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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。
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