云南铝土矿资源开发与产业发展的研究

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

第39卷第6期(总第225期)YUNNANMETALLURGYVol󰀂39.No󰀂6(Sum225)

云南铝土矿资源开发与产业发展的研究

赵󰀁群

(云南冶金集团股份有限公司,云南󰀁昆明󰀁650224)

󰀁

󰀁󰀁摘󰀁要:简述了国内铝工业的现状及国外、国内以及省内铝土矿的资源状况,分析了国内外氧化铝工业的资源保障形式,提出云南铝土矿资源开发要重视选矿脱硅技术的应用,发展高附加值化学品氧化铝产业,氧化铝生产赤泥的综合利用以及对海外铝土矿资源的利用方式,构建我省铝土矿󰀁氧化铝󰀁电解铝的和谐产业链。

关键词:铝土矿;选矿脱硅;化学品氧化铝;赤泥;综合利用

中图分类号:TF821󰀁文献标识码:A󰀁文章编号:1006-0308(2010)06-0033-04

StudyonExploitationandIndustrialDevelopmentofBauxiteResourceinYunnanProvince

ZHAOQun

(YunnanMetallurgicalGroupCo.,Ltd.,Kunming,Yunnan650224,China)

ABSTRACT:Thearticleintroducedthecurrentsituationofdomesticaluminumindustry,andthebauxiteresourcestatusinYun󰀁

nanprovince,tiontechnology,

inlandandforeigncountry.

ItanalyzedthestylesofresourcesupplytothealuminaindustryinChinaandforeigncountry,

combiningwiththecomprehensiveutilizationofred

andpointedoutthattheexploitationofbauxiteresourceinYunnanprovinceshallpayattentiontotheapplicationofdesilicicationbeneficia󰀁

inordertodevelopthehighvalue-addedchemicals-aluminaindustry,

mudproducedbyalumina,

andusepatternsofoverseas󰀂bauxiteresource,sothattheperfectindustrialchainofbauxite-alumina-electro󰀁

lyticaluminumshallbebuil.t

KEYWORDS:bauxite;beneficiationdesilicication;chemicalalumina;red-mud;comprehensiveutilization

1󰀁前󰀁言

我国是世界铝产量和铝消费量第一大国,2009年氧化铝总产能高达3640万t(含在建项目),实际形成产能3200万,t产量2378万,t超过澳大利亚,成为世界第一大氧化铝生产国,产能占全世界的31󰀂94%。2009年我国电解铝企业总计139家,原铝产能达到1950万,t实际产量1363万,t消费量1380万,t成为世界上第一大金属铝生产和消费国,产量占世界原铝产量的35󰀂96%,消费量占全球消费量的39󰀂97%

(2009年全球电解铝产量

3790万,t消费量3453万t)。21世纪的头10a,我国氧化铝工业经历了历史上发展最快的时期,铝土矿采剥能力已达到约3000万t/a,铝土矿资源的

*收稿日期:

日益贫化与不足,已成为我国氧化铝工业发展的

瓶颈。

世界铝土矿资源极其丰富,遍及五大洲40多个国家。据美国矿业局估计,世界铝土矿资源总量(储量加次经济资源及推测资源)约为550~750亿t。主要分布在:非洲160~200亿t、大洋洲70~100亿t、南美洲190~250亿t、亚洲80~130亿t加勒比海地区20~30亿t、欧洲30~40亿t、。几内亚和澳大利亚两国的储量占世界储量的49%,西半球的巴西、牙买加、圭亚那和苏里南四国的储量占世界总储量的26%。我国周边国家越南铝土矿探明储量为20󰀂3亿,t居世界第五位,印尼总证实储量达到8󰀂79亿t。按目前全世界开采规模(2亿t/a左右)进行计算,现有铝土矿储量可满足铝

2010-07-13

作者简介:赵󰀁群(1970-),河南郑州人,高级工程师。

33

󰀁2010年12月云南冶金Dec.2010

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

第39卷第6期(总第225期)YUNNANMETALLURGYVol󰀂39.No󰀂6(Sum225)

