坦桑尼亞石墨資源利用探索

樊子玉，賈曉東，楊永軍

（河南省地質礦產勘查開發局第二地質礦產調查院，河南鄭州 450001）

1 石墨資源利用的意義

石墨具有耐高溫、抗腐蝕、抗熱震、抗輻射、強度大、韌性好、自潤滑及導電、導熱等特有的物理化學性能，是工業體系中多個產業部門不可或缺的基礎性原料，對工業發展有重要作用。

在冶金工業中，石墨被用作耐火材料；在機械工業中，石墨主要用作鑄造涂料和機械潤滑劑；在電氣、電子工業中，石墨被廣泛地用于制造電極、電刷、電池碳棒、碳管、陽極板、墊圈等電碳制品件；在化學工業中，石墨主要用作制造不透性石墨制品；在原子能工業中，石墨用作中子減速劑。石墨密封材料主要是指柔性石墨制品，被稱為第二代非金屬密封材料。

石墨烯被稱為“新材料之王”，是目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，集優異的力學、電學、熱傳導和阻隔性等材料性能于一體，可替代傳統材料，并能促成眾多技術革命，具有不可估量的應用前景。

鱗片石墨是指天然晶質石墨，其形狀似魚鱗狀，六方晶系，呈層狀結構。如表1所示，根據中華人民共和國國家標準《GB/T3518-2008鱗片石墨》，將鱗片石墨按照固定碳含量分為4類，即高純石墨、高碳石墨、中碳石墨和低碳石墨。高純石墨主要用于生產柔性石墨、密封材料、潤滑劑的基料；高碳石墨主要用于生產潤滑劑、涂料或填充料；中碳石墨主要用于生產坩堝、鉛筆、電池、耐火材料、鑄造材料的原料；低碳石墨主要用于鑄造涂料等。研究區以粗大鱗片狀石墨為主的晶質（鱗片狀）石墨礦石，能夠廣泛應用于各個領域。

2 石墨生產和消費現狀

世界石墨產量近幾年較為平穩，2013—2017年基本維持在110萬噸到120萬噸。目前，世界石墨生產主要集中在中國、印度、巴西等國。中國是世界最大的石墨生產國，2013—2017年均穩定在75萬噸到80萬噸；其中，晶質石墨產量基本在47萬～67萬噸，主要產地為黑龍江、內蒙古、山東、湖南和吉林等地。2018年產量達到82萬噸，較2017年增長22.39%。

近年來，全球對石墨的需求穩步上升，全球經濟狀況的改善以及其對石墨領域產業的影響導致了這種需求的增加；2017年全球石墨表觀消費量達124.38萬噸。全球石墨行業消費結構為：耐火材料26%、鑄造15%、潤滑劑14%、制動襯片13%、鉛筆7%、其他（碳刷、電池、膨脹石墨等）25%。主要消費國和地區為中國、日本、美國、德國和英國等。中國是最大的石墨消費國，目前每年的天然石墨消費量約在40萬噸；其中，晶質石墨的消費量在24萬噸左右，隱晶質石墨的消費量近16萬噸[1]。

3 研究區石墨資源儲量和選礦分析

3.1 石墨資源儲量

坦桑尼亞東部莫羅戈羅省境內的研究區域石墨礦床屬沉積變質型礦床，勘探類型為Ⅰ類類型。對工作區進行勘查，共發現Ⅴ-1、Ⅸ-1、Ⅸ-2等26個石墨礦體。Ⅸ-1礦體厚度大、品質好，是最主要的礦體，分布標高-85～527m，埋深0～340m，平均品位（固定碳）8.19%，平均厚度26.97 m。對Ⅸ-1、Ⅸ-2等26個礦體進行了資源量估算，共提交石墨礦石量17 262.24×104噸，石墨礦物量1 096.14×104噸，礦床平均品位6.35%，平均厚度13.58 m。研究區水文地質、工程地質和環境地質條件簡單，未來礦山以露天方式開采。礦石類型為含石墨黑云斜長片麻巖型，工業類型為晶質（鱗片狀）石墨礦石，屬易選礦石[2]。

