邱楊率，袁韻茹，張凌燕,2，管俊芳，何富超

（1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

石墨因其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)而具有耐高溫、潤(rùn)滑性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性等優(yōu)良的性能，在耐火材料的制備、潤(rùn)滑劑、導(dǎo)電材料等行業(yè)均有較為廣泛的應(yīng)用[1-3]。因?yàn)槭Y(jié)晶程度的不同，天然石墨有晶質(zhì)與隱晶質(zhì)之分，鱗片石墨與脈石墨屬于晶質(zhì)石墨。將結(jié)晶程度高，晶粒大，呈片狀的石墨稱為鱗片石墨[4]，又以0.150mm為界，分為大鱗片石墨與細(xì)鱗片石墨[5-6]，鱗片石墨根據(jù)其鱗片大小，應(yīng)用領(lǐng)域差別較大。

澳大利亞目前開采的石墨資源在世界石墨資源產(chǎn)量中占比不高，但其擁有較大的開采潛力[7]。本文以澳大利亞西部某地細(xì)鱗片石墨為研究對(duì)象，因礦石中脈石礦物種類多，嵌布關(guān)系復(fù)雜，故采用傳統(tǒng)的階磨階浮工藝提純石墨[8]，對(duì)該地區(qū)的石墨資源進(jìn)行系統(tǒng)的選礦試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)儀器與藥劑

試驗(yàn)過程中所用到的主要儀器及設(shè)備見表1。所用到的主要藥劑有： 煤油(粗選捕收劑)、2#油(起泡劑)、生石灰(抑制劑)等，所列藥劑均為工業(yè)品，浮選過程中添加的H2O為日常自來(lái)水。

表1 試驗(yàn)用主要儀器及設(shè)備

2 礦石性質(zhì)

2.1 物相組成

試驗(yàn)中所用的石墨原礦取自澳大利亞西部某地區(qū)，其X-射線衍射(XRD)圖譜如圖1所示。由分析可以看出，原礦中目的礦物是石墨，其衍射峰的強(qiáng)度很高，結(jié)晶的程度較好。通過分析XRD圖譜中的衍射峰可以得到，原礦中主要的脈石礦物組成有云母類、石英、長(zhǎng)石類等。

圖1 原礦XRD圖譜

2.2 化學(xué)成分

對(duì)石墨原礦進(jìn)行X-射線熒光光譜分析(XRF)測(cè)試，可得到其主要的化學(xué)成分組成，結(jié)果見表2所示。

表2 原礦化學(xué)成分分析(XRF) (單位：%)

由表2可知，石墨原礦中的主要雜質(zhì)為Si、Al、Fe、S、K，需通過選礦去除。

2.3 原礦顯微鏡下特征

在顯微鏡下對(duì)原礦進(jìn)行觀察，石墨與脈石礦物(石英、長(zhǎng)石類、黃鐵礦)相鄰。石墨的片徑最大0.608mm、最小0.413μm、一般0.013～0.038mm，少量石墨具有揉皺現(xiàn)象，石墨含量約13%。礦石中的脈石礦物以黑云母、長(zhǎng)石類(鈉長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石)、白云母、石英、黃鐵礦為主，少量的絹云母、綠泥石、赤鐵礦、褐鐵礦、磁鐵礦。綜合以上分析，由化學(xué)成分、物相組成、鏡下特征確定了該石墨原礦的礦物組成。具體的結(jié)果如表3所示。

表3 原礦礦物組成 (單位：%)

2.4 石墨嵌布特征

采用線測(cè)法對(duì)原礦中的石墨片徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得到該礦石中石墨的嵌布特征，結(jié)果見表4所示。

表4 石墨嵌布粒度特征

由表4可知，該礦石中的石墨主要分布在-0.075+0.038mm粒級(jí)，分布率占38.24%，當(dāng)磨礦細(xì)度為0.013mm時(shí)，石墨的單體解離度達(dá)98.14%。說(shuō)明該地區(qū)石墨礦屬于細(xì)鱗片石墨，石墨的嵌布粒度較細(xì)，必須細(xì)磨才能使礦物充分單體解離。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 粗選條件試驗(yàn)

