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详介生产刚玉的原料:铝矾土

    到目前为止,生产刚玉主要采用两种原料:一种是用天然铝土矿直接电熔或烧结成棕刚玉、矾土刚玉、亚白刚玉等;另一种是用工业氧化铝电熔或烧结为白刚玉、致密刚玉、板状刚玉、烧结刚玉等。而工业氧化铝95%以上使用铝土矿提取的。可见铝土矿是生产刚玉的重要原料。用明矾石和霞石也能提取氧化铝。

    铝土矿亦称高铝矾土或铝矾土,主要矿物是一水铝石(Al2O3·H2O)和三水铝石(Al2O3·3H2O)。根据一水铝石的结构不同,又可分为一水硬铝石(或α-Al2O3·H2O硬水铝石)和一水软铝石(或γ-Al2O3·H2O勃姆石、波美石)。所谓铝土矿不是矿物名称,而是一水硬铝石、一水软铝石和三水铝石的混合物,其主要化学成分是Al2O3,一般含量为40%~80%。天然铝土矿化学成分中的杂志变化也很大,除了Al2O3外,还有SiO2、TiO2、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O等,这些化学成分组成了如下的矿物:三水铝石、一水铝石,还有硅线石系矿物(即硅线石、红柱石、蓝晶石,其化学通式为(Al2O3·SiO2)、高岭石(Al2O3·SiO2·H2O)、金红石(TiO2),以及迪开石和含铁矿物等。铝土矿主要有鮞状、豆状、碎屑和隐晶(泥状)构造,还有土状、致密块状结构。又从白色到赭色之间的一切颜色,一般含铁高的呈红色,含铁低的呈灰白色,由于胶结物质不同,颜色变化很大,优势有红褐色斑点。铝土矿的外观特征比较复杂,但也有规律可循。一般同级别的,具有类似的特征。

    我国的铝土矿主要分布在河南、山西、广西、贵州及山东等省区。主要矿物是一水硬铝石与高岭石,其次有一水软铝石、三水铝石、金红石、迪开石和含铁矿物。其特点是含Al2O3高,含SiO2亦高,含Fe2O3低,因此Al2O3/SiO2较低,大多数为4~7。除广西平果铝土矿外,含Fe2O3大多数都在5%以下,Al2O3/SiO2≥10的优质铝土矿也较少。对于矿石类型来说,绝大部分为一水硬铝石-高岭石型,俗称高硅低铁一水硬铝石型铝土矿,或称高铝高硅低铁一水硬铝石-高岭石型铝土矿。广西平果地区铝土矿可称为高铁一水硬铝石-高岭石型铝土矿。一水硬铝石和高岭石这两种矿物按不同比例组成了一系列Al2O3含量不同的铝土矿。仅福建、广东有少量三水铝石型,但Al2O3/SiO2都比较低,广西和山东还有相当数量的高硫铝土矿。

    国外多为三水铝石型,但欧洲以一水铝石型居多,希腊为一水硬铝石-一水软铝石型。从化学成分看,国外多数铝土矿的SiO2含量较低,Al2O3/SiO2较高,而Fe2O3含量一般都较高。

    Al2O3是铝土矿中的主要成分,其含量愈高愈好,目前生产工业氧化铝要求铝硅比不低于3.0~3.5.其他氧化物都视为杂质,SiO2是碱法生产氧化铝的有害杂质,铝土矿中的SiO2含量高,将使冶炼棕刚玉,或者生产工业氧化铝的生产效率降低,杂质成分增多。铝土矿中含Fe2O3高,虽然大部分能被除去,但对产品质量具有一定的影响。如果含TiO2高,对产品质量也不利,含K2O和Na2O高,对产品的质量影响更大。

    无论是冶炼棕刚玉,还是生产工业氧化铝,对铝土矿的质量都有严格的要求。我国GB/T3497-1983对铝土矿按化学成分、用途分级见表:


按铝土矿的化学成分和用途分级
项目一级品二级品三级品四级品五级品六级品七级品
Al2O3/SiO2(不小于)12975436
Al2O3/%(不小于)736966607167645069666262585448
用途举例刚玉研磨材料、高铝水泥氧化铝氧化铝氧化铝高铝水泥、氧化铝氧化铝氧化铝氧化铝氧化铝氧化铝氧化铝氧化铝氧化铝氧化铝氧化铝
注:一至六级品适用于一水硬铝型矿石;七级品适用三水铝型矿石

    冶炼棕刚玉的铝土矿必须经过煅烧。煅烧过后的高铝熟料不仅提高了品位,使刚玉冶炼的电耗降低,而且使炉况稳定,提高了生产效率。铝土矿加热过程中发生一系列物理化学变化,研究它不仅对生产氧化铝、冶炼棕刚玉、亚白刚玉有重要意义,而且也是制造高铝耐火材料的基础。铝土矿加热时的变化可分为三个阶段,即分解阶段、二次莫来石化阶段、重结晶烧结阶段。

    铝土矿石经高温煅烧后的产物,称为高铝矾土熟料,是高铝耐火材料的主要原料,亦可用来冶炼刚玉,特别是冶炼亚白刚玉。对高铝矾土熟料的要求严格,不但要求Al2O3含量高,而且难还原的氧化物含量要尽量低。

    我国是世界上铝土矿资源丰富的国家,但由于受矿床形成自然规律的影响,其特级矿分布不集中,机械化开采混级严重,加上矿石自然类型复杂、难以严格分级。近年来,从耐火材料角度对我国的铝土矿进行了比较多的试验研究工作,并取得了可喜的成果。今后对合成原料将进一步展开工作,形成具有我国特色的优质耐火原料系列产品。