礦業、設備及潤滑劑發展

顧鑫 鄭印 隋秀華

中國石化潤滑油有限公司國際業務中心

現代采礦過程包括勘探、開采、礦石加工、目標產品材料的提取及礦山關閉后的復墾[1]。礦業按資源來分，可以分為五大類。分別是油氣開采、采煤、金屬采礦、非金屬礦物開采及采石、礦業支持活動[2]。其中，油氣開采因其對全球經濟重要性仍是其中最大一類，本文不包括這一類。采礦作業通常會對環境造成負面影響，包括開采期間和礦山關閉之后。因此，世界上大多數國家已通過立法以減少礦業對于環境帶來的影響。另外，礦業安全也一直備受關注，現代礦業顯著改善了礦山作業安全。

礦業發展

隨著人類文明的開始，人們就開始使用地球表面的石頭和瓷器，之后開始利用金屬，主要用來制造工具和武器以供使用。考古有記錄的最古老的礦是位于南部非洲的埃斯瓦蒂尼（斯威士蘭）的Ngwenya礦，放射性碳年代測定表明它約有43000年的歷史。該礦主要出產赤鐵礦石，用于生產赭色染料。

20世紀，各種金屬的使用得到了迅速增長。今天，世界主要國家如中國和印度的經濟發展及技術進步帶來了更大的礦物需求。隨著金屬礦業活動不斷擴展，越來越多的礦產不再保存于地下，被開采出地面進行使用。其中一個關鍵被開采使用的礦物是銅。1932年到1999年，美國使用中的銅從人均73 kg增加到了238 kg[3]。

礦業推動著世界經濟的不斷發展。2007年，世界礦業公司的總市場資本達9620億美元, 2007年同期全球上市公司的總市場資本約50萬億美元[4]。世界上很多國家擁有礦業。英國倫敦被譽為全球的礦業金融之都，全球五大礦業公司中的四大（必和必拓公司、力拓集團、英美資源集團和嘉能可）的股票都主要在倫敦上市。美國礦業也非常強大，以煤和其他非金屬礦物（如巖和砂）為主。在發達國家，必和必拓在澳洲設立總部，澳洲也擁有多樣的礦產資源，比如全球最多的鐵礦和金礦儲備，礦業在加拿大也尤為重要。南美很多國家都有礦產，其中智利、秘魯、巴西和墨西哥的礦物和金屬出口占南美總量的85%。智利是世界主要銅出口國，世界銅礦產量的25%來自于智利，秘魯緊隨其后。巴西是世界第三大鐵礦生產國，墨西哥是世界最大的銀生產國（盡管秘魯的儲量更大）[5]。非洲也是世界重要的礦業商品產地，含有豐富的礦產，如金、鉆石、鈷、鋁土、鐵、煤及銅，非洲主要產礦國家為剛果金、南非、納米比亞和津巴布韋。非洲的礦產儲量約為全球已知儲量的30%，剛果金鈷（主要用于鋰電池生產）儲量占全球一半左右（2019年剛果金鈷產量約達10萬t）。剛果金和盧旺達為全球最大的鉭（手機、平板電腦、汽車等電子元器件的主要原料之一）產地。非洲利潤最好的兩類礦產是黃金和鉆石，如南非及博茨瓦納都生產鉆石，剛果金則是世界第三大鉆石生產國（僅次于俄羅斯和澳大利亞）。非洲還擁有全球多數的鉑金儲備，尤其是南非，其鉑金儲備約為63000 t[6]。2019年亞洲礦產品占全球的57.9%（來源：世界礦業數據2019）[5]，中國是礦業大國，除了煤和鐵的廣泛開采，據報道，2013年中國生產了世界95%的稀土金屬[7]。礦業也是印度國家經濟的重要來源之一。2019年，印度鐵礦和鉻礦產量都位居世界第四，鋁土礦和鋅礦產量都位居世界第五，錳、鉛和硫的產量都位居世界第七。當前，世界采礦作業主要集中在以下國家：中國、澳大利亞、俄羅斯、美國、印度、南非、印尼、加拿大、巴西、智利、墨西哥和秘魯等[8]。

2008年以來，全球礦業形勢呈現下行趨勢。2020年，因為新冠疫情的差異化影響，世界部分疫情影響較大的礦山比如智利的鐵礦停產，疫情影響較小的比如澳洲礦業可以正常運營，礦石價格有明顯的回升。

