澳大利亚某地细鳞片石墨选矿试验研究

邱杨率，袁韵茹，张凌燕,2，管俊芳，何富超

（1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070）

石墨因其独特的晶体结构而具有耐高温、润滑性、导电导热性等优良的性能，在耐火材料的制备、润滑剂、导电材料等行业均有较为广泛的应用[1-3]。因为石墨结晶程度的不同，天然石墨有晶质与隐晶质之分，鳞片石墨与脉石墨属于晶质石墨。将结晶程度高，晶粒大，呈片状的石墨称为鳞片石墨[4]，又以0.150mm为界，分为大鳞片石墨与细鳞片石墨[5-6]，鳞片石墨根据其鳞片大小，应用领域差别较大。

澳大利亚目前开采的石墨资源在世界石墨资源产量中占比不高，但其拥有较大的开采潜力[7]。本文以澳大利亚西部某地细鳞片石墨为研究对象，因矿石中脉石矿物种类多，嵌布关系复杂，故采用传统的阶磨阶浮工艺提纯石墨[8]，对该地区的石墨资源进行系统的选矿试验研究。

1 试验仪器与药剂

试验过程中所用到的主要仪器及设备见表1。所用到的主要药剂有： 煤油(粗选捕收剂)、2#油(起泡剂)、生石灰(抑制剂)等，所列药剂均为工业品，浮选过程中添加的H2O为日常自来水。

表1 试验用主要仪器及设备

2 矿石性质

2.1 物相组成

试验中所用的石墨原矿取自澳大利亚西部某地区，其X-射线衍射(XRD)图谱如图1所示。由分析可以看出，原矿中目的矿物是石墨，其衍射峰的强度很高，结晶的程度较好。通过分析XRD图谱中的衍射峰可以得到，原矿中主要的脉石矿物组成有云母类、石英、长石类等。

图1 原矿XRD图谱

2.2 化学成分

对石墨原矿进行X-射线荧光光谱分析(XRF)测试，可得到其主要的化学成分组成，结果见表2所示。

表2 原矿化学成分分析(XRF) (单位：%)

由表2可知，石墨原矿中的主要杂质为Si、Al、Fe、S、K，需通过选矿去除。

2.3 原矿显微镜下特征

在显微镜下对原矿进行观察，石墨与脉石矿物(石英、长石类、黄铁矿)相邻。石墨的片径最大0.608mm、最小0.413μm、一般0.013～0.038mm，少量石墨具有揉皱现象，石墨含量约13%。矿石中的脉石矿物以黑云母、长石类(钠长石、微斜长石、正长石)、白云母、石英、黄铁矿为主，少量的绢云母、绿泥石、赤铁矿、褐铁矿、磁铁矿。综合以上分析，由化学成分、物相组成、镜下特征确定了该石墨原矿的矿物组成。具体的结果如表3所示。

表3 原矿矿物组成 (单位：%)

2.4 石墨嵌布特征

采用线测法对原矿中的石墨片径进行统计，可以得到该矿石中石墨的嵌布特征，结果见表4所示。

表4 石墨嵌布粒度特征

由表4可知，该矿石中的石墨主要分布在-0.075+0.038mm粒级，分布率占38.24%，当磨矿细度为0.013mm时，石墨的单体解离度达98.14%。说明该地区石墨矿属于细鳞片石墨，石墨的嵌布粒度较细，必须细磨才能使矿物充分单体解离。

3 试验结果与讨论

3.1 粗选条件试验

通过进行粗选的单因素条件试验，用以确定该地区石墨矿适宜的粗磨细度、浮选药剂(煤油、2#油、生石灰)的用量以及粗选的浓度。试验结果如图2～6所示。

图2 粗磨细度试验

图3 粗选捕收剂用量试验

由图2磨矿细度条件试验结果可知，随磨矿细度的变细，粗精矿固定碳含量逐渐升高后略有降低。磨矿细度变细，石墨单体解离度增加，有利于目的矿物与脉石矿物分离，但过磨会产生大量的微细粒矿泥，影响浮选指标，因此需要进行磨矿细度试验确定适宜的磨矿细度。

图4 粗选起泡剂用量试验

图5 粗选抑制剂用量试验

图6 粗选浓度试验

在图3确定捕收剂用量的试验中，捕收剂选择了工业中常用的煤油，在煤油用量为200～450g/t的范围内，粗精矿固定碳含量先增大到48.5%又逐渐减小。

在图4确定粗选起泡剂用量的试验中，在2#油用量为60～150g/t的范围内，2#油增加用量，粗精矿固定碳含量由44.01%持续下降，回收率则持续上升。

在图5确定抑制剂用量的试验中，选用生石灰作为抑制剂。该石墨原矿中，杂质矿物有黄铁矿的存在，因此选用了生石灰作为此次粗选的矿浆调整剂。随生石灰用量的增加，粗精矿固定碳含量先升高至41.13%后逐渐降低。从试验结果可以看出，生石灰的加入有效抑制了脉石矿物黄铁矿，并可以改善矿浆的pH值。但过量的氧化钙使得矿浆pH值过高，不利于捕收剂与目的矿物之间的作用。

