我國剛玉礦物資源及應用

趙景勛

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山西總隊，山西 太原 030031）

我國剛玉礦物資源及應用

趙景勛

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山西總隊，山西 太原 030031）

本文對剛玉礦物的物理化學性質(zhì)進行了介紹，就其地質(zhì)產(chǎn)狀、資源分布、礦山采選與應用等方面進行了歸納總結(jié)，分析了我國剛玉礦物資源的供給能力及其工業(yè)應用發(fā)展方向。

剛玉；礦產(chǎn)資源；應用

剛玉是一種純的結(jié)晶氧化鋁礦物。因其硬度大和高鋁耐高溫的特點，工業(yè)上主要用來做高級研磨材料和高級耐火節(jié)能材料，透明、半透明且色彩鮮艷者可做紅、藍寶石。自然界剛玉礦物資源較少，當今人們正大量用人造剛玉替代天然剛玉。

1 礦物性質(zhì)

(1) 晶體形態(tài)。

剛玉屬于三方晶系，L33L2PC對稱型。晶體形態(tài)常呈腰鼓狀或短柱狀，也有呈板狀或葉片狀，與其形成的地質(zhì)產(chǎn)狀有關(guān)，產(chǎn)于低SiO2巖石中的多呈腰鼓狀，產(chǎn)于高SiO2巖石中的則以板狀為特征。集合體呈粒狀或致密塊狀。

(2) 物理性質(zhì)。

剛玉的顏色多樣，不透明或半透明的剛玉通常呈黃灰色、藍色，含鐵的呈褐色，透明的剛玉除無色、白色外，紅、黃、紫、綠、棕、黑色都常見，玻璃光澤，硬度9，無解理，密度3.95～4.28g/cm3。熔點2 000～2 050℃。耐磨性好，導熱性、絕緣性良好，熱膨脹系數(shù)小，化學性質(zhì)穩(wěn)定。

(3) 化學組成。

剛玉化學分子式為Al2O3，天然剛玉一般都含有Cr3+、Ti4+、Fe2+、Fe3+、V5+、Mn4+等微量元素，如河北靈壽的剛玉礦物化學組分(%)：Al2O396.63～98.89，雜質(zhì)總量 1.12～2.83(以FeO、Cr2O3、TiO2為主，其中FeO為0.21～1.57，次為SiO、K2O、Na2O、MgO、NiO等)。常有磁鐵礦、云母、鉀長石等包體。

2 地質(zhì)產(chǎn)狀及分布

2.1 資源概況

地殼中Al2O3的分布僅次于SiO2，但剛玉礦物卻遠不如石英礦物分布廣泛，這是因為Al2O3對SiO2的化學親和力很大，容易結(jié)合成硅酸鹽和水化物，所以只有在高溫、富鋁與貧硅的特殊地質(zhì)條件下才能形成剛玉礦物，當其含量達到一定的要求時則成為剛玉礦床，因此世界范圍內(nèi)天然剛玉礦物資源量普遍較少。

我國除臺灣省外的30多個省區(qū)已發(fā)現(xiàn)剛玉礦床(點)100余處，其中剛玉(寶石)礦床(點)70余處。但只有西藏曲水剛玉礦床、黑龍江穆棱剛玉(寶石)砂礦床作過詳查地質(zhì)評價工作，云南麻粟坡剛玉礦床、湖北英山甲河剛玉砂礦床等也做了較多的地質(zhì)工作，其他大多為預查或普查評價，有的側(cè)重地質(zhì)基礎(chǔ)性或應用性研究，有的作為寶石級礦物產(chǎn)地邊采邊探，地質(zhì)工作程度普遍較低，這些礦床有的已小規(guī)模群采。主要產(chǎn)地還有：河北靈壽、江蘇六合、福建明溪、河南靈寶、海南蓬萊、山東昌樂、新疆喀什、青海冷湖、內(nèi)蒙阿克陶等，安徽大別山北部、陜西佛坪、河北盧龍及板城等也新見有礦產(chǎn)地。

2.2 礦床類型

根據(jù)國內(nèi)外資料，常見的剛玉礦床成因類型有三種。

2.2.1 巖漿巖型剛玉礦床

巖漿巖型剛玉礦床細分為兩三種。

(1) 正長巖型剛玉礦床。

該類型礦床是在巖漿巖分異作用過程中形成，剛玉集中于巖體的邊緣，如遼寧鳳城剛玉礦床。加拿大安大略剛玉礦床較為典型，剛玉為柱狀晶體，長達5cm，Al2O3含量在95%以上。

(2) 偉晶巖型剛玉礦床。

該類型礦床與花崗巖漿作用有關(guān)。剛玉礦體位于偉晶巖中，礦石中剛玉含量變化大，低者5%，富集部位可達80%。南非德蘭士瓦剛玉礦床為其代表，新疆哈密剛玉礦床亦屬此類型。另外，還有一種粗結(jié)晶珠云剛玉巖，其中剛玉礦物呈層狀產(chǎn)于珍珠云母集合體中。

