坦桑尼亞石墨資源利用探索

樊子玉，賈曉東，楊永軍

（河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南鄭州 450001）

1 石墨資源利用的意義

石墨具有耐高溫、抗腐蝕、抗熱震、抗輻射、強(qiáng)度大、韌性好、自潤(rùn)滑及導(dǎo)電、導(dǎo)熱等特有的物理化學(xué)性能，是工業(yè)體系中多個(gè)產(chǎn)業(yè)部門不可或缺的基礎(chǔ)性原料，對(duì)工業(yè)發(fā)展有重要作用。

在冶金工業(yè)中，石墨被用作耐火材料；在機(jī)械工業(yè)中，石墨主要用作鑄造涂料和機(jī)械潤(rùn)滑劑；在電氣、電子工業(yè)中，石墨被廣泛地用于制造電極、電刷、電池碳棒、碳管、陽(yáng)極板、墊圈等電碳制品件；在化學(xué)工業(yè)中，石墨主要用作制造不透性石墨制品；在原子能工業(yè)中，石墨用作中子減速劑。石墨密封材料主要是指柔性石墨制品，被稱為第二代非金屬密封材料。

石墨烯被稱為“新材料之王”，是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，集優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱傳導(dǎo)和阻隔性等材料性能于一體，可替代傳統(tǒng)材料，并能促成眾多技術(shù)革命，具有不可估量的應(yīng)用前景。

鱗片石墨是指天然晶質(zhì)石墨，其形狀似魚(yú)鱗狀，六方晶系，呈層狀結(jié)構(gòu)。如表1所示，根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T3518-2008鱗片石墨》，將鱗片石墨按照固定碳含量分為4類，即高純石墨、高碳石墨、中碳石墨和低碳石墨。高純石墨主要用于生產(chǎn)柔性石墨、密封材料、潤(rùn)滑劑的基料；高碳石墨主要用于生產(chǎn)潤(rùn)滑劑、涂料或填充料；中碳石墨主要用于生產(chǎn)坩堝、鉛筆、電池、耐火材料、鑄造材料的原料；低碳石墨主要用于鑄造涂料等。研究區(qū)以粗大鱗片狀石墨為主的晶質(zhì)（鱗片狀）石墨礦石，能夠廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

2 石墨生產(chǎn)和消費(fèi)現(xiàn)狀

世界石墨產(chǎn)量近幾年較為平穩(wěn)，2013—2017年基本維持在110萬(wàn)噸到120萬(wàn)噸。目前，世界石墨生產(chǎn)主要集中在中國(guó)、印度、巴西等國(guó)。中國(guó)是世界最大的石墨生產(chǎn)國(guó)，2013—2017年均穩(wěn)定在75萬(wàn)噸到80萬(wàn)噸；其中，晶質(zhì)石墨產(chǎn)量基本在47萬(wàn)～67萬(wàn)噸，主要產(chǎn)地為黑龍江、內(nèi)蒙古、山東、湖南和吉林等地。2018年產(chǎn)量達(dá)到82萬(wàn)噸，較2017年增長(zhǎng)22.39%。

近年來(lái)，全球?qū)κ男枨蠓€(wěn)步上升，全球經(jīng)濟(jì)狀況的改善以及其對(duì)石墨領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的影響導(dǎo)致了這種需求的增加；2017年全球石墨表觀消費(fèi)量達(dá)124.38萬(wàn)噸。全球石墨行業(yè)消費(fèi)結(jié)構(gòu)為：耐火材料26%、鑄造15%、潤(rùn)滑劑14%、制動(dòng)襯片13%、鉛筆7%、其他（碳刷、電池、膨脹石墨等）25%。主要消費(fèi)國(guó)和地區(qū)為中國(guó)、日本、美國(guó)、德國(guó)和英國(guó)等。中國(guó)是最大的石墨消費(fèi)國(guó)，目前每年的天然石墨消費(fèi)量約在40萬(wàn)噸；其中，晶質(zhì)石墨的消費(fèi)量在24萬(wàn)噸左右，隱晶質(zhì)石墨的消費(fèi)量近16萬(wàn)噸[1]。

