我国重晶石产业技术现状与发展趋势

文/王嘉毅　张红林　侯彩虹　侯立兵

咸阳非金属矿研究设计院有限公司　

摘要：重晶石是钡的硫酸盐类矿物，主要成分是硫酸钡（BaSO₄），具有密度大、化学性质稳定、无磁性和毒性等特点，作为石油钻井泥浆加重剂、钡化工及防核辐射原材料等在世界范围内被广泛应用。笔者介绍了全球和我国重晶石资源情况，当前国内重晶石产业技术现状和未来发展趋势。

关键词：重晶石　产业加工技术现状　发展趋势

Present Situation and Development Trend of Barite Industry Technology in China

Wang Jiayi,Zhang Honglin,Hou Caihong,Hou Libing(Xianyang Non-Metallic Minerals Research and Design Institute Co.Ltd,Shaanxi,Xianyang,712021,China)

Abstract:Barite is a barium sulfate mineral,which is mainly composed of barium sulfate(BaSO4).It has the characteristics of high density,stable chemical properties,non-magnetic and toxicity,and is widely used worldwide as an oil drilling mud weighting agent,barium chemical industry,and nuclear radiation prevention raw materials.This paper introduces the situation of barite resources in the world and China,present situation and future development trend of barite industry tech-nology in China.

Key words:Bartie;Status quo of industrial technology;Development trend

1 重晶石资源

1.1 全球重晶石分布

重晶石是以硫酸钡（BaSO₄）为主要成分的非金属矿物，纯的重晶石呈白色、有光泽，结晶好的重晶石还可呈透明晶体出现，由于杂质及混入物的影响也常呈灰色、浅红色、浅黄色等，常呈厚板状、柱状、块状、板状、粒状，莫氏硬度为3～3.5，密度为4～4.6，化学性质稳定，不溶于水和盐酸，无磁性和毒性，它是自然界分布最广的含钡矿物。

世界范围内重晶石资源比较丰富，主要分布在中国、美国、印度、伊朗、哈萨克斯坦、巴基斯坦、摩洛哥、土耳其、墨西哥、俄罗斯等国。据美国地质调查局2021年矿物产品综述数据显示，目前全球已探明的重晶石矿物资源储量约为3.9亿t，伊朗重晶石总储量达1亿t，位于世界第一位，占全球储量的26%；其余主要分布国家为哈萨克斯坦、印度、巴基斯坦、中国和土耳其，储量分别为8500万t、5100t、4000万t、3600万t和3500万t(见图１)^[1]。

1.2 我国重晶石分布

中国是重晶石资源大国，分布于全国21个省(市、自治区)，主要的矿区分布在贵州、甘肃、广西、湖南、浙江等省(区)，根据自然资源部发布的数据，截止2021年全国重晶石保有储量9154.87万t，其中贵州3505.88万t，甘肃1248.69万t，广西1241.09万t，湖南803.93万t，浙江732.79万t^[2](见图2）。优质富矿（BaSO₄品位＞92.5%）主要集中在贵州和广西，其中贵州有70%的重晶石矿石品位＞85%，广西有90%以上的重晶石矿石品位＞50%，有33%左右的重晶石矿石品位≥85%^[2]。

我国共有重晶石矿山502个，矿山类型以大、中型为主，小型矿山占总数的57.2%，小型矿山的开发比较原始，开采效率不高。

矿石类型单一，伴生组分较少。李春阳等学者将我国重晶石矿划分为5种矿床类型(沉积型、层控(内生)型、火山－沉积型、热液型和风化(残坡积)型)和9个重晶石矿集区(甘南－陕西南－鄂北沉积型、黔东－湘西－桂北沉积型、鄂西南－川东南－黔中层控(内生)型、邢台－汲县－运城层控(内生)型、安丘－临沭－含山热液型、闽西南沉积型、桂粤热液型、锡铁山镜铁山－青铜峡火山－沉积型、桂粤琼风化(残坡积)型)(见图3)^[3]。

图3、中国重晶石矿矿集区分布图

2 国内重晶石产业现状

中国是全球重晶石最大的生产国、第二大消费国，一直以外贸出口为主，国内所产重晶石一半以上都用于出口，随着受疫情的影响，国际重晶石行业持续疲软，导致国内重晶石产量、出口量有所下降(见表1)。

