我国高铝矾土属水铝石-高岭石型，有人称为高铝粘土，又称铝土矿。其特点是含Al2O3和SiO2高，含Fe2O3低，不太适合工业氧化铝生产，比较适合耐火材料。自1953年唐钢耐火车间利用本地高铝矾土生产出Al2O3含量87.34％高铝砖之后，1954年重钢耐火车间利用贵阳高铝矾土生产出Al2O3含量大于８５％的高铝砖之后，高铝质耐火材料得到快速发展。
如今我国已是耐火材料生产大国，耐火材料产量占全球的65％以上（2011年产量2949万ｔ，近年稍有降低），其中高铝耐火材料占65％以上，每年要用1500万ｔ高铝矾土，经过60多年的开采利用，高铝矾土资源已趋匮乏。
耐火材料对高铝矾土有严格的质量要求（见表1）＜1＞，随着高温技术的发展，1982年后，特级、高铝矾土熟料供不应求，二级矾土熟料滞销，三级品利用率也很低。因此对当前大量的中低品位Al2O3含量较低的高铝矾土，必须考虑选矿提纯。
表1 高铝矾土的基本分类
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牌号 |
等级 |
煅烧后相组成 |
Al2O3／％ |
Al2O3／SiO2 |
煅烧后熟料Al2O3／％ |
生料外观特征 |
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特Ａ |
特等 |
刚玉质 |
＞76 |
＞20 |
＞90 |
浅灰色，重而硬，结构致密均匀 |
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Ａ |
１等 |
刚玉－莫来石 |
68-76 |
5.5-20 |
80-90 |
浅灰色或淡黄色，重而硬，结构致密均匀 |
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Ｂ１ |
２等 |
莫来石－刚玉 |
60-68 |
2.8-5.5 |
70-80 |
灰白色，结构尚致密，鲕状不多 |
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Ｂ２ |
２等乙级 |
莫来石质 |
52-60 |
18-28 |
60-70 |
灰色，结构疏松，鲕状体较多 |
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Ｃ |
３等 |
低莫来石质 |
42-52 |
1.0-1.8 |
48-60 |
浅灰色，结构致密均匀，表面滑腻 |
1、我国高铝矾土选矿提纯的必要性＜2＞＜3＞＜4＞：
1.1、我国高铝矾土多为高硅低铝原料，铝硅比以4-6为主，矿石的Al2O3含量以40-60%为主， 矿石很少，如阳泉矿，其特， 品仅占14%，经过多年的开采，已所剩无几，因此需要选矿提纯，提高Al2O3含量，除掉或减少SiO2，Fe2O3，K2O、Na2O等杂质成分。
1.2、由于高温技术的进步，耐火材料用户对质量要求越来越高，例如过去钢铁工业锭模浇钢大量使用粘土质耐火材料，而新的技术，采用连铸，炉外精炼等，大型钢包衬是以刚玉为主的铝鎂质浇注料，中，小型钢包衬也是以特等或一等高铝熟料为主的浇注料等。新的高温技术，普遍要求高材质高质量的耐火材料。
1.3、提高资源利用率，保护环境。我国耐火用铝矾土矿山，一般是人工分级，矿石混级在30%以上（国家规定混级率不大于10%），改革开放以来，大部分矿山为民采，采富弃贫，乱采乱挖，资源破坏和浪费现象非常严重，加上煅烧设备限制只能用块料，粉矿不用，资源损失率高达50-70%。采用机械化采矿，通过选矿提纯，使资源利用率由20%提高到80%以上。