工业近100a~150a的开采需要

[1]

。源量只能支撑氧化铝生产5a左右,中低品位铝土矿的开发利用显得尤其重要。

我国铝土矿储量为5󰀂94亿,t基础储量为7󰀂98亿,t资源量达19󰀂14亿,t总资源储量达27󰀂13亿t。储量占世界总储量的2󰀂2%。我国铝土矿集中分布在山西、贵州、河南、广西及重庆等省市,上述五省市储量合计为5󰀂53亿,t占全国的93󰀂2%,资源储量合计24󰀂6亿t。考虑到远景储量,即使按照年产氧化铝1800万t计,我国铝土矿资源的服务年限不超过20a,拜尔法边界品位以上铝土矿开采服务年限不超过10a

[2~3]

3󰀁云南省铝土矿资源开发与产业发展方向

3󰀂1󰀁加大勘探力度以提高氧化铝工业的资源保障

度󰀁推广选矿脱硅等新技术以高效利用中低品位铝土矿

从目前我国铝工业产业链的格局来看,电解铝和氧化铝之间的产能瓶颈已经被打破,整个产业链的瓶颈已转到铝土矿供给环节。目前,我国铝土矿资源保障严重不足而全球铝土矿资源非常丰富,我省铝工业发展所需的铝土矿资源,应该以可持续发展和经济全球化的理念,通过铝土矿资源的全球供应来保障我省铝资源的供给。

在大胆积极的进行海外铝土矿资源探寻工作的同时,对省内的已探明资源进行充分的开发,特别是对资源量非常大的中低品位铝土矿的开发给与高度的关注。对于可进行工业开发的铝土矿资源来说,当原料矿石Al/Si到达5以下时,传统氧化铝生产的矿耗、能耗也将上升,各项技术经济指标将会恶化。如用选矿拜尔法生产工艺,在Al2O3回收率、矿耗及碱耗方面的优势将非常突出

[6]

。

2007年8月份中国铝土矿进口量创下单月302万t的历史最高纪录,当年铝土矿进口总量达到2328万t。印尼矿在进口铝土矿中占55%,成为我国铝土矿进口第一大供应国。印度是第二大供应国,占我国铝土矿进口量的30%。澳大利亚对华出口近年亦在逐渐飙升,不过其中大部分增量源于力拓股份有限公司(RioTintoPLC,RTP)旗下Weipa铝土矿业务的扩张。随着采矿业务的放量递增,铝土矿的质量问题越来越加剧,越来越多的中国铝土矿交易员和氧化铝生产商抱怨来自印尼的部分铝土矿硅含量过高、氧化铝含量低、湿度过大,要求印尼生产商予以赔偿。另外,政府可能禁止铝土矿出口也是一大威胁。有鉴于此,部分中国氧化铝生产商和交易员已将目光投向了几内亚,当前几内亚每年可出口200万至300万t铝土矿。目前我国氧化铝产能50%以上依赖进口铝土矿,原材料过高的对外依存度,使得我国铝产业面临严峻的形式

[4]

。目前

国内采用此工艺的中州铝厂年产30万t铝土矿精矿的生产线已运行3年以上,长城铝业年产50万t

的铝土矿选厂也已经投产,另外还有3家企业正在进行铝土矿选矿项目的建设。因此,我省必须加快铝土矿选冶技术研究,不断提高资源的综合开发利用水平。同时,正确认识我省铝土矿资源状况,加大和扶持铝土矿资源的勘查与开发力度,提高资源的可供应程度和生产供应能力,构建我省铝土矿󰀁氧化铝󰀁电解铝的产业链。

