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中國石墨資源開發利用

一、 地 質 勘 查
  依據全國礦產儲量委員會1986年頒發《石墨礦地質勘探規范》,中國石墨礦床劃分為4個勘探類型:
  (1) 第Ⅰ勘探類型 礦體形態簡單,呈層狀,似層狀或較大透鏡體,主礦體連續沿走向長幾百米至千米以上,厚一般十幾米至幾十米或更大,穩定,變化系數小于40%;石墨分布均勻;斷裂及巖體(脈)對礦體無破壞或破壞甚微;規模中到大型。如山東平度劉戈莊石墨礦床。
  (2) 第Ⅱ勘探類型 礦體形態較簡單,呈層狀、似層狀、透鏡狀,主要礦體比較連續,沿走向長一般幾百米至千米以上,礦體內夾石較少,礦體邊部分叉現象較普遍,厚一般幾米至幾十米,較穩定,變化系數40%~70%;石墨分布均勻;斷裂及巖體(脈)對礦體破壞不大;規模以大、中型為主。如黑龍江雞西柳毛及山東萊西南墅劉家莊石墨礦床。
  (3) 第Ⅲ勘探類型 礦體形態復雜,呈不規則的層狀、似層狀、透鏡狀,主礦體不連續,沿走向長幾百米,夾層或夾石較多,分叉復合現象普遍,厚一般幾十厘米至幾米,不穩定,變化系數70%~100%;石墨分布均勻;斷裂及巖體(脈)對礦體破壞較大;規模以中型為主。如湖北宜昌三岔埡、吉林磐石煙筒山和新疆奇臺蘇吉泉石墨礦床。
  (4) 第Ⅳ勘探類型 礦體形態很復雜,呈小透鏡狀、扁豆狀及不規則狀,厚度很不穩定,變化系數大于100%;石墨分布均勻;斷裂及巖體(脈)對礦體破壞很大;規模小至中型為主,如四川南江坪河及湖南郴州魯塘石墨礦床。
  上述勘探類型的劃分是根據礦床中主礦體(可以是一個或幾個)規模(其儲量必須占勘探范圍內總儲量的70%以上)、形態復雜程度、主要有用組分含量的分布均勻程度、被構造和火成巖體(脈)破壞情況等地質因素確定的。中國已勘探的石墨礦床,屬于第Ⅰ勘探類型的很少,晶質(鱗片狀)石墨礦床多屬第Ⅱ、Ⅲ勘探類型,隱晶質(土狀)石墨礦床多屬第Ⅲ、Ⅳ勘探類型。
  中國石墨礦勘查階段分為普查、詳查、勘探三個階段。當前,普查階段的工作要求按照國家技術監督局發布的中華人民共和國國家標準《固體礦產普查總則》(GB/T13687-92)進行,對有希望的礦床,可探求D+E級儲量。詳查階段的工作要求按照國家技術監督局發布的中華人民共和國國家標準《固體礦產詳查總則》(GB/T13688-92)進行,應做出是否具有工業價值和近期能否開發利用的評價,對有工業價值的礦床,可探求C+D級儲量,其中C級儲量為20%~50%,其詳查報告可作為礦山總體規劃或總體設計以及礦山項目建議書的依據。勘探階段的工作要求按照國家技術監督局發布的中華人民共和國國家標準《固體礦產地質勘探規范總則》(GB13908-92)和全國礦產儲量委員會1986年頒布的《石墨礦地質勘探規范》進行,對具有工業價值并擬近期開采利用的礦床進行對口勘探,探求各級儲量,提交勘探報告,為礦山建設設計確定生產規模、產品方案、開采方式、開拓方案、建議采礦方法、礦石選礦加工和礦山總體布置、礦山遠景規劃、礦山經濟效益等提供必需的地質資料依據。
