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綠泥石礦怎么識別開采

2017-12-04

鋁土礦實際上是指工業上能利用的,以三水鋁石、一水軟鋁石或一水硬鋁石為主要礦物所組成的礦石的統稱。它的應用領域有金屬和非金屬兩個方面。

鋁土礦是生產金屬鋁的最佳原料,也是最主要的應用領域,其用量占世界鋁土礦總產量的90%以上。

鋁土礦的非金屬用途主要是作耐火材料、研磨材料、化學制品及高鋁水泥的原料。鋁土礦在非金屬方面的用量所占比重雖小,但用途卻十分廣泛。例如:化學制品方面以硫酸鹽、三水合物及氯化鋁等產品可應用于造紙、凈化水、陶瓷及石油精煉方面;活性氧化鋁在化學、煉油、制藥工業上可作催化劑、觸媒載體及脫色、脫水、脫氣、脫酸、干燥等物理吸附劑;用r-Al2O3生產的氯化鋁可供染料、橡膠、醫藥、石油等有機合成應用;玻璃組成中有3%~5%Al2O3可提高熔點、粘度、強度;研磨材料是高級砂輪、拋光粉的主要原料;耐火材料是工業部門不可缺少的筑爐材料。


金屬鋁是世界上僅次于鋼鐵的第二重要金屬,1995年世界人均消費量達到3.29kg。由于鋁具有比重小、導電導熱性好、易于機械加工及其他許多優良性能,因而廣泛應用于國民經濟各部門。目前,全世界用鋁量最大的是建筑、交通運輸和包裝部門,占鋁總消費量的60%以上。鋁是電器工業、飛機制造工業、機械工業和民用器具不可缺少的原材料。

重點討論的是生產金屬鋁的鋁土礦及其礦床。至于作耐火粘土用的鋁土礦及其礦床見非金屬礦“耐火粘土”中討論。

一、礦物原料特點

鋁是地殼中分布最廣泛的元素之一,屬親石親氧元素。鋁在自然界中多成氧化物、氫氧化物和含氧的鋁硅酸鹽存在,極少發現鋁的自然金屬。

自然界已知的含鋁礦物有258種,其中常見的礦物約43種。實際上,由純礦物組成的鋁礦床是沒有的,一般都是共生分布,并混有雜質。從經濟和技術觀點出發,并不是所有的含鋁礦物都能成為工業原料。用于提煉金屬鋁的主要是由一水硬鋁石、一水軟鋁石或三水鋁石組成的鋁土礦。原蘇聯因缺乏鋁土礦資源,利用霞石和明礬石提煉氧化鋁。我國的硫磷鋁鍶礦可以綜合回收氧化鋁。

一水硬鋁石又名水鋁石,結構式和分子式分別為AlO(OH)和Al2O3·H2O。斜方晶系,結晶完好者呈柱狀、板狀、鱗片狀、針狀、棱狀等。礦石中的水鋁石一般均含有TiO2、SiO2、Fe2O3、Ga2O3、Nb2O5、Ta2O5、TR2O3等不同量類質同象混入物。水鋁石溶于酸和堿,但在常溫常壓下溶解甚弱,需在高溫高壓和強酸或強堿濃度下才能完全分解。一水硬鋁石形成于酸性介質,與一水軟鋁石、赤鐵礦、針鐵礦、高嶺石、綠泥石、黃鐵礦等共生。其水化可變成三水鋁石,脫水可變成α剛玉,可被高嶺石、黃鐵礦、菱鐵礦、綠泥石等交代。

一水軟鋁石又名勃姆石、軟水鋁石,結構式為AlO(OH),分子式為Al2O3·H2O。斜方晶系,結晶完好者呈菱形體、棱面狀、棱狀、針狀、纖維狀和六角板狀。礦石中的一水軟鋁石常含Fe2O3、TiO2、Cr2O、Ga2O3等類質同象。一水軟鋁石可溶于酸和堿。該礦物形成于酸性介質,主要產在沉積鋁土礦中,其特征是與菱鐵礦共生。它可被一水硬鋁石、三水鋁石、高嶺石等交代,脫水可轉變成一水硬鋁石和α剛玉,水化可變成三水鋁石。


三水鋁石又名水鋁氧石、氫氧鋁石,結構式Al(OH),分子式為Al2O3·3H2O。單斜晶系,結晶完好者呈六角板狀、棱鏡狀,常有呈細晶狀集合體或雙晶,礦石中三水鋁石多呈不規則狀集合體,均含有不同量的TiO2、SiO2、Fe2O3、Nb2O5、Ta2O5、Ga2O3等類質同象或機械混入物。三水鋁石溶于酸和堿,其粉末加熱到100℃經2h即可完全溶解。該礦物形成于酸性介質,在風化殼礦床中三水鋁石是原生礦物,也是主要礦石礦物,與高嶺石、針鐵礦、赤鐵礦、伊利石等共生。三水鋁石脫水可變成一水軟鋁石、一水硬鋁石和α剛玉,可被高嶺石、多水高嶺石等交代。


