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中国铝土矿资源特点及开采技术发展现状

   日期:2016-04-22     浏览:1974    评论:0    

      一、什么是铝土矿

  铝土矿实际上是指工业上能利用的,以三水铝石、一水软铝石或一水硬铝石为主要矿物所组成的矿石的统称。它的应用领域有金属和非金属两个方面。

  铝土矿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。目前,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。

  二、中国铝土矿矿业简史

  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.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。

  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,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。

  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年又对中国辽宁省辽阳、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年日本人对中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。

  中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,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、中州铝厂为代表的一批大型铝厂,使中国原铝产量由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中国经济建设的需要。

  三、资源状况

  截至1996年末,中国已探明铝土矿矿区310处,分布于全国19个省、自治区、直辖市。铝土矿保有储量达到22.73亿t,其中A+B+C级7.05亿t,占总保有储量的31%。图3.9.1示出了中国1960~1995年铝土矿保有储量和A+B+C级储量增长状况。

  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,如以中国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。

  中国铝土矿资源还是比较丰富的,华北地台、扬子地台、华南褶皱系及东南沿海四个成矿区都具有较好的铝土矿成矿条件,尤以晋中-晋北、豫西-晋南、黔北-黔中三个成矿带成矿条件较好,资源远景也大;桂西-滇东及川南-黔北等成矿带也有一定的远景。有关部门根据已有地质条件和成矿条件分析,中国铝土矿资源总量预计可达50亿t。

  四、资源特点

  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t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镓、钒、锂、稀土金属、铌、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。

  中国铝土矿的最后一个特点是,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%。

  五、中国铝土矿储量分布

  中国铝土矿分布高度集中,山西、贵州、河南和广西四个省(区)的储量合计占全国总储量的90.9%(山西41.6%、贵州17.1%、河南16.7%、广西15.5%),其余拥有铝土矿的15个省、自治区、直辖市的储量合计仅占全国总储量的9.1%。

  山西的铝土矿床(点)主要分布在孝义、交口、汾阳、阳泉、盂县、宁武、原平、兴县、保德、平陆等5大片42个县境内,面积约6.7万km2,探明铝土矿储量,居全国第一,该区的资源总量估计可达20亿t。

  河南的铝土矿集中分布在黄河以南、京广线以西的巩县、登封、偃师、新安、三门峡、陕县、宝丰、鲁山、临汝、禹县等三大片10多个县境内,面积3万多km2,探明铝土矿储量居全国第2位,预测资源总量可达10亿t。

  贵州的铝土矿床主要分布在“黔中隆起”南北两侧的遵义、息峰、开阳、瓮安、正安、道真、修文、清镇、贵阳、平坝、织金、苟江、黄平等十几个县境内,面积2400km2,探明铝土矿储量居全国第3位。预测资源总量逾10亿t。

  广西的铝土矿集中分布在平果、田东、田阳、德保、靖西、桂县、那坡、果化、隆安、邕宁、崇左等县境内,探明铝土矿储量居全国第4位,预测铝土矿储量在8亿t以上。

  山东的铝土矿主要分布在淄博、新泰、洪山等县境内,其探明铝土矿储量占全国总储量的3%。

  此外,在海南、广东、福建、云南、江西、湖北、湖南、陕西、四川、新疆、宁夏、河北等省(区),也有铝土矿矿床产出。

  一、地质勘查

  目前,中国利用的主要是沉积型的铝土矿。

  根据中国铝土矿床地质特点,一般沉积型铝土矿床产状平缓,圈定矿体地表边界时采用探槽、浅井,深部采用钻探。但当矿体产状陡,且在地形条件有利时,也可适当配合少量硐探已探求高级储量和验证钻孔资料的可靠性。对于堆积型和红土型铝土矿床因其埋藏不深,除圈定矿体外部可采用探槽配合浅井之外,其他地段全部采用浅井进行勘探。

