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铝土矿

铝土矿(Bauxite)实际上是指工业上能利用的,以三水铝石、一水铝石为主要矿物所组成的矿石的统称。铝土矿是生产金属的最佳原料,也是最主要的应用领域,其用量占世界铝土矿总产量的90-以上。

铝土矿的应用领域有金属和非金属两个方面,是生产金属铝的最佳原料,也是最主要的应用领域,其用量占世界铝土矿总产量的90-以上。铝土矿在非金属方面的用量所占比重虽小,但用途却十分广泛。

铝土矿的非金属用途主要是作耐火材料研磨材料、化学制品及高铝水泥的原料。铝土矿在非金属方面的用量所占比重虽小,但用途却十分广泛。例如:化学制品方面以硫酸盐、三水合物及氯化铝等产品可应用于造纸、净化水、陶瓷及石油精炼方面;活性氧化铝在化学、炼油、制药工业上可作催化剂、触媒载体及脱色、脱水、脱气脱酸、干燥等物理吸附剂;用r-Al2O3生产的氯化铝可供染料、橡胶、医药、石油等有机合成应用;玻璃组成中有3-~5-Al2O3可提高熔点、粘度、强度;研磨材料是高级砂轮抛光粉的主要原料;耐火材料是工业部门不可缺少的筑炉材料。

金属铝是世界上仅次于钢铁的第二重要金属,1995年世界人均消费量达到3.29kg。由于铝具有比重小、导电导热性好、易于机械加工及其他许多优良性能,因而广泛应用于国民经济各部门。全世界用铝量最大的是建筑、交通运输和包装部门,占铝总消费量的60-以上。铝是电器工业、飞机制造工业、机械工业和民用器具不可缺少的原材料。

三水铝石(Gibbsite)Al(OH)3三水铝石是氢氧化物结晶水合物,在铝土矿中它是主要的成分。三水铝石的晶体极细小,晶体聚集在一起成结核状、豆状或土状,一般为白色,有玻璃光泽,如果含有杂质则发红色。它们主要是长石等含铝矿物风化后产生的次生矿物。 化学组成为Al(OH)3晶体属单斜晶系P21/n空间群氢氧化物矿物。与拜三水铝石(bayerite)和诺三水铝石(nordstrandite)成同质多象。旧称三水铝矿或水铝氧石。以矿物收藏家C.G.吉布斯(Gibbs)的姓于1822年命名。晶体结构水镁石相似,由夹心饼干式的(OH)-Al-(OH)配位八面体层平行叠置而成只是Al3+不占满夹层中的全部八面体空隙,仅占据其中的2/3。三水铝石的晶体一般极为细小,呈假六方片状,并常成双晶,通常以结核状豆状土状集合体产出。白色,或因杂质染色而呈淡红至红色。玻璃光泽解理面显珍珠光泽。底面解理极完全。摩斯硬度2.5~3.5比重2.40。三水铝石主要是长石等含铝矿物化学风化的次生产物是红土型铝土矿的主要矿物成分。但也可为低温热液成因。俄罗斯南乌拉尔的兹拉托乌斯托夫斯克的热液脉中产出有达5厘米大小的晶体。

铝土矿(晶体化学)理论组成(wB-):Al2O365.4,H2O34.6。常见类质同像替代有Fe和Ga,Fe2O3可达2-,Ga2O3可达0.006-。此外,常含杂质CaO、MgO、SiO2等。

单斜晶系:a0=0.864nm,b0=0.507nm,c0=0.972nm;Z=8。晶体结构与水镁石相似,属典型的层状结构。不同者是Al3仅充填由OH-呈六方最紧密堆积层(∥(001))相间的两层OH-中2/3的八面体空隙,因为Al3具有比Mg2高的电荷,故以较少的Al3数即可平衡OH-的电荷。

斜方柱晶类:C2h-2/m(L2PC)。晶体呈假六方板状,极少见。主要单形:平行双面a、c,斜方柱m。常依(100)和(110)成双晶。常见聚片双晶。集合体呈放射纤维状、鳞片状、皮壳状、钟乳状或鲕状、豆状、球粒状结核或呈细粒土状块体。主要呈胶态非晶质或细粒晶质。