礦業對環境的影響及應對

礦業過程的環境問題包括土壤侵蝕、塌陷坑的形成、生物多樣性受損，礦業作業過程中的化學物質對土壤及地下和地表水的污染等。在某些情況下，也存在礦山附近的森林被砍伐騰出用于礦業作業產生的廢棄物和土堆對環境造成的影響[9]。如果沒有進行適當的控制，泄漏的化學物質帶來的污染也可能會對當地居民的健康造成危害[10]。極端的礦業活動的污染包括煤礦著火，可以持續幾年甚至數十年，產生嚴重的環境污染。

大多數國家都要求礦業公司遵守嚴苛的環境及復墾準則，進而降低礦業對環境和人類健康的影響。這些準則要求采取相同的步驟：環境影響評估、環境管理計劃、礦山關閉計劃（必須在開采前完成）以及作業過程中和礦山停止作業后的環境監測。然而，在一些地區，尤其是在發展中國家，政府相應的規章制度存在不健全或執行不到位的情況。

新能源對礦業的影響

很多礦山都位于偏遠地區，無法連上已有的電網。除個別建在煤礦附近的發電廠可以為礦山提供電力供應外，傳統礦山一般采用柴油機發電。由于柴油昂貴的運輸成本，礦山的發電成本通常較高。近年來由于天然氣的廣泛開采及應用，部分離天然氣資源比較近的礦山也開始使用天然氣發動機進行發電。在各大礦業公司面臨碳排放要求不斷加嚴的影響下，可再生能源的使用正成為一個替代或者修正方案，尤其受到了新礦山的廣泛青睞。在礦山附近建設太陽能或者風能發電廠與使用柴油相比可降低發電成本，并能顯著降低碳排放，世界幾大礦業公司紛紛制定了減碳目標及措施，有些公司已經計劃對主要礦山100%采用可再生能源。在澳洲、南美洲、北美洲及非洲，許多國家的礦山已經建立了可再生能源發電廠或者選擇使用可再生能源發電合作方提供電力供應[11]，比柴油發電成本可以節省70%[12]。如2019年5月，國際礦業公司必和必拓宣布永久關閉其自有的煤電廠、采購可再生能源發電以降低65%的 美國猶他州的Kennecott 銅礦的碳排放。還有另外一些礦也開始由柴油變更為天然氣發電機，采用了柴油、太陽能混合，天然氣、太陽能及電池組混合等等[13]。

礦業安全

安全一直是礦業關注的焦點，尤其是地下采礦。盡管近年來礦業作業比以前安全很多，但是礦業事故仍有發生。美國1978年建立了《礦業安全和健康管理》，以降低礦業作業引起的傷害、疾病和死亡，促進礦業作業場所的安全和礦工的健康[14]。該規定實施以來，美國礦難人數從1978年的242人降低到了2019年的24人。

與礦業相關的職業危害有很多，包括塵土吸入（可導致矽肺病等肺部疾病）、毒氣窒息或中毒。礦體塌陷、巖石掉落及過熱暴露都是已知的礦業危害。礦業設備會產生大量的噪音，容易導致聽力減弱或者喪失。

礦業設備技術發展

世界多數礦山都位于偏遠的環境惡劣地區，很大程度上依賴礦業設備、技術及現場服務。采礦技術可以分為兩個常見的采掘類型：地表采礦和地下采礦。當前，地表采礦更為普遍，如生產了美國85%的礦物（不包括石油和天然氣），包括98%的金屬礦石[15]。

礦業采用重型機械來進行勘探開發，運輸及儲存非目標產品以外的廢料，破碎及移除各種硬度及粗糙度的巖石，加工采集到的礦石，以及進行開采關閉后的復墾項目。一般需要采用推土機、鉆機、炸藥、挖機及礦業卡車等進行礦石的采掘。對于沖擊床礦藏，沖積土進料送到料斗及振動篩或滾筒篩中，從中篩出所需的礦砂，然后使用水滑梯進行礦砂粉的沖洗，將目標礦物進行濃縮。

大型鉆機用于沉軸、挖采樣品進行勘探分析。軌道車輛用于運輸礦工、礦石及廢料。升降機用于運輸礦工、礦石和礦砂以及礦機設備進出地下礦。地表礦采用大型礦卡、礦挖、起重機來進行礦石及非目標廢物的移動和運輸。礦石加工廠采用大型破碎機、磨（如球磨機）、反應器、焙燒爐和其他設備來富集含礦物質的材料，從礦石中提取目標化合物和金屬。