  石墨礦床勘探控制程度的要求,除對礦體形態、產狀、空間位置的控制程度,應參照勘探類型和相應的勘探工程間距部署勘探工程,達到各級儲量的相應要求外,對適于露天開采的礦床,應用工程控制主礦體的四周邊界和露天采場底界標高面上的礦體界線;對適合坑道開采的礦床,應用工程系統控制勘探范圍內礦體的邊界及延深,對勘探范圍以外礦體仍有延深者,需酌情作稀疏的控制,了解其遠景。勘探深度應根據礦床的具體特點、開采規模和技術經濟條件確定,當前勘探深度以200m為宜,或根據建設需要確定。勘探階段石墨礦山建設所需儲量及各級儲量比例見表4.13.6。對具有綜合回收利用價值的其他礦產和有用組分,如區域變質型晶質(鱗片狀)石墨礦床中可能有金紅石、磷灰石、黃鐵礦、藍晶石、釩(含釩白云母)、鍶等,接觸變質型產于煤系中的隱晶質(土狀)石墨礦床中可能有瓷土及分散元素等,應進行綜合評價。
  石墨礦床勘查手段一般以槽探和鉆探為主,槽探主要用于揭露地表地質情況,追索和圈定礦體。鉆探用于追索和圈定深部石墨礦體,根據礦區和礦體的實際情況,也可使用其他探礦手段。由于石墨屬良導電礦物,根據礦化體與圍巖的電性差異特征,物探電法測量在石墨礦的找礦和勘探中得到廣泛應用。實踐證明,激發極化法測量的異常,基本可反映石墨礦帶或礦體的位置。甚至形態與產狀。當礦體被后期較大的斷裂或巖體(脈)破壞錯動時,在異常形態上亦有顯示,還可綜合使用自然電場法、電測深法、聯合剖面法及電測井等方法,根據物探資料結合地質特點分析,可以指導勘探工程的部署,提高找礦效果和勘探效益。
  石墨礦石的工業要求,考慮到雖然對晶質(鱗片狀)石墨礦石來說,這種礦石由于固定碳含量低,工業上不能直接利用,必須經過選礦才能獲得合乎要求的石墨產品,礦石中所含各種雜質,經選礦后一般可以基本脫除,但脫除程度差則會影響石墨質量;隱晶質(土狀)石墨礦石固定碳含量一般較高,由于石墨粒度太小,選礦效果不好,目前工業上只經手選后磨成粉末即行使用,鑒于這種礦石系石墨的直接產品,因此礦石中含硫、鐵等量高時會降低耐火度與化學穩定性、影響產品質量。但是,由于石墨的用途廣泛,各種產品對石墨的質量要求不一,各種雜質對各種用途的產品質量的影響也不相同,因此,在礦床勘查的工業指標中對礦石中的雜質一般不作限制。
  全國礦產儲量委員會《石墨礦地質勘探規范》所提出的石墨礦床評價一般工業指標。這是根據現有的勘探礦區和生產礦山的實例(對晶質石墨礦床均為露天開采和對隱晶質石墨礦床均為坑道開采)總結提出來的,對需要用坑道開采的晶質石墨礦床和需要用露天開采的隱晶質石墨礦床,可根據礦區的實際情況制定相應的工業指標。由于晶質(鱗片狀)石墨的片徑不同,其工業用途及經濟價值都相差甚大,在制訂作為提供礦山建設設計依據的地質勘探報告所用工業指標時,應據正目(+100目)石墨含量要求,一般可掌握在40%~60%左右,所謂正目石墨含量,是指礦石經選礦所得精礦篩析后,+100目石墨在精礦中所占的百分比。晶質石墨風化礦石更易于采選,其品位要求可低于原生礦石。
二、 礦 山 開 采
  中國晶質石墨礦都采用露天開采,如柳毛石墨礦、南墅石墨礦、平度劉戈莊石墨礦、興和石墨礦和湖北三岔埡石墨礦等,目前尚無地下開采的實例;隱晶質石墨礦多為地下開采,如魯塘石墨礦、吉林磐石石墨礦等。
礦山規模的劃分,采用兩種方法:一是按礦石量計;二是按精礦量計。