3 研究區(qū)石墨資源儲(chǔ)量和選礦分析

3.1 石墨資源儲(chǔ)量

坦桑尼亞?wèn)|部莫羅戈羅省境內(nèi)的研究區(qū)域石墨礦床屬沉積變質(zhì)型礦床，勘探類型為Ⅰ類類型。對(duì)工作區(qū)進(jìn)行勘查，共發(fā)現(xiàn)Ⅴ-1、Ⅸ-1、Ⅸ-2等26個(gè)石墨礦體。Ⅸ-1礦體厚度大、品質(zhì)好，是最主要的礦體，分布標(biāo)高-85～527m，埋深0～340m，平均品位（固定碳）8.19%，平均厚度26.97 m。對(duì)Ⅸ-1、Ⅸ-2等26個(gè)礦體進(jìn)行了資源量估算，共提交石墨礦石量17 262.24×104噸，石墨礦物量1 096.14×104噸，礦床平均品位6.35%，平均厚度13.58 m。研究區(qū)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，未來(lái)礦山以露天方式開(kāi)采。礦石類型為含石墨黑云斜長(zhǎng)片麻巖型，工業(yè)類型為晶質(zhì)（鱗片狀）石墨礦石，屬易選礦石[2]。

3.2 石墨礦石結(jié)構(gòu)

研究區(qū)內(nèi)主要礦石結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其結(jié)構(gòu)主要為中-粗粒鱗片狀變晶結(jié)構(gòu)、片狀自形結(jié)構(gòu)、發(fā)育片狀集合體結(jié)構(gòu)，部分扭折明顯。

如圖1a所示，石墨、云母等礦物呈鱗片狀定向排列，鱗片晶形彎曲，形成鱗片狀變晶結(jié)構(gòu)。如圖1b所示，礦物晶形較好，構(gòu)成自形片狀結(jié)構(gòu)。如圖1c所示，多層石墨近平行聚合分布，形成片狀集合體結(jié)構(gòu)。如圖1d所示，石墨扭折發(fā)育，構(gòu)成扭折結(jié)構(gòu)。

圖1 研究區(qū)內(nèi)主要礦石結(jié)構(gòu)

3.3 選礦工藝流程

晶質(zhì)石墨選礦的重點(diǎn)之一就是避免在選礦工藝過(guò)程中過(guò)度磨礦，較大程度保護(hù)石墨鱗片，以提高石墨產(chǎn)品價(jià)值。選礦試驗(yàn)以保護(hù)石墨鱗片和提高固定碳含量為主要考量指標(biāo)，同時(shí)兼顧石墨回收率，分別進(jìn)行了探索試驗(yàn)、條件試驗(yàn)、流程試驗(yàn)等研究，最終選定該礦石的最佳選礦工藝[3]。該石墨礦具有非常好的可選性，正目數(shù)鱗片石墨含量較國(guó)內(nèi)大多數(shù)石墨礦含量高，為保護(hù)正目產(chǎn)品，采用階段磨礦階段選別，可以得到固定碳為94%以上的正目石墨產(chǎn)品。

表1 石墨產(chǎn)品分類

4 石墨新能源和新產(chǎn)業(yè)

4.1 石墨烯新材料情況

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料，是目前發(fā)現(xiàn)的硬度最高、韌性最強(qiáng)的納米材料。石墨制成石墨烯的過(guò)程，是個(gè)物理過(guò)程，是不斷增大原子間距離并使原子單層化的過(guò)程。

