非金屬礦景氣行業(yè)之——重晶石
最近石油價(jià)格開啟新一輪上漲,由于2019年突襲的新冠疫情對(duì)于石油行業(yè)全球石油消費(fèi)的影響,預(yù)計(jì)到2030年全球石油消費(fèi)將達(dá)到峰值48.7億t;未來3~5年,全球石油產(chǎn)量將大于需求量,全球石油市場供大于求的局面仍將持續(xù)。
據(jù)悉,重晶石是目前最理想的加重劑。據(jù)統(tǒng)計(jì),鉆井每鉆進(jìn)30米就要消耗一噸重晶石粉,因此消耗量較大,幾乎占到重晶石粉體產(chǎn)量的一半。
重晶石屬于鋇的硫酸類礦物,主要組成是硫酸鋇(BaSO4)。作為一種重要的非金屬原料礦物,其具有難溶于水、密度大、充填性好、無毒、易吸收輻射等優(yōu)點(diǎn),在化工、石油、建材、醫(yī)藥等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。
重晶石在石油鉆探中的作用
在石油鉆探的過程當(dāng)中,環(huán)流泥漿的作用主要就是通過對(duì)鉆頭溫度的控制和對(duì)鉆頭雜物的清潔來實(shí)現(xiàn)防止油井自噴,這是因?yàn)榄h(huán)流泥漿能夠較好的帶走鉆頭在切削過程當(dāng)中所產(chǎn)生的碎屑物,起到封閉孔壁的潤換鉆桿的作用。但是在情況較為特殊的情況下,及循環(huán)泥漿難以與地下油氣壓力平衡的時(shí)候,就需要在鉆井液當(dāng)中加入適量的重晶石粉來提高循環(huán)泥漿的混合密度,使得在地層壓力較大的情況下也能對(duì)鉆井起到調(diào)節(jié)作用。
重晶石基聚合物材料
重晶石作為填料添加在聚合物中,一般經(jīng)超細(xì)改性工藝處理,改性后的重晶石與聚合物材料有良好的相容性,能均勻分散在基體材料中,形成無機(jī)/有機(jī)復(fù)合材料。重晶石具有成本低廉、易于開采、耐磨性、耐腐蝕性、耐光性等特點(diǎn),因此將其添加到橡膠材料中,一方面可以降低橡膠材料的收縮率,提高材料的尺寸穩(wěn)定性以及剛性,從而增加橡膠材料的應(yīng)用范圍;另一方面作為填料添加到橡膠材料中可以增加重晶石的附加值,降低橡膠材料的成本。
重晶石防輻射材料
中子與物質(zhì)的原子核相互作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)彈性射(n,n)、非彈性散射(n,n‘)、倍增反應(yīng)(n,2n)發(fā)射帶電粒子(n,α)和輻射俘獲(n,γ)等多種反應(yīng)形式,為了清晰地描述各個(gè)反應(yīng)發(fā)生的概率,研究者們引入了反應(yīng)截面的概念來表達(dá)。其中具有極高的中子非彈性射截面的鋇元素可以很好的屏蔽中子,這直接促進(jìn)了重晶石水泥基材料在中子屏蔽防護(hù)工程中的應(yīng)用。
重晶石基復(fù)合導(dǎo)電材料
重晶石是一種天然的白色體質(zhì)顏料,以重晶石作為核芯材料,并以摻雜改性過的SnO2為包覆層制成淺色導(dǎo)電顏料,可顯著提高重晶石附加值及使用價(jià)值,同時(shí)也拓展了重晶石的應(yīng)用范圍。
中國地質(zhì)大學(xué)夏華等以重晶石粉體為核芯材料,制備淺色導(dǎo)電顏料,在pH為2.0和溫度為40℃的條件下,向重晶石的懸浮液中滴加一定濃度的SnCl2、SnCl4和NH4F的鹽酸混合液,為了保持溶的pH值恒定,同時(shí)滴加一定濃度的NaOH溶液,待混合液滴加完后,再繼續(xù)攪拌30min,過濾、洗滌和干燥,并在300℃下灼燒1h,得到一種電阻率為7.7Ω•m的白色導(dǎo)電顏料。試驗(yàn)表明,該顏料具有理想的外觀顏色和導(dǎo)電性,應(yīng)用價(jià)值較高。