物理性质:白色或因杂质呈浅灰、浅绿、浅红色调。玻璃光泽,解理面珍珠光泽。透明至半透明。解理极完全。硬度2.5~3.5。相对密度2.30~2.43。具泥土臭味。偏光镜下,无色。二轴晶。Ng=1.587,Nm=Np=1.566。

产状与组合:主要由含铝硅酸盐经分解和水解而成。热带和亚热带气候有利于三水铝石的形成。在区域变质作用中,经脱水可转变为软水铝石硬水铝石(140~200℃);随着变质程度的增高,可转变为刚玉

中国铝土矿除了分布集中外,以大、中型矿床居多。储量大于2000万t的大型矿床共有31个,其拥有的储量占全国总储量的49-;储量在2000~500万吨之间的中型矿床共有83个,其拥有的储量占全国总储量的37-,大、中型矿床合计占到了86-。中国铝土矿的质量比较差,加工困难、耗能大的一水硬铝石型矿石占全国总储量的98-以上。在保有储量中,一级矿石(Al2O360-~70-,Al/Si≥12)只占1.5-,二级矿石(Al2O351-~71-,Al/Si≥9)占17-,三级矿石(Al2O362-~69-,Al/Si≥7)占11.3-,四级矿石(Al2O3>62-,Al/Si≥5)占27.9-,五级矿石(Al2O3>58-,Al/Si≥4)占18-,六级矿石(Al2O3>54-,Al/Si≥3)占8.3-,七级矿石(Al2O3>48-,Al/Si≥6)占1.5-,其余为品级不明的矿石。

中国铝土矿的另一个不利因素是适合露采的铝土矿矿床不多,据统计只占全国总储量的34-。与国外红土型铝土矿不同的是,中国古风化壳型铝土矿常共生和伴生有多种矿产。在铝土矿分布区,上覆岩层常产有工业煤层和优质石灰岩。在含矿岩系中共生有半软质粘土、硬质粘土、铁矿和硫铁矿。铝土矿矿石中还伴生有、稀土金属、、钽、钛、钪等多种有用元素。在有些地区,上述共生矿产往往和铝土矿在一起构成具有工业价值的矿床。铝土矿中的镓、钒、钪等也都具有回收价值。

中国铝土矿,地质工作程度比较高,截至1994年底,中国铝土矿保有储量中属于勘探阶段的占32.5-,属于详查阶段的占55.8-,两者合计,详查以上工作程度的储量占全国总保有储量的88.3-。

铝元素是在1825年由丹麦物理学家H.C.奥尔斯德(H.C.Oersted)使用钾汞齐与氯化铝交互作用获得铝汞齐,然后用蒸馏法除去汞,第一次制得金属铝而发现的。金属铝的生产,初期是化学法。即1854年法国科学家H.仙克列尔戴维里(H.SainteClaireDiwill)创立的钠法化学法和1865年俄国物理化学家H.H.别凯托夫(Н。Н.Бекетов)创立的镁法化学法。法国于1855年采用化学法开始工业生产,是世界最早生产铝的国家。铝土矿的发现(1821年)早于铝元素,当时误认为是一种新矿物。从铝土矿生产铝,首先需制取氧化铝,然后再电解制取铝。铝土矿的开采始于1873年的法国,从铝土矿生产氧化铝始于1894年,采用的是拜耳法,生产规模仅每日1t多。到了1900年,法国、意大利和美国等国家有少量铝土矿开采,年产量才不过9万吨。随着现代工业的发展,铝作为金属和合金应用到航空和军事工业,随后又扩大到民用工业,从此铝工业得到了迅猛发展,到1950年,全世界金属铝产量已经达到了151万吨,1996年增至2092万吨,成为仅次于钢铁的第二重要金属。

