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.Sainte Claire Diwill)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t。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t,1996年增至2092万t,成为仅次于钢铁的第二重要金属。
我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,以及我国学者王竹泉、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。我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)、贵州黔中一带铝土矿(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,当时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,我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,其中比较重要的有: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。
我国铝土矿的开采最早始于1911年,当时日本人首先对我国辽宁省复州湾铝矾土矿进行开采,随后1925~1941年又对我国辽宁省辽阳、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年日本人对我国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。
我国铝土矿大规模开发利用是从新中国以后开始的。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80年代,特别是1983年中国有色金属工业总公司成立以后,我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、中州铝厂为代表的一批大型铝厂,使我国原铝产量由1954年的不足2000t,发展到了现在的187万t。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我国经济建设的需要。
铝土矿矿石用途多样,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。下表是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。
铝土矿石化学成分要求(YS-T78-94) |
|||||||
矿床(矿石)类型 |
牌号 |
化学成分(%) |
|||||
Al2O3/SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
S |
CaO+MgO |
TiO2 |
||
不小于 |
不大于 |
||||||
沉积型 |
LK12-70 |
12 |
70 |
3 |
0.3 |
1.5 |
-- |
LK8-65 |
8 |
65 |
5 |
0.5 |
1.5 |
-- |
|
LK5-60 |
5 |
60 |
|
0.5 |
1.5 |
-- |
|
LK-53 |
3 |
53 |
9 |
0.7 |
-- |
-- |
|
堆积型(一水硬铝石) |
LK5-60 |
15 |
60 |
20 |
0.1 |
1.5 |
-- |
LK11-55 |
11 |
55 |
25 |
0.1 |
1.5 |
-- |
|
LK8-50 |
8 |
50 |
28 |
0.1 |
1.5 |
-- |
|
红土矿(三水铝石) |
LK7-50 |
7 |
50 |
18 |
-- |
-- |
2 |
LK3-40 |
3 |
40 |
25 |
-- |
-- |
3 |
工业上提取金属铝是先从铝土矿中提取氧化铝,然后氧化铝经电解成为金属铝。根据我国生产实践经验,不同氧化铝生产方法对矿石质量的要求还有所不同,其一般要求是:
1)烧结法:适于处理含硅较高的低品级矿石,要求Al2O3/SiO2为3~5(或3.5左右),Fe2O3<10%。
2)拜耳法:适于处理含Al2O3高、SiO2低的富矿,一般要求Al2O3>65%,Al2O3/SiO2>7。氧化铁在拜耳法流程中不与碱起反应,只是铁高赤泥量大,赤泥洗涤复杂,易造成碱和氧化铝的机械损失,但不宜有铝针铁矿。
3)联合法:适于处理中等品位的铝土矿,我国主要用混联法,即在拜耳法的赤泥中添加部分低品级矿石提高烧结法的铝硅比,一般要求Al2O3>60%,Al2O3/SiO2为5~7,Fe2O3<10%。对氧化铝生产而言,硫是很有害的杂质,均不宜采用高硫矿石。
下表是铝土矿工业要求的几个矿床实例。
用作研磨材料的铝土矿,要求含Al2O3高、铁和钛低,一般要求Al2O3≥70%,Fe2O3≤5%,TiO2≤4.5%,CaO+MgO≤1.0%,Al2O3/SiO2≥12。
我国作电熔刚玉的铝土矿要求见下表。
我国作电熔刚玉原料的铝土矿质量要求 |
||||||||||
工厂 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
SiO2 |
TiO2 |
CaO |
CaO+MgO |
烧失量(%) |
Al2O3/SiO2 |
进厂块度(mm) |
烧失率 |
第二砂轮厂 |
≥85 |
<5 |
<5 |
3.5~6.5 |
<0.4 |
|
<0.5 |
≥15 |
<250 |
|
第四砂轮厂 |
≥80 |
<6 |
|
<5.5 |
|
<1.2 |
<1 |
≥12 |
20~300 |
<4 |
备注:1.一水硬铝石型铝土矿;2.熟料;3.供矿品位 |
作高铝水泥原料的铝土矿石必须:Fe2O3<2.5%,TiO2<3.5%,R2O(一价金属氧化物)<1.0%,MgO<1.0%。下表是几个水泥厂具体的质量要求。
作高铝水泥原料的铝土矿石质量要求 |
|||||
工厂 |
Al2O3 |
SiO2 |
Fe2O3 |
TiO2(%) |
Al2O3/SiO2 |
郑州水泥厂 |
>72 |
<6 |
<2 |
|
>7 |
浙江肖山炼铁厂 |
>70 |
<6 |
<1.5 |
<4 |
>7 |
备注:1.一水硬铝石型铝土矿;2.生料;3.供矿品位 |
作耐火材料用铝土矿的技术要求,本章不予讨论,请参阅第三卷《非金属矿产》耐火粘土一章。