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      我國石墨選礦技術及裝備進展

      2020-11-17 1304 專家視角

      石墨具有良好的耐高溫性、導電性、導熱性、潤滑性、化學穩定性和抗熱震性等[1],不僅是航空航天、國防軍工、高端裝備制造、新能源、新材料、信息技術、節能環保產業的重要原料,而且還是耐火材料、電極電刷、鉛筆、鑄造、密封、潤滑等傳統工業領域的重要原料。中國是世界石墨儲量及產量最大的國家,石墨選礦技術及裝備水平長期處于世界領先地位。

      目前,我國石墨選礦企業已經多達50余家,各種加工企業200多家,形成了約160萬t/a石墨精礦的產能。2014—2019年全球石墨精礦產量一直徘徊在90~120萬t/a,其中,中國約占全球產量的60%??梢?深入開展石墨選礦技術及裝備的研究對于提升我國石墨產品的國際影響力有著重要的意義。

      1 石墨選礦工藝技術研究進展

      與絕大部分礦種不同,晶質石墨選礦既要求石墨精礦品位高,又要求盡可能保護石墨礦物的晶體結構,因此,石墨選礦技術及裝備有鮮明的特點。

      1.1 碎礦工藝

      由于石墨礦石的硬度一般為中硬或中硬偏軟,因此,選礦廠的破碎流程比較簡單,常采用三段開路、兩段開路甚至一段開路破碎流程,也有新建選廠采用三段一閉路破碎流程。

      1.2 磨礦技術

      為了保護石墨鱗片的結晶形貌,提高精礦的大鱗片率,我國科研工作者開展了大量的研究工作。這些研究工作,主要可概括為磨礦介質形狀、磨機形式、浮選機形式和浮選工藝流程等4方面。袁慧珍[2]研究了球、棒、柱及筒棒等4種磨礦介質在粗磨過程中保護大鱗片石墨的效果;孫小旭[3]、宋廣業[4]、劉文質[5]、謝朝學[6]等研究了盤磨機、碾磨機、振動磨、砂磨機、立式磨、立式攪拌磨作為石墨精礦再磨設備在保護石墨大鱗片方面的效果;劉海營[7]等研究了浮選柱和浮選機選礦效果的不同;勞德平[8]、楊秀風[9]等研究了不同中礦返回工藝、精礦預先篩分等工藝對精礦質量的影響等。在大量研究及生產實踐的基礎上,形成了目前普遍采用的工藝技術。

      1.3 選礦工藝

      晶質石墨多采用粗精礦多段再磨、多段選別、中礦順序(或集中、分段集中)返回的閉路流程。正常情況下,選礦回收率可達85%以上,部分選廠可達90%以上;精礦品位通常在90%以上,細鱗片石墨精礦的品位通常達到93%以上。有些礦山也嘗試了中礦集中、或部分集中再磨流程。20世紀80年代,我國大部分石墨選礦廠對粗精礦采用3~5次再磨再選工藝,目前大部分選礦廠采用8次以上的再磨再選工藝,有的甚至采用11次再磨再選工藝。采用多次磨礦的原因主要是保護石墨大鱗片少受損壞,提高精礦中大鱗片石墨的產率。

      根據原礦特點,晶質石墨選礦工藝類型可分為以下幾種:

      (1)粗鱗片石墨礦。該類型礦石的特點是石墨鱗片大、可浮性好,石墨原生粒度一般為0.6~2 mm、含量在1%~10%,并含有一定量的云母。選礦以保護大鱗片為主,精礦品位控制在87%左右甚至更高,以利于提高大鱗片產率,最終精礦+80目含量在40%~60%。

      (2)中鱗片石墨礦。該類型礦石的石墨鱗片大小中等,可浮性好,石墨原生粒度為0.2~0.6 mm、含量在4%~15%,云母含量少,仍以保護石墨鱗片為主,盡量提高大鱗片產率,精礦品位可控制在86%~90%,+100目含量在40%~60%。

      (3)細鱗片石墨礦。該類型礦石的石墨鱗片小,可浮性中等,石墨原生粒度為0.03~0.2 mm、含量在6%~15%,對產品側重提高純度,但也要兼顧保護大鱗片,可適當降低回收率,精礦品位一般在90%左右,有些高達98%,+100目含量在5%~20%。該類型礦石應強化選礦過程,選礦采用多段磨礦、多段選別流程。

      (4)隱晶質石墨礦。隱晶質石墨的結晶粒度通常小于1 μm,因此,通過浮選的方法提高精礦品位往往很難有明顯的效果。目前,中國隱晶質石墨的開采量不大,通常采用手選的方法獲得較高品位的石墨精礦。湖南魯塘石墨礦原礦品位為65%~68%,手選精礦品位70%~88%,尾礦品位小于60%。南方石墨公司建設了年產20萬t微晶石墨的生產線,一期工程微晶石墨回收率大于92%,精礦品位約為82%。

