石墨是非金屬礦中的一種重要的國際戰略資源,按照其性質和地質成因,共分為鱗片石墨和土狀石墨2 大類。
因石墨具有優良的導電性、潤滑性、穩定性、可塑性且無毒、可涂敷性、易加工成型等特點,而被廣泛用作耐火材料、導電材料、耐磨潤滑材料、抗腐蝕材料、導熱材料、高溫冶金材料等,這些材料在科工領域有著廣泛的應用,在電力電子、航空航天、軍事領域更是十分重要的戰略性物資。
目前,我國已有石墨生產企業300 余家,其中年產萬t 以上石墨的大型礦山有40 余家,已經形成了雞西、蘿北、萊西與平度、盤石、魯塘和內蒙古等幾大生產加工基地,這幾大生產加工基地的產量占全國石墨總產量的80%以上,代表著我國石墨行業的整體水平。
石墨具有較好的天然可浮性,尤其是鱗片石墨,因而,石墨的選別通常采用浮選工藝。對鱗片石墨而言,在磨礦過程中加強對石墨鱗片的保護、在浮選過程中提高石墨回收率是國內石墨加工中亟需解決的課題。
目前,石墨選礦通常采用多段磨多段選工藝,以盡早選出實際應用的大鱗片石墨。占我國30% 石墨資源的雞西地區的石墨廠,采用7 次左右的磨礦、10 次左右的精選的階段磨選工藝情況十分普遍,因此,石墨的磨礦是石墨回收的關鍵環節。
1 石墨再磨設備的應用進展
石墨的磨礦設備大致可分為球磨機和攪拌磨機2 大類。
1.1 球磨機
球磨機是選礦廠應用廣泛、歷史悠久、操作簡單、且生產成本較低的磨礦設備。格子型球磨機、溢流型球磨機均被廣泛采用。圖1 為某石墨選礦廠的再磨溢流型球磨機。
圖1 用于石墨再磨流程的球磨機
球磨機在石墨再磨流程中,主要用于一段磨礦或二段再磨,其裝機功率一般在80~120 kW,介質充填率為30%~40%,單臺處理能力在10~40 t /h不等。
1.2 攪拌磨機
20世紀30年代,攪拌磨機開始應用于工業生產,至今已有80 多a,已經發展成為了一類加工制造方便、操作簡單、種類齊全的磨礦設備。
攪拌磨機與球磨機最大的區別在于前者內部有攪拌裝置。磨機工作時筒體固定不動,攪拌裝置以一定的速度旋轉。攪拌磨機通過攪拌裝置的旋轉帶動研磨介質進行自轉和公轉,進而產生剪切、沖擊、摩擦作用,以達到對物料進行細磨的目的。攪拌裝置的末端線速度一般為3~20 m/s。
攪拌磨機的常見攪拌裝置形式有螺旋式、圓盤式、棒式和葉輪式等,石墨再磨流程中應用較多或前景較為廣闊的有葉輪式和棒式2 種,其中葉輪式可分為雙層葉輪式和多層葉輪式,其在國內很多地區的石墨再磨流程中得到應用。
1.2.1 雙層葉輪式攪拌磨
雙層葉輪式攪拌磨機由北京礦冶研究總院自20 世紀90 年代末自主研發。該設備充分吸收了國內外已有設備的優點,摒棄了相關設備的不足,產生了多項國內攪拌磨機的創新性技術。應用在石墨再磨流程中的主要有GJM10( GJ5×2) 雙槽攪拌磨機和GJM5( GJ5/75) 單槽攪拌磨機,上述2 種設備的基本結構見圖2。
GJM 型攪拌磨機主要由電動機、減速機、雙層葉輪攪拌器、槽體、排料篩、橡膠襯和電控柜等部分組成。
GJM 型攪拌磨機應用于2 段以后的再磨流程中,此設備在雞西地區的石墨再磨流程中應用十分廣泛,圖3 為GJM5( GJ5/75) 單槽攪拌磨機在雞西某石墨選礦廠3 段再磨中的應用。
