坦桑尼亚石墨资源利用探索

樊子玉，贾晓东，杨永军

（河南省地质矿产勘查开发局第二地质矿产调查院，河南郑州 450001）

1 石墨资源利用的意义

石墨具有耐高温、抗腐蚀、抗热震、抗辐射、强度大、韧性好、自润滑及导电、导热等特有的物理化学性能，是工业体系中多个产业部门不可或缺的基础性原料，对工业发展有重要作用。

在冶金工业中，石墨被用作耐火材料；在机械工业中，石墨主要用作铸造涂料和机械润滑剂；在电气、电子工业中，石墨被广泛地用于制造电极、电刷、电池碳棒、碳管、阳极板、垫圈等电碳制品件；在化学工业中，石墨主要用作制造不透性石墨制品；在原子能工业中，石墨用作中子减速剂。石墨密封材料主要是指柔性石墨制品，被称为第二代非金属密封材料。

石墨烯被称为“新材料之王”，是目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，集优异的力学、电学、热传导和阻隔性等材料性能于一体，可替代传统材料，并能促成众多技术革命，具有不可估量的应用前景。

鳞片石墨是指天然晶质石墨，其形状似鱼鳞状，六方晶系，呈层状结构。如表1所示，根据中华人民共和国国家标准《GB/T3518-2008鳞片石墨》，将鳞片石墨按照固定碳含量分为4类，即高纯石墨、高碳石墨、中碳石墨和低碳石墨。高纯石墨主要用于生产柔性石墨、密封材料、润滑剂的基料；高碳石墨主要用于生产润滑剂、涂料或填充料；中碳石墨主要用于生产坩埚、铅笔、电池、耐火材料、铸造材料的原料；低碳石墨主要用于铸造涂料等。研究区以粗大鳞片状石墨为主的晶质（鳞片状）石墨矿石，能够广泛应用于各个领域。

2 石墨生产和消费现状

世界石墨产量近几年较为平稳，2013—2017年基本维持在110万吨到120万吨。目前，世界石墨生产主要集中在中国、印度、巴西等国。中国是世界最大的石墨生产国，2013—2017年均稳定在75万吨到80万吨；其中，晶质石墨产量基本在47万～67万吨，主要产地为黑龙江、内蒙古、山东、湖南和吉林等地。2018年产量达到82万吨，较2017年增长22.39%。

近年来，全球对石墨的需求稳步上升，全球经济状况的改善以及其对石墨领域产业的影响导致了这种需求的增加；2017年全球石墨表观消费量达124.38万吨。全球石墨行业消费结构为：耐火材料26%、铸造15%、润滑剂14%、制动衬片13%、铅笔7%、其他（碳刷、电池、膨胀石墨等）25%。主要消费国和地区为中国、日本、美国、德国和英国等。中国是最大的石墨消费国，目前每年的天然石墨消费量约在40万吨；其中，晶质石墨的消费量在24万吨左右，隐晶质石墨的消费量近16万吨[1]。

3 研究区石墨资源储量和选矿分析

3.1 石墨资源储量

坦桑尼亚东部莫罗戈罗省境内的研究区域石墨矿床属沉积变质型矿床，勘探类型为Ⅰ类类型。对工作区进行勘查，共发现Ⅴ-1、Ⅸ-1、Ⅸ-2等26个石墨矿体。Ⅸ-1矿体厚度大、品质好，是最主要的矿体，分布标高-85～527m，埋深0～340m，平均品位（固定碳）8.19%，平均厚度26.97 m。对Ⅸ-1、Ⅸ-2等26个矿体进行了资源量估算，共提交石墨矿石量17 262.24×104吨，石墨矿物量1 096.14×104吨，矿床平均品位6.35%，平均厚度13.58 m。研究区水文地质、工程地质和环境地质条件简单，未来矿山以露天方式开采。矿石类型为含石墨黑云斜长片麻岩型，工业类型为晶质（鳞片状）石墨矿石，属易选矿石[2]。