近些年，各國礦業機械設備廣泛研究和應用的技術主要包括設備的大型化、節能化、智能化、安全化及新的能源供應方式與設備電動化等。

設備的大型化

為了提高礦山的工作效率和投入產出比，礦業設備不斷升級，主要方向之一是設備的處理能力或者載荷越來越大，比如下述的礦區移動裝備索斗鏟、礦用挖機及礦卡。

索斗鏟（Dragline）

P&H及卡特是當前大型電鏟的主要生產商。礦用電鏟自重從8000 t到13000 t左右，鏟斗容量一般在30 ～60 m3，超大的可達170 m3。鏟斗通過鋼繩由柴油機或者電機進行驅動。大型礦用電鏟一般直接用電機驅動，有些小型的采用柴油-液壓驅動。太原重工是國內的專業化的礦用電鏟（機械式挖機）的生產企業，其生產的電鏟采用交流電機驅動，近幾年鏟斗容從之前的4 ～45 m3擴大到55 ～75 m3，除了國內各大煤礦鐵礦等金屬礦，也在非洲、南美、俄羅斯及蒙古中東等地的礦業開采得到較廣泛應用。

液壓挖機（Excavator）

液壓挖機的制造商更多，國際礦用的挖機以Bucyrus卡特、小松、日立及利勃海爾等為主。中國的三一、徐工及中聯重科等在國際上的市場份額也逐漸增加，尤其2020年上升顯著。礦業挖機制造商在逐漸增加液壓挖機的斗容量，目前大型液壓挖機的容量已經可以達到40 ～50 m3。目前全球前十大新型液壓挖機中如卡特所有的 Bucyrus RH400 自 重 980 t，斗容 45 m3；卡特6090 FS（工作載重1000 t）斗容已達到52 m3（有效載荷達103 t）；日立EX8000-6，自重811 t，斗容45 m3；利勃海爾R9800斗容為42 m3。

礦卡(Haul Truck/Dump Truck)

國際大型礦卡如：卡特797/797B/797F(柴油機，機械傳動),小松830E/930E/960E-1/980E4（柴油機，GE電機驅動）及利勃海爾T 282/284 系列（柴油，AC電機）及日立的EH5000礦卡（柴油，AC電機）；國內大型礦卡如湘電重工730E/830E/930E/SF33901D（載重量范圍108 ～320 t，柴油機，電動輪驅動），給澳洲力拓供應的230 t的礦卡自重經過革新實現了194 t降至180 t。以上世界主流礦卡，發動機多以康明斯、卡特、MTU/DDC及小松為主；傳動系除了卡特采用機械傳動外，越來越多的礦卡制造商開始采用電動輪傳動，如除了最早的小松之外，日立及國內的湘電都開始采用電動輪傳動。各制造商所生產礦卡型號的升級，多伴隨著發動機功率及技術的提高及有效載荷的提高，目前有效載重可高達400 t；同時，也在盡可能地降低自重，進而提高工作效率。

礦石加工設備

移動裝備部分之外，礦石加工廠的礦石加工設備也不斷地刷新規模紀錄。如鐵礦石加工核心設備球磨機：中信重工為中國黃金集團烏努格吐山項目研發生產的直徑8.8 m、長度4.8 m的半自磨機和直徑6.2 m、長度9.5 m的溢流型球磨機在2008年創造了當時國內企業使用紀錄，后來其為世界最大的鐵礦項目-澳大利亞中信泰富SINO鐵礦項目研發的6組直徑7.93 m、長度13.6 m的溢流型球磨機，直徑12.2 m、長度11 m的自磨機組合也成功地交付使用，再次刷新了礦山球磨機的技術及規格的國際紀錄[16]。

設備高效節能化

為減少能源轉化過程從一種形式轉化為另外一種形式（如從柴油燃燒燃料熱能轉化為機械能）的中間損失，礦業設備如大型礦卡多采用電動輪驅動，以及電力直接驅動設備。同時礦業設備所采用柴油機的技術水平、功率輸出及轉化率也在不斷提升。如卡特新推出的下一代20 t挖機320 GC、320 及 323—提升了效率和生產率，并降低了操作成本。再如日立建機公司的EX-7系列挖機（100 ～800 t）進一步提升了生產效率。

新的能源供應方式及設備電動化

如前所述，為了降低碳排放，提升設備的燃油經濟性和降低對環境的污染，全世界范圍內的礦業公司都陸續開始采用清潔及可再生能源，如天然氣發動機發電，氫能、風電和太陽能發電進行供電及電池組進行儲電，且以上能源供應方式以離礦區近為優先考慮和建設，進而減少輸電過程帶來電網建設及相應的管理運營成本。

