙于科研事業,沈政昌不得不舍棄很多與家庭和親人團聚的機會,30年來離多聚少。1987年為了38立方米浮選機試驗,他匆匆離開了剛生下孩子的妻子,由于試驗任務重,一去就是九個多月。當他帶著滿身的選礦藥劑味道回到孩子身邊的時候,孩子一看到他就哭,持續了半個多月才允許他親近。現在回想起來,還是滿懷著對妻子和兒子的深深內疚之情。2006年,隨著礦業形勢的好轉,浮選設備的項目增加了好幾倍,研發任務也非常繁重,作為專題組長的沈政昌忙得不可開交。然而就在這個時候,傳來了父親病重的消息。由于父親身體經不起路途的顛簸,沈政昌只能一邊忙于工作,一邊奔波兩地照看父親。一段時間下來,人蒼老了不少。在一次出差的途中,聽到了父親病危的噩耗,由于路途遙遠,沈政昌沒能見到父親最后一面,留下了終生的遺憾。

不忘初心  不斷突破“現在國際上已經知道我們中國制造的浮選機了,接下來就是怎么讓人家信任我們。在西方人的觀念里中國人不是搞高檔設備的,加拿大有個項目,當時要了兩個系統的浮選機,合同都簽訂了。他們上級審查,覺得中國設備不行,協商后要了一個系統,另外一個系統不要了,買的美國設備。后來兩個系統上去了,一投產,還是中國的系統技術指標高。”沈教授充滿自豪,卻又不無擔憂地說:“我想,也許要經過好多的故事,我們才能順利進入國際市場。”

近些年,沈政昌帶領的科研團隊主要針對大型浮選機的精細化研究下功夫,致力于在國際市場與西方國家的浮選機進行全方位的競爭,在技術和成本優勢上打敗他們。目前,礦業發展進入新常態,資源稟賦愈來愈差,大宗礦產品價格進入下行區間,千萬噸級的大型浮選流程用于回收低品位礦產資源在世界范圍內不斷涌現,對超大型浮選裝備的處理能力、單機性能、智能化水平提出更高的需求。沈政昌帶領的科研團隊已完成了世界最大680m3浮選機研究和設計。

科學研究沒有終點。沈政昌在浮選設備技術創新和科技成果產業化方面作出了有益的嘗試和較大貢獻,為科技成果向實際生產力轉化探索出了一條成功之路,有力地促進了礦山建設事業的發展,并獲得了顯著的經濟效益和社會效益。雖然成績顯著,但他總是抱著一顆謙虛的心。他認為,成績屬于過去,只有踏實地走好每一步,做好前沿的研究,在科學技術的研究道路上不斷地求索,才能在技術上不斷占領制高點,才能決勝于未來。


本文關鍵詞:

浮選 沈政昌

責任編輯:曉麗
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