1.1.1铝土矿的化学组成与矿物组成

铝元素在自然界中分布极广,地壳中铝的含量约为7.3%,仅次于氧和硅,居第三位。而在各种金属元素中,铝的含量居首位。铝的化学性质活泼,在自然界仅以化合物状态存在。地壳中含铝矿物总计有250多种,其中主要的是铝硅酸盐化合物,如高岭土、霞石、云母、黏土等。另一类重要的含铝矿物是氧化铝的水合物。目前,铝土矿是氧化铝生产最主要的矿物资源,世界上98%以上的氧化铝出自铝土矿,现在世界上只有俄罗斯有以霞石等为原料生产氧化铝的工厂。铝土矿是一种主要由氧化铝水合物组成的矿石,氧化铝水合物包括三水铝石、一水软铝石和一水硬铝石。依据上述矿物的含量可将铝土矿分为三水铝石型、一水软铝石型、一水硬铝石型和各种混合型,其中混合型包括三水铝石-一水软铝石混合型、一水软铝石-一水硬铝石混合型铝土矿等。有的一水硬铝石型铝土矿中还含有少量刚玉。鉴别铝土矿类型的主要方法是通过矿石的X射线衍射分析、差热分析、结晶光学分析以及矿物学形态分析等,以确定铝土矿中氧化铝水合物的类型。

铝土矿中氧化铝含量变化很大,低的在40%以下,高者可达70%。除氧化铝外,铝土矿中所含杂质,主要是氧化硅、氧化铁和氧化钛,此外,还含有少量或微量的钙、镁、钾、钠、钒、铬、锌、磷、镓、钪、硫等元素的化合物及有机物等。镓在铝土矿中含量虽少,但在氧化铝生产过程中会逐渐在分解母液中累积,从而可以有效地自母液中回收镓。

除了氧化铝的水合物(三水铝石、一水软铝石、一水硬铝石)之外,铝土矿中还含有含硅矿物、含铁矿物、含钛矿物、含硫矿物及碳酸盐矿物等杂质矿物。这些杂质矿物都会对氧化铝的生产过程产生不同程度的影响。含硅矿物是铝土矿中的主要杂质矿物,一般以高岭石、伊利石、叶蜡石、鲕绿泥石及长石等铝硅酸盐矿物形态存在,有的铝土矿中还含有石英。铝土矿中通常会有2%~4%的TiO2,以锐钛矿、金红石和板钛矿等矿物形态存在。铁矿物也是铝土矿中存在的主要杂质,主要的含铁矿物为赤铁矿α-Fe2O3和针铁矿α-FeO(OH)。

铝土矿的质量主要取决于其中氧化铝存在的矿物形态和有害杂质的含量,不同类型的铝土矿其拜耳法溶出性能差别很大。衡量铝土矿的质量,一般从以下几个方面考虑[1]。

(1)铝土矿的铝硅比:铝硅比是指矿石中Al2O3含量与SiO2含量的质量比,一般用A/S表示。氧化硅是碱法(特别是拜耳法)生产氧化铝过程中最有害的杂质,所以在矿石供应许可的情况下铝硅比越高越好。

(2)铝土矿的氧化铝含量:氧化铝含量越高,氧化铝生产过程的矿耗越低,对氧化铝生产越有利。

(3)铝土矿的矿物类型:铝土矿的矿物类型对铝土矿的拜耳法溶出性能影响很大。其中,三水铝石型铝土矿中的氧化铝最容易被苛性碱溶液溶出,一水软铝石次之,而一水硬铝石的溶出则较难。另外,铝土矿类型对溶出以后各湿法处理工序的技术经济指标也有一定影响,因此,铝土矿类型与氧化铝生产的技术经济指标密切相关。

在实际应用中,评价铝土矿质量的指标,对三水铝石型铝土矿而言,主要是其中的有效氧化铝和活性氧化硅的含量。有效氧化铝是指在一定的溶出条件下能够从矿石中溶出到溶液中的氧化铝量。活性氧化硅是指在生产过程中能与碱反应而造成Al2O3与Na2O损失的氧化硅。在实际生产中,有效氧化铝和活性氧化硅的含量与矿石中总的氧化铝含量和总的氧化硅含量是不同的。例如一水硬铝石在三水铝石型铝土矿的溶出条件下不与碱溶液反应,是无法溶出的,即使它的含量高,也不能计入有效氧化铝的含量。同样,矿石中以石英形态存在的氧化硅,在较低的溶出温度条件下是不与碱溶液反应的惰性氧化硅,也不计入活性氧化硅之内。对一水硬铝石型铝土矿而言,通常是以其中Al2O3含量与铝硅比来判别铝土矿的质量。因为在一水硬铝石型铝土矿的溶出条件下,铝土矿中Al2O3可看成全部是有效的Al2O3,SiO2可看成全部是活性的SiO2。

氧化铁一般对拜耳法生产影响不大,主要是增加了赤泥量;但红土型三水铝石及一水软铝石型铝土矿中部分铁矿物是以针铁矿和铝针铁矿的形态存在,对溶出率、赤泥沉降性能以及碱耗都有不利的影响。

