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第15章 资源地球(4)

鞍山式铁矿分布最广,是我国最重要的铁矿床。它不仅数量居于首位(约占总储量的50%),而且由于矿床规模一般较大(大中型矿床储量占本类矿床的90%),单个矿体的规模和厚度较大,埋藏不深,不少矿床可供露天开采,加之矿石类型以磁铁矿为主,矿床的分布又比较集中,使该类铁矿床在开发利用上占了极大的优势。如鞍山市弓长岭,海相火山一沉积变质型大型铁矿床,产于辽宁省鞍山至本溪市一带,矿体多呈层状、似层状,延长几百米至几千米,少数可达十余千米,延深数百米至千米以上,矿层厚者可达二三百米。其中,贫铁矿含铁31.28%~34.79%,富铁矿含铁49.65%~64.81%,储量达79亿t。

3.3矿业——支撑人类社会发展的基础

自40万年前的旧石器时代,人类就开始应用某些非金属,积累了有关石材的种类、性能以及应用的知识。人类早期社会就是以矿产和矿产制品来命名的,如石器时代、青铜时代、铁器时代等,这说明矿产对人类社会发展的影响巨大。

近几年来,中国钢铁企业和英国力拓公司关于铁矿石价格谈判的消息,中国控制稀土矿产出口的政策,中国和越南关于南海油田的争端等这些与矿产资源息息相关的事件,得到了越来越多人的关注,相信读者对矿产资源在国家经济发展社会建设中的重要性也有了一定了解。那么它到底能在人类生活当中起到什么作用,以至于引起这么多的争议呢?阅读以下内容能让读者对其作用有个大致的了解。

3.3.1冶金工业应用矿床

冶金工业应用矿床是指能为冶金工业冶炼金属及合成金属提供矿石的矿床。

铁族元素中,其电子与原子核的结合力强,相邻元素的原子半径趋于相等,有利于类质同像置换和元素的共生。在公元前4000年左右,铁就为人类所了解,埃及的法老把铁看得比黄金还宝贵。在公元前1200年左右,人类开始制造铁。公元前800年标志着铁器时代的开始,800年以后才开始使用钢。

现代工业中铁主要用于炼钢和制作铁合金。在铁的冶炼产物中,含碳量不同,技术性质会发生变化,含碳0.04%~0.2%称为熟铁,含碳0.2%~1.5%称为铁矿石的工业用途示意钢,含碳1.5%~2.5%称为钢质生铁,含碳2.5%~4%称为生铁。特种钢是在碳素钢加入锰、铬、钒、镍、钴、钼、钨等元素冶炼而成的。铁与铁合金和氮之间的作用原理被用于“氮化”加工,它能提高零件对某些介质的抗蚀性,大大增高表面硬度,提高钢的耐磨性和抗疲劳能力。钢铁及其他铁合金几乎用于所有工业部门,其中最主要的是机械制造业、建筑工程、水利工程、交通运输、电力工业以及国防工业等。

黑色冶金工业冶炼的对象主要是铁矿石,一般含铁20%~70%的皆可视为工业矿石。我国一般将含铁45%以上的磁铁矿矿石、赤铁矿矿石和含铁30%~35%以上的菱铁矿矿石称为富铁矿石,含铁25%~45%的磁铁矿矿石、赤铁矿矿石及含铁20%~30%的菱铁矿矿石为贫铁矿石。

把铁矿石制成有用产品包括两个步骤:第一是把铁矿石还原成为生铁(含碳2.5%~4%);第二是把生铁变为铸铁、熟铁或钢(含碳1.5%~0.2%)。具体操作是将铁矿石与焦炭和石灰石一道加以熔炼。第一步是将空气或氧吹入炼铁炉底,将焦炭燃烧成为一氧化碳,一氧化碳将铁矿石中的氧移走,而将矿石还原为生铁。石灰石使矿石中硅氧、铝氧和其他杂质变成炉渣析出。第二步是用氧化剂除去生铁中过多的碳、硫、磷等杂质,有转炉法、平炉法和电炉法。

世界铁矿石的产量每年为8亿~10亿t,钢的生产量为7亿~8亿t。铁的出口国主要有澳大利亚、巴西、俄罗斯、加拿大、利比里亚、委内瑞拉、智利、印度等。我国铁矿储量虽大,但多是贫矿,因此铁矿石主要依赖进口。目前澳大利亚、印度和巴西分列我国铁矿石进口的前三名。

