蘿北鱗片石墨選礦工藝流程試驗研究

康文澤，李會建，張啟梁，趙 越

(1.黑龍江科技大學 石墨新材料工程研究院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.青島智瑞生物有限公司，山東 青島 266100)

蘿北鱗片石墨選礦工藝流程試驗研究

康文澤1，李會建1，張啟梁2，趙 越1

(1.黑龍江科技大學 石墨新材料工程研究院，黑龍江 哈爾濱 150022；2.青島智瑞生物有限公司，山東 青島 266100)

針對黑龍江蘿北鱗片石墨礦物共生關系復雜的現狀，選取具有代表性的礦石，結合礦石工藝礦物學研究，在破碎、磨礦、浮選等試驗的基礎上確定最佳選礦工藝流程。研究結果表明：在粗磨時間為3.5 min、煤油用量為250 g/t、仲辛醇用量為25 g/t的條件下，礦石采用一次粗選、一次掃選，粗精礦經四階段再磨后五次精選，中礦1、中礦2、中礦3合并掃選后返回粗選，中礦4、中礦5、中礦6合并返回一段再磨的閉路選礦工藝流程，可獲得精礦固定碳含量為95.92%、回收率為95.24%、尾礦品位為0.87%的優良工藝指標。試驗所確定的最佳選礦工藝流程，可為該地區石墨選礦廠的工藝流程設計提供一定理論借鑒。

鱗片石墨；階段磨礦；階段浮選

我國石墨儲量豐富，晶質石墨礦主要分布在黑龍江蘿北和雞西、山東平度和萊西、內蒙古興和、河北赤誠等地區[1-2]，其中黑龍江地區分布最廣，儲量最大[3]。石墨具有耐高溫、耐腐蝕、強度高、導熱性好、潤滑性好、化學性質穩定等優良特性，廣泛應用于石油化工、航天航空、耐磨潤滑等領域。隨著經濟與科技的不斷發展，高品質石墨的需求量持續增加，這對鱗片石墨的選礦技術提出了更高要求。

國內外石墨選礦最常用的方法為浮選，工藝流程包括階段磨礦、階段浮選[4-8]，通過確定合理的磨礦、浮選段數來獲得最終產品。國內許多學者在鱗片石墨選礦方面進行了深入研究，岳成林[9]采用三段再磨替代四段再磨，在不降低生產指標的前提下，有效縮短了選礦工藝流程；彭偉軍等[10]研究了中礦處理方式對選礦指標的影響，發現中礦單一的集中返回、循序返回、單獨處理均不能滿足難選礦的產品指標要求，而多種方式的聯合使用是解決貧、細、雜石墨中礦分選的有效方法；龍源等[11]采用立式攪拌磨對石墨磨礦效果進行了研究，在φ6 mm的陶瓷球作介質、磨機轉速為100 r/min、磨礦時間為4 min、磨礦濃度為30%的條件下，采用特定的選礦工藝流程，可獲得>0.15 mm粒級含量為56.12%、品位為92.58%、回收率為94.71%的精礦；王啟寶等[12]通過改進藥劑成分，研制出新型浮選藥劑，不但使生產成本大幅下降，而且解決了平度難選石墨回收率低的問題；謝朝學等[13]的研究表明：采用新型筒棒代替鋼球作為磨礦介質，并配備充填式浮選機，在其他工藝條件不變的情況下可減少一到兩次精選作業，進而達到保護大鱗片石墨的目的，從而保證精礦的回收率并提高其質量。

在石墨選礦過程中，在設備和藥劑制度確定的條件下，浮選工藝流程就成為獲得高品位、高回收率精礦的關鍵。針對黑龍江蘿北鱗片石墨礦物共生關系復雜的現狀，選取該礦區石墨原礦，進行磨礦段數試驗、藥劑制度試驗、開閉路選礦試驗，進而確定石墨選礦的最佳工藝流程，為該地區石墨選礦廠的工藝流程設計提供理論支持。

1 試驗

1.1 設備與試劑

(1)試驗設備主要包括：PE-150×250顎式破碎機，用于礦石粗碎，進料口尺寸為150 mm×250 mm，最大入料粒度為150 mm，處理能力為3.0～8.5 t/h，功率為10 kW；XPS-φ250×150輥式破碎機，用于礦石細碎，輥子直徑為250 mm，輥子長度為150 mm，最大入料粒度為12 mm，處理能力為2.5～5.0 t/h，功率為6 kW；HLXMB-φ240×300棒磨機，球荷充填率為40%，磨礦濃度為67%；XFD-1.0L單槽浮選機，轉速為1 700 r/min；D8 Advance X-射線衍射儀，用于礦物的物相分析。

