【原创】战略性矿产——鳞片石墨产业那些事儿


来源:中国粉体网   平安

[导读]  鳞片石墨的资源储量、选矿提纯、贸易格局、消费需求

中国粉体网讯 石墨是一种碳质非金属矿物,属高性能晶体碳材料,具有优良的导热、导电、耐高低温、抗辐射、抗腐蚀、自润滑等性能,被广泛应用于冶金、机械、汽车、原子能、医药、军工、电池和航空航天等领域,已成为21世纪高、新、尖科技领域材料必不可少的原料之一。许多发达国家近些年将石墨列为本国的战略性矿产给予保护,为提高资源供应能力和开发利用水平,我国也在2016年12月将鳞片石墨(又称晶质石墨)等矿产列入战略性矿产目录。

石墨的分类

石墨的工艺特性主要取决于它的结晶形态,根据结晶形态的不同,工业上可将天然石墨分为致密结晶状石墨(块状石墨)、隐晶质石墨(土状石墨)和鳞片石墨三类。

块状石墨在自然界中比较罕见,是价值最高的石墨矿,其结晶状态最好,颗粒直径大于0.1mm,结晶肉眼可见,比表面积范围集中在0.1~1m2/g,呈致密的块状构造,固定碳含量为60%~65%,有时高达80%~90%,但其可塑性和滑腻性没有鳞片石墨好。

土状石墨的结晶状态最差,晶体直径小于1μm,比表面积主要分布于1~5 m2/g,是微晶石墨的集合体,只有在电子显微镜下才能见到完整的晶型,表面呈土状,缺乏光泽和润滑性,可浮性差,但品位较高,固定碳含量一般为60%~80%,少数可达90%以上。

鳞片石墨是自然界中可浮性最好的矿石之一,经过多次磨矿、多次选别可得到高品位的石墨精矿,该类矿石的可浮性、润滑性、可塑性等均优于其他类型石墨,因此其工业应用价值最大。



晶质石墨(图源:矿业网)


鳞片石墨的概况

鳞片石墨经高压变质而成,一般呈青灰色,风化呈黄褐色或灰白色,多产于麻岩、片岩、结晶石灰岩以及矽卡岩中,共生矿物较复杂,主要成分为片状结晶碳,伴有长石石英、黑云母、黄铁矿、磁黄铁矿、金红石等杂质矿物。




矿石中石墨为晶质鳞片状或叶片状,呈黑色或钢灰色,主要赋存在长石、石英或透辉石、透闪石颗粒之间,具有明显的定向排列,与层方向一致。鳞片石墨大多为天然显晶质石墨,呈层状结构,其形似鱼鳞状,属六方晶系,结晶状态较好,粒度直径为0.05~1.5μm,片厚0.02~0.05mm,最大鳞片可达4~5mm,石墨碳含量一般在2%~5%或10%~25%左右。

鳞片石墨的分类与应用

根据总石墨碳含量(Total Graphitic Carbon,TGC),鳞片石墨分为高纯石墨(TGC≥99.9%)、高碳石墨(TGC94.0%~99.9%)、中碳石墨(TGC 80.0%~94.0%)及低碳石墨(TGC≤50.0%~80.0%)四类。根据鳞片大小,鳞片石墨分为大鳞片石墨(>147µm)、小鳞片石墨(<147µm)。


鳞片石墨应用领域


鳞片石墨资源储量及产量

天然鳞片石墨矿床是世界上主要的石墨矿床类型,主要蕴藏在亚洲的中国和斯里兰卡,欧洲的乌克兰,非洲的莫桑比克、马达加斯加、坦桑尼亚以及南美洲的巴西等国,莫桑比克、坦桑尼亚、马达加斯加等国盛产(超)大鳞片石墨,具有较高的工业价值。



2020年全球天然鳞片石墨储量分布
(来源:U S Geological Survey.MINERAL COMMODITY SUMMARIES2021)


美国地质调查局(USGS)发布的《MINERAL COMMODITY SUMMARIES 2021》显示,截至2020年底,世界上已探明的天然鳞片石墨储为量2.3亿t,其中中国、巴西、马达加斯加、莫桑比克占比84%以上。