鋁土礦的化學成分主要為Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2、H2O+,五者總量占成分的95%以上,一般>98%,次要成分有S、CaO、MgO、K2O、Na2O、CO2、MnO2、有機質、碳質等,微量成分有Ga、Ge、Nb、Ta、TR、Co、Zr、V、P、Cr、Ni等。Al2O3主要賦存于鋁礦物——水鋁石、一水軟鋁石、三水鋁石中,其次賦存于硅礦物中(主要是高嶺石類礦物)。


在內生條件下,由于有二氧化硅的廣泛存在,Al2O3與SiO2常緊密結合成各類鋁硅酸礦物,這些礦物一般鋁硅比小于1,而工業上對鋁礦石一般要求Al2O3≥40%,Al/Si>1.8~2.6,因此內生條件下很少形成工業鋁礦床。


目前,已知的國內外工業鋁土礦多是在表生條件下形成的。在表生條件下鋁土礦的生成主要有兩種形式:即風化-殘積(余)成礦(紅土成礦)和風化-搬運-沉積成礦或風化-改造-再沉積成礦(沉積成礦)。風化-殘積(余)成礦是含鋁母巖在濕熱氣候條件下,具排泄良好的有利地形(如殘丘、低山和臺地),由于水、CO2和生物等的風化分解作用,母巖中易溶物質K、Na、Ca、Mg和SiO2被淋失排出,活動性小的物質Al、Fe、Ti殘留原地形成紅土型鋁土礦。風化-搬運-沉積成礦是含鋁巖石、紅土風化殼或已形成的紅土礦床,在重力、水和自然酸(硫酸、碳酸、有機酸)等作用下,經機械的或化學的風化、剝蝕、搬運等物理、化學改造作用,于山坡凹地、谷地、近海湖盆地或濱海潟湖、局限海盆內形成鋁土礦,在水介質環境中形成沉積鋁土礦。


鋁土礦礦石含有鎵、釩、鈮、鉭、鈦、鈰及放射性元素等有用組分,這些有價值的伴生組分可綜合回收。而礦石中的硫、CO2、MgO、P2O5則是有害組分,不利于鋁的冶煉回收。


鋁土礦礦石根據其所含的主要含鋁礦物分為:三水鋁石型、一水軟鋁石型和一水硬鋁石型。國外鋁土礦礦石主要是三水鋁石型,次為一水軟鋁石型,而一水硬鋁石型鋁土礦極少。但我國則主要是一水硬鋁石型鋁土礦,三水鋁石型鋁土礦極少。


國外的三水鋁石型鋁土礦具高鋁、低硅、高鐵的特點,礦石質量好,適合耗能低的拜耳法處理。我國的一水硬鋁石型鋁土礦,總體特征是高鋁、高硅、低硫低鐵、中低鋁硅比,礦石質量差,加工難度大,氧化鋁生產多用耗能高的聯合法。


二、用途與技術經濟指標


鋁土礦礦石用途多樣,其中最重要的用途是:鋁工業中提煉金屬鋁、作耐火材料和研磨材料,以及用作高鋁水泥原料。礦石用途不同,其質量要求各異。表3.9.1是中國有色金屬工業總公司1994年發布的鋁土礦石的行業標準(YS/T78-94)。按照該標準將鋁土礦分成沉積型一水硬鋁石、堆積型一水硬鋁石及紅土型三水鋁石三大類型,并按化學成分分為LK12-70、LK8-65、LK5-60、LK3-53、LK15-60、LK11-55、LK8-50、LK7-50、LK3-40等九個牌號。該標準除了對鋁土礦的化學成分作出了規定外,還要求沉積型一水硬鋁石的水分不得大于7%,堆積型一水硬鋁石和紅土型三水鋁石的水分不得大于8%。此外要求鋁土礦石的粒度不得大于150mm。鋁土礦石不得混入泥土、石灰巖等雜物。


工業上提取金屬鋁是先從鋁土礦中提取氧化鋁,然后氧化鋁經電解成為金屬鋁。根據我國生產實踐經驗,不同氧化鋁生產方法對礦石質量的要求還有所不同,其一般要求是:


1)燒結法:適于處理含硅較高的低品級礦石,要求Al2O3/SiO2為3~5(或3.5左右),Fe2O3<10%。


2)拜耳法:適于處理含Al2O3高、SiO2低的富礦,一般要求Al2O3>65%,Al2O3/SiO2>7。氧化鐵在拜耳法流程中不與堿起反應,只是鐵高赤泥量大,赤泥洗滌復雜,易造成堿和氧化鋁的機械損失,但不宜有鋁針鐵礦。


3)聯合法:適于處理中等品位的鋁土礦,我國主要用混聯法,即在拜耳法的赤泥中添加部分低品級礦石提高燒結法的鋁硅比,一般要求Al2O3>60%,Al2O3/SiO2為5~7,Fe2O3<10%。對氧化鋁生產而言,硫是很有害的雜質,均不宜采用高硫礦石。


用作研磨材料的鋁土礦,要求含Al2O3高、鐵和鈦低,一般要求Al2O3≥70%,Fe2O3≤5%,TiO2≤4.5%,CaO+MgO≤1.0%,Al2O3/SiO2≥12。