3.2 石墨礦石結構

研究區內主要礦石結構見圖1，其結構主要為中-粗粒鱗片狀變晶結構、片狀自形結構、發育片狀集合體結構，部分扭折明顯。

如圖1a所示，石墨、云母等礦物呈鱗片狀定向排列，鱗片晶形彎曲，形成鱗片狀變晶結構。如圖1b所示，礦物晶形較好，構成自形片狀結構。如圖1c所示，多層石墨近平行聚合分布，形成片狀集合體結構。如圖1d所示，石墨扭折發育，構成扭折結構。

圖1 研究區內主要礦石結構

3.3 選礦工藝流程

晶質石墨選礦的重點之一就是避免在選礦工藝過程中過度磨礦，較大程度保護石墨鱗片，以提高石墨產品價值。選礦試驗以保護石墨鱗片和提高固定碳含量為主要考量指標，同時兼顧石墨回收率，分別進行了探索試驗、條件試驗、流程試驗等研究，最終選定該礦石的最佳選礦工藝[3]。該石墨礦具有非常好的可選性，正目數鱗片石墨含量較國內大多數石墨礦含量高，為保護正目產品，采用階段磨礦階段選別，可以得到固定碳為94%以上的正目石墨產品。

表1 石墨產品分類

4 石墨新能源和新產業

4.1 石墨烯新材料情況

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料，是目前發現的硬度最高、韌性最強的納米材料。石墨制成石墨烯的過程，是個物理過程，是不斷增大原子間距離并使原子單層化的過程。

石墨烯具有良好的電學和光學性能、力學性能、熱傳導性能以及極高的電荷載流子遷移率。因此，石墨烯及復合材料可廣泛應用于晶體管、液晶裝置、電化學生物傳感器、超級電容器、燃料電池和太陽能電池等領域。中國，美國、歐盟、日本和韓國等國家都將石墨烯材料的發展提高到戰略高度，分別投入數百億美元用于石墨烯材料的研究和開發。我國對石墨烯領域的研究與開發也較早，2007—2012年，中國國家自然科學基金委員會對石墨烯項目累計資助經費達到3.30億元，科技部和中國科學院對石墨烯的累計資助經費分別達到了5915萬元和4605萬元。業內人士認為在未來5～10年，石墨烯會有很大的發展，在相關領域引發革命性的突破，帶動價值數萬億美元的新興產業鏈[4]。

4.2 石墨負極材料及新能源產業

鋰離子電池的負極材料目前成熟應用的主要是碳石墨材料，石墨是生產電動汽車鋰離子電池負極材料的主要原料之一。石墨生產鋰離子電池負極材料，要經過顆粒球化及表面包覆處理，使不規則的石墨微粒在氣流沖擊下相互碰撞，發生卷曲和包裹作用，使顆粒成為球形或近似球形，即通常所稱的球形石墨。

據業內專家預測，在未來20年，石墨作為生產負極材料的主要原料，很難被其他材料替代。按照國家提出2020年電動汽車數量占所有交通車輛10%的發展目標，屆時，將會帶來總價值5 000億元的市場規模，將需要大量石墨用于生產鋰電池負極材料[5]。這為石墨產品提供了廣闊市場，未來電動汽車行業發展將成為石墨產業新的增長點。

5 石墨資源的市場前景預測

近年來，我國石墨產品每年的需求量接近70萬噸，預計2019—2025年，石墨增速將達到4.5%。2018年天然石墨需求量為39.9萬噸，2020年天然石墨需求量將達到44萬噸，2025年有望達到54萬噸，這意味著未來的幾年天然石墨產品有約14萬噸的需求增長空間[6]。本項目如果正式投產，則可占增長空間的35.7%?？梢耘袛嘣摫壤诤侠矸秶鷥?，不會造成天然石墨的過剩，預計未來市場行情及產品價格基本保持穩定[7]。

6 結語

高新技術、戰略新興領域將會為石墨創造更廣闊的發展空間，特別是石墨烯的出現，為石墨產業發展開拓了新的空間。坦桑尼亞礦石樣品的正目石墨（粒徑＞0.147mm）含量平均為91.65%，石墨最大粒徑超過2mm，以粗大鱗片狀石墨為主；且石墨鱗片越大，加工的石墨制品質量越好、價值越高，因此該區市場前景非常可觀。