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1、石墨选矿和石墨的深加工卢先春_10612075；课程名称：矿物工程；授课老师：传秀云大学地球与空间科学学院摘 要 石墨具有一系列的优良性能,广泛应用于石油、化工、冶金、造纸、原子能和国防等工业部门,具有很大的开发利用价值。中国石墨矿资源丰富,石墨储量居世界首位。但由于天然产出的石墨纯度不高,开发应用受到限制。本文简要介绍了石墨的性质和其矿产资源分布,重点介绍了浮选法在石墨选矿中的应用,以及石墨的粉碎、提纯和改性等深加工技术。通过深加工,可以进一步改善石墨的特性,形成各种高附加值的产品,使其能满足相关领域应用及现代高技术和新材料产业的要求。最后,本文对石墨材料在高速、耐磨、防腐、节能、超小型等高
2、科技应用领域的发展前景进行了展望。结果表明,石墨正在众多领域逐步取代某些金属材料和有机材料,其发展前景十分广阔。关键词 矿物加工 石墨 选矿 浮选 粉碎 提纯 深加工石墨Graphite是由碳元素组成,是碳的同素异构体之一。石墨晶体具典型的层状结构,碳原子排列成六方网状层,面网结点上的碳原子相对于上下邻层间格的中心。重复层状为2的是石墨2H多型,属六方晶系,即通常所指的石墨；若重复层状为3的属三方晶系,但在天然石墨结构中不能单独分离出来。在石墨晶体结构中,层碳原子的配位数为3,具共价金属键,间距0.142nm,层与层间以分子键相连,间距为0.3354 nm,石墨矿物呈铁黑、钢灰色,条痕光亮黑色
3、；金属光泽,隐晶集合体光泽暗淡,不透明；解理完全,硬度具异向性,垂直角理面为35,平行解理面为12,质软,密度为2.092.23g/cm3,有滑腻感,易污染手指。石墨集合体通常为鳞片状,块状和土状；单晶体常呈片状或板状,但完整的很少见。根据其结晶程度分为晶质石墨和隐晶质石墨。石墨具有一系列的优良特性,主要有如下几点：1 耐高温：由于碳原子在石墨结晶格子的原于层中排列紧密,热振动困难,因而石墨能耐高温并具特殊的热性能。石墨熔点为3850,沸点为4250, 经高温电弧灼烧重量损失极小,在2500时其强度比常温时提高1倍,热膨胀系数小,温度骤变时其体积变化不大,能抗骤冷骤热的变化,当温度突然发生变化
4、时,不会产生裂纹。在冶金工业中主要用来制造石墨坩埚,在炼钢中常用石墨作钢锭之保护剂,冶金炉的衬。2 导电性和导热性：由于石墨晶体中存在容易流动的电子,因此其导电、导热性能不亚于金属。如比不锈钢高4倍,比碳素钢高2倍。石墨的热导率和一般的金属不同,随着温度的升高,导热系数降低,在极高的湿度下,石墨趋于绝缘状态。因此,在超高温条件下,石墨的绝缘性能是很可靠的。在电气工业中石墨广泛用来作电圾、电刷、碳棒、碳管、垫圈及显像管涂层等。3 润滑性：石墨的润滑性能类似于二硫化铜和四氰化烯,摩擦系数在润滑介质中小于0.1,尤以鳞片状石墨的润滑性更好,鳞片越大,摩擦系数越小,润滑性能越好。石墨在机械工业中常作润
5、滑剂。润滑油往往不能在高速、高温、高压下工作,而石墨耐磨材料可以在-2002000温度和高速滑动下应用。许多输送蚀腐介质的设备广泛采用石墨材料制成活塞环、密封圈和轴承,它们运转时勿需加润滑油。石墨乳也是许多金属加工拔丝、拉管时的良好的润滑剂。4 化学稳定性：在常温下,石墨具有良好的化学稳定性,耐酸碱和有机溶剂的腐蚀。经过特殊加工的石墨,具有耐腐蚀、导热性好,渗透率低等特点,就大量用于制作热交换器,反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵设备。广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、造纸等工业部门,可节省大量的金属材料。除上述性质和用途外,石墨还可用于原子能工业和国防