按照廖士范等人的意见,中国铝土矿矿床可分为古风化壳型铝土矿矿床和红土型铝土矿矿床。

中国古风化壳型铝土矿矿床的形成经历了三个阶段。第一阶段是陆生阶段,是在大气条件下由风化作用形成含有铝土矿矿物、粘土矿物氧化铁矿物等的残、坡积富铝风化壳物质,例如钙红土层、红土层或红土铝土矿,此阶段为大气条件下原地残积、堆积或异地堆积阶段;第二阶段是富铝钙红土层、红土层或红土铝土矿为海水(或湖水)淹没阶段,有的立即为海水(或湖水)淹没,有的则经过一定时间的岩化作用以后才为海水(或湖水)淹没,逐渐深埋地下,经过一段时期的成岩后生作用演变改造后形成原始铝土矿层;第三阶段是表生富集阶段,是原始铝土矿层随地壳抬升到地表浅部后由于地表水或地下水的改造作用,使硅质淋失、铝质富集,形成品位较富的有工业价值的铝土矿矿床。中国古风化壳型铝土矿主要形成于石炭纪。本类型铝土矿矿床的形成,都与侵蚀间断面的古风化壳有关。一般来说,侵蚀间断时期长的,特别是下伏基岩碳酸盐岩或含铝质多也较易风化的基性喷出岩(例如玄武岩),所形成的矿床往往矿石品位富,矿层厚,矿体规模大。

至于红土型铝土矿矿床,一般认为是现代气候条件下由含铝岩石经风化作用形成的。红土型铝土矿矿床只有一个亚类,称漳浦式红土型铝土矿床,是第三纪第四纪玄武岩经过近代(第四纪)风化作用形成的铝土矿床,其储量很少,仅占中国铝土矿总储量的1.17-。中国现代红土型铝土矿主要形成在低纬度地区,如福建、海南及广东一些地区。这些地区天气炎热、雨量充沛,又有易于风化的玄武岩,故能形成现代红土型铝土矿。至于中国的南沙群岛中沙群岛虽然也在低纬度,有形成铝土矿的气候,但这些岛屿上升为陆的时间不长,仅1~3万年,经受风化作用的时间短,故难以形成铝土矿矿床。

(1)修文式碳酸盐岩古风化壳异地堆积亚型铝土矿矿床,又称碳酸盐岩古风化壳异地堆积亚型铝土矿矿床。其成因与碳酸盐岩喀斯特红土化古风化壳有关。又由于铝土矿与下伏碳酸盐岩基岩之间有数米厚的湖相铁矿扁豆体沉积,铝土矿不是原地堆积的,而是这个已接近干枯的湖泊附近的红土化风化壳异地迁移来堆积成的。该类矿床以贵州修文县小山坝铝土矿矿床较为典型。由于下伏基岩是碳酸盐岩,因此由风化作用形成的是富铝钙红土残坡积层,一般说侵蚀间断时间越长,即风化作用时间越长,由风化作用形成的残坡积富铝钙红土层越多、越厚,生成的铝土矿物越多,粘土矿物越少,矿石品位越富,矿层厚度也越大。

(2)新安式碳酸盐古风化壳原地堆积亚型铝土矿矿床,又称碳酸盐岩古风化壳原地堆积亚型铝土矿床,以河南新安张窑院铝土矿床较为典型。这类矿床的铝土矿直接覆在碳酸盐岩的喀斯特侵蚀面上,是原地堆积的,许多情况下是堆积在喀斯特溶洞、溶斗中,矿体不长(几百m),但厚度较大(40~60m)。如果侵蚀间断时间短暂,一般只形成钙红土残积层,略有迁移搬运现象,这种矿石质量虽然稍贫,但矿层稳定,厚度变化小。

(3)平果式碳酸盐岩古风化壳原地堆积-现代喀斯特堆积亚型铝土矿矿床。又称碳酸盐古风化壳原地堆积-近代喀斯特堆积亚型铝土矿床。该矿床的层状矿之上覆及下伏基岩数百米厚度范围以内均为石灰岩,经过第四纪喀斯特化,石灰岩、铝土矿石再风化成钙红土及铝土矿石碎块坠落成堆积矿石。这类堆积矿的形成条件主要是:有一定规模的层状矿、有适宜的气候条件、矿层上下要有较厚的石灰岩,以及矿层直接顶、底板粘土页岩较薄。