(2)試驗試劑主要包括捕收劑煤油和起泡劑仲辛醇，二者均為市售藥劑。

1.2 礦石性質

鱗片石墨礦樣為黑龍江蘿北礦區的原礦，質量約為100 kg，最大粒度為200 mm。先將礦石粗碎到10 mm以下，再細碎到2 mm以下，然后將破碎的礦石混勻、縮分，留取備樣。石墨礦石的X-射線衍射分析結果如圖1所示。

圖1 石墨礦石的X-射線衍射圖

由圖1可知：礦石中的主要伴生礦物為石英、長石、白云母、綠泥石、透閃石、方解石等，此外還含有微量的白云石、石榴子石等，礦物種類繁多，共生關系復雜，硬度較大。

根據石墨固定碳測定方法，采用間接定碳法測定其中固定碳的含量，并采用化學分析法測定其他化學成分，結果如表1所示。

表1 石墨礦石的化學成分

1.3 試驗方案

將石墨原礦破碎、磨細，再對磨細礦樣進行篩分，使其粒度<0.5 mm；進行粗磨粗選的最優條件試驗，確定粗磨的最佳磨礦時間和粗選的最佳藥劑制度、礦漿濃度；進行再磨精選試驗，確定每段的最佳磨礦時間；在最佳試驗條件下進行開路選礦試驗，分析精礦指標；在開路選礦試驗的基礎上進行閉路選礦試驗，確定最佳選礦工藝流程。

1.4 評價指標

(1)根據GB/T 3521—2008《石墨化學分析方法》要求，采用間接定碳法測定其中的固定碳含量。在石墨行業中，固定碳含量特指精礦、尾礦中的石墨含量，有時也稱品位。測得礦樣的揮發分、灰分后，采用總量減去揮發分、灰分所得的即為固定碳含量，計算式為：

ω1=100%-ω2-ω3，

式中：ω1為固定碳質量分數，%；ω2為灰分質量分數，%；ω3為揮發分質量分數，%。

(2)礦石回收率是指進入精礦產品中有用礦物的總量與所處理原礦石中有用成分的總量之比，計算式為：

式中：ε為礦石回收率，%；γ精為精礦產率，%；α為原礦品位，%；β為精礦品位，%。

2 粗選條件試驗

根據鱗片石墨的性質，結合國內外石墨礦石選礦研究成果[14]，基于對鱗片的保護考慮，采用階段磨礦、階段浮選的工藝流程進行試驗。在試驗過程中，粗選條件試驗選擇一次粗選工藝流程。

2.1 磨礦細度試驗

磨礦是影響單體解離度的關鍵環節，磨礦介質主要包括鋼球和鋼棒，在磨機內鋼棒的磨剝作用優于鋼球，且更適合保護石墨鱗片，因此采用棒磨機進行磨礦試驗。石墨礦石粗選磨礦-浮選試驗流程如圖2所示。

圖2 粗選磨礦-浮選試驗流程

試驗結果如圖3所示，由圖3可知：隨著磨礦時間的延長，精礦品位不斷提高，回收率先上升后下降；當磨礦時間從3 min延長至3.7 min時，回收率略有下降，但粗精礦品位從28.84%提高到32.20%。綜合考慮，最佳磨礦時間宜選擇3.5 min。

圖3 粗選磨礦-浮選試驗結果

2.2 煤油用量試驗

工業上廣泛使用價廉而性能較好的煤油作為石墨浮選的捕收劑，粗選條件試驗也以煤油作為捕收劑。每次試驗設定磨礦時間為3.5 min，仲辛醇用量為30 g/t，探索煤油不同用量時的石墨浮選效果，結果如圖4所示。

由圖4可知：隨著煤油用量的增加，精礦品位不斷下降，回收率先上升后基本趨于平穩。這是因為煤油用量過大時，弱疏水性的脈石礦物吸附煤油后疏水性升高，隨著上升氣泡進入精礦，導致其品位降低。綜合考慮，煤油用量以250 g/t為宜。

圖4 煤油用量試驗結果

2.3 仲辛醇用量試驗

起泡劑屬于表面活性劑，主要作用于水-氣界面，使礦漿中的空氣分散成更小的氣泡，且能防止已經分散的小氣泡重新兼并成大氣泡；同時，其能提高氣泡的附著牢固程度，使氣泡在礦化、上浮過程中不破裂，最終形成穩定的泡沫層而被刮出，有利于提高浮選指標[15]。每次試驗設定磨礦時間為3.5 min，煤油用量為250 g/t，探索仲辛醇不同用量時的石墨浮選效果，結果如圖5所示。

