高铝三石在我国基础新材料产业中的应用与展望

吴培水，王永光，张晓龙

（中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队，陕西 西安 710003）

蓝晶石、红柱石、矽线石三种矿物因化学成分相同、物理性质和用途相近而统称为高铝三石。我国自1978年首次引进国外技术建设上海宝山钢厂时开始使用这三种矿物原料用作特种耐火材料，30多年来我国高铝三石的应用经历了从无到有、从推广普及到提高的过程。如今，高铝三石已在我国多个领域获得广泛的应用。我国已经成为世界上大量使用高铝三石矿物原料的国家之一，同时我国每年还部分进口和出口这三种矿物资源。随着国内外对高铝三石矿物优异性能认识的提高和大量新产品的研制、新的用途不断被发现，我国的高铝三石产业如旭日东升、蓬勃发展。

1 高铝三石及其矿物特性

蓝晶石、红柱石、矽线石是一组岛状结构硅酸盐矿物，为同质多象变体，统称蓝晶石类矿物或高铝矿物，在我国又俗称“三石”或“高铝三石”。三种矿物的化学成分相同，其化学式为Al2SiO5或Al2O3·SiO2，理论化学成分：Al2O362.92%，SiO237.08%。这三种矿物虽然均属硅酸盐类，但其晶体结构各异。

蓝晶石属于三斜晶系，晶体呈扁平的板条状。有时呈放射状集合体。蓝色、带蓝的白色、青色。具完全和中等的两组解理。硬度有明显的异向性，故又名二硬石。平行晶体伸长方向上莫氏硬度为4.5，垂直方向上为6。密度3.53～3.65g/cm3。

红柱石属正交(斜方)晶系的岛状结构硅酸盐矿物。晶体通常呈柱状晶体，横断面接近四方形。有些红柱石在生长过程中俘获部分碳质和粘土矿物，在晶体内定向排列，在横断面上呈十字形，称空晶石。硬度6.5～7.5，密度3.13～3.16g/cm3，解理不完全、解理完全；断口通常是由交叉好的解理或裂理产生的细长断口；常呈灰白色或肉红色，呈蓝、绿，紫色者少见，条痕通常为白色，玻璃光泽，透明—半透明。

矽线石属于斜方晶系，晶体结构形态呈柱状或针状，晶体聚合在一起常呈纤维状或放射状，具有丝的光泽或玻璃光泽。在晶带的柱面上具有条纹。集合体呈放射状或纤维状。有时呈毛发状在石英、长石晶体中作为包裹体存在。矽线石矿物通常呈白色、灰色或浅绿、浅褐色等；玻璃光泽，{010}解理完全，此解理面平行结构中的双链。硬度6.5～7.5，密度3.23～3.27g/cm3。

2 高铝三石在基础新材料中的应用

(1)蓝晶石、红柱石和矽线石作为耐火材料工业的基础原料，直接用于生产多种高级耐火砖制品，以满足高温工业对耐火材料的特殊要求。广泛地用于钢铁、有色金属、玻璃、水泥和陶瓷工业窑炉中的关键部位。此外，由于高铝三石的显著遇热膨胀效应，有时要对蓝晶石类矿物原料进行煅烧生成莫来石，方可进行加工生产。

我国是世界上最大的冶金、有色、建材等高温工业和窑炉工业的大国，每年都要消耗巨量的各类耐火材料，近年来我国耐火材料工业生产规模稳居世界第一位。据有关统计资料，2012年我国全年生产耐火材料制品共计高达7945万t，不仅满足了国内的庞大市场需求，还有大量的耐火材料出口。因此，耐火材料制品是我国最重要的基础材料产业之一，为我国高温工业和重工业的发展提供了强大的物质基础。高铝三石是在传统耐火材料原料基础上开发的高级耐火材料原料，目前其应用领域日渐宽广，在耐火材料工业原料中的地位和作用还在不断增强。

(2)蓝晶石、红柱石和矽线石作为耐火材料工业的添加改性原料，用于改进传统耐火材料制品的性能，并可根据不同用途研制和设计各种优质耐火制品。目前主要是将高铝三石矿物材料引入到传统耐火物料(高铝钒土、碳化硅、高镁原料等)中，通常添加量达到5%～20%即可显著改善传统耐火材料的性能，并可定制生产各种形状的不烧砖，极大地改善耐火制品的使用寿命和品质(见图1)。

