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中國工程院院士沈政昌:依托人工智能技術(shù)推動浮選裝備轉(zhuǎn)型

2025-05-15 07:48:16 來源: 科技日報 點擊數(shù):

科技日報記者 吳葉凡 通訊員 楊為玥

一塊看起來平平無奇的石頭,經(jīng)過加工后能夠用于煉鋼、發(fā)電、造車……“點石成金”的關(guān)鍵一步,就是礦石加工。對礦石進行加工在我國已經(jīng)有上千年的發(fā)展歷史,浮選則是礦石加工的重要環(huán)節(jié),決定著礦物的最終品質(zhì)。

從亦步亦趨的“跟跑”到不斷創(chuàng)新的“領(lǐng)跑”,我國浮選裝備研制已走過50余年的歲月。在浮選裝備從無到有、從有到強的過程中,我國浮選裝備研究學(xué)術(shù)帶頭人、中國工程院院士、礦冶科技集團有限公司(以下簡稱“礦冶集團”)首席科學(xué)家沈政昌作出了重大貢獻。

“在新一輪科技革命的浪潮下,浮選裝備也迎來了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵節(jié)點?!苯眨蛘诮邮芸萍既請笥浾邔TL時表示,要加快檢測儀表的研發(fā)工作,依托人工智能技術(shù),推動浮選裝備數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。

走出自己的浮選裝備研制道路

記者:請您介紹下什么是浮選技術(shù)?

沈政昌:浮選是一種根據(jù)礦物顆粒表面物理化學(xué)性質(zhì)的不同,從礦石中分離有用礦物的選礦方法。在我國古代,浮選法就已經(jīng)被用于金銀淘洗加工過程。古人利用金粉的天然疏水性及親油性,用沾油的鵝毛刮取浮在水面的金粉,使其與塵土等親水性的雜質(zhì)分離。

19世紀末,浮選作為一種選礦方法被明確提出。1904年,浮選設(shè)備在澳大利亞首次獲得工業(yè)應(yīng)用。100多年來,浮選技術(shù)得到了很大的發(fā)展,逐步實現(xiàn)了浮選機多樣化、系列化、大型化和自動化。目前,世界上約有90%的有色金屬和50%的黑色金屬礦石采用浮選法處理。除了冶金,浮選還廣泛應(yīng)用于造紙、農(nóng)業(yè)、食品等行業(yè)。

記者:您是如何與浮選裝備領(lǐng)域結(jié)緣的?

沈政昌:我上學(xué)時對物理、化學(xué)兩個學(xué)科很感興趣。填報高考志愿時,我發(fā)現(xiàn)北京鋼鐵學(xué)院(現(xiàn)北京科技大學(xué))有“物理化學(xué)”專業(yè)。作為一個農(nóng)村出身的孩子,我當(dāng)時對專業(yè)也不太了解,只覺得“物理化學(xué)專業(yè)”能夠既學(xué)物理,也學(xué)化學(xué),就報了這個。

但錄取結(jié)果一出,我發(fā)現(xiàn)自己被調(diào)劑到了同校的礦山基建工程設(shè)計專業(yè)。雖然沒去到自己的第一志愿,但我學(xué)習(xí)后發(fā)現(xiàn),礦山機械領(lǐng)域和物理力學(xué)關(guān)聯(lián)性很強,我對此也很感興趣,就一直在這個領(lǐng)域?qū)W習(xí)。畢業(yè)后,我被分配到礦冶集團,進入浮選設(shè)備研究組,從此就與浮選裝備結(jié)緣,一直到今天。

記者:上個世紀,我國浮選裝備處在怎樣的發(fā)展階段?