圖5 仲辛醇用量試驗結果

由圖5可知：隨著仲辛醇用量的增加，精礦回收率先增加后趨于穩定，但精礦品位逐漸下降。這是因為仲辛醇用量過多時，泡沫粘度過大，機械夾雜嚴重，二次富集作用降低。綜合考慮，仲辛醇的最佳用量選擇25 g/t。

2.4 礦漿濃度試驗

入浮礦漿濃度的大小也是影響浮選效果的重要因素[13]，在煤油用量為250 g/t、仲辛醇用量為25 g/t的條件下，探索不同礦漿濃度時的浮選效果，結果如圖6所示。

圖6 礦漿濃度試驗結果

由圖6可知：礦漿濃度較低時，精礦品位較高，但回收率較低；當逐漸增大礦漿濃度時，精礦品位逐漸下降，但回收率有所提高。綜合考慮精礦回收率和品位的變化，粗選礦漿濃度以25%為宜。

通過粗磨、粗選、掃選條件試驗確定的最優選礦條件為：磨礦時間3.5 min，礦漿濃度為25%，煤油用量250 g/t，仲辛醇用量25 g/t，此時，粗精礦固定碳含量為39.92%，回收率為96.35%。

3 再磨精選試驗

粗磨粗選試驗獲得的粗精礦品位僅接近于40%，達不到預期目標，為此對粗精礦進行再磨精選試驗。

3.1 一段再磨一次精選試驗

在粗選條件試驗確定的最優條件下進行再磨試驗，探索最佳的再磨時間。粗精礦一段再磨一次精選試驗結果如圖7所示。

圖7 粗精礦一段再磨一次精選試驗結果Fig.7 Test results of primary regrinding and cleaning for coarse concentrate

由圖7可知:一段再磨時間對精礦品位影響較大，再磨時間增加，精礦品位有所增加，但回收率呈下降趨勢。經粗磨粗選處理后，大部分的石墨連生體礦物富集于粗精礦，再磨時間過長會破壞大鱗片的完整性。綜合考慮，粗精礦再磨時間選擇1.7 min。

參照粗精礦一段再磨試驗設計，探索二段、三段、四段的最佳再磨時間。根據相關試驗方案確定的二段、三段、四段最佳再磨時間分別為2.5、3.5、4.0 min，后續不同階段的磨礦依據各階段的最佳時間進行。

3.2 開路選礦試驗

在上述試驗確定的最佳條件下，選擇四磨五浮工藝流程繼續進行試驗，此工藝流程下的開路選礦試驗流程如圖8所示。

圖8 開路選礦試驗流程

開路選礦試驗結果如表2所示。由表2可知：經一次粗選一次掃選，四段再磨五次精選后，精礦回收率為55.39%，品位為95.35%，達到高碳石墨等級要求。為進一步提高精礦回收率，基于四磨五浮工藝流程進行閉路選礦試驗。

表2 開路試驗結果Table 2 Results of open circuit mineral processing test %

3.3 閉路選礦試驗

實驗室閉路選礦試驗是在不連續的設備上模仿連續生產的過程。根據確定的中礦返回工藝流程進行閉路選礦試驗，由于中礦返回會帶回一部分藥劑，所以粗選藥劑用量有所下降。基于四磨五浮工藝流程的閉路選礦試驗數質量流程如圖9所示。

圖9 閉路選礦試驗數質量流程

由圖9可知：品位為15.46%的原礦，采用一次粗選、一次掃選，粗精礦經四階段再磨后五次精選，中礦1、中礦2、中礦3合并掃選后返回粗磨，中礦4、中礦5、中礦6合并后返回一段再磨的閉路選礦工藝流程，可獲得精礦固定碳含量為95.92%、回收率為95.24%、尾礦品位為0.87%的優良工藝指標。

根據開路選礦試驗數據可知：中礦1、中礦2、中礦3合并后的產率為31.30%，品位為6.10%，其與15.46%的原礦品位相比，相差較大。如果直接將其混合后返回粗磨，將會導致原礦品位大大降低，進而影響浮選效果。為此，將中礦1、中礦2、中礦3合并后掃選一次、拋尾二次，經此處理后中礦品位可提高至33.22%，此時將其返回粗磨可使其中的未解離礦物得到再磨。根據開路選礦試驗結果可以算出中礦4、中礦5、中礦6混合后的品位為42.16%，產率為11.48%，與粗精礦的品位相差不大，故這部分中礦合并后返回一段再磨不會對浮選效果產生太大影響。