(4)遵义式铝硅酸盐岩古风化壳原地堆积亚型铝土矿矿床。又称铝硅酸盐古风化壳原地堆积亚型铝土矿床,下伏基岩是细碎屑岩或基性火山岩,是下伏基岩红土化风化壳原地堆积(少数坡积)的铝土矿床。这类矿床的成矿规律是:首先与下伏基岩有过渡现象,与上覆地层有侵蚀间断面,因此厚度变化大,无矿天窗较多;其次,矿层厚度及矿体规模大小、矿石品位贫富,取决于成矿时侵蚀间断时间的长短及下伏基岩的性质是否容易风化。如果侵蚀间断时间长,被侵蚀风化的下伏基岩多数是细碎屑岩、粘土页岩,只有一部分是碳酸盐岩,往往矿层厚、规模大、矿石品质佳,但随之无矿天窗增多。如果被侵蚀风化的下伏基岩是较易风化的玄武岩,则矿层厚度及矿体规模可能较大,矿石也可能较富。如果下伏基岩虽然是较易风化的玄武岩,但成矿时侵蚀间断时间过于短暂,风化作用不彻底,则矿层厚度、矿体规模及矿石品质均难符合理想。

铝土矿矿石用途多样:

(1)炼铝工业。用于国防、航空、汽车、电器、化工、日常生活用品等。

(2)精密铸造。矾土熟料加工成细粉做成铸模后精铸。用于军工、航天、通讯、仪表、机械及医疗器械部门。(3)用于耐火制品。高铝矾土熟料耐火度高达1780℃,化学稳定性强、物理性能良好。

(4)硅酸铝耐火纤维。具有重量轻,耐高温,热稳定性好,导热率低,热容小和耐机械震动等优点。用于钢铁、有色冶金、电子、石油、化工、宇航、原子能、国防等多种工业。它是把高铝熟料放进融化温度约为2000~2200℃的高温电弧炉中,经高温熔化、高压高速空气或蒸汽喷吹、冷却,就成了洁白的“棉花硅酸铝耐火纤维。它可压成纤维毯、板或织成布代替冶炼、化工、玻璃等工业高温窑炉内衬的耐火砖。消防人员可用耐火纤维布做成衣服。

(5)以镁砂和矾土熟料为原料,加入适当结合剂,用于浇注盛钢桶整体桶衬效果甚佳。

(6)制造矾土水泥,研磨材料,陶瓷工业以及化学工业可制铝的各种化合物。

其中最重要的用途是:铝工业中提炼金属铝、作耐火材料和研磨材料,以及用作高铝水泥原料。矿石用途不同,其质量要求各异。中国有色金属工业总公司1994年发布的铝土矿石的行业标准(YS/T78-94)。按照该标准将铝土矿分成沉积型一水硬铝石、堆积型一水硬铝石及红土型三水铝石三大类型,并按化学成分分为LK12-70、LK8-65、LK5-60、LK3-53、LK15-60、LK11-55、LK8-50、LK7-50、LK3-40等九个牌号。该标准除了对铝土矿的化学成分作出了规定外,还要求沉积型一水硬铝石的水分不得大于7-,堆积型一水硬铝石和红土型三水铝石的水分不得大于8-。此外要求铝土矿石的粒度不得大于150mm。铝土矿石不得混入泥土、石灰岩等杂物。

基本类型

亚类型

主要分布地区

一水型铝土矿

1)水铝石-高岭石型(D-K型)

山西、山东、河北、河南、贵州

一水型铝土矿

2)水铝石-叶蜡石型(D-P型)

河南

一水型铝土矿

3)勃姆石-高岭石型(B-K型)

山东、山西

一水型铝土矿

4)水铝石-伊利石型(D-I型)

河南

一水型铝土矿

5)水铝石-高岭石-金红石(D-K-R型)

四川

三水型铝土矿

三水铝石型(G型)

福建、广西

修文小山坝铝土矿矿区1957年开始勘探,累计探明铝土矿2026.4万吨,矿石平均品位为67.91-。1979年五龙寺矿区开始投产,矿层呈似层状,产状平缓,倾角5°~10°,向北东倾斜。

最早1960年对克俄铝土矿床克俄矿段进行勘探,随后又对卜家峪等矿段进行了勘探,共累计探明铝土矿6265.6万吨,矿石平均品位为64.36-。1986年山西铝厂开始对孝义铝土矿进行开采。矿石类型有致密状、粗糙状和豆鲕状三种。

该矿床1961~1964年以耐火粘土矿进行勘探,1966年开始投产。累计探明铝土矿949.7万吨。含矿层的地质时代与山西孝义克俄矿床的时代相同,均属晚石炭世本溪期。