沈政昌:我國在浮選設(shè)備研究方面起步較晚。直到20世紀50年代中期,才開始仿制蘇聯(lián)的米哈諾布爾型浮選機。20世紀70年代,我們開始自主研發(fā)浮選設(shè)備,陸續(xù)研制了4立方米、8立方米、14立方米容積的設(shè)備。當(dāng)時我們主要跟隨國外研究的腳步,處在“跟跑”階段。

那時的科研條件比較艱苦,實驗室的各種測量手段都比較匱乏。我至今還記得,40多年前,剛工作的我跟著幾位老同志在湖北大冶做20立方米浮選機試驗。大概是三月底的一天,天氣還很冷,為了測量浮選機內(nèi)的流場情況,幾位老同志輪流脫下衣服,直接跳進浮選機內(nèi),用身體感受流體狀態(tài)。這是我第一次直接感受到老一輩礦冶人的精神,這件事令我至今難以忘懷。

打破“跟跑”這一局面是在21世紀初。2001年,我國第一臺擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的50立方米大型浮選機試驗成功。在選礦理論和機械結(jié)構(gòu)等方面,這臺浮選機都走出了一條和國外浮選機不同的道路,不再是“亦步亦趨”。因此可以說,這臺浮選機的研制成功,標(biāo)志著我國大型化浮選裝備與國際同行站在了同一梯隊。

實現(xiàn)從“有”到“強”的跨越

記者:初步實現(xiàn)“并跑”后,我國浮選裝備如何一步步達到國際領(lǐng)先水平?

沈政昌:2010年前后,我國浮選裝備完全實現(xiàn)了與國外設(shè)備的“并駕齊驅(qū)”。當(dāng)年,我國200立方米和320立方米浮選機先后研制成功,打破了特大型浮選設(shè)備一直被西方少數(shù)發(fā)達國家壟斷的局面。320立方米浮選機也是當(dāng)時世界上容積最大的浮選機。此外,我國在粗顆粒浮選機、細顆粒浮選機細分領(lǐng)域的設(shè)備研究上,也取得了很多進展。

如今,我國已經(jīng)在很多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“領(lǐng)跑”。比如在國際上,我國是最早研制成功680立方米和800立方米浮選設(shè)備的國家?,F(xiàn)在國外還沒有800立方米浮選機。我們還成功研制了利用流態(tài)化原理進行浮選的新型設(shè)備。通過它,我們可以提前把無用的脈石礦物剔除掉,降低后續(xù)處理過程的能耗,從源頭減量,推動礦產(chǎn)資源的綠色低碳開發(fā)。它也可以對尾礦進行再回收,實現(xiàn)寶貴礦產(chǎn)資源的極致利用。

記者:我國已經(jīng)取得這些成就,為何還要不斷技術(shù)創(chuàng)新?

沈政昌:一方面,隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展,人們對礦產(chǎn)資源的需求量越來越大。從小汽車到手機,都離不開礦產(chǎn)這一重要原材料。另一方面,現(xiàn)在礦產(chǎn)資源面臨逐漸貧雜化的問題,資源稟賦較好的礦山基本枯竭。以磷礦為例,以前許多磷礦能達到30以上的品位,采出來基本上就可以直接用于生產(chǎn)磷肥,但如今大部分磷礦的品位連25、26都達不到。現(xiàn)在新能源汽車發(fā)展速度很快,磷是制作電池的重要原料。資源越來越短缺,需求卻逐漸變大,面對這一矛盾,我們必須從工藝、裝備、藥劑、智能化等方面著手,不斷升級浮選裝備,提高生產(chǎn)效率。

記者:把浮選機容積做大難在哪里?

沈政昌:從幾立方米到現(xiàn)在的幾百立方米,這不是一個簡單的放大或是把構(gòu)件尺寸做大的過程。以泡沫浮選過程為例,這是礦物與雜質(zhì)或一種礦物與另一種礦物分離的方法。無論多大的容積,我們都要保證浮選機內(nèi)部流體動力學(xué)狀態(tài)相似,否則就不能形成有效礦化,目的礦物就沾不到礦化泡沫上。另外,當(dāng)?shù)V物附著到泡沫上之后,我們還得讓泡沫及時脫離礦漿。當(dāng)浮選機容積變化,這些關(guān)鍵難點都要重新研究試驗。

需要強調(diào)的是,我們不斷把浮選機做大,是因為礦山實際生產(chǎn)提出了這一研制需要,并非盲目求大。評價一臺浮選機最重要的指標(biāo)就是“合適”。一臺浮選機要切合所處礦山規(guī)模、礦石種類,實現(xiàn)經(jīng)濟效益、綠色低碳、安全生產(chǎn)等方面的平衡。

記者:如今,我國浮選機已出口南非、澳大利亞等幾十個國家。在“走出去”的過程中,我國有沒有遇到困難?