3.3.2化学工业应用矿床

化学工业应用矿床是指能提供化学工业所需原料的矿床。例如,自然硫矿床提供生产硫酸的原料。

大类(工业领域)亚类(产品领域)无机化学基本工业应用矿床无机酸、碱、盐等应用矿床有机化学基本工业应用矿床烯烃、烷烃、炔烃和芳烃等应用矿床无机化学制造工业应用矿床玻璃、陶瓷等应用矿床有机化学制造工业应用矿床塑料、橡胶、造纸、纺织品等应用矿床化学工业应用矿床矿产种类繁多,储量丰富,包括有机和无机两大类。以往,化学工业应用矿床主要是利用矿产化学成分,但随着科技的发展,矿产的独特物理和工艺特性也越来越多地被应用在化学工业。例如硅藻土等化工原料是在破碎、混合、加热、冷却等工序中转化为产品被利用的。在实际生产中,化学工业应用矿床的应用往往受技术、经济、环境等多方面影响。如化工基本原料之一的硫,1950年时约50%从黄铁矿矿床中获得,1960年以来硫作为石油和天然气副产品逐渐增加,1968年从碳氢化合物中提取硫的方法问世,更加削弱了黄铁矿的应用。

自然硫主要用来制造硫酸和提纯硫。此外,应用于颜料、农药等。自然硫矿床化学成分纯净的极少,常杂有黏土、碳酸盐、地沥青等。其产地主要集中于智利、秘鲁、日本、中国、俄罗斯、墨西哥等。硫除了直接从硫矿床获取外,另一重要来源为铁硫化物,包括黄铁矿(FeS2)、白铁矿(FeS2)、磁黄铁矿(Fe1-xS),其中黄铁矿是主要的工业矿物。目前,包括我国在内的一些国家仍以黄铁矿作为硫的主要来源。硫铁矿矿床分布很广,西班牙、乌拉尔、挪威、中国、日本、加拿大等较为集中。

天然气硫矿床是指天然气中H2S含量超过0.1%的矿床。这种矿床一般就能满足工业对硫的要求,主要产在蒸发盐盆地。近年来,国外从这类型矿床中提取硫的发展速度很快,产量以10%的年平均增长率上升。这些国家中以加拿大和法国为主。

石油中含1%~5%的溶解硫,可用裂化等加工方法提取。从石油和天然气中得到的硫叫作还原硫或再生硫,纯度高(99.5%~99.9%)、分散性高、成本低。世界上从石油中提取硫的国家有50余个,以美国和日本为主。

硫酸的制造始于8世纪,当时使用绿矾干馏制取。现在,人们普遍采用一种称为接触法的方法来制取硫酸。

3.3.3物理工业应用矿床

物理工业应用矿床是能为物理功能材料提供原料的矿床。例如,提供电学材料原料的云母矿床。物理功能材料是指具有特定物理性能的材料。

如冰洲石(CaCO3)是一种结晶完整、无色透明的方解石晶体。冰洲石晶体有很好的“双折射”和“偏振光”特征,是最好分光的原料,被广泛应用于显微镜、天文望远镜、光度计等仪器中。在电子计算机、激光开关、大屏幕显示器、激光测距仪等仪器中也有应用。冰洲石在开采时,最关键的是护晶。由于其性脆又具有完全解理,采掘时应尽量不使用炸药,多用手工开采。温度急剧变化,会引起冰洲石晶体的破裂。因此矿巢中的晶体必须等到它的温度与周围空气的温度相接近时,才能取出。采出晶体应放在阴凉的地方并用帆布等遮盖好。在探采中,采出矿体块度越大,获晶率越高。现场选矿时还要注意利用晶体上明显的解理裂隙,从外向内逐步解开,尽量保护裂隙少而透明的部分。室内加工是将冰洲石时而对光,时而用手遮光,仔细观察内部结构,找出工业品级冰洲石赋存部位,然后依次谨慎地分解晶体,直到获得工业品级的冰洲石。

冰洲石原矿与工业品为了适应物理工业对原料高纯、高性能的要求,有越来越多的物理工业应用矿床由原始原料供应转向二次或三次原料供应。例如,水晶在物理工业中广泛应用,然而由水晶矿床提供的水晶直接成为原料的很少,大都需由人工生长法重新制得水晶原料,即二次原料。