该矿区面积有1750km2,在层状矿体分布132km长的范围内均有堆积矿石。最早1959~1961年对原生矿进行勘探。因原生矿含硫高不能利用,1974年转对堆积矿进行勘探,前后一共累计探明铝土矿储量达12609.8万t,平均品位64.69-。由于层状矿石含硫太高(1.5-~7-),工业尚难利用。

该矿1989年进行勘探,探明储量达1112万吨,矿石平均品位为53.62-。矿层产出形状复杂,无矿天窗多,含矿系数较小,约0.5左右。这些岩层原地红土化剥蚀成铝土物质、粘土矿物等风化壳物质于原地堆积,少部分是附近的风化壳铝土矿物、粘土矿物由于坡积的作用略有迁移堆积而成。

该矿床是现代红土型铝土矿矿床,1959~1961年进行普查勘探,1975年对罗本5、6号等9个矿体又进行了勘探,共累计探明铝土矿储量达2190.6万吨,平均品位44.4-。铝土矿分布在平缓山丘的山顶上,海拔高程约30~60m,为第三纪到第四纪的玄武岩风化红土型三水铝石铝土矿矿床。

王村铝土矿位于淄博盆地的西北部。1956年对其进行详查,1964~1965年进行初勘和详勘工作。1958年开始露采,1967年结束。1965年作开拓基建,1966年投产。该矿累计探明铝土矿294.5万吨,为一小型矿床。

贵州是中国铝土矿的主要产区,储量约占全国的1/5,其中,清镇、修文两地的铝土矿储量最多、品位最高。铝土矿加工后可用于制造水泥、耐火材料,还可以用于铝工业、有色金属冶炼和磨料磨具工业等。

该铝土采掘及深加工基地依靠的清镇麦格矿山,系贵阳耐火材料厂的矿山。2007年6月,深圳一公司成功收购政策性破产企业贵阳耐火材料厂整体财产。按照“盘活存量、优化增量”的原则,该公司已投入近两亿元对清镇麦格矿山进行开发。预计到2009年底,该公司在贵州将形成综合生产能力40.4万吨/年的产能,可实现销售收入3.1亿元,进而成为中国长江以南及中西南地区最大的耐火材料精加工企业。

贵阳耐火材料厂位于清镇市麦格乡的铝土采掘及深加工基地开工建设。建设3条年产6万吨高铝熟料回转窑生产线,成为贵州省最大的铝土深加工基地。贵州有望成为中国最大的铝土矿深加工基地。

中国铝土矿的普查找矿工作最早始于1924年,当时由日本人板本峻雄等对辽宁省辽阳、山东省烟台地区的矾土页岩进行了地质调查。此后,日本人小贯义男等人,以及中国学者王竹泉谢家荣陈鸿程等先后对山东淄博地区、河北唐山和开滦地区,山西太原、西山和阳泉地区,辽宁本溪和复州湾地区的铝土矿和矾土页岩进行了专门的地质调查。中国南方铝土矿的调查始于1940年,首先是边兆祥对云南昆明板桥镇附近的铝土矿进行了调查。随后,1942~1945年,彭琪瑞、谢家荣、乐森王寻等人,先后对云、贵、川等地铝土矿、高铝粘土矿进行了地质调查和系统采样工作。总起来说,新中国成立以前的工作多属一般性的踏勘和调查研究性质。

铝土矿真正的地质勘探工作是从新中国成立后开始的。1953~1955年间,冶金部和地质部的地质队伍先后对山东淄博铝土矿、河南巩县小关一带铝土矿(如竹林沟、茶店、水头及钟岭等矿区)、贵州黔一带铝土矿(如林夕、小山坝、燕垅等矿区)、山西阳泉白家庄矿区,等等,进行了地质勘探工作。但是,由于缺少铝土矿的勘探经验,没有结合中国铝土矿的实际情况而盲目套用原苏联的铝土矿规范,致使1960~1962年复审时,大部分地质勘探报告都被降了级,储量也一下减少了许多。1958年以后,中国对铝土矿的勘探积累了一定的经验,在大搞铜铝普查的基础上,又发现和勘探了不少矿区,其比较重要的有:河南张窑院、广西平果、山西孝义克俄、福建漳浦、海南蓬莱等等铝土矿矿区。