      我國某大鱗片石墨礦的選礦工藝流程見圖1,某中細鱗片石墨礦的選礦工藝流程見圖2。

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      2 石墨選礦藥劑

      石墨是已知礦物中浮游性能最好的礦物之一,常規浮選工藝中使用的藥劑較為簡單。

      (1)捕收劑。

      我國石墨礦選礦常用的捕收劑為煤油或者柴油。梁國志[10]合成了一種兼具起泡性能和捕收性能的藥劑DF,并進行了工業試驗。黎軍[11]曾使用液體石蠟作為捕收劑與傳統的煤油進行對比,回收率和固定碳含量分別提高了8.22和5.37個百分點。此外,代號為MB25、MB125、MF和GB[12,13]的藥劑也偶見報道用于石墨礦的選礦試驗,但實際工業應用較少見。

      (2)起泡劑。

      石墨礦選礦中常用的起泡劑有2#油、BK201和雜醇等,4#油也曾作為起泡劑用于石墨礦石的選礦,但因其刺激性氣味較重,目前已經不再使用。方和平[14]在實驗室進行的試驗表明,仲辛醇的起泡性能好于2#油。MIBC是國外最常使用的起泡劑,吳柏君[15]發現其性能優于其他起泡劑,但由于其售價較高,在我國選礦廠很少使用。雜醇是石油化工的副產品,價格較低,目前在我國使用普遍。

      (3)調整劑。

      由于石墨礦石中含有不同種類的非目的性礦物,為了保證石墨精礦的品質,常會使用一些調整劑。若石墨中含有黃鐵礦,常添加石灰加以抑制。脈石中含有石英、云母或硅酸鹽礦物時,常使用羧甲基纖維素鈉、水玻璃、或按比例混合的這2種藥劑,以達到抑制脈石的作用。總體來說,大部分選礦廠不用調整劑,但蘿北地區的選礦廠每噸原礦普遍使用5~10 kg的石灰。

      3 石墨選礦裝備

      與金屬礦相比,我國石墨選礦廠的規模普遍較小,處理量以1 000~2 000 t/d居多。

      3.1 浮選設備

      (1)石墨礦專用浮選機。

      早期由于石墨礦選礦不受重視,且受到選礦廠規模的限制,大多數采用自吸氣式A型浮選機,或者A型浮選機的升級產品——SF型浮選機。這種類型浮選機在黑龍江地區的石墨礦應用較廣泛,但由于設備的針對性問題,浮選液面常出現翻花、溢槽等不穩定現象。為消除常規浮選機在石墨礦石選礦中的不足,北礦機電科技有限責任公司(BGRIMM-MAT)結合石墨礦物顆粒中往往兼有大鱗片和細粒級的特點,且常規浮選機的礦漿循環方式紊流強度高,對石墨鱗片損害大,對細粒級選擇性差等情況,研制出石墨礦專用浮選機。石墨礦專用浮選機通過在浮選機內設置低阻尼穩流柵板降低槽體橫截面積,增強大鱗片石墨在運輸區的懸浮能力,降低浮選機分離區的紊流強度,在保護大鱗片的同時減少其在氣泡上的脫落概率,保證回收率。通過增設循環通道實現礦漿選擇性循環,為細顆粒石墨獲得更多與氣泡碰撞的機會,兼顧細顆?;厥章?。黑龍江雞西某石墨礦在其掃選作業采用新開發的2臺8 m3石墨專用浮選機(圖3),提高了粗顆粒石墨的回收率。

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      (2)石墨礦專用浮選柱。

      BGRIMM-MAT除研制了石墨礦專用浮選機,還結合石墨選礦的特點研制出石墨礦專用浮選柱。由于常規浮選柱生成氣泡的尺寸范圍窄,難以滿足寬粒級石墨浮選動力學要求。石墨礦專用浮選柱借助壓力釋放和高速剪切雙重機理,使一部分空氣在石墨顆粒表面包裹析出微泡,另一部分空氣依靠高速流剪切形成小氣泡。析出的微泡與剪切形成的小氣泡互相碰撞顯著提高礦化概率。石墨精選作業產率大、泡沫流動性差,采用強制刮泡技術使泡沫產品盡快排出,避免泡沫長期滯留在浮選柱內導致的礦物顆粒脫落,在高富集比條件下保證了大鱗片石墨的回收率。黑龍江寶泉嶺某石墨礦采用BGRIMM-MAT開發的?800 mm×7 000 mm型氣礦協同浮選柱(圖4)開展的工業試驗表明,與浮選機相比,浮選柱用于精選作業,顯著提高了精礦品位、大鱗片率和選礦效率,但是回收率稍低。

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      我國研制的石墨專用浮選設備由于性能優良,開始走向世界。莫桑比克某處理能力5 000 t/d的石墨礦采用BGRIMM-MAT生產的20 m3、10 m3和6 m3等多種規格的浮選機共計51臺套,這為我國石墨專有浮選裝備的大規模推廣應用起到了良好的示范效應。