3.2 石墨矿石结构

研究区内主要矿石结构见图1，其结构主要为中-粗粒鳞片状变晶结构、片状自形结构、发育片状集合体结构，部分扭折明显。

如图1a所示，石墨、云母等矿物呈鳞片状定向排列，鳞片晶形弯曲，形成鳞片状变晶结构。如图1b所示，矿物晶形较好，构成自形片状结构。如图1c所示，多层石墨近平行聚合分布，形成片状集合体结构。如图1d所示，石墨扭折发育，构成扭折结构。

图1 研究区内主要矿石结构

3.3 选矿工艺流程

晶质石墨选矿的重点之一就是避免在选矿工艺过程中过度磨矿，较大程度保护石墨鳞片，以提高石墨产品价值。选矿试验以保护石墨鳞片和提高固定碳含量为主要考量指标，同时兼顾石墨回收率，分别进行了探索试验、条件试验、流程试验等研究，最终选定该矿石的最佳选矿工艺[3]。该石墨矿具有非常好的可选性，正目数鳞片石墨含量较国内大多数石墨矿含量高，为保护正目产品，采用阶段磨矿阶段选别，可以得到固定碳为94%以上的正目石墨产品。

表1 石墨产品分类

4 石墨新能源和新产业

4.1 石墨烯新材料情况

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，是目前发现的硬度最高、韧性最强的纳米材料。石墨制成石墨烯的过程，是个物理过程，是不断增大原子间距离并使原子单层化的过程。

石墨烯具有良好的电学和光学性能、力学性能、热传导性能以及极高的电荷载流子迁移率。因此，石墨烯及复合材料可广泛应用于晶体管、液晶装置、电化学生物传感器、超级电容器、燃料电池和太阳能电池等领域。中国，美国、欧盟、日本和韩国等国家都将石墨烯材料的发展提高到战略高度，分别投入数百亿美元用于石墨烯材料的研究和开发。我国对石墨烯领域的研究与开发也较早，2007—2012年，中国国家自然科学基金委员会对石墨烯项目累计资助经费达到3.30亿元，科技部和中国科学院对石墨烯的累计资助经费分别达到了5915万元和4605万元。业内人士认为在未来5～10年，石墨烯会有很大的发展，在相关领域引发革命性的突破，带动价值数万亿美元的新兴产业链[4]。

4.2 石墨负极材料及新能源产业

锂离子电池的负极材料目前成熟应用的主要是碳石墨材料，石墨是生产电动汽车锂离子电池负极材料的主要原料之一。石墨生产锂离子电池负极材料，要经过颗粒球化及表面包覆处理，使不规则的石墨微粒在气流冲击下相互碰撞，发生卷曲和包裹作用，使颗粒成为球形或近似球形，即通常所称的球形石墨。

据业内专家预测，在未来20年，石墨作为生产负极材料的主要原料，很难被其他材料替代。按照国家提出2020年电动汽车数量占所有交通车辆10%的发展目标，届时，将会带来总价值5 000亿元的市场规模，将需要大量石墨用于生产锂电池负极材料[5]。这为石墨产品提供了广阔市场，未来电动汽车行业发展将成为石墨产业新的增长点。

5 石墨资源的市场前景预测

近年来，我国石墨产品每年的需求量接近70万吨，预计2019—2025年，石墨增速将达到4.5%。2018年天然石墨需求量为39.9万吨，2020年天然石墨需求量将达到44万吨，2025年有望达到54万吨，这意味着未来的几年天然石墨产品有约14万吨的需求增长空间[6]。本项目如果正式投产，则可占增长空间的35.7%。可以判断该比例在合理范围内，不会造成天然石墨的过剩，预计未来市场行情及产品价格基本保持稳定[7]。

6 结语

高新技术、战略新兴领域将会为石墨创造更广阔的发展空间，特别是石墨烯的出现，为石墨产业发展开拓了新的空间。坦桑尼亚矿石样品的正目石墨（粒径＞0.147mm）含量平均为91.65%，石墨最大粒径超过2mm，以粗大鳞片状石墨为主；且石墨鳞片越大，加工的石墨制品质量越好、价值越高，因此该区市场前景非常可观。