沈政昌:在早期我們確實遇到了一些困難。在很多西方人眼里,中國人在設(shè)備研發(fā)等方面都不行。我記得有一次,澳大利亞的一個礦山本來決定引進我們礦冶集團的兩套裝備,但礦山后來更換的新經(jīng)理認為兩套裝備都用中國的設(shè)備風(fēng)險太大,因此最后只用了一套。但投用后,他們發(fā)現(xiàn),我們的設(shè)備無論在功耗、運轉(zhuǎn)可靠性等方面,都優(yōu)于國外設(shè)備,而且價格不到國外的一半。

這次走出去的經(jīng)歷給了我們一些經(jīng)驗教訓(xùn)。比如浮選機里的電機,對方要求有澳大利亞的認證。當(dāng)時我們這臺設(shè)備的大電機是有認證的,就放心地簽合同了。沒想到用了快一年的時間后,對方突然找到我們,說機器里面的幾個小電機沒有認證,要求更換。雖然小電機的質(zhì)量是沒有問題的,但是我們還是得按照合同支付違約金。吃一塹長一智,這件事告訴我們,設(shè)備“走出去”,不僅要靠過硬的性能,也要摸清當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)執(zhí)行情況,符合當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)體系。

記者:萬事開頭難,今天礦冶集團的浮選機已經(jīng)贏得了國際的認可。

沈政昌:是的,我覺得這得益于改革開放后,我國很多大企業(yè)在國外投資礦山,他們在當(dāng)?shù)厥褂脟a(chǎn)設(shè)備,起到了示范作用??梢哉f沒有改革開放,我們就沒有向國外展示的機會。下一步,我們要繼續(xù)擦亮中國浮選機這張名片,尤其要確保重要元器件、系統(tǒng)軟件的自主可控。

以科技創(chuàng)新促傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級

記者:當(dāng)前,全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革突飛猛進。您認為浮選裝備轉(zhuǎn)型升級的方向是什么?

沈政昌:新一輪科技革命的突出特征是數(shù)字化、信息化、智能化。浮選領(lǐng)域也不例外,提升裝備的數(shù)智化水平是我們未來科研的著力點之一。此前,我們提出了高性能大型浮選機發(fā)展路徑必須實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)控制、工藝過程參數(shù)控制、浮選動力學(xué)過程參數(shù)檢測和控制、信息化和運維智能化等五個方面的整體發(fā)展。

同時,近年來國家加快礦業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展,推進綠色礦山建設(shè)。作為礦山生產(chǎn)的重要一環(huán),我們也要努力推動浮選裝備向高效化、綠色化、低碳化發(fā)展。高效化的目標(biāo)之一,就是實現(xiàn)資源的高效利用,即通過科技創(chuàng)新,把原本技術(shù)條件下難以選出的有用礦物“選出來”。

綠色化、低碳化的目標(biāo)則是減少資源消耗。就能耗來說,以前選一噸銅,可能需要兩三度電,現(xiàn)在只需要不到一度電。別看這節(jié)約的一兩度電不起眼,現(xiàn)在一個大型礦山平均每天要處理幾萬噸的礦石,因此在選一噸銅時能夠節(jié)約一度電,整體帶來的就是很大的收益。通過浮選裝備創(chuàng)新,我們不僅可以節(jié)約電能,還可以減少起泡劑、調(diào)整劑等藥劑的使用量,達到綜合的降碳節(jié)約。

記者:轉(zhuǎn)型升級是否帶來了新挑戰(zhàn)?

沈政昌:挑戰(zhàn)和機遇一定是并行的。在數(shù)智化轉(zhuǎn)型發(fā)展的過程中,我們面臨很多需要突破的難關(guān)。從外部看,現(xiàn)在地理位置較好、基礎(chǔ)設(shè)施相對完善的礦山,基本都面臨資源枯竭的現(xiàn)狀,目前主要開展礦山土地復(fù)墾或是回填;大部分具備開采條件的礦山,都位于較為偏遠的山區(qū),甚至是海拔四五千米的地帶,生產(chǎn)條件艱苦,電力、通訊等基礎(chǔ)設(shè)施不完善,不利于數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