通過進(jìn)行粗選的單因素條件試驗(yàn)，用以確定該地區(qū)石墨礦適宜的粗磨細(xì)度、浮選藥劑(煤油、2#油、生石灰)的用量以及粗選的濃度。試驗(yàn)結(jié)果如圖2～6所示。

圖2 粗磨細(xì)度試驗(yàn)

圖3 粗選捕收劑用量試驗(yàn)

由圖2磨礦細(xì)度條件試驗(yàn)結(jié)果可知，隨磨礦細(xì)度的變細(xì)，粗精礦固定碳含量逐漸升高后略有降低。磨礦細(xì)度變細(xì)，石墨單體解離度增加，有利于目的礦物與脈石礦物分離，但過磨會(huì)產(chǎn)生大量的微細(xì)粒礦泥，影響浮選指標(biāo)，因此需要進(jìn)行磨礦細(xì)度試驗(yàn)確定適宜的磨礦細(xì)度。

圖4 粗選起泡劑用量試驗(yàn)

圖5 粗選抑制劑用量試驗(yàn)

圖6 粗選濃度試驗(yàn)

在圖3確定捕收劑用量的試驗(yàn)中，捕收劑選擇了工業(yè)中常用的煤油，在煤油用量為200～450g/t的范圍內(nèi)，粗精礦固定碳含量先增大到48.5%又逐漸減小。

在圖4確定粗選起泡劑用量的試驗(yàn)中，在2#油用量為60～150g/t的范圍內(nèi)，2#油增加用量，粗精礦固定碳含量由44.01%持續(xù)下降，回收率則持續(xù)上升。

在圖5確定抑制劑用量的試驗(yàn)中，選用生石灰作為抑制劑。該石墨原礦中，雜質(zhì)礦物有黃鐵礦的存在，因此選用了生石灰作為此次粗選的礦漿調(diào)整劑。隨生石灰用量的增加，粗精礦固定碳含量先升高至41.13%后逐漸降低。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，生石灰的加入有效抑制了脈石礦物黃鐵礦，并可以改善礦漿的pH值。但過量的氧化鈣使得礦漿pH值過高，不利于捕收劑與目的礦物之間的作用。

在圖6確定粗選濃度的試驗(yàn)中，隨浮選濃度的增加，粗精礦回收率在86.62%～90.40%之間浮動(dòng)，而其固定碳含量則一直下降。

最終確定的工藝條件為：粗磨的磨礦細(xì)度為68.21%(-0.074mm粒級(jí)含量)，捕收劑煤油的用量選擇280g/t，起泡劑2#油的用量選擇120g/t，抑制劑生石灰的用量定為1 200g/t，浮選的濃度選用20%。最終粗精礦固定碳含量42.87%，回收率90.51%。

3.2 再磨Ⅰ細(xì)度試驗(yàn)

確定較優(yōu)粗磨粗選條件之后，為了提高最終產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)得到的粗精礦再進(jìn)行再磨再選的單因素條件試驗(yàn)。針對(duì)該地區(qū)的細(xì)鱗片石墨，選用XMQ-67 Φ150×50型的球磨機(jī)為再磨設(shè)備，Φ2～3mm的小鋼球?yàn)槠淠サV的介質(zhì)，進(jìn)一步加強(qiáng)石墨的單體解離程度。在其他條件不變的情況下，變化再磨Ⅰ的細(xì)度為-0.074mm粒級(jí)含量90.08%、92.95%、95.88%、98.45%，磨礦濃度為30%，按照?qǐng)D7所示的流程進(jìn)行磨礦細(xì)度試驗(yàn)，得到的再磨試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖7 再磨Ⅰ試驗(yàn)流程圖

圖8 再磨Ⅰ細(xì)度試驗(yàn)

由圖8可知，隨著再磨Ⅰ細(xì)度的變細(xì)，精礦固定碳含量由67.72%上升至75.10%，回收率先減小至88.19%后增大。精選Ⅰ再磨時(shí)間為7min時(shí)，精礦固定碳含量較高為74.70%，回收率此時(shí)為89.12%。綜合考慮確定再磨Ⅰ細(xì)度為-0.074mm含量95.88%。