6、工业石墨具有优良的中子减速性,最早在原子反应堆中作减速剂。在国防工业中,石墨复合材料可用来作固体燃料火箭的喷嘴、导弹的鼻锥、宇航设备零件、隔热材料和防辐射材料。 此外,石墨还是轻工业中玻璃和造纸的磨光剂和防锈剂,制造铅笔、墨汁、黑漆、油墨和人造金刚石的原料。石墨还具徐敷性和可塑性,将其涂敷在固体物体表面,可形成薄膜牢固粘附而起保护固体作用,并可制成任何复杂形状的制品。1 石墨矿资源1.1 石墨矿原料的特点天然产出的石墨很少是纯净的,常含有1020的杂质,包括SiO2、A12O3、MgO、CaO、P2O5、CuO、V2O5、H2O、S、FeO以及H、N、CO2、CH4、NH3等。石墨矿石的自然类
7、型通常按其赋矿岩石的岩性划分,中国工业上将石墨矿石主要分为晶质石墨矿石和隐晶质石墨矿石两种工业类型。晶质石墨矿石在区域变质矿床中,主要有片麻岩类、片岩类以及岩类、变粒岩类、混合岩类等矿石自然类型；在岩浆热液矿床中主要发育花岗岩类及闪长岩类、长英岩类等矿石自然类型。隐晶质石墨矿石在接触变质矿床中主要发育板岩类和干枚岩类矿石自然类型。隐晶质石墨矿石常残留原岩的层现构造,变质不彻底的部分还可含部分未变质的无烟煤,保留煤岩结构。有的隐晶质石墨矿床的矿石分为软质石墨与硬质石墨两种,软质石墨矿石变质彻底,质量好,硬质石墨一般为石墨与无烟煤的过渡带,质量次。以上所述各种类型石墨矿石的化学成分含量见表1。表1
8、：中国石墨矿石化学成分含量中国石墨矿石绝大多数为晶质矿石,约占总保有石墨矿石储量的98,分布于区域变质型及岩浆热液型石墨矿床中；隐晶质石墨矿石则主要分布于接触变质型矿床中。实际上石墨矿石中的石墨片径是参差不齐的,所谓晶质石墨矿石中,也可能含隐晶质石墨,含量较多时通常称为混合型石墨矿石,隐晶质石墨矿石中也可能含少量片径略大于1m的鳞片石墨。1.2 石墨矿床虽然众多国家都已发现石墨矿产,但具有一定规模可供工业利用的矿床并不多,相对集中分布于少数国家中。晶质石墨矿主要蕴藏在中国、乌克兰、斯里兰卡、马达加斯加、巴西等国,其中马达加斯加盛产大鳞片石墨,斯里兰卡盛产高品位的致密块状石墨；隐晶质石墨矿主要分
9、布于印度、国、墨西哥和奥地利等国。多数国家只产一种石墨,矿床规模以中、小型居多,只有中国等四五个国家晶质和隐晶质石墨都有产出,大型矿床较多。据不完全统计,世界石墨储量约为15亿吨,其中晶质石墨约5亿吨。由于石墨储量有的按矿物量统计,有的按矿石量统计,统计对象不同和数据来源的不一,各种储量统计数据出入较大,但许多资料都表明中国的石墨储量居世界第1位。表2：中国的主要石墨矿床类型中国石墨矿资源相当丰富。全国20个省有石墨矿产出。探明储量的矿区有91处,总保有储量矿物1.73亿t,居世界第l位。 中国石墨矿床类型有区域变质型、接触变质型和岩浆热液型3种,以区域变质型为最重要,不仅矿床规模大、储量多,
10、而且质量好。表2列出了中国的主要石墨矿床类型。从地区分布看,以省为最多,储量占全国的64.1,、和石墨矿也较丰富。柳毛、南墅、兴和三大石墨生产基地,集中了全国晶质石墨保有储量的90%以上。2 石墨矿的开发和利用2.1 中国石墨矿的开发和利用 中国发现和利用石墨的历史悠久。古籍中曾有不少关于石墨的记载,如水经注载洛水侧有石墨山。山石尽黑,可以书疏,故以石墨名山矣。从考古挖掘出来的甲骨、玉片、片发现,早在3000多年前商代就有用石墨书写的文字,一直延续至东汉末年,石墨作为书墨才放松烟制墨所取代。清朝道光年间,农民开采石墨做燃料,称之为油碳。 20世纪初期,用石墨制造电池和铅笔的技术传入中国,当时称
