1.1.1鋁土礦的化學(xué)組成與礦物組成

鋁元素在自然界中分布極廣,地殼中鋁的含量約為7.3%,僅次于氧和硅,居第三位。而在各種金屬元素中,鋁的含量居首位。鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑,在自然界僅以化合物狀態(tài)存在。地殼中含鋁礦物總計(jì)有250多種,其中主要的是鋁硅酸鹽化合物,如高嶺土、霞石、云母、黏土等。另一類重要的含鋁礦物是氧化鋁的水合物。目前,鋁土礦是氧化鋁生產(chǎn)最主要的礦物資源,世界上98%以上的氧化鋁出自鋁土礦,現(xiàn)在世界上只有俄羅斯有以霞石等為原料生產(chǎn)氧化鋁的工廠。鋁土礦是一種主要由氧化鋁水合物組成的礦石,氧化鋁水合物包括三水鋁石、一水軟鋁石和一水硬鋁石。依據(jù)上述礦物的含量可將鋁土礦分為三水鋁石型、一水軟鋁石型、一水硬鋁石型和各種混合型,其中混合型包括三水鋁石-一水軟鋁石混合型、一水軟鋁石-一水硬鋁石混合型鋁土礦等。有的一水硬鋁石型鋁土礦中還含有少量剛玉。鑒別鋁土礦類型的主要方法是通過礦石的X射線衍射分析、差熱分析、結(jié)晶光學(xué)分析以及礦物學(xué)形態(tài)分析等,以確定鋁土礦中氧化鋁水合物的類型。

鋁土礦中氧化鋁含量變化很大,低的在40%以下,高者可達(dá)70%。除氧化鋁外,鋁土礦中所含雜質(zhì),主要是氧化硅、氧化鐵和氧化鈦,此外,還含有少量或微量的鈣、鎂、鉀、鈉、釩、鉻、鋅、磷、鎵、鈧、硫等元素的化合物及有機(jī)物等。鎵在鋁土礦中含量雖少,但在氧化鋁生產(chǎn)過程中會(huì)逐漸在分解母液中累積,從而可以有效地自母液中回收鎵。

除了氧化鋁的水合物(三水鋁石、一水軟鋁石、一水硬鋁石)之外,鋁土礦中還含有含硅礦物、含鐵礦物、含鈦礦物、含硫礦物及碳酸鹽礦物等雜質(zhì)礦物。這些雜質(zhì)礦物都會(huì)對氧化鋁的生產(chǎn)過程產(chǎn)生不同程度的影響。含硅礦物是鋁土礦中的主要雜質(zhì)礦物,一般以高嶺石、伊利石、葉蠟石、鮞綠泥石及長石等鋁硅酸鹽礦物形態(tài)存在,有的鋁土礦中還含有石英。鋁土礦中通常會(huì)有2%~4%的TiO2,以銳鈦礦、金紅石和板鈦礦等礦物形態(tài)存在。鐵礦物也是鋁土礦中存在的主要雜質(zhì),主要的含鐵礦物為赤鐵礦α-Fe2O3和針鐵礦α-FeO(OH)。

鋁土礦的質(zhì)量主要取決于其中氧化鋁存在的礦物形態(tài)和有害雜質(zhì)的含量,不同類型的鋁土礦其拜耳法溶出性能差別很大。衡量鋁土礦的質(zhì)量,一般從以下幾個(gè)方面考慮[1]。

(1)鋁土礦的鋁硅比:鋁硅比是指礦石中Al2O3含量與SiO2含量的質(zhì)量比,一般用A/S表示。氧化硅是堿法(特別是拜耳法)生產(chǎn)氧化鋁過程中最有害的雜質(zhì),所以在礦石供應(yīng)許可的情況下鋁硅比越高越好。

(2)鋁土礦的氧化鋁含量:氧化鋁含量越高,氧化鋁生產(chǎn)過程的礦耗越低,對氧化鋁生產(chǎn)越有利。

(3)鋁土礦的礦物類型:鋁土礦的礦物類型對鋁土礦的拜耳法溶出性能影響很大。其中,三水鋁石型鋁土礦中的氧化鋁最容易被苛性堿溶液溶出,一水軟鋁石次之,而一水硬鋁石的溶出則較難。另外,鋁土礦類型對溶出以后各濕法處理工序的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也有一定影響,因此,鋁土礦類型與氧化鋁生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)密切相關(guān)。

