雞西地區(qū)晶質(zhì)石墨保護(hù)大鱗片新工藝技術(shù)研究

仝忠蘊(yùn)，劉磊，袁致濤

(1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819； 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院鄭州礦產(chǎn)綜合利用研究所，自然資源部多金屬礦評(píng)價(jià)與綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450006)

晶質(zhì)石墨又稱鱗片石墨，擁有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)性能、耐高溫性能、潤(rùn)滑性能、化學(xué)穩(wěn)定性能等，被廣泛應(yīng)用于多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域[1-2]，是我國(guó)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(jīng)濟(jì)價(jià)值也越高。在目前的石墨浮選粗磨過(guò)程中缺乏對(duì)大鱗片的保護(hù)，且鱗片一旦被破壞，便無(wú)法復(fù)原，降低其經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值[3]。因此，尋找能夠在磨浮過(guò)程中保護(hù)石墨大鱗片的工藝至關(guān)重要。

目前，高校、科研院所的專家、學(xué)者和生產(chǎn)工程技術(shù)人員等針對(duì)石墨大鱗片的保護(hù)進(jìn)行研究，但多數(shù)研究集中在磨礦過(guò)程和浮選過(guò)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(wèn)題[4-6]。磨礦作業(yè)在鱗片保護(hù)中起著至關(guān)重要的作用，由于脈石礦物硬度較高，磨礦中勢(shì)必會(huì)對(duì)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(jī)這種粉碎設(shè)備具有低功耗、大處理量、高設(shè)備作業(yè)率等優(yōu)點(diǎn)，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(tài)下進(jìn)行粉碎。當(dāng)?shù)V石顆粒層受到擠壓時(shí)，礦石顆粒自身作為傳遞介質(zhì)，受到壓力導(dǎo)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)晶質(zhì)石墨礦石采用高壓輥磨機(jī)進(jìn)行粉碎，在粒度減小的過(guò)程中不但能夠使礦物達(dá)到有效地解離，還能在一定程度上保護(hù)大鱗片結(jié)構(gòu)[12]。黑龍江雞西柳毛石墨礦以晶質(zhì)石墨為主，礦物結(jié)晶度高，礦石品位高，是我國(guó)重要的石墨產(chǎn)品加工基地。本文以黑龍江雞西柳毛地區(qū)晶質(zhì)石墨礦石為研究對(duì)象，粗磨階段采用高壓輥磨機(jī)進(jìn)行粉磨，浮選粗精礦分質(zhì)后進(jìn)行區(qū)別再磨再選，可以盡快分離出已經(jīng)解離的大鱗片，避免過(guò)磨的發(fā)生，最終形成了層壓粉碎-分質(zhì)分級(jí)-區(qū)別再磨再選的浮選工藝流程，為保護(hù)石墨大鱗片提供了一種新的思路。

1 原礦性質(zhì)

1.1 化學(xué)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(qū)晶質(zhì)石墨礦，原礦主要元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 原礦主要元素分析結(jié)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(zhǎng)石、白云母等。石墨呈鱗片狀或聚片狀，局部有穿插關(guān)系，分布于脈石礦物顆粒之間，片徑細(xì)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(guī)則狀或相互穿插。

1.2 原礦鱗片粒度組成統(tǒng)計(jì)

為查明原礦中鱗片粒級(jí)分布情況，取破碎原礦（+500 mm粒級(jí)）制作光片。在顯微鏡下采用線測(cè)法對(duì)原生鱗片長(zhǎng)徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2，原礦正目率為56.08%，大鱗片含量較高，選礦過(guò)程中應(yīng)注意保護(hù)回收。

表2 石墨原生片徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of flake graphite diameter

2 結(jié)果與討論

2.1 層壓粉碎實(shí)驗(yàn)研究

石墨礦樣破碎至-15 mm后由2510型高壓輥磨機(jī)（沈陽(yáng)五寰科技有限公司）進(jìn)行粉磨。為保證高壓輥磨粉磨產(chǎn)品能夠直接入浮，采用1 mm閉路流程進(jìn)行粉磨，高壓輥磨機(jī)排料粒度分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 層壓粉碎產(chǎn)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(jīng)過(guò)高壓輥磨機(jī)粉磨后，+0.15 mm粒級(jí)產(chǎn)率和固定碳分布率分別為42.34%和52.15%；-0.045 mm粒級(jí)產(chǎn)率和固定碳分布率分別為17.72%和6.77%，石墨在微細(xì)粒級(jí)中分布較少。通過(guò)粒度分析發(fā)現(xiàn)石墨主要分布在中間粒級(jí)以及較粗粒級(jí)，此部分鱗片石墨在磨浮過(guò)程中應(yīng)注意保護(hù)大鱗片結(jié)構(gòu)。