(3) 火山巖型剛玉礦床。

該類型礦床與火山巖作用有關(guān)。剛玉礦床產(chǎn)于堿性玄武巖(如江蘇盱眙)和酸性凝灰?guī)r(如福建泉州)中，多由火山活動中后期熱液蝕變成礦。

2.2.2 變質(zhì)巖型剛玉礦床

變質(zhì)巖型剛玉礦床細分為兩種。

(1) 區(qū)域變質(zhì)巖型剛玉礦床。

我國該類型礦床比較常見。主要在區(qū)域變質(zhì)作用過程中，在堿性熱液作用下，由巖石中的高鋁礦物如紅柱石、藍晶石、矽線石等經(jīng)進一步變質(zhì)作用形成。這種礦床的礦體多呈扁豆狀、囊狀或透鏡體狀，長度數(shù)米至數(shù)百米，層控明顯。如河北靈壽剛玉礦床，其賦礦巖石為剛玉黑云二長片麻巖，礦石具獨特的眼圈狀構(gòu)造。剛玉被鉀長石包圍的俗稱紅眼圈石，被鉀鈉長石包圍的俗稱白眼圈石，被黑云母包圍則俗稱烏鴉石。自清朝以來人們據(jù)此特征對該礦開采上百年，留有多處采硐。礦石共生礦物見有剛玉、磁鐵礦、矽線石、鉀長石、石英等，其中剛玉含量8%～30%。此外，賦存于片麻巖中混合巖化偉晶巖剛玉礦床(如河北板城)亦屬該類型。

(2) 接觸交代變質(zhì)型剛玉礦床。

該類型礦床多產(chǎn)于巖漿巖與大理石巖接觸帶，巖石為鈣硅矽卡巖。如西藏曲水剛玉礦床，產(chǎn)于輝長巖與大理巖接觸帶中。

2.2.3 沉積型剛玉砂礦床

該類型礦床為各種成因的含剛玉礦床或巖石遭受風化破壞富集沉積而成，礦石中常伴生有磁鐵礦、紅柱石、藍晶石、石英等礦物。如湖北英山甲河剛玉砂礦床。

當含有磁鐵礦、赤鐵礦、石英等雜質(zhì)的富剛玉礦砂膠結(jié)并呈鐵礦一樣外觀的粒狀集合塊時，則稱其為剛玉砂或金剛砂。金剛砂一般含剛玉60%以上，多呈錆灰色或黑色。

2.3 時空分布

剛玉屬于標志性非金屬礦物，賦存于特定地質(zhì)環(huán)境下的地質(zhì)體中。通過對我國剛玉礦床(點)成礦地質(zhì)條件及成礦規(guī)律的系統(tǒng)分析，我國剛玉礦床在時空分布上具備以下特征。

正長巖型剛玉礦床主要產(chǎn)于古生代、中生代和新生代霓霞巖、霞石正長巖建造中；偉晶巖型剛玉礦床主要產(chǎn)于古生代和中生代花崗偉晶巖建造中；火山巖型剛玉礦床主要產(chǎn)于中生代和新生代玄武巖建造與酸性凝灰?guī)r建造中；區(qū)域變質(zhì)巖型剛玉礦床主要產(chǎn)于太古代、元古代混合巖化偉晶巖建造與角閃巖相—麻粒巖相變粒巖片麻巖建造中；接觸變質(zhì)巖型剛玉礦床主要產(chǎn)于元古代、古生代、中生代矽卡巖大理巖建造中；沉積型剛玉砂礦床主要產(chǎn)于第四系殘坡沖積碎屑建造中。其中賦存于中生代火山巖建造及太古代、元古代區(qū)域變質(zhì)巖和混合巖化偉晶巖建造中的剛玉礦床(點)尤為集中。

3 礦山開采與選礦

3.1 采選工藝與技術(shù)

按成因，外生沉積剛玉礦床多為露天開采，采礦手段有機械、半機械化。原生剛玉礦床則據(jù)礦體形態(tài)和產(chǎn)狀采取露天開采或硐采的方式，開采手段有手工、半機械、機械化。河北靈壽剛玉礦床為手工、半機械化硐采方式，采硐形態(tài)多為囊狀、扁豆體狀等與礦體形態(tài)一致。對寶石級剛玉礦床開采時主要采用靜態(tài)爆破工藝。

剛玉選礦一般采用篩分、跳汰以及磁選等聯(lián)合處理方法，也有采用搖床浮選方法，然后對其產(chǎn)品進行烘干，分級包裝。對寶石級主要采用手選或其他技術(shù)手段進行分選處理。