3󰀂2󰀁围绕氧化铝工业积极培育化学品氧化铝产业

化学品氧化铝具有多种多样的物理化学特性,世界上特种氧化铝在航天、电子、化工、生化医药、机械等高新技术领域得到广泛应用,需求量呈现出连续增长的势头。从世界范围内看,化学品氧化铝的品种逐年增加,产量不断扩大,目前全球化学品氧化铝产量占全部氧化铝的产量约10%,品种已达300种左右。而我国化学品氧化铝的开发工作相对滞后,目前开发出的化学品氧化铝、氢氧化铝约有100多个品种规格,占我国全部氧化铝产品的6%左右,与世界水平相比,还有较大的差距。氧化铝工业领域涉及的特种氧化铝产品主要包括下几类:1)铝土矿,如轻烧、重烧铝土矿、活性铝

。

2󰀁云南省铝土矿特点与开发瓶颈

云南省有较为丰富的铝土矿资源,根据云南省国土厅资源储量评审备案的资料统计,文山州已探明的低品位铝土矿原矿量为14502󰀂4万,t含泥量

较大,一般约为45%~55%;净矿量为7237万t(其中:堆积型5644󰀂69万,t沉积型1592󰀂62万t),平均品位53󰀂72%(其中:堆积型53󰀂35%,沉积型55󰀂04%),净矿铝硅比约为4󰀂64。铝矿物主要是一水硬铝石和一水软铝石,Al%2O3含量40~48%。矿石中铁含量20%~30%,含铁矿物主要为黄铁矿、褐铁矿、针铁矿等,含钛矿物为钛铁矿和锐钛矿等,脉石矿物主要为高岭石、绿泥石、叶腊石、伊利石、白云母和方解石等

[5]

。

文山铝土矿净矿平均Al/Si约5左右,采用拜尔法边界品位以上铝土矿直接进行氧化铝生产,资34赵󰀁群󰀁云南铝土矿资源开发与产业发展的研究

土矿等;2)熟料,如水泥速凝剂等;3)晶态含水Al2O3,如凝胶氢氧化铝,拟薄水铝石,轻质铝胶;4)氧化铝,如低钠、低铁、喷涂、清洗、填料、活性氧化铝,煅烧󰀁-氧化铝、片状氧化铝、熔融氧化铝、高纯氧化铝等;5)含水硅铝酸钠,如A型分子筛、X分子筛等;6)铝酸钠,如固体、液体铝酸钠等;7)铝酸钙水泥,如耐火、浇注、喷涂铝酸钠水泥;8)铁酸钠水泥,如以铁酸盐基质的水泥;9)氧化铝陶瓷,如MgO、ZrO、A12O3等;10)冰晶石,如钠冰晶石等;11)氟化物,如氟化钠、氟化铝等;12)塑料和聚合物的阻

[7]

燃剂:如铝酸钙、铝镁水滑石等。

现在,使用和生产这类氧化铝的数量和种类的多少,已成为衡量一个国家科学技术及氧化铝工业发展水平的标志之一。特种氧化铝的品种多、用途广、产值高、利润大,开发生产多品种氧化铝、氢氧化铝是氧化铝企业提高自身竞争力的有效手段之一。特种氧化铝产品中一类最主要的产品就是分子筛,此技术在我国众多工业企业和科学研究工作中用于气体和液体的干燥、净化、分离和回收等,大量应用于石油裂解催化剂或催化剂的载体、钢铁企业的炼钢富氧、中空玻璃、无磷洗衣粉、天然气等的脱硫、脱水、脱CO2。从20世纪70年代分子筛制氧新技术诞生到现在,分子筛富氧技术得到了迅速发展,该法系利用吸附系统中的分子筛分离空气中的氧,其纯度最高可达95%,并广泛应用于炼钢富氧、医疗制氧技术、化工等领域。