重晶石现已广泛用于石油、化工、轻工、冶金、医学、农业及原子能、军事等领域，其用途已超过2000项。国内重晶石产品主要有：

2.1 钻井泥浆加重剂

重晶石最主要的用途，占其总消费量的85%～90%^[4]。可冷却钻头、加固井壁、控制原油和天然气的压力，从而稳定油气产量，防止井喷事故。一般要求细度要达到325目以上，密度大于4.2g/cm³，BaSO₄含量不低于95%，可溶性盐类小于1%。钻孔中使用的重晶石量的决定因素包括钻孔深度和直径，岩石类型和钻井条件等，通常钻井每钻进30m就要消耗1t重晶石粉。

2.2 各种钡化合物

目前重晶石的第二大用途是用于生产钡的化工产品，以重晶石为原料可以制造氧化钡、碳酸钡、氯化钡、硝酸钡、沉淀硫酸钡、氢氧化钡等化工原料。化学纯的硫酸钡是测量白度的标准；碳酸钡是光学玻璃的重要原料，它向玻璃中引入BaO，从而增大玻璃的折光率，并改善其它光学性能；氯化钡是一种农用杀虫剂；硝酸钡用于焰火和玻璃工业中；高锰酸钡是一种绿色颜料。

2.3 锌钡白颜料

锌钡白又称立德粉，是一种常用的优质白色颜料，可作为油漆、绘画颜料的原料。即硫酸钡（占70%）和硫化锌（占30%）的混合物，是将硫酸钡加热，使用还原剂就可还原成硫化钡（BaS），然后与硫酸锌（ZnSO₄）反应得到。原料要求BaSO₄含量大于95%，同时应不含有可见的有色杂物。

2.4 填料行业用重晶石

在油漆行业中，重晶石粉填料可以增加漆膜厚度、强度及耐久性，室内使用比铅白、镁白具有更多的优点，所用重晶石要求细度＞2000目，白度大于95。造纸行业、橡胶和塑料行业也用重晶石作填料，这种填料能提高橡胶和塑料的硬度、耐磨性及耐老化性。橡胶、造纸用重晶石填料一般要求BaSO₄大于98%， CaO小于0.36%，不许含有氧化镁、铅等成分。但此类行业对细度的要求较油漆行业低，多数厂家需要细度在500～1250目之间。

2.5 水泥矿化剂

在水泥生产中，加入重晶石对促进C3S形成和活化具有明显的效果，熟料质量得到了改善，水泥早期强度大约可提20%～25%，后期强度约提高10%，熟料烧成温度由1450℃降低到1300℃±50℃。在以煤矸石为原料的水泥生料中加入适量的重晶石，可使熟料饱和比低的水泥强度，特别是早期强度得到大幅度的提高，这为煤矸石的综合利用，为生产低钙、节能、早强和高强水泥提供了一条有益途径。

2.6 防射线水泥、砂浆及混凝土

利用重晶石具有吸收Ｘ射线的性能，用重晶石制做钡水泥、重晶石砂浆以及重晶石混凝土，用以代替金属铅板屏蔽核反应堆和建造科研、医院防Ｘ射线的建筑物。

2.7 其它产品

重晶石粉可用来精制煤油；也可在医疗上用作消化道造影剂，简称“钡餐”；重晶石与油料调和后涂于布基上可以制造防水的油布；橡胶和含约10%重晶石的柏油混合物已成功应用于停车场，是一种耐久性好的铺设材料。

3 重晶石新的应用领域

随着国内外各个行业市场对重晶石矿需求，特别是涂料行业、油漆行业，包括在乳胶漆、粉末涂料、硅橡胶等领域应用的需求量大幅度增加。目前重晶石新产品主要有：

3.1 超白超细高纯硫酸钡

重晶石粉体进行高温改性（体质改性）和表面改性以及除杂处理的工艺技术，制备成白度高达95，粉体细度可达2μｍ，纯度也达在95%以上的超白超细高纯硫酸钡（两超一高）产品。Ｄ97约5μｍ，白度在95左右的天然重晶石粉体，价格可以在4600元/t以上。

3.2 高光硫酸钡

粉末涂料填料，用于油漆、油墨、塑料、橡胶、颜料、防辐射等。由硫化钡溶液与加入经除去钙、镁后的芒硝溶液混合，于80℃进行反应，生成沉淀，经抽滤、水洗和酸洗之后，调节pH值为5～6，再过滤，干燥，粉碎制得。

3.3 活化重晶石填充聚合物材料

重晶石经过改性后，增强了与有机高聚物的相容性、亲和力，并提高其分散性，可使其成为具有较高附加值、性能较优的精细填料。近年来，活化重晶石填充聚合物复合材料的发展非常迅速。这是由于活化重晶石的加入，降低了塑料制品的收缩率，提高了尺寸稳定性，刚度也获得了改善，并降低了成本。