當前，礦業設備如礦卡和挖機的電動化進程才剛起步，礦業設備全電動化率僅為0.5%左右，電池相對于內燃機的成本優勢隨著電池技術的發展越來越明顯。不遠的將來，成本加上環保等驅動，越來越多的礦業設備制造商將放棄使用柴油機而采用電池驅動（如綠色氫燃料電池或鋰電池）或者電機驅動。礦業巨頭英美資源集團已與全球能源及能源服務公司ENGIE合作開發世界最大的氫動力礦卡（燃料電池混合動力電動礦卡，氫燃料電池加鋰離子電池混合能源系統，樣機由小松930E為主體改裝），計劃在南非礦上開展試驗，成功后計劃將該技術推廣到其他礦區和車型主體[17]。國內的濰柴動力與中車永濟電機公司（控制系統）合作開發的200 t燃料電池礦卡（氫燃料-鋰電池混合能源系統，燃料電池模塊由巴拉德公司提供）2019年樣機下線，正式量產車將在2021年下半年下線開展礦山現場測試[18]。再如沃爾沃工程設備及服務公司的電纜連接雙電70 t挖機樣板-EX1可以直接采用電力驅動（電力可以來自氫氣發電、風電及太陽能發電），可以降低98%的碳排放、70%的能源損失和40%的運營損失。

設備的智能化安全化

在無人駕駛即將為城市交通服務時，為了降低礦業作業風險，提高作業人員職業健康安全水平，并提升設備工作效率和生產率，無人駕駛技術已經在世界先進礦業的諸多作業領域早一步得到了應用。

力拓集團推行設備自動化已經超過十年。自動化讓其運營更安全、高效，并可以降低運營成本。通過增加自動駕駛的卡車、自動鉆機及自動駕駛的火車，消除了駕駛故障并改善了作業安全性。其鐵礦業務率先在全球采用全自動駕駛的重負荷火車系統AutoHaul, 迄今已經運行超過700萬km，光節省的運輸火車司機往返火車的路程每年可達150萬km。其在西澳的鐵礦采用了130多輛自動駕駛礦卡。這些卡車由位于離礦山1500 km之外的珀斯中央監控系統而不是司機進行操控，該系統使用預先定義的GPS線路，自動進行礦卡導航，所有車輛的位置、速度及方向都可實時監控掌握。2018年，平均每輛自動駕駛礦卡估計比傳統礦卡多運營700 h，成本低15%，生產效率提升非常明顯，且讓卡車操作者遠離危險，降低了在重型機械附近工作的風險。力拓擁有26臺自動鉆機，可以安全準確地遙控而不是現場手工進行爆破鉆孔。在其很多作業過程中，采用了遠程控制的越野車或者無人機開展有風險的作業進而保證設備操作人員的安全。

力拓在澳洲的珀斯及布里斯班、加拿大魁北克省的薩格奈地區的運營中心使得其礦山、碼頭及鐵路系統都可以在一處進行操控。工作組在布滿了顯示實際工作現場的屏幕前實時進行監控，使用像預測數學、計算機代碼及強大軟件等工具，進行改進及增效的識別分析[19]。

力拓之外，世界最大的礦業公司必和必拓也在澳洲鐵礦石開采過程中使用無人駕駛卡車及鉆機。Fortescue Metals Group (FMG)礦業公司為了降低運營成本，也開始將其西澳Pilbara的礦卡轉為無人自動駕駛。

為了支持礦業公司的自動化運營，世界的主流設備制造商也紛紛推出了自動控制設備。除了前述的力拓及必和必拓在澳洲礦區采用的小松自動駕車礦卡之外，卡特還推出了最新一代自動鉆機Cat MD6250，操控者可以坐在遠程的安全舒適的操控站里，而不用離開操控站，使得操控者遠離爆破塵土、震動噪音等現場作業危害，可同時操控3臺自動鉆機，不光準確性更高，生產效率也大大提高。

環境及安全要求

除了設備的效率相關特性一直備受關注之外，設備操作的安全性和環境兼容性也得到了多數制造商和分銷商越來越多的關注。降低排放，減少維護和操作成本，改善設備操作者的安全和舒適性，已經成為當前及今后設備制造商對如挖機和鉆機等礦山現場作業設備的首要關注點。

礦業設備對潤滑劑性能要求

新能源供應方式

在偏遠地區的風電及太陽能板的廣泛采用，為減少設備及油品維護保養的周期，減少人力在偏遠惡劣地帶換油的操作頻次，會要求使用長壽命高性能的潤滑劑產品，故而風電齒輪箱及傳動軸和液壓系統一般都采用全合成長壽命齒輪油、合成潤滑脂及合成液壓油。太陽能發電板也要求開發提供長壽命的冷卻液產品。另外，燃氣發電機也會要求使用獲得大型燃氣發電機制造商認可（如康明斯、瓦克夏、顏巴赫等）的燃氣發動機油。