1.4、高铝矾土矿属沉积型矿床，由于矿床成因及赋存地质条件的影响，往往同一矿层，同一区段，同一块矿石的化学成分波动很大，质地很不均匀。通过选矿提纯使矾土原料的化学成分达到稳定。国外标准要求Al2O3含量波动范围控制在1-2%，而我国往往高达5-10%，相当程度上制约了耐火材料产品质量的提高，因此也造成出口国外的原料或产品，出现一等原料三等价钱的问题，因此应该选矿提纯。
1.5、早在1990年中国金属学会就制定了“我国钢铁工业用耐火材料发展纲要设想，确立我国耐火材料的精料方针”。2006年中国耐火材料行业协会制定的‘‘耐火材料产业发展政筞’（建议稿）中指出‘‘将根据资源分布情况，建设若干个供矿基地和选矿厂，以提高矿石品级，合理充分利用资源’。现在应该是去实现这些建议和要求的时侯了。国家对各行业提出转型升级，耐火原料矿山必须要走机械化开采，正确的选矿提纯道路，改变现在的落后的开采方法，人工分级的情况。
2、高铝矾土提纯方法评述
在耐火材料界，20世纪70年代就提出高铝矾土选矿提纯的问题，俗称‘‘减法’之说，而在金属铝业界也做了大量工作，20纪80-90年代一些科研院所对高铝矾土选矿提纯研究取得许多可喜的成果，近年来又做了深入细致的工作。现将与耐火原料有关系选矿做简单评述。其实耐火用高铝矾土有严格的质量要求，其行业标准YB/T5179-2005理化指标见表2。还有以氧化铝为原料的刚玉材料。
表2 高铝矾土熟料牌号划分及其指标
|
牌号 |
Al2O3/% |
Fe2O3/% |
TiO2/% |
CaO+MgO/% |
K2O+N2O/% |
体积密度g/cm3 |
吸水率% |
|
ＧＬ－９０ |
≥89.5 |
≤1.5 |
≤4 |
≤0.35 |
≤0.35 |
≥3.35 |
≤2.5 |
|
ＧＬ－８８Ａ |
≥87.5 |
≤1.6 |
≤4 |
≤0.4 |
≤0.4 |
≥3.20 |
≤3.0 |
|
ＧＬ－８８Ｂ |
≥87.5 |
≤2.0 |
≤4 |
≤0.4 |
≤0.4 |
≥3.25 |
≤3.0 |
|
ＧＬ－８５Ａ |
≥85 |
≤1.8 |
≤4 |
≤0.4 |
≤0.4 |
≥3.10 |
≤3.0 |
|
ＧＬ－８５Ｂ |
≥85 |
≤2.0 |
≤4.5 |
≤0.4 |
≤0.4 |
≥2.90 |
≤5.0 |
|
ＧＬ－８０ |
＞80 |
≤2.0 |
≤4 |
≤0.5 |
≤0.5 |
≥2.90 |
≤5.0 |
|
ＧＬ－７０ |
70-80 |
≤2.0 |
－ |
≤0.6 |
≤0.6 |
≥2.75 |
≤5.0 |
|
ＧＬ－６０ |
60-70 |
≤2.0 |
－ |
≤0.6 |
≤0.6 |
≥2.65 |
≤5.0 |
|
ＧＬ－５０ |
50-60 |
≤2.5 |
－ |
≤0.6 |
≤0.6 |
≥2.65 |
≤5.0 |
天然高铝矾土除含Al2O3外，还有SiO2，Fe2O3，TiO2，CaO，MgO，K2O，N2O等杂质，不同地区的矾土矿杂质数量往往不同，选矿的目的就是除去其中的杂质，提高Al2O3含量，主要的选矿方法如下：
2.1、提取氧化铝：从高铝矾土或其他含铝天然原料提取氧化铝的方法较多。目前我国普遍采用选矿－拜耳法生产工业氧化铝，国内生产金属铝的各大铝业公司基本都生产工业氧化铝，耐火用氧化铝大部分从铝业公司购买，或者从国外进口。
2.2、用氟化铝除去高铝矾土中的SiO2，TiO2，Fe2O3，制取板状棕刚玉：将铝矾土粉碎至小于0.175mm，与一定比例的AlF3充分混合，然后压块煅烧，产生的SiF4，TiF4，FeF3为白色气态物，全部挥发，Al2O3含量增大。有人用阳泉矾土试验，煅烧1300℃，保温30min，可脱除SiO2：95%，TiO2：99%，Fe2O3：13%，煅烧到1780℃可形成板状刚玉。这种方法的生产成本较高，挥发物难以回收，污染环境＜１＞。