3.4 钡铁氧体磁性材料

M型钡铁氧体因其高的饱和磁化强度和磁性各向异性场以及优异的化学稳定性，而应用于垂直磁记录、磁性和磁光器件、微波器件以及电磁屏蔽材料，是目前应用广泛的微波吸收剂之一。Hessien等在不添加碳的情况下，1200℃焙烧赤铁矿和重晶石矿的混合物20h，制得了BaFe₁₂O₁₉。该样品的矫顽力明显低于纯物质所制得的样品，但两者的比饱和磁化强度几乎接近。目前一般使用钡盐与铁盐经过物理化学方法制备钡铁氧体。

3.5 纳米材料

由于纳米粒子的尺寸小，比表面积大，表面的原子数占总原子数的比例远远高于普通材料，并且纳米粒子表面的原子多呈无序、类气态的排列，这种结构使得纳米粒子具有小尺寸效应、表面与界面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应。这些效应使得纳米复合材料比常规改性的材料表现出了更优良的机械性能、气体渗透性、热稳定性以及阻燃等特性，具有广泛的应用前景，因此从其一诞生，就被美国材料学会誉为21世纪最有前途的材料。

3.6 导电材料

重晶石粉末是一种天然的白色体质颜料，具有良好的金属氧化物及其盐改性，以它用作核芯材料，在其表面包覆一层掺杂的SnO₂制成浅色导电粉末，不仅可以降低导电粉末的制备成本，国内高速发展的电子工业及相关的高新产业，这种化学性能稳定、电性能稳定的浅色复合金属氧化物导电材料，作为一种新的精细化工产品，有着广阔的发展前景。

3.7 防辐射纤维

金特（Günther）等人利用硫酸钡（重晶石）、钛酸钡和氧化铋对Ｘ射线吸收的特性，研究出可吸收X射线的复合纤维，用此纤维加工生产的纱线和织物可以有效地屏蔽X射线；日本利用将硫酸钡加入粘胶溶液中进行纺丝的方法，研制出一种新型纤维，用其制作的织物对X射线有明显的削弱效果，不仅穿着舒服而且不具毒性；刘津玮等人提出用重晶石制作成纳米级的硫酸钡，并将其加入粘胶纺丝液中制备出一种新型复合薄膜，利用这种薄膜制作新型的医用防X射线服，经测试发现其吸收Ｘ射线的能力比纯粘胶膜提高了44%。马君志等人利用纺前注射技术将硫酸钡添加到粘胶原液中，并用此乳液浆料进行纺制，得到了新型防辐射粘胶短纤维。硫酸钡在纤维中的分布非常均匀，而由于硫酸钡的加入，纤维的结晶度也有所提升。经测试发现，随着硫酸钡含量的增加，单独的纤维和用纤维制作的织物吸收的Ｘ射线增多，防Ｘ射线辐射性能增强^[5]。

3.8 高反射性涂料

2021年，普渡大学（Purdue University）的研究人员为一种基于硫酸钡（重晶石）的白色涂料配方提交了专利申请，与所有其他白色涂料相比，这种配方涂料的反射率可高达98.1%。该配方使用了浓度更高、粒径范围更广的重晶石，在外部表面使用时具有环境冷却效果。

4 未来重晶石产业发展趋势

2017年，欧盟公布了27种关键原材料清单，将重晶石纳入其中；2018年，美国公布了35种关键矿产，重晶石是其中之一。未来我国也有极大可能将重晶石列为战略性矿产，从产供销全产业链出发加以科学规划，推动重晶石资源集约节约利用，未来重晶石发展趋势主要为：

(1)发展高纯、超微细化、复合化技术，重点开发高纯钡盐和钦酸钡；

(2)通过对重晶石改性使其能够为涂料、塑料、造纸行业等提供分散性调料；

(3)开发下一代磁性材料钡铁氧体；

(4)开发助剂类钡盐精细化学品；

(5)利用纳米重晶石制备高性能的复合材料；

(6)利用重晶石高效屏蔽有害放射性射线的特性在多领域开发高附加值产品。

参考文献：

[1]U.S.Geological Survey. Mineral commodity summaries 2021[R].2021.

[2]中华人民共和国自然资源部．中国矿产资源报告2021［R］．北京：地质出版社，2021．

[3]刘洋，魏志聪，李梦宇，等．重晶石资源现状及选别技术研究进展［J］．矿产保护与利用，2021，41（6）：117－123．

[4]李春阳，田升平，牛桂芝．中国重晶石矿主要矿集区及其资源潜力探讨［J］．化工矿产地质，2010，32（2）：75－86．

[5]刘知纲，葛若雯．重晶石与辐射防护［J］．宝藏，2022（7）：54－61．

本文转载自《陶瓷》2023年4月