在實(shí)際應(yīng)用中,評價(jià)鋁土礦質(zhì)量的指標(biāo),對三水鋁石型鋁土礦而言,主要是其中的有效氧化鋁和活性氧化硅的含量。有效氧化鋁是指在一定的溶出條件下能夠從礦石中溶出到溶液中的氧化鋁量。活性氧化硅是指在生產(chǎn)過程中能與堿反應(yīng)而造成Al2O3與Na2O損失的氧化硅。在實(shí)際生產(chǎn)中,有效氧化鋁和活性氧化硅的含量與礦石中總的氧化鋁含量和總的氧化硅含量是不同的。例如一水硬鋁石在三水鋁石型鋁土礦的溶出條件下不與堿溶液反應(yīng),是無法溶出的,即使它的含量高,也不能計(jì)入有效氧化鋁的含量。同樣,礦石中以石英形態(tài)存在的氧化硅,在較低的溶出溫度條件下是不與堿溶液反應(yīng)的惰性氧化硅,也不計(jì)入活性氧化硅之內(nèi)。對一水硬鋁石型鋁土礦而言,通常是以其中Al2O3含量與鋁硅比來判別鋁土礦的質(zhì)量。因?yàn)樵谝凰蹭X石型鋁土礦的溶出條件下,鋁土礦中Al2O3可看成全部是有效的Al2O3,SiO2可看成全部是活性的SiO2。

氧化鐵一般對拜耳法生產(chǎn)影響不大,主要是增加了赤泥量;但紅土型三水鋁石及一水軟鋁石型鋁土礦中部分鐵礦物是以針鐵礦和鋁針鐵礦的形態(tài)存在,對溶出率、赤泥沉降性能以及堿耗都有不利的影響。

礦石中其他有害雜質(zhì)如硫、碳酸鹽及有機(jī)物等,其含量越低越好。

1.1.2鋁土礦礦石結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鋁土礦礦床按其成因,可分為紅土型、巖溶型和齊赫文型三種主要的地質(zhì)類型。紅土型鋁土礦形成過程中,其母巖首先要經(jīng)過紅土化作用,進(jìn)而沉積風(fēng)化或經(jīng)搬運(yùn)-沉積再風(fēng)化。紅土型鋁土礦在世界鋁土礦儲(chǔ)量中所占的比例較大,并且大多數(shù)紅土型鋁土礦為地表礦床,容易露天開采,且大多數(shù)為三水鋁石型鋁土礦,其開采利用率較高[2]。巖溶型鋁土礦的形成主要是含鋁的巖石被含有SO2-4或CO2-3等具有較強(qiáng)的腐蝕分解作用的溶液分解,使巖石中的不同元素隨溶液的流動(dòng)而沉積到不同的方位,經(jīng)風(fēng)化等形成鋁土礦床。地下開采的鋁土礦主要屬巖溶型鋁土礦。齊赫文型礦床全部由搬運(yùn)了的鋁土礦組成,沉積于鋁硅酸鹽巖石的表面,其形成過程在沉積和保留等方面需要許多有利條件的配合,所以只能形成小型的鋁土礦區(qū)。

由于成分不同及其生成地質(zhì)條件的變化,鋁土礦具有各種顏色和結(jié)構(gòu)形狀,常見有如下幾種。

(1)粗糙狀(土狀)鋁土礦:其特點(diǎn)是表面粗糙,一般常見顏色有灰色、灰白色、淺黃色等。

(2)致密狀鋁土礦:其特點(diǎn)是表面光滑致密,斷口呈貝殼狀,顏色多為灰色、青灰色,其中高嶺石含量較高,鋁硅比較低。

(3)豆鮞狀鋁土礦:其特征是表面呈魚子狀或豆?fàn)?膠結(jié)物主要是粗糙狀鋁土礦,其次為致密狀鋁土礦,顏色多為深灰色、灰綠色、紅褐色或灰白色。豆粒或鮞粒在礦石中的比例隨礦區(qū)的不同而不同。鮞粒的構(gòu)造比較復(fù)雜,一般由2~7層的同心圓組成,這些同心圓可為同一礦物,也可以是不同的礦物。鮞心的成分也不相同,如河南鋁土礦鮞心為水云母,山西則為一水硬鋁石,而廣西則為一水軟鋁石。此外,也有為高嶺石及石英碎屑的,這種礦石品位一般較低。