  中国铝土矿根据矿石类型、矿床类型,以及开采方式的不同,在勘探时其工业指标也有所不同。表3.9.6列出了中国提炼金属铝用铝土矿矿床的一般工业指标。

  根据全国矿产储量委员会制定的铝土矿地质勘探规范,按照矿体延展规模、矿体形态复杂程度、矿体厚度稳定程度、内部结构复杂程度、构造复杂程度等地质因素和勘探难易程度,将沉积型铝土矿床划分为四个勘探类型。

  1)第Ⅰ勘探类型:矿体延展规模大、形态简单、厚度稳定—不稳定、内部结构简单—较简单、构造简单的似层状沉积型铝土矿床。如山西克俄铝土矿床。

  2)第Ⅱ勘探类型:矿体延展规模中—大、形态较简单、厚度稳定—不稳定、内部结构简单—较简单、构造简单—较简单的似层状、透镜状沉积型铝土矿床。如河南贾沟、贵州魏家寨、山东王村等铝土矿床。

  3)第Ⅲ勘探类型:矿体延展规模中—小、形态不规则、厚度不稳定—很不稳定、内部结构简单—复杂、构造简单—复杂的透镜状沉积型铝土矿床。如贵州老荒坡、燕垅A矿段一号矿体等铝土矿床。

  4)第Ⅳ勘探类型:矿体延展规模很小、形态很不规则、厚度极不稳定、内部结构复杂—很复杂的小透镜状、漏斗状沉积型铝土矿床。如河南张窑院2号矿体。

  根据中国铝土矿地质勘探和矿山生产实践经验,通过探采对比,结合铝土矿床的四个勘探类型,总结出了如表3.9.7所示的铝土矿床的勘探工程间距。

  二、矿山开采

  中国铝土矿生产矿山和国外一样,也是以露采为主,开采的实践证明,单一的自卸汽车直进沟开拓对大多数铝土矿床是行之有效的开拓运输方式,它具有投资省、基建时间短、投产快、适应时强的优点。因此在中国露天铝矿开采中得到了广泛的应用。但是与国外相比,露采的剥采比大,采矿损失率和矿石贫化率高。以有色金属工业系统为例,1986年全国平均剥采比为3.74t/t,1990年增至9.17t/t;采矿损失率和矿石贫化率1986年分别为7.42%和 10.85%,1990年分别降为4.73%和7.25%。由于中国铝土矿矿床普遍覆层厚,矿床工业指标规定的剥采比达10~15m3/m3,有的矿山设计境界剥采比高达22~25m3/m3。据统计,剥离量占采剥总量的80%~90%,剥离费用占矿石成本的50%~80%,在剥离费用中运输费占 40%~70%,故运输工序是铝土矿露天开采的关键。

  目前,中国地下开采矿山不多,处于试验阶段,像山东一般采用长壁陷落法或短壁陷落法,而贵州则采用分层崩落法或留矿法。采掘比一般为200~300m/万t。由于中国许多铝土矿资源需用地下开采,并且又多属难采矿床,因此加强地下采矿方法的研究势在必行。

  三、选矿与加工技术

  铝土矿选矿比较简单,一般采用手选,像广西平果铝厂,设计采用“三洗两碎—手选工艺。随着中国耐火材料和铝氧工业的发展,对铝土矿原料的生产提出了愈来愈高的要求。如仅仅依靠目前人工拣选是难以达到的,而且会致使资源遭到严重破坏。因此尽快建设规模生产的选矿厂已是一个十分紧迫的问题。

由于铝土矿作为炼铝原料,不同的冶炼方法对其质量要求不同。拜耳法铝硅比大于8~10,联合法为5~7,烧结法则3.5~5.0,因此作为炼铝原料,铝土矿选别的首要任务是提高铝硅比,同时矿石中的氧化铁会降低拜耳法生产时溶出釜的生产率,降低烧结法生产时熟料温度,并妨碍氧化铝转为铝酸钠。而作为耐火材料原料时,则还需降低TiO2的含量,矿石中的钛、铁杂质会使耐火材料在高温下过早地出现玻璃相而降低耐火材料的性能。此外,氧化钾、钠在铝土矿的烧结过程中,起着阻碍二次莫来石的进展和分解已形成的一次莫来石,使网状结构受到破坏,大大降低耐火材料的荷重软化点。目前,通过浮选脱硅、机械或化学处理脱除钛、铁杂质,以及采取相应措施脱除钾、钠杂质的研究和试验已在进行之中,对铝土矿进行选别已经提上了议事日程。