  露天開采的開拓運輸方法:多用公路開拓,如柳毛石墨礦,礦石年產量24.4萬t,年采剝總量達81萬t,運輸用TATRA815型自卸汽車,載重為15t;南墅岳石采區,礦石年產量24.3萬t,年剝離總量達82.8萬t,運輸用ZG150和BJ374型自卸汽車,載重分別為15t和20t。內蒙古興和石墨礦,礦石年產量僅12萬t,年采剝總量為37萬t,運輸用8t自卸汽車。井下開采的開拓運輸方法:一是平硐開拓,如魯塘石墨礦;二是斜井開拓,如磐石石墨礦。由于開采規模小,如磐石石墨礦礦石年產量僅2萬t,斜井提升用1.2m的提升機,巷道運輸用人工推車,礦車為0.55m3的翻斗車。
  中國晶質石墨礦礦床多產于區域變質中-深變質巖系中。礦體呈層狀、似層狀或透鏡狀,礦石硬度中等,緊固性系數f=5~8或f=8~10。露天開采工藝與一般露天礦相同,柳毛石墨礦、南墅石墨礦的岳石礦區都是用公路開拓的大型露天礦,工作面布置有平行走向和垂直走向兩種,穿孔用KQ-150型潛孔鑿巖機,采裝工作用1m3、2m3電動挖掘機,工作面運輸用汽車,汽車型號選型同開拓運輸的汽車。
  隱晶質石墨礦多產于接觸變質煤系變質頁巖中,礦體呈層狀、似層狀、帶狀及透鏡狀,礦石呈土狀,松軟、易碎、滑膩。地下開采的采礦方法,魯塘石墨礦和磐石石墨礦由于礦石及圍巖的穩固性差,因此均采用崩落采礦法。魯塘石墨礦結合礦石和圍巖的特性,經過多年的實踐,創造性地采用無底柱傾斜分段崩落法,在采準及回采工藝方面利用了礦石的滑膩性、摩擦角小的特點,將所有巷道都做成傾斜的,放礦溜井的傾角為42°,每隔7m掘進的分段聯絡道傾角為18°~20°,分段斜巷傾角為18°~20°,回采進路傾角為10°~11°。分段聯絡道、分段斜巷及回采進路的底板鋪設搪瓷溜槽,礦石順著溜槽自溜滑行至放礦溜井中,整個回采工藝不再設其他裝運設備,這種方法與一般的無底柱分段崩落法相比,設備簡單,裝運費省,容易掌握。礦塊生產能力為36t/d,工作面工效為3.35 t/(工·班)。
三、 選礦與加工
(一) 選礦加工方法
1.晶質石墨的選礦加工方法
  晶質石墨天然可浮性較好,在中國基本上都是采用浮選方法進行選礦。由于石墨鱗片的大小是其最重要的質量指標之一,因此在選別方法上采用多段磨礦、多次選別的工藝以便盡早選出大鱗片石墨。浮選常用捕收劑為煤油、柴油等,起泡劑為二號油、四號油等,調整劑為石灰、碳酸鈉,抑制劑為水玻璃。
2.隱晶質石墨選礦加工方法
  隱晶質石墨晶體極小,故也叫微晶石墨,石墨顆粒常常嵌布在粘土中,分離很困難。由于原礦品位高(一般含碳60%~80%),因此許多石墨礦山將采出的礦石直接進行粉碎加工,出售石墨粉產品。湖南魯塘石墨礦曾于50年代建立浮選廠浮選微晶石墨,但因成本太高而停產。目前一些單位仍在進行微晶石墨浮選新工藝(如油團聚浮選等)的研究。
3.石墨產品的提純加工
  現代工業對石墨產品要求向兩方面發展:一是要求晶體大鱗片達到高純,二是要求石墨產品顆粒達到超微細(如小于1μm或0.5μm)。中國已在南墅、北墅、柳毛、興和等石墨選廠建立了石墨提純和微細粉加工生產線,提純方法主要是化學提純。石墨化學提純最成熟的工藝是利用苛性堿與石墨在700℃下熔融后,經洗滌到中性,再加鹽酸處理、洗滌,使石墨含碳量達到98%~99%。也有廠家采用氫氟酸處理生產高純石墨。
(二) 工 藝 流 程
1.晶質石墨選礦流程