當制取高級耐火節(jié)能材料等專用產(chǎn)品時，還要對剛玉精礦進行靜電分離、風選或水沉降分級、熱處理、包裝等工序。

3.2 國外選礦工藝介紹

(1) 加拿大剛玉選礦。

加拿大剛玉選礦流程是將含剛玉10.5%的原礦用跳汰和搖床處理，得到含剛玉55%的精礦，再將其干燥后磁選，進而通過威爾費來搖床或空氣跳汰機進行精選，回收含剛玉90%～95%的最終精礦。此外，還將此種選礦廠的廢石進行再處理，回收剛玉精礦。

(2) 南非剛玉選礦。

南非對沉積型剛玉選礦流程是先將礦石通過篩孔為18mm的固定篩進行篩分，篩上物料在搖動手篩上采用手選，選出聚集于中央部分的礦物晶體；篩下物料進入裝有3mm孔眼篩的搖動槽；搖動槽篩下產(chǎn)品丟棄，而篩上產(chǎn)品送手動旋轉(zhuǎn)園盤進行洗礦后，即為精礦。對于塊礦是將礦石放入木桶中，使其脫去礦石上附著的脈石礦物，然后進行篩分、浮選從而獲得剛玉精礦。

4 應用評價

(1) 研磨材料。

剛玉莫氏硬度為9，在天然礦物中，其硬度僅次于金剛石，因此被廣泛用作高級研磨材料。用它制成砂輪、研磨盤、砂布、研磨紙及研磨粉等，用其制造的磨具適用磨削各種硬度較大和抗張強度較高的金屬，如碳鋼、合金鋼、可煅鑄鐵、硬青銅等。還可做超精研磨、拋光材料、精密鑄造型砂、噴涂材料及各種精密儀表、手表和其他精密機械的軸承材料或耐磨部件等。

(2) 耐火材料。

剛玉在Al2O3—SiO2二元系內(nèi)形成的所有物相中具有最高熔點，有極優(yōu)良的力學性質(zhì)、熱性質(zhì)、電性質(zhì)和化學性質(zhì)，故而也屬于高級耐火節(jié)能材料，有著重要用途。如高強度、高密度的燒結(jié)剛玉磚，在現(xiàn)代大型高爐中腰部位使用，能使高爐生產(chǎn)壽命延長達7～8年，并能在持續(xù)承受負荷及高溫狀態(tài)下正常工作。

(3) 寶石礦物原(毛)料。

在人們生活中另一外重要用途為高檔寶石礦物原(毛)料。除星光效應外，透明、半透明且色彩鮮艷并具有一定粒徑的剛玉礦物可做寶石。紅色的稱為紅寶石，其他色調(diào)的統(tǒng)稱藍寶石。目前寶石市場活躍，這也是人們近年來加強了剛玉(寶石)礦床地質(zhì)工作的重要原因。此外，透明的剛玉還用作電子和國防工業(yè)激光及紅外射線的窗口材料。

(4) 人造剛玉介紹。

由于天然剛玉礦物資源量較少，當今人們正大量用人造剛玉替代天然剛玉。人造剛玉是將鋁礬土在電弧爐中熔化，提高氧化鋁純度，然后將其凝固粉碎、整粒而成。純度高白色的產(chǎn)品稱白剛玉，含少量雜質(zhì)它色的統(tǒng)稱棕剛玉。自1958年始我國引用此技術(shù)，目前已非常成熟并得到創(chuàng)新，可以通過不同工藝、添加不同組分配比，生產(chǎn)不同用途系列產(chǎn)品，包括人造紅、藍寶石等。人造剛玉產(chǎn)品的規(guī)模生產(chǎn)，除大量替代天然剛玉在工業(yè)應用外還實現(xiàn)了在電子、國防等尖端技術(shù)領(lǐng)域的實際應用。我國鋁土礦資源豐富，這為發(fā)展人造剛玉產(chǎn)業(yè)提供了優(yōu)越條件。

5 可供資源

我國具有較好的剛玉礦物資源成礦地質(zhì)條件和遠景，但地質(zhì)工作程度明顯偏低。目前累計查明剛玉礦物基礎(chǔ)儲量萬余噸，查明資源量約數(shù)百萬噸，資源短缺。天然剛玉產(chǎn)品主要外銷日本。據(jù)亞洲金屬網(wǎng)資料，我國出口日本天然剛玉2006年為4 355t、2012年為3 508t，約占日本全年進口量的31%～32%，少于印度(8 565t、6 133t)，遠高于其他國家。

現(xiàn)今剛玉市場人造剛玉銷售量遠大于天然剛玉。人造剛玉需要大量的電能、焦炭及高品級鋁土礦。從目前我國剛玉礦物資源分布、采選技術(shù)、工業(yè)應用及市場貿(mào)易幾個方面綜合分析，發(fā)展我國人造剛玉依然是今后一定時期內(nèi)的主導方向，但從科學發(fā)展布局考慮，應注意對剛玉礦產(chǎn)地質(zhì)找礦投入，加強其采選技術(shù)研究，努力走人造與天然剛玉工業(yè)并舉之路。

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P619.242；TD985

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1007-9386(2014)01-0049-03