潤滑油脂工作條件更加苛刻

大型電鏟及鉆機等要求使用耐高溫高濕高粉塵的油脂新產品，比如承擔高負荷的新的大型電鏟齒輪開式齒輪脂，耐高溫高濕高負荷的含鉬磺酸鈣型礦山潤滑脂等高性能新產品。

大型礦卡電動輪的輪邊減速齒輪箱逐漸開始要求使用全合成的高性能齒輪油，以延長換油保養周期及提高對昂貴的輪邊減速齒輪的保護。

昂貴的礦石加工大型球磨機等設備的開式齒輪逐漸開始要求使用黏附性強、流動性好的超大黏度齒輪油或者黏附性強、極壓性好的開式齒輪潤滑脂，以提高對齒輪的保護，減少維修停工損失，并延長設備服務壽命。礦石粉碎設備的閉式齒輪箱要求使用的工業齒輪油也逐漸由礦物型向全合成型高性能長壽命產品轉變。

設備節能化、電動化

設備的節能化會要求使用更多的合成型長壽命節能型潤滑油脂產品，提高油品的潤滑壽命和質量，降低能源消耗，降低設備維護保養和人工參與的頻次。電驅動設備的廣泛采用將帶來潤滑脂類產品（如耐礦區苛刻工況的高性能電機軸承脂等）需求的不斷增加。

設備智能化、安全化

因為電氣元件的敏感度要求不斷提高，要求潤滑油在使用中如液壓系統保持較高的清潔度和靈敏度。同時考慮到作業場所的安全化，礦業作業的某些特殊（如高溫、高壓、易燃、易爆等）工作場所已經開始使用帶加注了熒光指示劑的潤滑油產品（加入后需要用類似手電筒發出的紫外藍光進行照射，熒光指示劑在紫外藍光下可以發出綠或者指定的別的亮色），以監控油液泄漏和進行高壓人體攝入定位識別，非常便于及時發現和進行后續防護處理，降低作業場所的安全隱患和職業健康危害。

礦業設備潤滑劑發展趨勢

改進的氧化安定性及長壽命（合成型潤滑劑的需求增加）

大型礦車的輪邊減速器使用的減速機齒輪油從礦物型向全合成長壽命型過渡，如日立的EH5000等礦卡電動輪減速齒輪箱要求使用全合成齒輪油GL-580W-140。

為了降低苛刻環境下的設備維護等人工成本，風電齒輪箱及液壓油系統一般都要求使用合成齒輪油、液壓油和合成脂。礦石加工粉碎設備的齒輪也逐漸開始要求使用全合成型高性能長壽命潤滑劑。

未來，合成型的長壽命潤滑劑產品將越來越受到工作環境苛刻的礦區的青睞。

更強的油膜保持能力和低溫流動性

為了應對設備大型化及礦業作業的惡劣環境帶來的更強的油膜保持能力要求，黏附性強、潤滑膜保持能力強的新產品如含鉬型潤滑油脂的需求不斷增加，如含鉬鑿巖油和含鉬礦山脂。礦石加工廠新的大型設備如昂貴的球磨機要求使用黏附性、低溫流動性好（低溫泵送性好，合成型）的大黏度齒輪油(采用大黏度合成基礎油，40 ℃運動黏度可高達20000甚至40000 mm2/s)或者黏附性（采用大黏度基礎油，如基礎油40 ℃運動黏度可高達2000甚至4000 mm2/s）、極壓性強（承載能力強，如含有固體）的高性能開式齒輪脂。地下礦要求使用抗氧化、極壓性高且耐水性更強的含鉬磺酸鈣型礦山脂產品。

安全及難燃性

地下礦一般要求使用難燃液壓液，降低因油液導致的火災爆炸影響。高危作業場所會越來越多地使用加入了熒光指示劑的潤滑油品，提高作業場所的危險識別及應對能力，提高作業安全保護。

環境保護及生物可降解性

損耗性潤滑油脂產品容易濺到周圍的土壤中，會對土壤造成污染。比如損耗性的鑿巖油，若采用可生物降解的產品可以減少對土壤的污染，未來將會有越來越多的可生物降解性潤滑劑的需求。

潤滑劑產品結構的變化

為新能源方式的設備提供潤滑保護，會催生新的潤滑產品，比如適用于燃氣發動機的高性能機油產品、風電設備用合成型產品、太陽能板用的長壽命冷卻液產品、大型礦業設備電機軸承潤滑脂。