一般而言,礦石越粗糙,鋁硅比越高;相反,礦石越致密,鋁硅比也就越低。豆鮞狀質(zhì)地堅(jiān)硬者,鋁硅比也較高。

鋁土礦中的含鋁礦物在微觀結(jié)構(gòu)方面也具有各種不同的特征,即所謂的多晶性和特殊性,即在鋁土礦中的一種礦物可以有不同的結(jié)晶度和微觀結(jié)構(gòu)。在拜耳法溶出過程中,氧化鋁水合物的溶出過程一般是按結(jié)晶度的好壞漸進(jìn)的,即結(jié)晶度差的氧化鋁水合物總是更快地被溶出。結(jié)晶度包括晶體大小和結(jié)晶完整程度,也與晶格中的位錯(cuò)和類質(zhì)同晶替代作用的程度有關(guān)。

鋁土礦的結(jié)構(gòu)特征不同,加之其脈石含量、形態(tài)和分布狀態(tài)的不同,造成了鋁土礦拜耳法溶出性能的差別。

1.1.3世界鋁土礦資源及分布

1.世界鋁土礦儲(chǔ)量與分布

世界鋁土礦資源總量豐富,根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局統(tǒng)計(jì)的結(jié)果,2005年世界鋁土礦儲(chǔ)量約為250億噸,基礎(chǔ)儲(chǔ)量約為320億噸,資源量為550億~750億噸?；A(chǔ)儲(chǔ)量的靜態(tài)保障年限約為190年[3]。

世界鋁土礦地理分布集中程度很高,儲(chǔ)量分布很不均勻,除中國、巴爾干半島和俄羅斯這些較小的礦帶外,其余大型的鋁土礦礦帶都位于熱帶及亞熱帶地區(qū)。工業(yè)發(fā)達(dá)國家和金屬鋁的一些主要消費(fèi)大國,如美國、德國、英國、日本、加拿大等國鋁土礦的儲(chǔ)量都不大。

按照鋁土礦儲(chǔ)量排位,排名前5位的國家依次為幾內(nèi)亞、澳大利亞、牙買加、巴西和印度,其儲(chǔ)量分別為74億噸、57億噸、20億噸、19億噸和7.7億噸,其儲(chǔ)量占世界總儲(chǔ)量的比例依次為29.6%、22.8%、8%、7.6%和3.1%。其中幾內(nèi)亞、澳大利亞兩國的儲(chǔ)量之和占世界儲(chǔ)量一半,前四個(gè)國家的總和占世界總儲(chǔ)量的比例高達(dá)70%,南美的巴西、牙買加、圭亞那、蘇里南約占世界儲(chǔ)量的四分之一。此外,據(jù)近年的報(bào)道,越南也有豐富的鋁土礦資源,儲(chǔ)量在40億~50億噸[3]。

按照2005年各大洲擁有的鋁土礦資源量統(tǒng)計(jì),這些鋁土礦資源分布情況為:南美洲33%、非洲27%、亞洲17%、大洋洲13%和其他地區(qū)10%。

2.世界鋁土礦資源的特點(diǎn)

世界鋁土礦礦床按其下伏基巖性質(zhì)大致可以分為三大類:儲(chǔ)存在硅酸鹽巖上的新生代紅土型礦床,儲(chǔ)存在碳酸鹽巖上的古生巖溶型礦床,儲(chǔ)存在陸原巖上的古生代(或中生代)齊赫文型沉積礦床。其中又以前兩種礦床為主,分別約占世界總儲(chǔ)量的86%及12%,齊赫文型沉積礦床僅占世界鋁土礦儲(chǔ)量的2%左右。

紅土型鋁土礦礦床產(chǎn)于紅土型風(fēng)化殼中,是由酸性、中性、堿性含鋁硅酸巖石在熱帶亞熱帶氣候條件下經(jīng)深度化學(xué)風(fēng)化形成。紅土型礦床以三水鋁石型礦石為主,其次為三水鋁石-一水軟鋁石型混合型鋁土礦[3]。礦體呈層狀、帽狀,產(chǎn)于上述富鋁基巖風(fēng)化殼的中上部;其上常被土壤或富鐵紅土層覆蓋;其下常為富含高嶺石、埃洛石的黏土層及半風(fēng)化基巖。此類鋁土礦易勘探、加工,是鋁土礦礦床中最重要的類型。紅土型鋁土礦主要分布于大洋洲、拉丁美洲、非洲和東南亞等地的熱帶—亞熱帶低緯度地區(qū)(一般在南、北緯0°~30°之間)、赤道附近地區(qū)的國家,如澳大利亞、幾內(nèi)亞、巴西、牙買加、印度等國家。紅土型礦床的礦石質(zhì)量較好,以高鐵、低硅、高鋁硅比為特點(diǎn),是氧化鋁工業(yè)的優(yōu)質(zhì)原料。