  由于石墨礦石的硬度一般為中硬或中硬偏軟,品位一般在2%~10%之間,破碎流程比較簡單,常采用三段開路、兩段開路或一段破碎流程。以加工風化礦為主的中小礦山,則不經破碎而直接送入球磨。浮選工藝流程一般為多段磨礦、多段選別、中礦順序(或集中)返回的閉路流程。多段流程有三種形式,即精礦再磨、中礦再磨和尾礦再磨。晶質石墨多采用精礦再磨流程,正常情況下選礦作業回收率可達80%左右。有些礦山也曾嘗試中礦再磨流程,但效果不明顯。個別小廠也有采用開路或半開路浮選流程,因丟棄尾礦點過多。選礦回收率很低,一般只有40%~50%。
2.隱晶質石墨選礦加工流程
  雖然隱晶質石墨礦石品位較高,但難以分選。在中國,通常都是將開采出來的石墨礦石經過簡單的手選后,直接粉碎成產品出售。一般流程為:原礦→粗碎→中碎→烘干→磨礦→分級→包裝。
(三) 常用技術設備
  晶質、非晶質石墨礦石粗碎多采用顎式破碎機,中、細碎多采用圓錐破碎機或錘式破碎機,磨礦采用球磨機、研磨機或振動磨。浮選常采用A型或JJF型、CHF型、XJK型浮選機。產品脫水常采用各種離心脫水機或折帶式過濾機。
  產品分級多采用高方篩,少數采用平面搖動篩、旋回篩,其中高方篩本是糧食工業定型設備,在礦物加工中是石墨產品分級所特有的篩分設備。
  石墨超細粉碎采用雷蒙磨、高速沖擊式粉碎機和氣流粉碎機。
(四) 選 礦 實 踐
1.山東南墅石墨礦
  該礦生產鱗片石墨。原礦露天開采,用汽車送入選礦廠。選礦工藝流程見圖4.13.7。
主要設備有:顎式破碎機(600mm×900mm)用于粗碎,錘式破碎機(φ800mm×800mm 2臺)用于中細碎,格子型球磨機(φ1500mm×3000mm 3臺)用于原礦粗磨并與耙式分級機(6000mm×1200mm)組成閉路,溢流型球磨機(φ1200mm×3000mm 2臺,φ900mm×300mm 1臺)和臥式離心碾磨機(φ1500mm×3000mm 1臺)用于粗精礦再磨,CHF-14浮選機(4臺)用于粗選,XJK-2.8浮選機(34臺)用于精選和掃選,刮刀卸料離心脫水機(WG-1200-2型8臺)用于精礦脫水,刮板烘干機和沸騰干燥機用于干燥,高方篩(FSP-4型2臺)用于產品篩分分級。
  選礦廠原礦處理量約34~35萬t/a,原礦粒度為450mm,入磨粒度為15mm,入選粒度小于0.15mm占60%~65%。原礦品位4.39%~4.45%,精礦品位88%~89%,回收率約80%,尾礦品位0.6%~0.8%。
該礦還采用化學法(酸堿處理法)提純石墨,工藝流程如圖4.13.8。主要設備有熔融爐(φ500mm×600mm)、洗滌槽(9800mm×1350mm×3900mm)、脫水機(WG-800型)和烘干機(φ800mm×700mm)等。經化學提純后,石墨品位達到98%~99%,回收率達88%。
  經過選礦和化學提純的高碳或高純石墨,再經過雷蒙磨、高速磨和氣流磨進行微細粉碎,生產出含碳99%,粒度小于10μm的石墨潤滑劑。再經進一步加工,生產出彩色顯像管石墨乳。所用濕式粉碎分級設備包括雙筒振動磨(CB-300)、粗粒分級機(P-3000C、微粉分級機(PH-1500)、離心捕集機(AS-16V)等;干式粉碎分級設備包括雙室超微粉碎機(M202NC)、分級機(MS-3)、袋式捕集機(SP-49-8)等。彩色顯像管石墨乳產品包括黑底石墨乳、銷釘石墨乳、管頸石墨乳、外涂石墨乳等5個品種。
2.內蒙古興和縣興和石墨礦
