雞西地區晶質石墨保護大鱗片新工藝技術研究

仝忠蘊，劉磊，袁致濤

(1. 東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819； 2. 中國地質科學院鄭州礦產綜合利用研究所，自然資源部多金屬礦評價與綜合利用重點實驗室，河南 鄭州 450006)

晶質石墨又稱鱗片石墨，擁有優良的導電導性能、耐高溫性能、潤滑性能、化學穩定性能等，被廣泛應用于多個工業領域[1-2]，是我國重要的非金屬礦種。石墨大鱗片是一種不可再生的資源，固定碳含量越高、鱗片越大，其經濟價值也越高。在目前的石墨浮選粗磨過程中缺乏對大鱗片的保護，且鱗片一旦被破壞，便無法復原，降低其經濟利用價值[3]。因此，尋找能夠在磨浮過程中保護石墨大鱗片的工藝至關重要。

目前，高校、科研院所的專家、學者和生產工程技術人員等針對石墨大鱗片的保護進行研究，但多數研究集中在磨礦過程和浮選過程，這些研究在一定程度上降低了石墨大鱗片的損失，但仍舊存在著一些問題[4-6]。磨礦作業在鱗片保護中起著至關重要的作用，由于脈石礦物硬度較高，磨礦中勢必會對大鱗片造成破壞。合理的磨礦方式和方法不但可以解離將石墨與脈石礦物，還可以降低大鱗片石墨的損失[7-8]。

高壓輥磨機這種粉碎設備具有低功耗、大處理量、高設備作業率等優點，其粉碎的基本原理為顆粒層粉碎，即礦石顆粒群體在多層集合狀態下進行粉碎。當礦石顆粒層受到擠壓時，礦石顆粒自身作為傳遞介質，受到壓力導致礦石顆粒粉碎或變形，選擇性粉碎效果明顯[9-11]。在前期研究的過程中發現，對晶質石墨礦石采用高壓輥磨機進行粉碎，在粒度減小的過程中不但能夠使礦物達到有效地解離，還能在一定程度上保護大鱗片結構[12]。黑龍江雞西柳毛石墨礦以晶質石墨為主，礦物結晶度高，礦石品位高，是我國重要的石墨產品加工基地。本文以黑龍江雞西柳毛地區晶質石墨礦石為研究對象，粗磨階段采用高壓輥磨機進行粉磨，浮選粗精礦分質后進行區別再磨再選，可以盡快分離出已經解離的大鱗片，避免過磨的發生，最終形成了層壓粉碎-分質分級-區別再磨再選的浮選工藝流程，為保護石墨大鱗片提供了一種新的思路。

1 原礦性質

1.1 化學成分分析及礦物組成與特征

礦樣取自黑龍江雞西柳毛地區晶質石墨礦，原礦主要元素分析結果見表1。

表1 原礦主要元素分析結果/%Table 1 Chemical compositions of the raw ore

礦石中有用礦物組分為石墨，固定碳含量為9.79%。脈石礦物主要有石英、鉀長石、白云母等。石墨呈鱗片狀或聚片狀，局部有穿插關系，分布于脈石礦物顆粒之間，片徑細小的石墨呈星散狀及浸染狀。石墨與其他脈石礦物間的接觸線以圓滑為主，少量呈不規則狀或相互穿插。

1.2 原礦鱗片粒度組成統計

為查明原礦中鱗片粒級分布情況，取破碎原礦（+500 mm粒級）制作光片。在顯微鏡下采用線測法對原生鱗片長徑進行統計，結果見表2，原礦正目率為56.08%，大鱗片含量較高，選礦過程中應注意保護回收。

表2 石墨原生片徑統計結果Table 2 Statistical results of flake graphite diameter

2 結果與討論

2.1 層壓粉碎實驗研究

石墨礦樣破碎至-15 mm后由2510型高壓輥磨機（沈陽五寰科技有限公司）進行粉磨。為保證高壓輥磨粉磨產品能夠直接入浮，采用1 mm閉路流程進行粉磨，高壓輥磨機排料粒度分析結果見表3。

表3 層壓粉碎產品粒度分析和固定碳含量分布Table 3 Screen analysis and fixed carbon content of laminating crushing products