2.2 粗選條件實(shí)驗(yàn)

2.2.1 水玻璃用量實(shí)驗(yàn)

礦石中含有硅酸鹽礦物，而水玻璃是經(jīng)濟(jì)、高效的抑制劑和分散劑。水玻璃用量實(shí)驗(yàn)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(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 水玻璃用量實(shí)驗(yàn)結(jié)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(chǎn)品固定碳含量逐漸升高，升高趨勢(shì)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(biāo)。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(shí)驗(yàn)

煤油屬于非極性油類捕收劑，可以在石墨表面發(fā)生物理吸附，提高表面疏水性。煤油用量實(shí)驗(yàn)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(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 煤油用量實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xiàn)出相反的趨勢(shì)，固定碳含量逐漸降低，而回收率逐漸升高。煤油用量太低，會(huì)導(dǎo)致石墨礦物吸附的藥劑量達(dá)不到隨著氣泡上浮限度，造成回收率太低；煤油用量過(guò)高，會(huì)致使大量未單體解離的脈石礦物一起上浮進(jìn)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(shí)驗(yàn)

起泡劑是異極性的有機(jī)物質(zhì)，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(chǎn)生定向排列。2#油用量實(shí)驗(yàn)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(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(méi)有發(fā)生變化。2#油用量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致浮選過(guò)程中夾雜現(xiàn)象嚴(yán)重，惡化浮選效果。

圖3 2#油用量實(shí)驗(yàn)Fig.3 Results on dosage of terpenic oil in rougher flotation

2.3 “分質(zhì)分級(jí)”實(shí)驗(yàn)研究

傳統(tǒng)工藝浮選流程粗選后直接進(jìn)行全粒級(jí)再磨再選，這樣使已經(jīng)解離的石墨鱗片無(wú)法及時(shí)排出，在再磨過(guò)程中造成了大鱗片的損失。為了降低再磨過(guò)程中石墨鱗片的損失，及時(shí)分離出合格的大鱗片石墨，提出了“分質(zhì)分級(jí)”。“分質(zhì)分級(jí)”實(shí)驗(yàn)采用自有專利設(shè)備（螺旋分質(zhì)機(jī)：申請(qǐng)?zhí)?01910194481.7），該設(shè)備可以根據(jù)不同礦物之間粒度、密度以及潤(rùn)濕性之間的差異進(jìn)行分質(zhì)分級(jí)，不但可以避免大鱗片石墨的過(guò)磨，還可以降低硬質(zhì)脈石礦物對(duì)鱗片石墨的破壞作用。粗精礦經(jīng)過(guò)分質(zhì)分級(jí)后可以分為粗粒低碳和細(xì)粒高碳兩種產(chǎn)品。分質(zhì)產(chǎn)品掃描電鏡分析結(jié)果見(jiàn)圖4，各產(chǎn)品分析結(jié)果見(jiàn)表4。

圖4 分質(zhì)產(chǎn)品SEMFig.4 SEM of grading and classification products

表4 粗精礦分質(zhì)分級(jí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of rough concentrate classification

通過(guò)圖4和表4可以看出，粗粒分質(zhì)產(chǎn)品中多為不規(guī)則顆粒狀連體，細(xì)粒分質(zhì)產(chǎn)品多為解離程度較高的鱗片狀石墨，表面零星分布細(xì)粒脈石礦物。可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)分質(zhì)后兩種產(chǎn)品分別進(jìn)行再磨再選，可以有效地降低解離程度較高的石墨鱗片過(guò)磨，能夠較好地保護(hù)石墨大鱗片。粗粒低碳產(chǎn)品固定碳含量為19.19%，+0.15 mm粒級(jí)產(chǎn)率為60.10%，由于其粒度較粗，礦物單體解離度較低，在再磨過(guò)程中應(yīng)注意對(duì)大鱗片的保護(hù)。細(xì)粒低碳產(chǎn)品固定碳含量為48.68%，+0.15 mm粒級(jí)產(chǎn)率為22.10%，此部分產(chǎn)品解離程度較高，再磨再選過(guò)程中在注意保護(hù)大鱗片的同時(shí)要兼顧固定碳含量的提升。