矿石中其他有害杂质如硫、碳酸盐及有机物等,其含量越低越好。

1.1.2铝土矿矿石结构特点

铝土矿矿床按其成因,可分为红土型、岩溶型和齐赫文型三种主要的地质类型。红土型铝土矿形成过程中,其母岩首先要经过红土化作用,进而沉积风化或经搬运-沉积再风化。红土型铝土矿在世界铝土矿储量中所占的比例较大,并且大多数红土型铝土矿为地表矿床,容易露天开采,且大多数为三水铝石型铝土矿,其开采利用率较高[2]。岩溶型铝土矿的形成主要是含铝的岩石被含有SO2-4或CO2-3等具有较强的腐蚀分解作用的溶液分解,使岩石中的不同元素随溶液的流动而沉积到不同的方位,经风化等形成铝土矿床。地下开采的铝土矿主要属岩溶型铝土矿。齐赫文型矿床全部由搬运了的铝土矿组成,沉积于铝硅酸盐岩石的表面,其形成过程在沉积和保留等方面需要许多有利条件的配合,所以只能形成小型的铝土矿区。

由于成分不同及其生成地质条件的变化,铝土矿具有各种颜色和结构形状,常见有如下几种。

(1)粗糙状(土状)铝土矿:其特点是表面粗糙,一般常见颜色有灰色、灰白色、浅黄色等。

(2)致密状铝土矿:其特点是表面光滑致密,断口呈贝壳状,颜色多为灰色、青灰色,其中高岭石含量较高,铝硅比较低。

(3)豆鲕状铝土矿:其特征是表面呈鱼子状或豆状,胶结物主要是粗糙状铝土矿,其次为致密状铝土矿,颜色多为深灰色、灰绿色、红褐色或灰白色。豆粒或鲕粒在矿石中的比例随矿区的不同而不同。鲕粒的构造比较复杂,一般由2~7层的同心圆组成,这些同心圆可为同一矿物,也可以是不同的矿物。鲕心的成分也不相同,如河南铝土矿鲕心为水云母,山西则为一水硬铝石,而广西则为一水软铝石。此外,也有为高岭石及石英碎屑的,这种矿石品位一般较低。

一般而言,矿石越粗糙,铝硅比越高;相反,矿石越致密,铝硅比也就越低。豆鲕状质地坚硬者,铝硅比也较高。

铝土矿中的含铝矿物在微观结构方面也具有各种不同的特征,即所谓的多晶性和特殊性,即在铝土矿中的一种矿物可以有不同的结晶度和微观结构。在拜耳法溶出过程中,氧化铝水合物的溶出过程一般是按结晶度的好坏渐进的,即结晶度差的氧化铝水合物总是更快地被溶出。结晶度包括晶体大小和结晶完整程度,也与晶格中的位错和类质同晶替代作用的程度有关。

铝土矿的结构特征不同,加之其脉石含量、形态和分布状态的不同,造成了铝土矿拜耳法溶出性能的差别。

1.1.3世界铝土矿资源及分布

1.世界铝土矿储量与分布

世界铝土矿资源总量丰富,根据美国地质调查局统计的结果,2005年世界铝土矿储量约为250亿吨,基础储量约为320亿吨,资源量为550亿~750亿吨。基础储量的静态保障年限约为190年[3]。

世界铝土矿地理分布集中程度很高,储量分布很不均匀,除中国、巴尔干半岛和俄罗斯这些较小的矿带外,其余大型的铝土矿矿带都位于热带及亚热带地区。工业发达国家和金属铝的一些主要消费大国,如美国、德国、英国、日本、加拿大等国铝土矿的储量都不大。

按照铝土矿储量排位,排名前5位的国家依次为几内亚、澳大利亚、牙买加、巴西和印度,其储量分别为74亿吨、57亿吨、20亿吨、19亿吨和7.7亿吨,其储量占世界总储量的比例依次为29.6%、22.8%、8%、7.6%和3.1%。其中几内亚、澳大利亚两国的储量之和占世界储量一半,前四个国家的总和占世界总储量的比例高达70%,南美的巴西、牙买加、圭亚那、苏里南约占世界储量的四分之一。此外,据近年的报道,越南也有丰富的铝土矿资源,储量在40亿~50亿吨[3]。

按照2005年各大洲拥有的铝土矿资源量统计,这些铝土矿资源分布情况为:南美洲33%、非洲27%、亚洲17%、大洋洲13%和其他地区10%。

2.世界铝土矿资源的特点

世界铝土矿矿床按其下伏基岩性质大致可以分为三大类:储存在硅酸盐岩上的新生代红土型矿床,储存在碳酸盐岩上的古生岩溶型矿床,储存在陆原岩上的古生代(或中生代)齐赫文型沉积矿床。其中又以前两种矿床为主,分别约占世界总储量的86%及12%,齐赫文型沉积矿床仅占世界铝土矿储量的2%左右。

红土型铝土矿矿床产于红土型风化壳中,是由酸性、中性、碱性含铝硅酸岩石在热带亚热带气候条件下经深度化学风化形成。红土型矿床以三水铝石型矿石为主,其次为三水铝石-一水软铝石型混合型铝土矿[3]。矿体呈层状、帽状,产于上述富铝基岩风化壳的中上部;其上常被土壤或富铁红土层覆盖;其下常为富含高岭石、埃洛石的黏土层及半风化基岩。此类铝土矿易勘探、加工,是铝土矿矿床中最重要的类型。红土型铝土矿主要分布于大洋洲、拉丁美洲、非洲和东南亚等地的热带—亚热带低纬度地区(一般在南、北纬0°~30°之间)、赤道附近地区的国家,如澳大利亚、几内亚、巴西、牙买加、印度等国家。红土型矿床的矿石质量较好,以高铁、低硅、高铝硅比为特点,是氧化铝工业的优质原料。