用氯化挥发法除钛，铁是可行的，小型试验原矿TiO2由3%降到0.62-0.65%，Fe2O3由0.87%降到0.29-0.31%，收得率在95%以上，成本增加不大，企业有利可图。但注意挥发物回收，保护环境。
2.3、洗选：可采用附有振动筛的擦洗机，滚筒筛，缓慢转动的搅拌机等洗去矿石表面的附着物。此法是简单的选矿方法，利用含硅矿物易碎，泥化的特点，除去细粒级物质，提高铝硅比＜５＞。
/2.4、浮选法：我国自20世纪70年代开始对浮选脱硅进行诸多研究，是目前研究较多，也较为有效的方法之一。根据上浮矿物是否为目的矿物，可分为正浮选和反浮选。原矿磨细到200目占95%，以Na2CO3为调整剂，六偏磷酸钠为抑制剂，氧化石蜡皂和塔尓油作捕收剂取得较好效果，矿石铝硅比由5提高到8以上，正浮选分离或富集水铝石。然后将浮选的精矿进一步磨细通过325目筛进行反浮选，除去含铁与含钛矿物。各矿区高铝矾土半工业试验结果如表３。
表３ 浮选前后矿石的Al2O3和SiO2含量
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矿样种类 |
Al2O3含量/% |
SiO2含量/% |
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原矿 精矿 尾矿 |
原矿 精矿 尾矿 |
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山西孝义 |
66，04；76，25；55，96 |
13，07；7，85；23，17 |
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河南小关 |
64，07；71，74；50，13 |
13，97；7，73；26，35 |
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广西平果 |
６２，３３：76，13；34，40 |
9，06；6，13；22，81 |
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山西阳泉 |
６２，76；73，50；56，79 |
17，50；6，88；23，36 |
2004年中州铝厂建成300kt/a选矿－拜耳法生产线，采用磨矿浮选工艺，选矿净增加费用相当于原矿采购价的20％，这个成本在经济上是合适的。而进一步生产氧化铝的成本与传统拜耳法基本持平，优于烧结法＜６＞＜７＞。
2.5、利用酸，碱与高铝矾土杂质的化学反应提高氧化铝含量。将烧后矾土熟料磨细加盐酸浸泡，可将铁，钙，鎂去掉，但废酸难处理＜９＞。
将矾土焙烧，使高岭石生成无定型SiO2，在较低温度下与NaOH反应，溶解在稀碱溶液中，使矿石中的铝，硅分离。此外，经高温处理，矿石中大部分碳酸盐，硫，有机物及其他有害杂质被除去。
2.6、磁选；强磁选能有效的除去铁矿物，而且是经济的方法。例如某研究院将矾土磨至≤0.0744占93-96%，以六偏磷酸钠为分散剂，采用高梯度磁选法选矿，使原矿Fe2O3含量1.86%和1.03%分别降至0.86%和0.7%，原矿TiO2含量2.81%和2.99%分别降至2.39，和1.77%＜10＞。
有人采用浮选法，用芐基砷酸为扑收剂，效果比磁选法好些，Fe2O3由1.25%降至0.76%，TiO2由2.91降至1.91%。
2.7生物选矿：利用微生物来分解硅酸盐，铝硅酸盐矿物。一般是异养菌（主要是细菌及真菌），细菌可以将一个高岭石分子破坏为Al2O3和SiO2，从而使SiO2转化为可溶物，而Al2O3不溶，得以分解。这种方法生产成本低，消除环境污染，具有良好的前景＜１１＞。
