石墨的应用

石墨选矿和石墨的深加工

高昊天

（黑龙江科技大学11级矿物加工2班2013030023）

摘要：石墨具有一系列的优良性能，广泛应用于石油、化工、冶金、造纸、原子能和国防等工业部门,具有很大的开发利用价值。中国石墨矿资源丰富,石墨储量居世界首位。但由于天然产出的石墨纯度不高，开发应用受到限制。本文简要介绍了石墨的性质和其矿产资源分布,重点介绍了浮选法在石墨选矿中的应用,以及石墨的粉碎、提纯和改性等深加工技术。通过深加工，可以进一步改善石墨的特性，形成各种高附加值的产品，使其能满足相关领域应用及现代高技术和新材料产业的要求。最后,本文对石墨材料在高速、耐磨、防腐、节能、超小型等高科技应用领域的发展前景进行了展望。结果表明，石墨正在众多领域逐步取代某些金属材料和有机材料，其发展前景十分广阔。

关键词：矿物加工石墨选矿浮选粉碎提纯深加工

石墨（Graphite）是由碳元素组成，是碳的同素异构体之一。石墨晶体具典型的层状结构，碳原子排列成六方网状层，面网结点上的碳原子相对于上下邻层间格的中心。重复层状为2的是石墨2H多型，属六方晶系，即通常所指的石墨；若重复层状为3的属三方晶系，但在天然石墨结构中不能单独分离出来。在石墨晶体结构中，层内碳原子的配位数为3，具共价金属键，间距0.142nm，层与层间以分子键相连，间距为0.3354 nm，石墨矿物呈铁黑、钢灰色，条痕光亮黑色；金属光泽，隐晶集合体光泽暗淡，不透明；解理(0001)完全，硬度具异向性，垂直角理面为3～5，平行解理面为1～2,质软，密度为2.09～2.23g/cm3，有滑腻感，易污染手指。石墨集合体通常为鳞片状，块状和土状；单晶体常呈片状或板状，但完整的很少见。根据其结晶程度分为晶质石墨和隐晶质石墨(土状石墨)。石墨具有一系列的优良特性，主要有如下几点：

（1）耐高温：由于碳原子在石墨结晶格子的原于层中排列紧密，热振动困难，因而石墨能耐高温并具特殊的热性能。石墨熔点为3850℃，沸点为4250℃，经高温电弧灼烧重量损失极小，在2500℃时其强度比常温时提高1倍，热膨胀系数小，温度骤变时其体积变化不大，能抗骤冷骤热的变化,当温度突然发生变化时，不会产生裂纹。

在冶金工业中主要用来制造石墨坩埚，在炼钢中常用石墨作钢锭之保护剂，冶金炉的内衬。

（2）导电性和导热性：由于石墨晶体中存在容易流动的电子，因此其导电、导热性能不亚于金属。如比不锈钢高4倍，比碳素钢高2倍。石墨的热导率和一般的金属不同，随着温度的升高，导热系数降低，在极高的湿度下，石墨趋于绝缘状态。因此，在超高温条件下，石墨的绝缘性能是很可靠的。在电气工业中石墨广泛用来作电圾、电刷、碳棒、碳管、垫圈及显像管涂层等。

（3）润滑性：石墨的润滑性能类似于二硫化铜和四氰化烯，摩擦系数在润滑介质中小于0.1，尤以鳞片状石墨的润滑性更好，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。石墨在机械工业中常作润滑剂。润滑油往往不能在高速、高温、高压下工作，而石墨耐磨材料可以在-200～2000℃温度和高速滑动

(100m/s)下应用。许多输送蚀腐介质的设备广泛采用石墨材料制成活塞环、密封圈和轴承，它们运转时勿需加润滑油。石墨乳也是许多金属加工（拔丝、拉管）时的良好的润滑剂。

（4）化学稳定性：在常温下，石墨具有良好的化学稳定性，耐酸碱和有机溶剂的腐蚀。经过特殊加工的石墨，具有耐腐蚀、导热性好，渗透率低等特点，就大量用于制作热交换器，反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵设备。广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、造纸等工业部门，可节省大量的金属材料。

除上述性质和用途外，石墨还可用于原子能工业和国防工业石墨具有优良的中子减速性，最早在原子反应堆中作减速剂。在国防工业中，石墨复合材料可用来作固体燃料火箭的喷嘴、导弹的鼻锥、宇航设备零件、隔热材料和防辐射材料。此外，石墨还是轻工业中玻璃和造纸的磨光剂和防锈剂，制造铅笔、墨汁、黑漆、油墨和人造金刚石的原料。石墨还具徐敷性和可塑性，将其涂敷在固体物体表面，可形成薄膜牢固粘附而起保护固体作用，并可制成任何复杂形状的制品。

1 石墨矿资源

1.1 石墨矿原料的特点

天然产出的石墨很少是纯净的，常含有10～20％的杂质，包括SiO2、A12O3、MgO、CaO、P2O5、CuO、V2O5、H2O、S、FeO以及H、N、CO2、CH4、NH3等。石墨矿石的自然类型通常按其赋矿岩石的岩性划分，中国工业上将石墨矿石主要分为晶质(鳞片状)石墨矿石和隐晶质(土状)石墨矿石两种工业类型。晶质(鳞片状)石墨矿石在区域变质矿床中，主要有片麻岩类、片岩类以及大理(透辉)岩类、变粒岩类、混合岩类等矿石自然类型；在岩浆热液矿床中主要发育花岗岩类及闪长岩类、长英岩类等矿石自然类型。隐晶质(土状)石墨矿石在接触变质矿床中主要发育板岩类和干枚岩类矿石自然类型。隐晶质石墨矿石常残留原岩的层现构造，变质不彻底的部分还可含部分未变质的无烟煤，保留煤岩结构。有的隐晶质石墨矿床的矿石分为软质石墨与硬质石墨两种，软质石墨矿石变质彻底，质量好，硬质石墨一般为石墨与无烟煤的过渡带，质量次。以上所述各种类型石墨矿石的化学成分含量见表1。

表1：中国石墨矿石化学成分含量(％)

中国石墨矿石绝大多数为晶质(鳞片状)矿石，约占总保有石墨矿石储量的98％，分布于区域变质型及岩浆热液型石墨矿床中；隐晶质(土状)石墨矿石则主要分布于接触变质型矿床中。实际上石墨矿石中的石墨片径是参差不齐的，所谓晶质石墨矿石中，也可能含隐晶质石墨，含量较多时通常称为混合型石墨矿石，隐晶质石墨矿石中也可能含少量片径略大于1μm的鳞片石墨。

1.2 石墨矿床

虽然众多国家都已发现石墨矿产，但具有一定规模可供工业利用的矿床并不多，相对集中分布于少数国家中。晶质石墨矿主要蕴藏在中国、乌克兰、斯里兰卡、马达加斯加、巴西等国，其中马达加斯加盛产大鳞片石墨，斯里兰卡盛产高品位的致密块状石墨；隐晶质石墨矿主要分布于印度、韩国、墨西哥和奥地利等国。多数国家只产一种石墨，矿床规模以中、小型居多，只有中国等四五个国家晶质和隐晶质石墨都有产出，大型矿床较多。据不完全统计，世界石墨储量约为15亿吨，其中晶质石墨约5亿吨。由于石墨储量有的按矿物量统计，有的按矿石量统计，统计对象不同和数据来源的不一，各种储量统计数据出入较大，但许多资料都表明中国的石墨储量居世界第1位。

表2：中国的主要石墨矿床类型