雞西地區應用的GJM 型攪拌磨機的裝機功率一般為45 ~ 75 kW,單槽容積為5 m3 左右,單臺設備處理量為1.5~3.0 t /h,磨礦濃度為18%~20%,研磨介質為6~8 mm 陶瓷球、玻璃球等,研磨介質充填率在40%左右。
1.2.2 多層葉輪式攪拌磨
多層葉輪式攪拌磨機的攪拌裝置結構型式與雙層葉輪式相似,只是攪拌裝置上有4~6 層葉輪; 磨機槽體為圓筒狀,其在雞西地區某石墨再磨流程中的應用見圖4。
多層葉輪式攪拌磨機的裝機功率一般為15~35 kW,容積約為0.5m3,4層葉輪結構,研磨介質為12 mm 左右的陶瓷球或玻璃球,單臺設備的處理能力一般在0.8~15 t /h。
1.3 棒式攪拌磨機
棒式攪拌磨機于20 世紀60 年代由Svedala 研發成功,并于1969 年應用于高嶺土磨礦工藝中,21世紀才開始應用于石墨再磨流程中。
棒式攪拌磨機是一款流化立式攪拌磨機,其利用攪拌棒的旋轉動能,使磨礦腔室中的介質和料漿混合物產生高能運動,進而產生顆粒間的剪切、摩擦和擠壓力,形成細磨、再磨以及擦洗的理想磨礦環境。棒式攪拌磨機在國外的石墨再磨流程中應用較多,圖5 為國外某石墨礦棒式攪拌磨機的應用情況。
棒式攪拌磨機的裝機功率一般為18.5~1100kW,但在石墨再磨流程中的應用規格均較小,一般在18.5~185 kW,研磨介質為陶瓷球,單臺設備處理能力一般為1.5~15 t /h。
2 石墨用再磨設備選型原則
綜合現有石墨再磨流程中所用的細磨設備,考慮石墨鱗片結構的特殊性,在石墨再磨設備選型中應著重注意以下幾點:
(1) 在滿足石墨單體解離的情況下,應盡可能保護產品中大鱗片石墨,盡量減少礦物顆粒的過磨現象。
(2) 由于再磨段數較多,再磨設備應具有功耗低、效率高等突出優點。
(3) 再磨設備所使用研磨介質應常見且成本低,同時設備的安裝維護成本也應盡量低。根據上述要求,分析石墨再磨流程中的現有設備,總結歸納出的石墨再磨設備選型的基本原則:
(4) 一、二段磨礦由于處理量較大,可選用球磨機為磨礦設備,但必須注意到球磨機以沖擊破碎方式來達到細磨作用,對大鱗片石墨有破壞性,且球磨機的磨礦效率較低。因此,在經濟成本允許的情況下,可考慮采用大規格棒式攪拌磨機來代替球磨機進行一、二段細磨。
(5) 對二段以后的再磨,由于處理量適中,可選擇葉輪式和棒式攪拌磨機作為再磨設備。該類設備具有功耗低、效率高、磨礦介質消耗低、適用性強等優點,其生產能力更強、操作更安全,且易于實現常規和優化控制; 最重要的是,該類設備能有效地保護大鱗片石墨,尤其是棒式攪拌磨機,對大鱗片石墨的保護更加有效,其對提高大鱗片石墨的產率和提升經濟效益方面具有重要作用。
3 結論
(1) 在石墨的多段磨選中,球磨機和攪拌磨機都得到了廣泛的應用,同時也取得了較好的應用效果,這些設備的配合使用,可以選別出品位高達95%以上的高純度石墨。
(2) 從保護大鱗片石墨及降低磨礦能耗、節約成本等方面考慮,攪拌磨機( 葉輪式和棒式) 相對于球磨機具有顯著的優勢,尤其是棒式攪拌磨機。
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