多品种氧化铝的市场需求是点多面广,集中由氧化铝企业进行生产是最经济的。如果这些需求得不到满足,则各行业的用户不是依靠进口,就是自建加工生产线,这就势必造成重复建设,降低投资效果。生产分子筛、冰晶石、氟化铝、铝酸钙、水滑石、拟薄水铝石、聚铝等特种氧化铝产品能耗很高,劳动生产率极低。生产这些产品,既可以用氢氧化铝或铝土矿生产,也可以用铝酸钠生产。如果脱离氧化铝厂用氢氧化铝进行生产,无疑使生产重走回头路,既浪费了能源又降低了生产效率,增加生产成本,很明显是极不经济的。若充分利用氧化铝生产过程的物料,可获得投资少、建设快、成本低的综合效益,国际上英国、瑞士都有规模很大的多品种氧化铝生产厂家,反映出集中生产符合技术发展趋势,国内山东铝业公司就是一个很好的典范。3󰀂3󰀁拜尔法赤泥的资源化回收利用

赤泥作为氧化铝生产第一大 废!,每生产1t

氧化铝,则产出1~1󰀂5t赤泥。赤泥主要组份是SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3、Na2O、TiO2、K2O等,此外还含灼减成分和微量有色金属等。由于铝土矿成份和生产工艺的不同,不同地域氧化铝厂排放的赤泥成分变化较大,有些赤泥中含有丰富的稀土元素和微量放射性元素,如铼、钇、钪、钽、铌、铀、钍和镧系元素等。赤泥的主要成分不属于对环境有特别危害的物质,对环境的危害因素主要是赤泥附液,含Na2O2~3g/L,

[8]

pH值可达13~14,

赤泥污染主要是碱污染。随着氧化铝产能的不

断释放和铝土矿品位的下降,赤泥产出量与日俱增,赤泥的排放与堆存问题已经成为氧化铝工业节能减排和环保上最头疼的问题。目前氧化铝厂多采用赤泥库(坝)湿法存放或脱水干化处理,不仅侵占农田,污染环境,存在溃坝隐患,还使赤泥中的有用成分不能得到合理利用。

在我省已探明铝土矿储量中,文山铝土矿含铁达到20%,含TiO2达到3%左右,伴生镓品位0󰀂005%左右,金属镓总量在2463󰀂64,t这些金属都将最终进入到赤泥中外排。镓是半导体的重要原料,属于稀有稀散金属,至今尚未发现独立的用于提炼镓的矿床,目前世界上约90%的金属镓是由氧化铝生产过程中提取的。铁是文山氧化铝赤泥的主要有价回收金属,赤泥的含铁量约在33%以上。赤泥中主要的含铁矿物为针铁矿、黄铁矿、褐铁矿、镜铁矿、钛铁矿等,针铁矿与一水硬铝石属于同一空间群,二者晶格常数相当,针铁矿常与一水硬铝石同晶置换,铝离子置换出针铁矿中的Fe离子而进入针铁矿晶格,,形成组成为Fe1-xAlOOH的铝针铁矿。针铁矿在拜耳法高温高压条件下仍然很难溶出,同时针铁矿具有高分散性,使得赤泥的沉降和压缩性能变坏,造成碱和氧化铝的附液损失。铝针铁矿在250∀以上,添加石灰的条件下,转变为赤铁矿,同时溶出铝针铁矿中的氧化铝。菱铁矿在苛性碱溶液中常压下即可发生分解,生成Fe(OH)2和Na2CO3,生成的Fe(OH)2进一步氧化成Fe2O3或Fe3O4。铝土矿溶出时,黄铁矿也能溶解于铝酸钠溶液,生成硫化钠、硫代硫酸钠、硫酸钠和磁铁矿。钛铁矿在无CaO存在时,在铝土矿溶出过程中不参与反应,直接进入赤泥。当有CaO存在时,钛铁矿被分解,钛生成钛水化石榴石,铁生成Fe(OH)3进入赤泥

[9]

。近年来,随着强磁富

铁矿资源的日益枯竭,开发赤铁矿和褐铁矿等弱磁、无磁铁矿的工作日益被受到重视,因此实现文

35

󰀁2010年12月云南冶金Dec.2010

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

第39卷第6期(总第225期)YUNNANMETALLURGYVol󰀂39.No󰀂6(Sum225)