2.4 分質(zhì)產(chǎn)品再磨實(shí)驗(yàn)研究

為了獲得高大鱗片率、高品位的石墨，浮選時(shí)采用階段磨礦階段浮選流程。攪拌磨的機(jī)理是磨礦介質(zhì)在攪拌器的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)作用下在磨機(jī)內(nèi)作整體的多維循環(huán)運(yùn)動(dòng)和自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[13-15]。筒體內(nèi)的磨礦介質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具有磨剝、剪切作用，相比球磨機(jī)隨機(jī)性的粉碎方式，攪拌磨這種能產(chǎn)生剪切力的磨礦設(shè)備能夠更好地剝離石墨片層結(jié)構(gòu)，從而將石墨與脈石礦物解離，避免對(duì)石墨鱗片結(jié)構(gòu)的破壞[16-17]。

根據(jù)前期對(duì)粗粒低碳和細(xì)粒高碳兩種分質(zhì)產(chǎn)品分別進(jìn)行磨礦段數(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究，以確定較佳的磨礦段數(shù)和浮選次數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5（兩種精礦產(chǎn)品合并后用0.15 mm篩子篩分）。

表5 磨礦段數(shù)和浮選次數(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of comparing regrinding number and reconcentration number

粗粒低碳：四磨五選；細(xì)粒高碳：五磨五選精礦（+0.15 mm） 6.46 95.75 18.66精礦（-0.15 mm） 17.12 96.80 49.99中礦 76.42 13.60 31.35 100.00 33.15 100.00

從表5可以看出，較低的磨礦段數(shù)不足以使石墨礦物達(dá)到解離，+0.15 mm和-0.15 mm精礦均未達(dá)到高碳石墨的標(biāo)準(zhǔn)。而磨礦段數(shù)過(guò)高，雖然精礦產(chǎn)品固定碳含量稍有提高，但卻損失了+0.15 mm精礦的產(chǎn)率，降低了其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，最終確定粗粒低碳產(chǎn)品經(jīng)過(guò)三段磨礦四次選別，細(xì)粒高碳產(chǎn)品經(jīng)過(guò)四次磨礦四次選別。

2.5 閉路實(shí)驗(yàn)研究

2.5.1 常規(guī)工藝閉路實(shí)驗(yàn)

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行閉路實(shí)驗(yàn)，閉路實(shí)驗(yàn)流程采用中礦分別集中返回，這樣可以避免過(guò)大的中礦量，及時(shí)的排出尾礦，還可以保證再磨過(guò)程中給料均勻。保證常規(guī)閉路實(shí)驗(yàn)粗磨-0.074 mm含量與高壓輥磨粉磨產(chǎn)品一致，常規(guī)工藝閉路實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖5，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 常規(guī)工藝閉路流程各產(chǎn)品指標(biāo)Table 6 Indicator of conventional closed circuit flowsheet

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

從表6可以看出，通過(guò)常規(guī)工藝流程流程分選后，+0.15 mm精礦產(chǎn)品和-0.15 mm精礦產(chǎn)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(zhì)分選”閉路實(shí)驗(yàn)

層壓粉碎-分質(zhì)分選閉路實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖6，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

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

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

從結(jié)果可以看出，通過(guò)此工藝流程流程分選后，+0.15 mm精礦產(chǎn)品和-0.15 mm精礦產(chǎn)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(jié)構(gòu)完整，周邊光滑圓潤(rùn)，可作為下游深加工制品的高品質(zhì)原料。

圖8 精礦產(chǎn)品掃描電鏡Fig.8 SEM of concentrate products

3 結(jié) 論

（1）雞西地區(qū)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(wú)綜合利用價(jià)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(jīng)過(guò)“分質(zhì)分級(jí)”后得到兩種中間產(chǎn)品，固定碳含量分別為19.19%和48.68%。兩種產(chǎn)品進(jìn)行區(qū)別再磨再選，可避免石墨大鱗片的損失。

（3）采用常規(guī)工藝流程和“層壓粉碎-分質(zhì)分選”工藝流程進(jìn)行閉路實(shí)驗(yàn)，兩種工藝流程最終的精礦均可達(dá)到了高碳石墨的標(biāo)準(zhǔn)，但采用“層壓粉碎-分質(zhì)分選”工藝獲得的最終精礦正目率要高于傳統(tǒng)工藝15.87%。“層壓粉碎-分質(zhì)分選”工藝顯著提高了石墨大鱗片的產(chǎn)率，大大地提高了其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。