在图6确定粗选浓度的试验中，随浮选浓度的增加，粗精矿回收率在86.62%～90.40%之间浮动，而其固定碳含量则一直下降。

最终确定的工艺条件为：粗磨的磨矿细度为68.21%(-0.074mm粒级含量)，捕收剂煤油的用量选择280g/t，起泡剂2#油的用量选择120g/t，抑制剂生石灰的用量定为1 200g/t，浮选的浓度选用20%。最终粗精矿固定碳含量42.87%，回收率90.51%。

3.2 再磨Ⅰ细度试验

确定较优粗磨粗选条件之后，为了提高最终产品的质量，对得到的粗精矿再进行再磨再选的单因素条件试验。针对该地区的细鳞片石墨，选用XMQ-67 Φ150×50型的球磨机为再磨设备，Φ2～3mm的小钢球为其磨矿的介质，进一步加强石墨的单体解离程度。在其他条件不变的情况下，变化再磨Ⅰ的细度为-0.074mm粒级含量90.08%、92.95%、95.88%、98.45%，磨矿浓度为30%，按照图7所示的流程进行磨矿细度试验，得到的再磨试验结果见图8。

图7 再磨Ⅰ试验流程图

图8 再磨Ⅰ细度试验

由图8可知，随着再磨Ⅰ细度的变细，精矿固定碳含量由67.72%上升至75.10%，回收率先减小至88.19%后增大。精选Ⅰ再磨时间为7min时，精矿固定碳含量较高为74.70%，回收率此时为89.12%。综合考虑确定再磨Ⅰ细度为-0.074mm含量95.88%。

3.3 开路试验

精矿Ⅰ固定碳含量仅为74.70%，需进行多段磨矿多段精选才能获得合格的石墨精矿，因此在试验得到的粗磨粗选、再磨条件的基础上，进行了开路流程试验。确定的试验流程见图9。原矿经1次粗磨、1次粗选、1次扫选、4次再磨、5次精选后，得到了开路精矿、尾矿以及中矿1～6。各产物的化验结果见表5。

图9 开路试验流程图

表5 开路试验产物分析结果 (单位：%)

由表5可知，原矿经4次再磨5次精选，获得了固定碳含量93.25%、回收率73.46%的石墨精矿。中矿1～3合并后固定碳含量较低，仅为4.49%，回收率为11.13%，若直接返回精选流程，会对精选造成较大影响，不利于提高精矿固定碳含量，因此需对中矿1～3合并后进行再磨再选，再选后精矿返回精选流程。中矿4固定碳含量略高于原矿，因此返回至粗选，而中矿5、中矿6依次返回至精选Ⅰ和精选Ⅱ。

3.4 闭路试验

确定了再磨再选次数及中矿返回方式后，对石墨原矿进行闭路试验，确定的试验流程见图10。对得到的精矿、尾矿等产品进行分析化验，结果如表6所示。

图10 闭路试验流程图

表6 闭路试验产物分析结果 (单位：%)

由表6可知，采用图10所示闭路试验流程，最终得到的石墨精矿固定碳含量为90.50%，精矿回收率92.46%。

4 精矿分析

对最终得到的闭路流程石墨精矿进行XRF、SEM测试分析，所得测试结果见图11、表7。

图11 扫描电镜图(精矿，×5000)

表7 精矿化学成分分析(XRF) (单位：%)

由表7的测试结果可以看出，该石墨原矿中大量存在的Si、Al、K等杂质得到了有效去除，但精矿中依然存在Fe、S等主要杂质，需要进一步的化学提纯去除。由图11的SEM照片可以看出，浮选得到的精矿表面较为干净，石墨精矿质量良好。

5 结论

(1) 澳大利亚西部某地区石墨矿为细鳞片石墨矿，石墨鳞片较细，大部分石墨鳞片粒度分布在-0.015～+0.025mm粒级，固定碳含量为12.78%，主要的杂质矿物包括：云母类的绢云母、白云母、黑云母等，长石类的钠长石、正长石、微斜长石、条纹长石等，石英，黄铁矿等。

(2) 通过条件试验，确定较优粗选条件：粗磨的细度为68.21%(-0.074 mm粒级含量)；各药剂用量分别为：生石灰、煤油、2#油各1 200g/t、280g/t、120g/t；粗选的浓度选用20%；得到的粗选精矿指标较好(固定碳含量42.87%，回收率90.51%)。

(3) 该澳大利亚西部某地区的石墨矿采用1次粗磨、1次粗选、1次扫选，粗精矿4次再磨、5次精选，另外将中矿1～3集中处理(合并再磨再选后返至精选Ⅰ)，中矿4～6逐级返回(中矿4返至粗选，中矿5、中矿6依次返回至精选Ⅰ、Ⅱ)的工艺流程，获得最终精矿的固定碳含量达到90.50%，回收率达到92.46%。