山氧化铝赤泥中铁的产业化回收,具有重要的战略意义。

早期的赤铁矿选矿生产线一般多采用重选工艺,主要有跳汰机、离心选矿机、螺旋溜槽、螺旋选矿机、摇床等,由于其选矿处理能力小,选矿品位低、回收率低而逐渐被淘汰。为探索赤泥中赤铁矿的可选性,国内先后采用了浮选、重选、烧结磁选、脉动高梯度磁选等方法做了大量的实验。通过对实验结果进行分析、比较,采用脉动高梯度磁选进行赤泥中铁矿物的分选,选出的铁精矿品位达到了56%,回收率达到了90%以上,成为当今国内拜尔法赤泥回收铁的主要工艺之一。

关于赤泥的综合利用问题,国外进行了大量的试验研究工作,提出了许多专利和论文报告。赤泥的综合利用方式与其化学成分有关,与氧化铝的生产工艺有关。烧结法赤泥和联合法赤泥用于生产水泥国内外早已工业化生产,例如我国山东分公司和河南分公司用赤泥生产硅酸盐水泥,采用湿法生产工艺,用赤泥代替粘土生产水泥,是赤泥综合利用的较成功的方案。利用赤泥生产的水泥以早强高、抗硫酸盐侵蚀性强抗冻融及抗渗性好、水化热低、快硬的特点深受用户的青睐。但近几年水泥新标准的出台,对水泥含碱标准要求(NaO2+K2O)<0󰀂6%,造成水泥生产中赤泥掺配量受到很大程度的影响,随着用户更注重水泥含碱、工程质量性能保证度的要求,低碱水泥更符合市场的需求。对于拜耳法赤泥,国外在建材、钢铁冶炼、陶瓷、玻璃、耐火材料、填料等方面的应用研究报道较多,国内在这方面的开发应用投入还很薄弱。国外对还原熔炼法综合处理拜耳法赤泥进行了多年研究,制定了多种工艺流程,其中之一为用赤泥、煤粉和石灰石配成的炉料在回转窑内进行还原烧结,得到粒状熟料,而后在电炉中进一步进行还原焙烧,完成氧化铁的还原过程以及生铁和炉渣的分离。得到的铝酸钙炉渣在自动粉化后,用碳酸钠溶出,铝酸钠溶液与拜耳法溶液合并,经分离、洗涤后的残渣可

[10]

作为生产水泥的原料。

3󰀂4󰀁充分利用海外资源保障我省氧化铝工业的可

持续发展

目前,全球生产氧化铝的27个国家中,铝土矿需要全部进口的国家就有10个。美国是世界氧化铝生产大国,其铝土矿基本全靠进口,美国铝业公司目前在全球拥有40多亿t的铝土矿资源,其储备的铝土矿可维持100年以上;加拿大铝业公司36目前也控制着近10亿t的铝土矿资源量;俄罗斯铝业从2001年开始也加紧对几内亚和圭亚那铝土矿的控制,并获得近3亿t铝土矿的开采权。我省氧化铝企业也要树立国际大市场的观念,勇敢地走出去,获取国外的铝土矿资源。

国外铝土矿资源储量丰富、质优、分布集中、供给能力大。开发国外铝土矿资源可以采取多种方式。其一,进口国外三水铝石矿,在国内厂用拜耳法生产氧化铝,可获得能耗低、碱耗低、质量好的产品。也可以把三水铝石与一水硬铝石搭配使用,作为溶出后加矿增浓溶出,这一技术称之为 后加矿增浓!技术,即在一水硬铝石拜耳法溶出后的自蒸发器中添加20%的三水铝石矿,溶出部分产出率可提高19%,节能11%,增产节能效果显著。其二,氧化铝企业走出去,到铝土矿资源丰富的国家,获取铝土矿探矿及长期开采权,以保障国内铝土矿的稳定供应。其三,可以在铝土矿、煤、电、水资源条件好的国家,建设氧化铝厂。在发展壮大铝工业的同时,还可以培育高铝熟料、耐火材料等产业,以弥补国内铝资源的不足。