3.3.4农业应用矿床

农业应用矿床是指能够为农业生产提供原料的矿床。这些矿床包括以氮、磷、钾为主的化肥原料矿床,以自然硫、雄黄、雌黄、毒砂为主的农药原料矿床,以沸石、膨润土、海泡石为主的饲料原料矿床等。

大类(应用领域)亚类(产品领域)农肥应用矿床氮肥原料、磷肥原料、钾肥原料、钙肥原料、硫肥原料、有机肥原料、硼镁肥原料等饲料应用矿床钙镁饲料原料、钾钠饲料原料、微量元素饲料原料等农药应用矿床农药本体原料、农药载体原料土壤改良应用矿床泥炭、沸石、石灰石、石膏等能为农业提供氮原料的矿产,主要有硝酸盐矿床、煤系岩矿床等。在自然界中,硝酸盐矿物仅仅有十余种,由于这类矿物极易溶于水,所以它们只见于干旱及炎热沙漠区的近代沉积物中,是有机质经硝化细菌分解而产生的硝酸根,与土壤中碱金属(K、Na)、碱土金属(Mg、Ca、Ba),还有Cu、NH+4等化合而成,常与石膏、芒硝、石盐等共生。我国青海西宁地区的红土层中产有巨厚的钠硝石层。而用来生产氮肥的矿质原料多来自黑色页岩(煤矸石)、褐煤、腐泥煤等。这些矿质原料中富含有机氮,主要呈氨基酸(蛋白质)类,氨基酸经氨化作用转化为无机氨,析出的无机氨NH3在碱性介质中呈分子态(气体)而挥发,在酸性介质中则呈NH+4形式易被植物吸收。

3.3.5建筑应用原料矿床

建筑应用原料矿床是指那些除金属矿床、燃料矿床以外的,可被建筑业所利用的岩石、矿物所组成的所有矿床总称,例如铺设地板的花岗石矿床。

建筑应用原料矿床一般埋藏浅、储量大,易开采,矿床成因及矿体的空间产状相对金属矿床来说较简单,但实际价值与金属矿床相比要复杂得多,除了确定矿产的储量、品位、采矿技术条件和工艺加工性能外,还必须考虑用不同物理、化学性质参数来确定其实际价值。同一种建材矿产均可应用在不同领域。但使用它的物理性质、化学性质是不同的。例如:滑石既是建筑业重要生产原料,又是造纸、橡胶等行业的重要添加剂。

当今世界,随着科学技术的进步,国民经济建设发展很快,建材原料及非金属矿产的应用领域越来越广,非金属材料在经济建设中占有重要地位,非金属矿产利用已经和正在打破以能源、金属矿产占矿产利用统治地位的局面,其发展速度、产值、需求增长率在许多经济发达国家都超过了金属矿产。因此有人认为,人类社会发展进入了一个新的“石器时代”。

资源紧缺,让每一个新兴经济体的国民都深深地感到痛心。资源问题,已触碰到社会经济可持续发展的敏感部位。就能源矿产而言,世界各国将越来越多的人力和物力投入到了新型矿产资源的研究和开发,以期缓解日趋严重的资源形势。作为本章的结尾,为读者介绍一下新型矿产资源的开发利用概况。

3.4.1油页岩

油页岩是指特别富含有机质且成熟度低,加热干馏产出的页岩油数量达到一定工业标准(含油率大于3.5%)的纹层状或薄层状泥质岩或泥灰岩。若将油页岩打碎并加热至500℃左右,就可以得到页岩油。中国常称页岩油为人造石油。页岩油很像石油,除了液态的碳、氢物质外,还含有少量氧、氮和硫的化合物。一般来说,1t油页岩可提炼出38~378L(相当于0.3~3.2桶)页岩油。页岩油加氢裂解精制后,可获得汽油、煤油、柴油、石蜡、石焦油等多种化工产品。

全球油页岩蕴藏资源量约有10万亿t,比煤炭资源量多40%,比传统石油资源量(2710亿t)多50%以上。我国油页岩资源十分丰富,按探明资源量排位居世界第四,预测资源量4520亿t,约85%以上分布在吉林、辽宁和广东省,其中吉林省已探明可采储量为174.5亿t,约占全国油页岩探明总量的55.3%。广东已探明可采储量超过55.15亿t,辽宁省截至2004年累计探明储量为41.3亿t。

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