  該礦生產鱗片石墨。建有兩座選礦廠,選礦工藝流程,見圖4.13.9。一選廠粗磨用φ1200mm×2400mm球磨機,一次再磨用φ750mm×1800mm球磨機,二、三、四再磨用φ600mm×1800mm球磨機,粗選和掃選2m3 JJF浮選機,一、二、三次精選用XJK-0.52浮選機,四、五、六、七次浮選用XJK-0.23浮選機。磨礦分級用FLG-1000型螺旋分級機,脫水用WG-800型離心脫水。
  兩座選廠年處理原礦約30萬t,石墨產量約7000t。原礦粒度為350mm,入磨粒度為10mm,入選粒度小于0.15mm占38%。原礦品位為3.82%~4.07%,精礦品位約88%,尾礦品位1.34%~1.68%,選礦回收率約68%。浮選精礦經化學提純品位可達94%~99.5%。
3.黑龍江雞西市柳毛石墨礦
  該礦生產鱗片石墨。建有三座石墨浮選廠,總生產能力3萬t精礦/a。原礦經600mm×900mm顎式破碎機破碎后,采用φ1650單缸液壓中型和φ1650單缸液壓短頭型圓錐式破碎機進行中、細碎。粗磨采用φ2100mm×3000mm格子型球磨機并與FLG1200分級機形成閉路。經浮選后的石墨粗精礦再經5次再磨、6次精選,中礦集中返回粗磨回路,精礦經折帶式真空過濾機過濾、φ2.2m×23m間熱式圓筒烘干機烘干、高方篩分級后得到最終產品。再磨分別采用φ1000mm×3500mm、φ900mm×2200mm、φ900mm×3000mm球磨機,浮選采用JJF型和XJK型浮選機。原礦最大粒度550mm,入磨粒度20mm,入選粒度100目占70%,原礦品位14%~16%,精礦品位93%~95%,尾礦品位3%~4%,選礦回收率約75%。
4.湖南郴州市魯塘石墨礦
  該礦生產隱晶質石墨。隱晶質石墨礦石主要礦物為石墨,含少量粘土等其他礦物。原礦品位65%~68%,粒度為6~250mm,呈細粒嵌布。加工流程較簡單,主要由手選、粗碎、篩分、中碎、烘干、磨礦、分級等工序組成。粗碎用帶齒輥的對輥破碎機(φ600mm×700mm),中碎采用錘式破碎機(φ800mm×600mm),烘干采用回轉式干燥機(φ1500mm×12000mm),粉磨采用雷蒙磨(R3216)。該礦選廠原礦處理能力約6萬t/d,入磨粒度小于40mm。手選精礦品位70%~88%,手選尾礦品位小于60%,選礦比1.1,選礦回收率為90%。
  (五) 主要深加工產(制)品品種、用途
  石墨的深加工產(制)品品種及用途如下:
  (1)高純石墨 用于核反應堆屏蔽及反射材料、固體燃料、火箭噴嘴、宇航設備零件等。
  (2)石墨乳(膠體石墨) 分為顯像管石墨乳、鍛造石墨乳、拉絲石墨乳、節能減磨添加劑等,分別用于彩色顯像管各部位的導電涂料、金屬鍛造和熱擠壓模具的潤滑劑、金屬冷鑄涂型劑、玻璃制瓶脫模劑、金屬拉絲潤滑劑、潤滑油減磨劑等。
  (3)可膨脹石墨 用于生產柔性石墨(膨脹石墨)、鋼錠澆鑄發熱劑等。
  (4)柔性石墨制品 用于生產密封填料和密封墊片等,如柔性石墨紙、石墨板、石墨填料環、石墨盤根高強復合板材等。
  (5)炭素石墨制品 主要用于耐熱耐火材料、絕熱材料、導電和電阻材料、潤滑和減磨材料、耐腐蝕材料、核反應堆用減速材料和反射材料、精練高純材料用的加熱器、坩堝、器皿及模具等。如石墨電極、石墨模具、電弧碳棒、光譜分析電極棒、石墨陽極板、電炭刷、石墨管、石墨軸承等。
  (6)石墨坩堝 用于各種金屬的熔煉。



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