中国铝土矿的开采最早始于1911年,当时日本人首先对中国辽宁省复州湾铝矾土矿进行开采,随后1925~1941年又对辽宁省辽阳、山东烟台矿区A、G两层铝土矿进行开采,以上开采多用作耐火材料。1941~1943年日本人对山东省淄博铝土矿湖田和沣水矿区的田庄、红土坡矿段进行了开采,矿石作为炼铝原料。后来台湾铝业公司也曾进行过小规模开采供炼铝用。

中国铝土矿大规模开发利用是从新国以后开始的。1954年首先恢复以前日本人曾小规模开采过的山东沣水矿山。1958年以后在山东、河南、贵州等省先后建设了501、502、503三大铝厂,为了满足这三大铝厂对铝土矿的需求,在山东、河南、山西、贵州等省建成了张店铝矿、小关铝矿、洛阳铝矿、修文铝矿、清镇铝矿、阳泉铝矿等铝矿原料基地。

进入20世纪80年代,特别是1983年国有色金属工业总公司成立以后,中国铝土矿的地质勘探和铝工业得到了迅速发展,新建和扩建了以山西铝厂、贵州铝厂为代表的一批大型铝厂,使原铝产量由1954年的不足2000吨,发展到了90年代的187万吨。建立了从地质、矿山到冶炼加工一整套完整的铝工业体系,铝金属及其加工产品基本可满足中国经济建设的需要。

据美国矿业局《MineralCommoditySummaries》1996年资料,全世界铝土矿储量为230亿t,储量基础为280亿t,其中铝土矿资源比较丰富的国家有:澳大利亚(储量基础79亿t)、几内亚(储量基础59亿t)、巴西(储量基础29亿t)、牙买加(储量基础20亿t)、印度(储量基础12亿t)、匈牙利(储量基础9亿t)。中国铝土矿的数量和质量都不及上述国家,如以A+B+C级储量(工业储量)和这些国家的储量基础相比,远在它们之后。

整体上来看,中国铝土矿资源较为丰富,铝土矿保有基础储量在世界上居第七位,储量在世界上居第八位。截至到2006年保有的资源储量为27.76亿吨,其中储量5.42亿吨,基础储量7.42亿吨,资源量20.35亿吨,主要分布在山西、河南、广西、贵州4省区,其资源储量占全国的90.9-,其中山西占41.6-、贵州占17.1-、河南16.7-、广西占15.5-。另外,重庆、山东、云南、河北、四川、海南等15个省市也有一定的资源储量,但其合量仅占中国的9.1-。

1995年中国总共产铝土矿矿石640万t,除了有色系统的国有矿山企业外,中国乡镇集体矿山企业和个体采矿点也大量开采铝土矿,但其产量不稳定。中国氧化铝和铝金属的产量增长很快。1996年分别达到254.62万t和190.07万t,与1985年相比增长了近2.5倍和4倍。铝材的产量增长得更快,1985年才31.00万t,1996年增加到162.01万t,增长35倍多(表3.9.10)。

铝土矿主要用于氧化铝工业和高铝熟料行业等,2003年二者的用量几乎相等。根据2003年主要省区铝土矿产量中用于氧化铝的比例,可以估算出铝土矿资源储量中可用于氧化铝工业的资源储量。

此外,考虑到氧化铝的最佳承载能力必须立足于现实,即必须考虑高铝熟料等行业对铝土矿的需求。因此以铝土矿资源部分用于氧化铝生产的承载能力来评估各省氧化铝的生产规模比较合适。随着中国电解铝规模的过度扩张,氧化铝供应短缺矛盾日益突出,进口猛增,价格大幅上涨,产品利润剧增。在经济利益驱动下,河南、山西等部分拥有铝土矿资源的省份掀起了地方建设氧化铝企业的热潮,据统计,河南、山西、山东等地都在大上氧化铝厂,在建和拟建的项目有29处之多,规划总规模达超过2000万吨/年,加上现有氧化铝生产规模总规模超过了3000万吨/年。

图片描述:此图为中国漳浦东吴山的铝土矿卵石(Bauxite scree)的标本照片。黄褐色,隐晶质结构,蜂窝状构造。主演矿物组成为铝土矿。保存单位:中国地质博物馆。

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