4 結論

(1)黑龍江蘿北鱗片石墨礦石中礦物種類繁多，共生關系復雜，與石墨伴生的礦物主要是長石、石英、云母、方解石等，此外還含有微量的白云石、石榴子石等。

(2)通過一系列試驗確定的石墨最佳選礦工藝流程為：礦石一次粗選、一次掃選，粗精礦四階段再磨五次精選，中礦1、中礦2、中礦3合并掃選后返回粗選，中礦4、中礦5、中礦6合并后返回一段再磨。

(3)在確定的藥劑制度、入浮濃度及閉路選礦工藝流程下，石墨原礦經分選后，可獲得精礦固定碳含量為95.92%、回收率為95.24%、尾礦品位為0.87%的優良工藝指標。

[1] 尹麗文.世界石墨資源開發利用現狀[J].國土資源情報,2011(6):29-32,23.

[2] 顏玲亞.世界天然石墨資源、消費及國際貿易[J].中國非金屬礦工業導刊,2014(2):33-36.

[3] 武漢建筑材料工業學院選礦教研室.石墨選礦[M].北京:中國建筑工業出版社,1979.

[4] LU Xian-jun, E Forssberg. Flotation selectivity and upgrading of Woxna fine graphite concentrate [J].Minerals Engineering, 2001,14(11):1541-1543.

[5] 白麗麗,張凌燕,彭偉軍,等.某難選石墨礦選礦試驗研究[J].非金屬礦,2014(3): 54-56,80.

[6] 勞德平,申士富,李崇德,等.鱗片石墨礦階段磨浮-預先分目工藝流程研究[J].中國非金屬礦工業導刊,2014(6):32-35，47.

[7] 張凌燕,邱楊率,黃 雯,等.鞍山地區某石墨礦選礦試驗研究[J].非金屬礦，2011(5):21-23.

[8] 張凌燕,黃 雯,邱楊率,等.細磷片低碳石墨浮選工藝研究[J].武漢理工大學學報,2011(11):107-111.

[9] 岳成林.鱗片石墨再磨工藝改進研究[J].化工礦物與加工,2001,30(8):8-10,14.

[10] 彭偉軍,張凌燕,李向益.石墨浮選提純中礦處理方式研究[J].中國非金屬礦工業導刊,2014(2): 28-30.

[11] 龍 淵,張國旺,肖 驍,等.立式攪拌磨機對鱗片石墨的磨礦研究[J].礦冶工程,2014(6):41-44.

[12] 王啟寶,張晨光.平度難選石墨礦石浮選藥劑的研究[J].非金屬礦,1995(2):30-32.

[13] 謝朝學,袁慧珍.用充填式浮選機選別大鱗片石墨的研究[J].金屬礦山,2010(7):57-60.

[14] 呂一波,季長順,李青俠. 浮選柱精選細鱗片中碳石墨實驗[J].黑龍江科技學院學報,2013(1):26-29.

[15] 謝廣元.選礦學[M].徐州:中國礦業大學出版社,2001.

Study on mineral processing technology of the flake graphite in Luobei

KANG Wen-ze1, LI Hui-jian1, ZHANG Qi-liang2, ZHAO Yue1

(1.Engineering Institute of New Graphite Materials, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin, Heilongjiang 150022,China; 2. Qingdao Zhirui biological Ltd., Qingdao, Shandong 266100, China)

In the light of the complex situation of the mineral symbiosis of flake graphite in Luobei, Heilongjiang province, the process mineralogy of the representative ore was studied and experiments such as the crushing, grinding, flotation and so on were done, on the basis of which the best mineral processing technology is determined. The results show that in the case of the 3.5min of coarse grinding, the dosage of 250 g/t kerosene, the dosage of 25 g/t octanol, the excellent process index with the tailings grade of 0.87%, the concentrate containing fixed carbon content of 95.92% and the recovery of 95.24%, can be obtained through the closed circuit process, in which, the ore is served by one roughing and one scavenging, and rough concentrate is made five cleaning after four-stage regrinding, at the same time mixed middlings 1, 2, 3 is delivered to roughing after scavenging while mixed middlings 4, 5, 6 went back to primary regrinding. This process has theoretical experience for the process design of graphite ore dressing plant.

flake graphite; stage grinding; stage flotation

1001-3571(2015)05-0011-05

TD975+.2

A

2015-07-30

10.16447/j.cnki.cpt.2015.05.003

國家科技支撐計劃資助項目(2013BAE04B01)

康文澤(1964—)，男，黑龍江省雞西市人，教授，博士，從事煤與其他非金屬礦分選方面的教學與研究工作。

E-mail:kwz010@163.com Tel：0451-88036755