由表3可以看出，石墨礦樣經過高壓輥磨機粉磨后，+0.15 mm粒級產率和固定碳分布率分別為42.34%和52.15%；-0.045 mm粒級產率和固定碳分布率分別為17.72%和6.77%，石墨在微細粒級中分布較少。通過粒度分析發現石墨主要分布在中間粒級以及較粗粒級，此部分鱗片石墨在磨浮過程中應注意保護大鱗片結構。

2.2 粗選條件實驗

2.2.1 水玻璃用量實驗

礦石中含有硅酸鹽礦物，而水玻璃是經濟、高效的抑制劑和分散劑。水玻璃用量實驗在石灰用量750 g/t、煤油用量150 g/t、2#油用量75 g/t的條件下進行，實驗結果見圖1。

圖1 水玻璃用量實驗結果Fig. 1 Results on dosage of sodium silicate in the rougher flotation

由圖1可知，隨著水玻璃用量增大，粗精礦產品固定碳含量逐漸升高，升高趨勢為先快后慢，而固定碳回收率逐漸降低。水玻璃吸附在硅酸鹽礦物表面不但可以起到分散作用，還可以起到抑制作用，提高浮選指標。綜合考慮，確定粗選水玻璃用量為1500 g/t。

2.2.2 煤油用量實驗

煤油屬于非極性油類捕收劑，可以在石墨表面發生物理吸附，提高表面疏水性。煤油用量實驗在水玻璃用量1500 g/t、石灰用量750 g/t、2#油用量75 g/t的條件下進行，實驗結果見圖2。

圖2 煤油用量實驗結果Fig. 2 Results of dosage of kerosene in rougher flotation

由圖2可知，隨著煤油用量的增加，固定碳含量和回收率呈現出相反的趨勢，固定碳含量逐漸降低，而回收率逐漸升高。煤油用量太低，會導致石墨礦物吸附的藥劑量達不到隨著氣泡上浮限度，造成回收率太低；煤油用量過高，會致使大量未單體解離的脈石礦物一起上浮進入粗精礦，造成粗精礦固定碳含量低。綜合考慮，選取150 g/t為煤油較佳用量。

2.2.3 2#油用量實驗

起泡劑是異極性的有機物質，一端為非極性疏水基，另一端為極性親水基，可使起泡劑分子在空氣中與水的界面產生定向排列。2#油用量實驗在石灰用量750 g/t、水玻璃用量1500 g/t、煤油用量150 g/t的條件下進行，實驗結果見圖3。

由圖3可知，隨著2#油用量的增加，粗精礦固定碳含量逐漸降低，而回收率基本沒有發生變化。2#油用量過大，會導致浮選過程中夾雜現象嚴重，惡化浮選效果。

圖3 2#油用量實驗Fig. 3 Results on dosage of terpenic oil in rougher flotation

2.3 “分質分級”實驗研究

傳統工藝浮選流程粗選后直接進行全粒級再磨再選，這樣使已經解離的石墨鱗片無法及時排出，在再磨過程中造成了大鱗片的損失。為了降低再磨過程中石墨鱗片的損失，及時分離出合格的大鱗片石墨，提出了“分質分級”。“分質分級”實驗采用自有專利設備（螺旋分質機：申請號201910194481.7），該設備可以根據不同礦物之間粒度、密度以及潤濕性之間的差異進行分質分級，不但可以避免大鱗片石墨的過磨，還可以降低硬質脈石礦物對鱗片石墨的破壞作用。粗精礦經過分質分級后可以分為粗粒低碳和細粒高碳兩種產品。分質產品掃描電鏡分析結果見圖4，各產品分析結果見表4。

圖4 分質產品SEMFig. 4 SEM of grading and classification products

表4 粗精礦分質分級實驗結果Table 4 Results of rough concentrate classification

通過圖4和表4可以看出，粗粒分質產品中多為不規則顆粒狀連體，細粒分質產品多為解離程度較高的鱗片狀石墨，表面零星分布細粒脈石礦物。可以發現，經過分質后兩種產品分別進行再磨再選，可以有效地降低解離程度較高的石墨鱗片過磨，能夠較好地保護石墨大鱗片。粗粒低碳產品固定碳含量為19.19%，+0.15 mm粒級產率為60.10%，由于其粒度較粗，礦物單體解離度較低，在再磨過程中應注意對大鱗片的保護。細粒低碳產品固定碳含量為48.68%，+0.15 mm粒級產率為22.10%，此部分產品解離程度較高，再磨再選過程中在注意保護大鱗片的同時要兼顧固定碳含量的提升。