石墨烯具有良好的電學(xué)和光學(xué)性能、力學(xué)性能、熱傳導(dǎo)性能以及極高的電荷載流子遷移率。因此，石墨烯及復(fù)合材料可廣泛應(yīng)用于晶體管、液晶裝置、電化學(xué)生物傳感器、超級(jí)電容器、燃料電池和太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。中國(guó)，美國(guó)、歐盟、日本和韓國(guó)等國(guó)家都將石墨烯材料的發(fā)展提高到戰(zhàn)略高度，分別投入數(shù)百億美元用于石墨烯材料的研究和開(kāi)發(fā)。我國(guó)對(duì)石墨烯領(lǐng)域的研究與開(kāi)發(fā)也較早，2007—2012年，中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)對(duì)石墨烯項(xiàng)目累計(jì)資助經(jīng)費(fèi)達(dá)到3.30億元，科技部和中國(guó)科學(xué)院對(duì)石墨烯的累計(jì)資助經(jīng)費(fèi)分別達(dá)到了5915萬(wàn)元和4605萬(wàn)元。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為在未來(lái)5～10年，石墨烯會(huì)有很大的發(fā)展，在相關(guān)領(lǐng)域引發(fā)革命性的突破，帶動(dòng)價(jià)值數(shù)萬(wàn)億美元的新興產(chǎn)業(yè)鏈[4]。

4.2 石墨負(fù)極材料及新能源產(chǎn)業(yè)

鋰離子電池的負(fù)極材料目前成熟應(yīng)用的主要是碳石墨材料，石墨是生產(chǎn)電動(dòng)汽車鋰離子電池負(fù)極材料的主要原料之一。石墨生產(chǎn)鋰離子電池負(fù)極材料，要經(jīng)過(guò)顆粒球化及表面包覆處理，使不規(guī)則的石墨微粒在氣流沖擊下相互碰撞，發(fā)生卷曲和包裹作用，使顆粒成為球形或近似球形，即通常所稱的球形石墨。

據(jù)業(yè)內(nèi)專家預(yù)測(cè)，在未來(lái)20年，石墨作為生產(chǎn)負(fù)極材料的主要原料，很難被其他材料替代。按照國(guó)家提出2020年電動(dòng)汽車數(shù)量占所有交通車輛10%的發(fā)展目標(biāo)，屆時(shí)，將會(huì)帶來(lái)總價(jià)值5 000億元的市場(chǎng)規(guī)模，將需要大量石墨用于生產(chǎn)鋰電池負(fù)極材料[5]。這為石墨產(chǎn)品提供了廣闊市場(chǎng)，未來(lái)電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展將成為石墨產(chǎn)業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

5 石墨資源的市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)

近年來(lái)，我國(guó)石墨產(chǎn)品每年的需求量接近70萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)2019—2025年，石墨增速將達(dá)到4.5%。2018年天然石墨需求量為39.9萬(wàn)噸，2020年天然石墨需求量將達(dá)到44萬(wàn)噸，2025年有望達(dá)到54萬(wàn)噸，這意味著未來(lái)的幾年天然石墨產(chǎn)品有約14萬(wàn)噸的需求增長(zhǎng)空間[6]。本項(xiàng)目如果正式投產(chǎn)，則可占增長(zhǎng)空間的35.7%。可以判斷該比例在合理范圍內(nèi)，不會(huì)造成天然石墨的過(guò)剩，預(yù)計(jì)未來(lái)市場(chǎng)行情及產(chǎn)品價(jià)格基本保持穩(wěn)定[7]。

6 結(jié)語(yǔ)

高新技術(shù)、戰(zhàn)略新興領(lǐng)域?qū)?huì)為石墨創(chuàng)造更廣闊的發(fā)展空間，特別是石墨烯的出現(xiàn)，為石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展開(kāi)拓了新的空間。坦桑尼亞礦石樣品的正目石墨（粒徑＞0.147mm）含量平均為91.65%，石墨最大粒徑超過(guò)2mm，以粗大鱗片狀石墨為主；且石墨鱗片越大，加工的石墨制品質(zhì)量越好、價(jià)值越高，因此該區(qū)市場(chǎng)前景非?？捎^。