3.3 開路試驗(yàn)

精礦Ⅰ固定碳含量?jī)H為74.70%，需進(jìn)行多段磨礦多段精選才能獲得合格的石墨精礦，因此在試驗(yàn)得到的粗磨粗選、再磨條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了開路流程試驗(yàn)。確定的試驗(yàn)流程見圖9。原礦經(jīng)1次粗磨、1次粗選、1次掃選、4次再磨、5次精選后，得到了開路精礦、尾礦以及中礦1～6。各產(chǎn)物的化驗(yàn)結(jié)果見表5。

圖9 開路試驗(yàn)流程圖

表5 開路試驗(yàn)產(chǎn)物分析結(jié)果 (單位：%)

由表5可知，原礦經(jīng)4次再磨5次精選，獲得了固定碳含量93.25%、回收率73.46%的石墨精礦。中礦1～3合并后固定碳含量較低，僅為4.49%，回收率為11.13%，若直接返回精選流程，會(huì)對(duì)精選造成較大影響，不利于提高精礦固定碳含量，因此需對(duì)中礦1～3合并后進(jìn)行再磨再選，再選后精礦返回精選流程。中礦4固定碳含量略高于原礦，因此返回至粗選，而中礦5、中礦6依次返回至精選Ⅰ和精選Ⅱ。

3.4 閉路試驗(yàn)

確定了再磨再選次數(shù)及中礦返回方式后，對(duì)石墨原礦進(jìn)行閉路試驗(yàn)，確定的試驗(yàn)流程見圖10。對(duì)得到的精礦、尾礦等產(chǎn)品進(jìn)行分析化驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

圖10 閉路試驗(yàn)流程圖

表6 閉路試驗(yàn)產(chǎn)物分析結(jié)果 (單位：%)

由表6可知，采用圖10所示閉路試驗(yàn)流程，最終得到的石墨精礦固定碳含量為90.50%，精礦回收率92.46%。

4 精礦分析

對(duì)最終得到的閉路流程石墨精礦進(jìn)行XRF、SEM測(cè)試分析，所得測(cè)試結(jié)果見圖11、表7。

圖11 掃描電鏡圖(精礦，×5000)

表7 精礦化學(xué)成分分析(XRF) (單位：%)

由表7的測(cè)試結(jié)果可以看出，該石墨原礦中大量存在的Si、Al、K等雜質(zhì)得到了有效去除，但精礦中依然存在Fe、S等主要雜質(zhì)，需要進(jìn)一步的化學(xué)提純?nèi)コ?。由圖11的SEM照片可以看出，浮選得到的精礦表面較為干凈，石墨精礦質(zhì)量良好。

5 結(jié)論

(1) 澳大利亞西部某地區(qū)石墨礦為細(xì)鱗片石墨礦，石墨鱗片較細(xì)，大部分石墨鱗片粒度分布在-0.015～+0.025mm粒級(jí)，固定碳含量為12.78%，主要的雜質(zhì)礦物包括：云母類的絹云母、白云母、黑云母等，長(zhǎng)石類的鈉長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石、條紋長(zhǎng)石等，石英，黃鐵礦等。

(2) 通過條件試驗(yàn)，確定較優(yōu)粗選條件：粗磨的細(xì)度為68.21%(-0.074 mm粒級(jí)含量)；各藥劑用量分別為：生石灰、煤油、2#油各1 200g/t、280g/t、120g/t；粗選的濃度選用20%；得到的粗選精礦指標(biāo)較好(固定碳含量42.87%，回收率90.51%)。

(3) 該澳大利亞西部某地區(qū)的石墨礦采用1次粗磨、1次粗選、1次掃選，粗精礦4次再磨、5次精選，另外將中礦1～3集中處理(合并再磨再選后返至精選Ⅰ)，中礦4～6逐級(jí)返回(中礦4返至粗選，中礦5、中礦6依次返回至精選Ⅰ、Ⅱ)的工藝流程，獲得最終精礦的固定碳含量達(dá)到90.50%，回收率達(dá)到92.46%。