4󰀁结󰀁语

我国已经发展成为世界铝产量和铝消费量第一大国,原料50%以上依赖进口铝土矿,这种很高的对外依存度,使得我国铝工业面临严峻的挑战。因此,云南铝工业必须从资源安全的角度出发建立和健全铝土矿资源保障与开发利用产业发展战略,充分利用云南省区位优势,参与东南亚国家铝土矿资源的开发,建立我省铝工业资源战略储备,做好利用国外铝资源总体规划,加强铝土矿资源的管理与开发。加快推广选矿新技术的工业应用,有效利用低品位矿石,采用新的工艺技术与装备,提高铝土矿资源的可供应能力和保障程度,高度重视赤泥选铁新技术、新工艺攻关,实现铁和镓的产业化回收,同时兼顾化学品氧化铝等高附加值产业的发展,实现我省铝工业快速持续发展。参考文献:

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(下转第48页)

󰀁2010年12月云南冶金Dec.2010

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

第39卷第6期(总第225期)YUNNANMETALLURGYVol󰀂39.No󰀂6(Sum225)

5所示的三个阶段来描述:用下向相邻的晶粒c内延伸;

(a)裂纹的形核裂纹(b)裂纹的扩展在

在晶界的共晶相与基体界面处形核,并在应力的作裂纹的附近形成平面滑移带,并在裂纹的尖端促发

了孪晶;(c)主裂纹的形成裂纹绕过孪晶,穿过

图5󰀁铸态镁合金在拉伸变形过程中的断裂机理

instretchingdeformation

[4]

[4]

晶粒c和晶粒d的晶界,进一步扩展直至断裂。

Fig󰀂5󰀁Fracturemechanismofcastmagnesiumalloy

3󰀁结󰀁语

随着Dy元素含量的增加,合金抗拉强度几乎成直线增加,屈服强度也增加不太明显,可塑性变型降低明显。而塑性变性明显降低是由于随着Dy

元素含量的增加合金共晶相增加,共晶相的增加导致合金塑性降低。只要找到Dy元素在合金中的最佳含量,用Mg-Dy-Nd合金代替钢材也有可能的。本论文的研究结果旨在为这种合金组织与性能随稀土元素Dy含量的变化规律提供指导,为作为最轻的Mg合金代替金属结构材料做铺垫。参考文献:

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57

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2004,

21(3):

图3为铸态Mg-Dy-Nd合金的拉伸断口形貌。

由DN73K合金拉伸断口的照片(图3(a))表明,解理为该合金断口裂纹扩展的主要形式。观察发现,在断口处可观察到清晰的 舌状花样!,一般认为它来源于二次裂纹包围的形状,在解理开裂和沿晶界开裂中的局部塑性变形被认为是舌状花样的形成的原因,也有人把舌状花样与裂纹尖端前方形成孪晶联系起来,即当解理面扩展的解理断裂,遇到孪晶时便沿孪晶面产生局部断裂,而 舌状!正是此局部裂纹与主裂纹交错的轨迹。进一步观察发现,沿晶界处还可以看到大量的微裂纹,表明这些解理面可起源于晶界。由图4(a)可以看出,变形过程中微裂纹优先沿晶界相形成,随着裂纹不断地形成和生长,位错可以向晶内延伸,同时,断口附近的晶内有大量的孪晶存在,当沿解理面扩展的解理断裂,遇到孪晶时便会产生局部断裂,从而形成 舌状花样!。随着稀土Dy元素含量的增加,共晶相的增加导致合金塑性降低,从而使得DN103K合金孪晶数量减少,解理断裂特征明显。

铸态Mg-Dy-Nd合金断口观察发现,裂纹优先沿晶界共晶相与基体的界面形成,裂纹形成之后便以解理的方式向晶内扩展,其断裂机理可用图

(上接第36页)

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