2.8、直接用拜耳法处理中，低品位铝矾土矿石：利用原有拜耳法系统，只需将石灰添加量提高，就可以直接处理中，低品位矿石。其基本原理是含硅矿物在一水硬铝石溶出条件下，与溶液中的铝酸钠反应，生成水合铝硅酸钠进入赤泥，多加石灰使钙取代钠生成水合铝硅酸钙脱除，可以降低碱耗和成本＜１２＞。
2.9、电熔法：利用铝对氧的亲和力比铁，硅，钛等大的基本原理，通过控制还原剂（炭素）的数量，用还原冶炼的方法使铝矾土中的主要杂质还原，生成硅铁合金与刚玉熔液分离，从而获得结晶符合要求的刚玉材料。冶炼棕刚玉时，一般要求铝矾土的Al2O3含量大于76％，Al2O3含量愈高，对冶炼刚玉各项技术指标愈有利。
用高铝矾土冶炼亚白刚玉，配加炭素材料要比冶炼棕刚玉大，其前，中期为还原冶炼期，后期为氧化精炼期，配加脱碳剂进行脱碳处理，使亚白刚玉Al2O3含量大于98%或98.5%。冶炼亚白刚玉用铝矾土熟料要求Al2O3含量≥85%＜８＞。
2.10、联合流程选矿法，单一方法不能凑效的情况下，可采用各种方法联合进行。例如洗选－磁选－浮选等。高铝矾土的选矿方法还有许多，而且在进一步研究提高中。
3、新型耐火原料基地的探讨
可在山西，河南，贵州，广西等高铝矾土储量丰富的省（区），建设年产40万ｔ以上矿石的大型矿山。矿山要有详细的地质勘探资料，作好矿山地质工作，采用机械化开采，分级，以经济为杠杆，效益为准则，对矿石综合利用。
3.1、在矿山境内建有环保型机械化高温竖窑，采用煤气，天然气或液化气作燃料。建设选矿厂，目前比较合适的是浮选法，其次是根据当地矿石的特点，如磁选或某种化学法选矿。建设电弧炉冶炼车间，为电熔刚玉制造条件。
3.2、矿山开采的矿石经分级，化学成分符合做耐火原料的，直接入竖窑煅烧，如果是粉料，可预均化合成或直接成球入竖窑煅烧，其熟料可根品牌的质量指标出售。根据耐火材料的生产经验，用这种原料生产的制品质量不差。铝土矿直接烧成熟料，工艺简单，成本低。经济效益显著，也容易被用户接受。
3.3、低品位铝土矿石，特别是不符合耐火原料要求的铝矾土，要运到选矿厂进行选矿提纯。铝矾土矿的混合原矿，采用浮选，磁选工艺流程实现分级与提纯，工艺简单，指标可靠。所用设备均为国产，药剂来源广泛，易于建厂投产。
3.4、选矿后的精矿与尾矿处理，用以下的例子说明：例1，阳泉煤业集团通过浮选，获高铝产品和低铝产品，中间产品再通过强磁除铁，浮选脱钛工艺，获得铝硅比大于9的高铝产品，做为拜耳法生产氧化铝的原料，铝硅比约等于2.55的低铝产品，作为合成莫来石的耐火原料。例２，山西孝义某铝业公司对低品位高铝矾土用无尾分离新技术进行选矿，将当地大量积存的碎矿入选，产品以ｗ（Al2O3）≥75%为主，用带预热器的回转窑生产高铝均化料；另一种精矿铝硅比大于8，供生产氧化铝；尾矿用于合成莫来石，实现无尾矿生产。（特大型铝矾土矿山可考虑引进拜耳法生产氧化铝设备）
2.4、利用高温竖窑，将拜耳法生产的氧化铝煅烧成板状刚玉。利用电弧炉，将拜耳法生产的氧化铝电熔成白刚玉，致密刚玉，将选后符合要求的精矿（Al2O3＞76%，TiO2＜5.5%，Fe2O3＜5%，CaO+MgO＜1.2%）电熔棕刚玉；而用品位更高的精矿（Al2O3≥85%，TiO2≤4.5%，CaO+MgO≤0.5%）电熔亚白刚玉。也可以利用竖窑煅烧，将选出的精矿预合成各种牌号的高铝耐火原料，尾矿用烧结法合成莫来石。
结束语
我国高铝矾土资源丰富，由于它是耐火材料和金属铝的同一原料，经过多年的大量开采，高品位矿石日渐匮乏，必须对中，低品位矿石进行选矿提纯。耐火原料的高铝矾土矿山要转型升级，建设环保型的大型矿山，采用机械化开采，分级，同时建有选矿厂，煅烧矿石或合成料的车间，电熔车间，综合生产各种牌号的耐火原料。
参攷文献
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作者：徐平坤（１９３９－），男，高级工程师，主要从事耐火材料的开发与生产工作。