目前,天然鳞片石墨的主要生产国为中国、巴西和印度。2011—2016年,全球天然鳞片石墨的生产量保持稳定,维持在110~120万t/a。受一系列因素影响,2017年骤降至89.7万t;2018年慢慢回升至93万t;2019年由于莫桑比克天然鳞片石墨供应量提高,恢复到110万t。2020年,中国鳞片石墨产量为65万t,约占世界总产量的59%,是全球第一大生产国;莫桑比克鳞片石墨产量为12万t,占世界总产量的11%,成为第二大生产国。



2011−2020年全球天然鳞片石墨产量及变化情况
(来源:U S Geological Survey.MINERAL COMMODITY SUMMARIES2021)


鳞片石墨的选矿提纯

石墨的纯度决定其用途,随着石墨的应用范围不断拓宽,对其纯度的要求也越来越高。试验研究与工业实践表明,不同的提纯方法具有不同的优势和市场。

浮选法:鳞片石墨具有良好的天然可浮性,经浮选富集提纯后可得到固定碳含量大于90%的精矿产品。其浮选工艺具有特殊性,既要提高精矿的固定碳含量,又要提高大鳞片的产率,而原矿固定碳含量一般不高,约在3%~10%,工艺选矿比大,富集程度高,需经多段磨矿实现与脉石矿物的逐步解离,通常采用阶段磨矿阶段浮选工艺流程。探索鳞片石墨浮选中如何保护大鳞片,合理优化磨矿工艺及浮选工艺,提高大鳞片产率及精矿质量,是鳞片石墨选矿的主流发展趋势。

碱酸法:是目前应用较广泛、提纯效果相对理想的鳞片石墨的提纯方法,但该工艺能耗高、流程复杂、耗水量大。

氢氟酸法:提纯石墨效果显著,但氢氟酸有剧毒、严重污染环境,其使用受到限制。

氯化焙烧法:纯化石墨效果有限,且氯气有毒不利于健康和环保,对设备要求较高。

高温法:是实现超纯石墨生产的有效手段,但该法对原料和设备要求极高。

全球鳞片石墨贸易格局

目前,世界上天然鳞片石墨以中国、巴西、莫桑比克、马达加斯加等国家为主要出口国,以中国、美国、印度、日本、德国、加拿大等国家为主要进口国。中国既是天然鳞片石墨的主要出口国,也是主要进口国,是全球最大的石墨生产国和消费国之一,在全球石墨贸易市场地位举足轻重。

中国主要出口鳞片石墨原矿、低品位鳞片石墨等粗加工、低附加值的石墨产品,而美国、日本、德国等发达国家则主要出口氟化石墨、膨胀石墨、高纯石墨等深加工、高附加值的石墨产品。



2014−2020年世界主要天然石墨生产国产能/万t
(来源:U S Geological Survey.MINERAL COMMODITY SUMMARIES2021)


鳞片石墨的市场需求

目前,战略性新兴产业已经成为天然鳞片石墨需求增长的主要领域,其中锂离子电池负极材料是天然鳞片石墨应用最广泛的行业,而在传统的工业领域中,耐火材料行业仍会是鳞片石墨最主要的消费领域,而且在一段时间内需求量会相对稳定。



全球石墨消费分布领域
(来源:王政,全球鳞片石墨资源与消费预测)


中国拥有全球最大的石墨消费市场,目前每年平均消费石墨约100万t,行业年产值超过100亿元,其中,消费的鳞片石墨超过了1/2,约为50万~75万t,主要集中在钢铁和铸造业、耐火材料等传统产业领域,在战略性新兴产业领域占比还比较少。

目前,耐火材料行业依旧是石墨消费的重要领域。随着中国逐渐调整经济结构,天然鳞片石墨的应用领域明显转向新材料、新能源领域,包括航天军工及氟化石墨、超硬材料、核工业、锂离子电池、碱性电池等,大幅提升了石墨新应用领域的消费量,预计到2025年将超过40%。尤其是随着动力锂电池的广泛应用,加大了对鳞片石墨的需求。

参考来源:

王政:全球鳞片石墨资源与消费预测,采矿技术2021

张谦,等:鳞片石墨的提纯工艺研究现状与展望,昆明理工大学省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室

牛敏,等:鳞片石墨选矿工艺进展,中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所

(中国粉体网编辑整理/平安)

注:图片非商业用途,存在侵权告知删除!

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作者:平安

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