  中国氧化铝生产多采用联合法,即混联联合法,它是以拜耳法处理大部分易溶的一水硬铝石,将难溶或不溶部分转入烧结法,且在烧结法中再配入部分铝土矿以提高品位。像郑州铝厂、山西铝厂、贵州铝厂、中州铝厂等均用此法生产氧化铝。

  山东铝厂采用烧结法处理铝硅比3~5的一水硬铝石,广西平果铝厂是中国采用拜耳法生产氧化铝的唯一铝厂。

  中国铝厂原铝生产均采用熔盐电解法。电解铝是高能耗产品,吨铝约耗电1.6万kWh,1996年全国电解铝耗电量约304亿kWh,占全国发电量的3.0%。表3.9.9列出了中国前50名铝厂吨铝交流电耗指标。

  四、环境保护

  由于铝土矿主要是露天开采,占用土地多,影响面大,因此,如何通过复垦减少矿山用地,保护生态环境是一个十分突出的问题。下面以中国目前最大的露天铝矿——山西孝义铝矿为例,说明铝土矿在开采复垦问题上的进展。

  山西孝义铝矿设计规模:一二期工程合计年产铝土矿矿石215万t,采剥总量达到17.30万t。设计总占地面积1158.2hm2,截止1995年已累计征地721hm2,今后矿山生产建设分期分批待征土地还有433.3hm2。由于近年来矿区邻近村庄土地锐减,加之土地征用费剧增,因此给矿山生产和矿区邻近村庄生活带来了难以承受的压力与沉重的负担。

  为了解决这个问题,孝义铝矿采取了剥离-采矿-复垦一体化的复垦新技术,实现边开采,边复垦,以最少的投入,减少反复运输,获得矿山用地复垦的良性循环。通过二年来的实践,该矿的西河底矿区在开采初期即可复垦造地。依据已经审批论证的土地复垦总体规模,预计该矿区开采终了,复垦率可达75%,总计复垦土地543.3hm2,其中复垦耕地为471hm2。

  为了有效地节约耕地与切实保护耕地,以及充分发挥复垦耕地的效能,有关部门实行了“以地换地”和临时用地的政策。目前该矿已与下庄、克俄二村委达成了以该矿2.67hm2复垦耕地互换等量的矿山用地,这样不仅有效地抑制了矿区耕地的减少,而且矿区村民过去支离破碎的小块地通过矿山复垦可以有效地变成山区“小平原”,耕地质量和水土条件得以根本改善。矿山企业通过用复垦耕地与矿山生产用地互换,西河底矿区总计可节省土地费5776万元。

  孝义铝矿通过剥离-采矿-复垦一体化所取得的社会效益、环境效益和经济效益都十分巨大,这项技术的推广为中国铝土矿开采中节约耕地、保护生态环境开辟了一条新路,提供了宝贵的经验。

  电解铝生产过程中,产生一些氟化物,对环境造成污染也是铝工业亟待解决的一个问题。目前中国的铝电解槽70%以上是自焙阳极电解槽,这些自焙槽多数没有安装消除氟化物等有害气体的环境保护设施,采用烟囱高空排放,有的小铝厂甚至连高空排放措施都未采用,使铝厂工人在充斥着氟化物和沥青烟的恶劣环境中工作,大量氟化物排入空中,又污染了周围的环境。为了改变这种状况,应首先推广干阳极糊技术,大力开展干法净化烟气的研究和推广应用工作,同时要狠抓环境保护设施,加强“三废” 治理,以减轻对环境的污染。

 
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