      3.2 再磨設備

      常規的石墨再磨設備有2種,一種是長筒式球磨機,一種是立式攪拌磨機[16]。BGRIMM-MAT針對石墨礦不同的選礦工藝特點,對原應用于非金屬礦領域的GJM型立式攪拌磨進行了優化,設計出石墨礦專用的GJM型立式攪拌磨機。石墨礦專用的GJM型立式攪拌磨機根據攪拌軸的類型不同,可分為葉輪式和攪拌棒式[3];根據工藝(工況)的不同,分為單槽式、雙槽式和多槽式。雞西某石墨礦不同的選礦廠使用了近20余臺套GJM5-55及GJM1-110型攪拌磨機,與原球磨機相比,浮選功耗整體降低了25%左右,大片率提高約5個百分點。甘肅某石墨礦采用了8臺GJM7.5型單槽攪拌磨機和6臺GJM5型單槽攪拌磨機(圖5),最終精礦品位達到94%~96%。

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      同時,BGRIMM-MAT還研發了全套試驗室設備及選型工藝,目前已為國內外20多家石墨選礦企業提供了選型服務。此外,再磨介質也不采用常規鋼球,而采用玻璃球或者陶瓷球,以達到更好的磨礦效果。

      3.3 篩分設備

      由于石墨的密度低,石墨的顆粒呈片狀,浮選的精礦呈泡沫狀漂浮在礦漿表面,在篩面上容易隨水流漂移,因此,普通振動篩、弧形篩、圓筒篩等對石墨精礦的篩分效率皆很低。有些石墨企業研究了連續篩分的濕法滾筒篩,但是篩分效率很低,產品質量難以控制。唐山陸凱科技有限責任公司對于傳統的振動篩進行了改進,在粗磨后采用FGY型高頻振動篩,處理能力達10~15 t/h,篩孔寬采用1.2~2.5 mm;再磨階段根據產品的粒度采用疊層高頻振動篩。筆者根據石墨礦石性質的特點,研究了一種間歇式濕法滾筒篩,取得了很好的篩分效果。石墨的脫水系統現場見圖6。

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      同時,BGRIMM-MAT還研發了全套試驗室設備及選型工藝,目前已為國內外20多家石墨選礦企業提供了選型服務。此外,再磨介質也不采用常規鋼球,而采用玻璃球或者陶瓷球,以達到更好的磨礦效果。目前,我國石墨礦選礦廠皆采用干燥后精礦篩分的工藝,將石墨產品分成不同質量級別,所采用的是篩分面粉的設備(我國稱為高方篩),其原理與回轉分級篩基本相同,也加了很多振動球、清理塊,相當于將多層平面回轉篩疊加到一起,可以做很多層,所以篩分面積很大。

      4 結 語

      (1)石墨礦石的碎礦工藝流程比較簡單,但種類較多,主要有三段開路、兩段開路甚至一段開路破碎流程,也有選廠采用三段一閉路破碎流程。

      (2)石墨礦石的磨礦既要使有用礦物和脈石礦物解離,又要保護石墨鱗片的晶體結構,因此,磨機、磨礦介質和磨礦強度的選擇都很重要。(3)石墨礦石的選礦多采用粗精礦多段再磨、多段選別、中礦順序(或集中、分段集中)返回的閉路流程。對于粗鱗片石墨礦石、中鱗片石墨礦石、細鱗片石墨礦石和隱晶質石墨礦石選礦工藝流程往往因關注點不同而不同。(4)因石墨的可浮性好,因而石墨礦石的浮選藥劑相對較簡單,捕收劑常用煤油或者柴油;起泡劑常用2#油、BK201和雜醇;調整劑主要有石灰、羧甲基纖維素鈉、水玻璃等。(5)石墨礦石在可浮性和礦石密度等方面與其他礦石差異較大,導致傳統的浮選機和浮選柱選別效果均不理想,但石墨礦專用浮選機和專用浮選柱的浮選效果較好,一面世就得到廣泛的應用。(6)新研制的石墨礦專用的GJM型立式攪拌磨機與傳統球磨機相比,浮選功耗下降明顯,大片率明顯提高。(7)FGY型高頻振動篩和間歇式濕法滾筒篩都是石墨礦石篩分的改進型設備,具有良好的應用效果;而干燥后精礦的篩分主要采用高方篩,可以做很多層,具有很大的篩分面積。

      作者丨劉之能1,2,3?申士富1,2?劉海營1,2?王金玲1,2?錢志博1,2(礦冶科技集團有限公司?礦物加工科學與技術國家重點實驗室?北礦機電科技有限責任公司)

      來源丨現代礦業?2020年08期 黑龍江省石墨產業協會整理,轉載請注明出處

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