從技術(shù)本身看,選礦過程離不開對礦石、礦漿相關(guān)參數(shù)的檢測。但目前,包括各種傳感器在內(nèi)的檢測儀表,還遠遠不能適應(yīng)礦山信息化、數(shù)字化的發(fā)展需求,離智能化就更遠了。舉例來說,現(xiàn)在行業(yè)檢測礦漿濃度、粒度、pH值等參數(shù)的方法還比較“粗糙”,有的工序要靠工人上手去摸、用眼去看,還處在憑經(jīng)驗、憑感覺的階段。一些創(chuàng)新方法在實驗室里表現(xiàn)不錯,但難以應(yīng)用到現(xiàn)實的工業(yè)生產(chǎn)中。在實際生產(chǎn)中,這些方法給出的數(shù)據(jù)不太準(zhǔn),可靠性比較差。因此,選礦過程還是離不開人工操作,距離實現(xiàn)無人化、少人化、數(shù)字化生產(chǎn),還面臨層層挑戰(zhàn)。

記者:為了推動浮選裝備數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型,您認為應(yīng)如何破解這些難題?

沈政昌:推動數(shù)智化轉(zhuǎn)型,是一個急不得也慢不得的過程。我認為應(yīng)當(dāng)從以下兩個方面來扎實地逐步推進。

第一,無論是數(shù)字化還是智能化,數(shù)據(jù)都是最基礎(chǔ)的要素。要把數(shù)據(jù)“拿出來”,檢測設(shè)備是關(guān)鍵。所以,我們要加快研發(fā)一批能夠精準(zhǔn)感知整個浮選過程的元器件。近年來,我們團隊在這方面做了很多基礎(chǔ)性的工作,比如,研制了自動充氣量測量儀,礦漿相水下相機,氣泡負載率測量儀和氣泡特征參數(shù)測試儀等自研儀表和裝置,實現(xiàn)了浮選過程復(fù)雜多相流環(huán)境下的測量和在線數(shù)據(jù)獲取。

第二,開發(fā)行業(yè)大模型。目前,礦冶集團針對礦產(chǎn)資源開發(fā)利用中的十個場景,開發(fā)了十個大模型,其中一個就是浮選裝備的大模型。它可以用于解答各類專業(yè)技術(shù)問題,還可以把它用于浮選裝備的控制,提高操控的精準(zhǔn)度。

現(xiàn)在浮選裝備大模型用的算法和通用大模型基本相同。如果要讓行業(yè)大模型更了解行業(yè),關(guān)鍵點還是數(shù)據(jù)。相比于其他領(lǐng)域,浮選裝備大模型數(shù)據(jù)相對完備,但很多底層數(shù)據(jù)仍是缺失的。所以,研發(fā)檢測儀器和開發(fā)行業(yè)大模型,這兩步要相輔相成,協(xié)同推進。

記者:您認為實現(xiàn)浮選裝備高質(zhì)量發(fā)展,還需要注重哪些方面的問題?

沈政昌:除了數(shù)字化、智能化、高效化、綠色化,我認為還要注重技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的深度融合。

比如黃金開采。現(xiàn)在很多金礦都位于地下,礦井深度能達到幾千米。按照慣例,人們通常把地下開采的所有礦石都運輸?shù)降孛嫔希龠M行加工,這樣就造成了大量的資源消耗,因為礦石中黃金含量不高,運上來的大部分石頭都沒用。而如果我們能夠把浮選裝備直接置于地下,進行初級加工,哪怕減少一半的礦石運輸量,都能節(jié)約很多資源。

所以,浮選裝備技術(shù)的創(chuàng)新,要和礦山各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)、鏈條相結(jié)合、相匹配,實現(xiàn)體系化的創(chuàng)新協(xié)同發(fā)展,因地制宜發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力,這樣才能實現(xiàn)真正的高質(zhì)量發(fā)展。

【致青年科技人才】

青年人想要成才需要“盯住一件事”。每個人都是不完美的,不要因為自己的不完美而放棄,要找到自己的長處。只有找到自己的長處,才能堅持下去,做成一些事。

此外,現(xiàn)在的社會,靠一個人單打獨斗是很難出成績的,一個團隊、一幫人、一個平臺,可能比一個人的才華更重要,所以青年人要學(xué)會合作,重視團隊的力量。

——沈政昌

責(zé)任編輯:孫瑩

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