含鋇化合物原料
重晶石是制取鋇的重要礦物資源。含鋇硅鐵合金自身具有優(yōu)異的物理化學(xué)特性,在鋼鐵生產(chǎn)及鑄造過程中摻鋇形成含鋇硅鐵合金可以顯著提高鋼鐵的質(zhì)量。目前,主要以塊狀重晶石為原料,并將其置入礦熱爐中以連續(xù)的碳熱還原工藝來大規(guī)模生產(chǎn)含鋇硅鐵合金。
水環(huán)境中重金屬離子吸附材料
可溶解有毒金屬離子近年來對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染,有毒金屬離子的去除是改善環(huán)境問題的有效手段之一。
Manuel Prieto等研究了重晶石顆粒與硅水凝膠形成的復(fù)合物對(duì)水中鉻離子的去除作用,通過重晶石砂嵌入硅水凝膠形成人工多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)抑制了液體間的對(duì)流與平流,只通過擴(kuò)散進(jìn)行交換。研究通過六價(jià)鉻離子的凈通量來定量測(cè)定重晶石對(duì)鉻離子的相互作用能力。
重晶石無機(jī)復(fù)合顏料
重晶石白度高、性質(zhì)穩(wěn)定,作為與二氧化鈦復(fù)合的內(nèi)核材料,能有效解決二氧化鈦易團(tuán)聚的特性,改善二氧化鈦的光催化性質(zhì)。同時(shí)作為涂料,可以替代二氧化鈦在涂料中添加使用。
重晶石為何能被列為戰(zhàn)略性非金屬礦產(chǎn)?
姜雅等在《關(guān)于將重晶石列為戰(zhàn)略性礦產(chǎn)的原則分析》一文中從遏制力原則、稀缺性原則和影響力原則三個(gè)方面進(jìn)行分析。
遏制力原則
重晶石是歐美等世界主要經(jīng)濟(jì)體的關(guān)鍵礦產(chǎn), 符合重要貿(mào)易伙伴國的關(guān)鍵原材料應(yīng)列入本國戰(zhàn)略性礦產(chǎn)的遏制力原則。美國對(duì)重晶石的對(duì)外依存度高,中國是其第一大進(jìn)口國計(jì)算表明,2014—2018年,美國重晶石平均對(duì)外依存度高達(dá)82%, 其中有68%來源自于中國。2018年, 美國重晶石的產(chǎn)量為48萬t,進(jìn)口量為260萬t,國內(nèi)消費(fèi)量為300萬t,另有7.4萬t重晶石被加工后應(yīng)用于出口, 凈進(jìn)口量為252.6萬t,總需求量占世界總量32.4%, 對(duì)外依存度高達(dá)84.2%(凈進(jìn)口量/消費(fèi)量)。
稀缺性原則
重晶石是世界上應(yīng)用最廣的鉆井泥漿加重劑原材料。全球主要涉及到油井生產(chǎn)或油氣混合井生產(chǎn)都會(huì)用到重晶石,尚無其它性價(jià)比更優(yōu)的替代礦產(chǎn)。目前,市場上高密度鉆井液加重材料除了重晶石粉之外, 還有石灰石粉、鐵礦石粉、鈦礦石粉、方鉛礦粉和四氧化錳復(fù)配粉等5種, 但這5種材料都不能完全替代重晶石粉。
影響力原則
世界重晶石儲(chǔ)量總計(jì)3.2億t,主要分布在中國、印度、土耳其、哈薩克斯坦及巴基斯坦等20余國家,中國是世界 生產(chǎn)國與供給國,在供給側(cè),全球每年重晶石生產(chǎn)國有20多個(gè), 四個(gè)生產(chǎn)國是中國、印度、摩洛哥和美國,四國產(chǎn)量之和占世界總供給量的80%,其中以中國的產(chǎn)量最多,并長期處于世界第一大生產(chǎn)國和出口國。另外,其他中貿(mào)易伙伴對(duì)中國重晶石的依賴度較高,美國是中國的第一大貿(mào)易伙伴國,美國每年重晶石的需求量在250萬t左右,其中近7成源自于中國。