作高鋁水泥原料的鋁土礦石必須:Fe2O3<2.5%,TiO2<3.5%,R2O(一價金屬氧化物)<1.0%,MgO<1.0%。


三、礦業簡史


鋁元素是在1825年由丹麥物理學家H.C.奧爾斯德(H.C.Oersted)使用鉀汞齊與氯化鋁交互作用獲得鋁汞齊,然后用蒸餾法除去汞,第一次制得金屬鋁而發現的。


金屬鋁的生產,初期是化學法。即1854年法國科學家H.仙克列爾戴維里(H.Sainte Claire Diwill)創立的鈉法化學法和1865年俄國物理化學家H.H.別凱托夫(Н.Н.Бекетов)創立的鎂法化學法。法國于1855年采用化學法開始工業生產,是世界最早生產鋁的國家。


鋁土礦的發現(1821年)早于鋁元素,當時誤認為是一種新礦物。從鋁土礦生產鋁,首先需制取氧化鋁,然后再電解制取鋁。鋁土礦的開采始于1873年的法國,從鋁土礦生產氧化鋁始于1894年,采用的是拜耳法,生產規模僅每日1t多。


到了1900年,法國、意大利和美國等國家有少量鋁土礦開采,年產量才不過9萬t。隨著現代工業的發展,鋁作為金屬和合金應用到航空和軍事工業,隨后又擴大到民用工業,從此鋁工業得到了迅猛發展,到1950年,全世界金屬鋁產量已經達到了151萬t,1996年增至2092萬t,成為僅次于鋼鐵的第二重要金屬。


我國鋁土礦的普查找礦工作最早始于1924年,當時由日本人板本峻雄等對遼寧省遼陽、山東省煙臺地區的礬土頁巖進行了地質調查。此后,日本人小貫義男等人,以及我國學者王竹泉、謝家榮、陳鴻程等先后對山東淄博地區、河北唐山和開灤地區,山西太原、西山和陽泉地區,遼寧本溪和復州灣地區的鋁土礦和礬土頁巖進行了專門的地質調查。我國南方鋁土礦的調查始于1940年,首先是邊兆祥對云南昆明板橋鎮附近的鋁土礦進行了調查。隨后,1942~1945年,彭琪瑞、謝家榮、樂森王尋等人,先后對云、貴、川等地鋁土礦、高鋁粘土礦進行了地質調查和系統采樣工作。總起來說,新中國成立以前的工作多屬一般性的踏勘和調查研究性質。


鋁土礦真正的地質勘探工作是從新中國成立后開始的。1953~1955年間,冶金部和地質部的地質隊伍先后對山東淄博鋁土礦、河南鞏縣小關一帶鋁土礦(如竹林溝、茶店、水頭及鐘嶺等礦區)、貴州黔中一帶鋁土礦(如林夕、小山壩、燕垅等礦區)、山西陽泉白家莊礦區,等等,進行了地質勘探工作。但是,當時由于缺少鋁土礦的勘探經驗,沒有結合中國鋁土礦的實際情況而盲目套用原蘇聯的鋁土礦規范,致使1960~1962年復審時,大部分地質勘探報告都被降了級,儲量也一下減少了許多。1958年以后,我國對鋁土礦的勘探積累了一定的經驗,在大搞銅鋁普查的基礎上,又發現和勘探了不少礦區,其中比較重要的有:河南張窯院、廣西平果、山西孝義克俄、福建漳浦、海南蓬萊,等等鋁土礦礦區。


我國鋁土礦的開采最早始于1911年,當時日本人首先對我國遼寧省復州灣鋁礬土礦進行開采,隨后1925~1941年又對我國遼寧省遼陽、山東煙臺礦區A、G兩層鋁土礦進行開采,以上開采多用作耐火材料。1941~1943年日本人對我國山東省淄博鋁土礦湖田和灃水礦區的田莊、紅土坡礦段進行了開采,礦石作為煉鋁原料。后來臺灣鋁業公司也曾進行過小規模開采供煉鋁用。


我國鋁土礦大規模開發利用是從新中國以后開始的。1954年首先恢復以前日本人曾小規模開采過的山東灃水礦山。1958年以后在山東、河南、貴州等省先后建設了501、502、503三大鋁廠,為了滿足這三大鋁廠對鋁土礦的需求,在山東、河南、山西、貴州等省建成了張店鋁礦、小關鋁礦、洛陽鋁礦、修文鋁礦、清鎮鋁礦、陽泉鋁礦等鋁礦原料基地。


進入80年代,特別是1983年中國有色金屬工業總公司成立以后,我國鋁土礦的地質勘探和鋁工業得到了迅速發展,新建和擴建了以山西鋁廠、中州鋁廠為代表的一批大型鋁廠,使我國原鋁產量由1954年的不足2000t,發展到了現在的187萬t。建立了從地質、礦山到冶煉加工一整套完整的鋁工業體系,鋁金屬及其加工產品基本可滿足我國經濟建設的需要。


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