2.4 分質產品再磨實驗研究

為了獲得高大鱗片率、高品位的石墨，浮選時采用階段磨礦階段浮選流程。攪拌磨的機理是磨礦介質在攪拌器的旋轉帶動作用下在磨機內作整體的多維循環運動和自轉運動[13-15]。筒體內的磨礦介質運動過程中具有磨剝、剪切作用，相比球磨機隨機性的粉碎方式，攪拌磨這種能產生剪切力的磨礦設備能夠更好地剝離石墨片層結構，從而將石墨與脈石礦物解離，避免對石墨鱗片結構的破壞[16-17]。

根據前期對粗粒低碳和細粒高碳兩種分質產品分別進行磨礦段數對比實驗研究，以確定較佳的磨礦段數和浮選次數，實驗結果見表5（兩種精礦產品合并后用0.15 mm篩子篩分）。

表5 磨礦段數和浮選次數對比實驗結果Table 5 Results of comparing regrinding number and reconcentration number

粗粒低碳：四磨五選；細粒高碳：五磨五選精礦（+0.15 mm） 6.4695.7518.66精礦（-0.15 mm） 17.1296.8049.99中礦 76.4213.6031.35100.0033.15100.00

從表5可以看出，較低的磨礦段數不足以使石墨礦物達到解離，+0.15 mm和-0.15 mm精礦均未達到高碳石墨的標準。而磨礦段數過高，雖然精礦產品固定碳含量稍有提高，但卻損失了+0.15 mm精礦的產率，降低了其經濟價值。因此，最終確定粗粒低碳產品經過三段磨礦四次選別，細粒高碳產品經過四次磨礦四次選別。

2.5 閉路實驗研究

2.5.1 常規工藝閉路實驗

在上述實驗的基礎上進行閉路實驗，閉路實驗流程采用中礦分別集中返回，這樣可以避免過大的中礦量，及時的排出尾礦，還可以保證再磨過程中給料均勻。保證常規閉路實驗粗磨-0.074 mm含量與高壓輥磨粉磨產品一致，常規工藝閉路實驗流程見圖5，實驗結果見表6。

表6 常規工藝閉路流程各產品指標Table 6 Indicator of conventional closed circuit flowsheet

圖5 常規工藝閉路流程Fig. 5 Closed circuit flowsheet of conventional process

從表6可以看出，通過常規工藝流程流程分選后，+0.15 mm精礦產品和-0.15 mm精礦產品固定碳含量分別為98.52%和98.20%，均為高碳石墨，精礦總回收率為98.44%，精礦正目率為15.09%。

2.5.2 “層壓粉碎-分質分選”閉路實驗

層壓粉碎-分質分選閉路實驗流程見圖6，實驗結果見表7。

圖6 “層壓粉碎-分質分選”閉路流程Fig. 6 Closed circuit flowsheet of “particles bed

表7 層壓粉碎-分質分選閉路流程各產品指標Table 7 Indicator of “particle bed breakage-grading and separation” closed circuit flowsheet

從結果可以看出，通過此工藝流程流程分選后，+0.15 mm精礦產品和-0.15 mm精礦產品固定碳含量分別為95.23%和97.12%，均為高碳石墨，精礦總回收率為97.38%，精礦正目率為30.96%。從圖8可以看出石墨鱗片結構完整，周邊光滑圓潤，可作為下游深加工制品的高品質原料。

圖8 精礦產品掃描電鏡Fig. 8 SEM of concentrate products

3 結論

（1）雞西地區石墨礦樣品固定碳含量為9.79%，有用礦物為石墨，其他脈石礦物無綜合利用價值。礦石中原生大鱗片石墨嵌布粒度較粗，正目分布率為56.08%。

（2）浮選粗精礦經過“分質分級”后得到兩種中間產品，固定碳含量分別為19.19%和48.68%。兩種產品進行區別再磨再選，可避免石墨大鱗片的損失。

（3）采用常規工藝流程和“層壓粉碎-分質分選”工藝流程進行閉路實驗，兩種工藝流程最終的精礦均可達到了高碳石墨的標準，但采用“層壓粉碎-分質分選”工藝獲得的最終精礦正目率要高于傳統工藝15.87%。“層壓粉碎-分質分選”工藝顯著提高了石墨大鱗片的產率，大大地提高了其經濟價值。