11、为电煤和笔铅的石墨,开始用于近代工业,推动了中国石墨采掘业的发展。兴和、南江、磐石石墨矿于19161928年相继开采,1932年桂阳发现优质石墨,十余家笔铅公司参与开采或收购矿砂。1931年9月后磐石、柳毛、兴和矿和1937年7月后南墅、定安等矿,曾遭受日本侵略者掠夺开采,估计掠走石墨5万t以上。当时抗战后方南江坪河地区有9家矿山和2家公司采掘石墨碾粉,年产量200t,1947年停产。抗日战争胜利后,解放区人民政府于1948年接管柳毛、磐石、南墅矿井恢复生产。中华人民国成立后,随着冶金、机械、电气等工业发展的需要,石墨生产得到蓬勃发展。19501952年国家投资建设南墅、柳毛、兴和、鲁塘、南江
12、等矿1958年新办21个小矿,全国产量15万t,但出现采握失衡,产品质量下降的情况。1978年中国实行改革、开放方针后,石墨工业出现新的生机。1995年中国石墨生产出现高峰,年产量达2163万t,出口量15.4万t。中国石墨矿业历经80多年沧桑,自中华人民国成立后,虽然也有几次曲折,但总体发展显著,形成以柳毛、南墅、兴和为重点的晶质石墨生产基地和以鲁塘为中心的隐晶质石墨生产基地,而且已形成为采矿、选矿、加工、质量提纯和石墨制品一系列配套的综合性产业。目前年产量约占世界产量的一半,居于首位。产品品种20多种,产品牌号272种,产品质量、粒度分级及粉碎加工方法达世界先进水平。同时,由于不断开拓深加
13、工产品,产品结构也发生较大的改善,已能生产代表当代国际先进水平的彩电管石墨乳,GRT节能减磨添加剂、可膨胀石墨、石墨板材、石墨密封件和石墨耐火材料等6大类近1000种深加工产品。长期以来,石墨一直是中国非金属优势矿产之一,今后仍将继续稳步发展。22 石墨选矿加工方法石墨的可浮性好,目前多用浮选法。常用的浮选药剂捕收剂为煤油、柴油等,起泡剂为二号油、四号油等,调整剂为石灰,抑制剂为水玻璃。浮选常采用FW、XJK型浮选机。产品脱水常采用各种离心脱水机或折带式过滤机。产品分级多采用高方筛,少数采用平而摇动筛、旋回筛。晶质鳞片石墨多采用粗精矿再磨再选的浮选流程,浮选工艺流程一般为多段磨矿、多段选别、中
14、矿顺序返回的闭路流程,以便尽早选出大鳞片石墨。即先进行粗磨、粗选,得到以连生体为主的低品位精矿,然后将低品位精矿再磨、再选得最终精矿。因此多段流程有三种形式,即精矿再磨、中矿再磨和尾矿再磨。再磨次数为37次,一般34次。正常情况下选矿作业回收率一般在8589之间。有些矿山也曾尝试中矿再磨流程,但效果不明显。个别小厂也有采用开路或半开路浮选流程,因丢弃尾矿点过多,选矿回收率很低,一般只有4050。为抑制黄铁矿、云母等共生。可加石灰、糊精、碳酸钠、水玻璃等药剂。隐晶质石墨晶体极小,故也叫微晶石墨,石墨颗粒常常嵌布在粘土中,分离很困难。由于原矿品位高,因此许多石墨矿山将采出的矿石直接进行粉碎加工,出
15、售石墨粉产品。在中国,通常都是将开采出来的石墨矿石经过简单的手选后,直接粉碎成产品出售,流程隐晶质石墨选矿加工流程一般为：原矿粗碎中碎烘干磨矿分级包装鲁塘石墨矿50年代建立浮选厂浮选微晶石墨,但因成本太高而停产。目前一些单位仍在进行微晶石墨浮选新工艺的研究。除浮选外,还可采用静电选矿法。日本普建市了一个电选实验厂,但处理能力较小。由于电选给矿需要干燥和精密分级,在潮湿环境中对高压电源难于管理,微细粒部分难于处理等原因,没有实际生产。最近报导,电选处理中碳石墨效果很好,精矿品位可达96左右。鳞片石墨也可用风选处理,但回收率不高。在严重缺水地区可用风选使石墨初步富集,然后将粗精矿送到水源丰富的地区精选,像XX哈密石墨矿就适合用风选浮选联合流程。221 浮选简介浮选主要指泡沫浮选,是按矿物表面物理化学性质的差异来分离各种细粒的方法。浮选过程是在气、液、固三相体系中完成的复杂的物理化学过程。其实是疏水的有用矿物粘附在气泡上,亲水的脉石矿物留在水中,从而实现,从而实现彼此分离。浮选作为一种工业规模的选