图1 使用16年后的矽线石质低蠕变耐火砖

(3)用于生产不定型耐火材料。

不定型耐火材料是一种不经煅烧直接使用的新型耐火材料。蓝晶石类矿物在不定型材料制造中是关键的必不可少的矿物添加料，充当不定型耐火材料的膨胀剂，其主要作用是降低材料在高温下的遇热收缩，增强耐火材料的稳定性，防止产生结构剥落。高铝三石矿物广泛应用于耐火浇注料、耐火可塑料、耐火捣打料、耐火喷涂料、耐火涂抹料、耐火投射料、耐火压入料、耐火泥浆等产品。不定型耐火材料由于不需要高温锻烧，节约了大量能源，提高了工程效率，同时还促进了环境保护。

(4)蓝晶石类矿物还成功地用于研发各种功能陶瓷，如超硬陶瓷、超高压陶瓷等，用于制作汽车发动机火花塞、绝缘体、球磨机球体、实验器皿、耐震物品、铸造、防磨、电子、航天、核防护材料等。

(5)高铝三石还可用于冶炼高强度轻质硅铝合金和铝硅铁合金，制作金属纤维，用于飞机、汽车、宇宙飞船及雷达的重要部件。

(6)用于提炼高纯度的化学品氧化铝和化学品氢氧化铝。

此外，据报道国外尚利用富铝红柱石进行煤的气化等。

3 我国高铝三石矿产资源特征

我国蓝晶石、红柱石、矽线石矿产资源相当丰富，目前已经在25个省、市、自治区发现有高铝三石矿床(点)近百处。其中矽线石以东北黑龙江为主，其次为河南和河北的西部；红柱石以新疆、河南、甘肃、内蒙古、辽宁、陕西为主；蓝晶石主要分布在河南、江苏等地(见下表)。

我国三石矿产地分布

经过30多年来的地质勘查工作，全国已经探明蓝晶石、红柱石、矽线石矿床33处，其中红柱石15处、蓝晶石7处、矽线石11处。据全国矿产资源储量通报数据，截至2009年底我国累计查明蓝晶石、红柱石、矽线石矿资源储量共计6332.9万t，其中红柱石3335.3万t，蓝晶石1199.7万t，矽线石1797.9万t。其中大型矿床有9处、中型矿床3处、小型矿床21处。

蓝晶石、红柱石、矽线石三种矿物是典型的由变质作用形成的矿床，在我国主要产于各种变质岩系中。其成因类型有区域变质型、接触变质型、热液蚀变型和风化矿床。我国蓝晶石、矽线石矿床以区域变质型为主，红柱石矿床以岩浆接触变质和区域变质类型为主。我国高铝三石矿床主要受不同时期的造山带和深大断裂控制，分布于秦岭—大别山、天山、太行山、阴山、长白山、郯庐大断裂沿线等(见图2)。

图2 全国高铝三石矿床分布略图

红柱石常产于浅变质地层中，主要赋存于富铝的泥质或泥质岩石与中酸性侵入体接触变质的角岩、板岩、片岩或次生石英岩中。它形成压力较低，在600～800MPa以下，温度较高，在550℃以下，是典型的由热接触变质带及区域变质所产生的。矽线石一般产于中等程度变质地层中，其形成压力(430～1800MPa)和温度(320～1000℃)都比较高。蓝晶石具有中级区域变质岩的特点，一般产于变质程度较高的地层中，产于变质高峰期，形成时的温度、压力都较高。

4 我国高铝三石的开发利用现状和供需形势

4.1 地质勘查和开发利用现状

我国高铝三石矿物的开发应用起步较晚。20世纪60年代末开始起步。70年代末上海宝钢建设，促进了我国三石的开发与应用，国内全面开展了三石找矿和勘查、选矿、物化性能测试、制品试验研究等工作，发现我国有较丰富的三石矿产资源。

20世纪80年代初，冶金行业首先使用新疆契布拉盖蓝晶石块矿做了很有成效的试验研究工作，作为膨胀剂应用于不定形耐火材料。1985年10月，原黑龙江鸡西非金属矿业公司首先建成国内第一条矽线石精矿生产线，年产精矿4000t，对我国三石开发应用起了重要的推动作用。随后，我国高铝三石的开发利用进入快速发展时期，先后在河南、江苏、甘肃、新疆等地勘查和开采了一批大型矿产地，同时由于国内三石矿床大多品位较低，只能经过选矿形成精矿产品方可利用，因此，我国多数三石矿床在当地建立了选矿厂，生产的高铝三石精矿产品直接销售给耐火材料企业使用或直接出口海外市场。我国耐火材料工业也开始大量应用三石矿物研制和生产新型耐火材料制品。

近几年，召开了全国性的三石研发、生产、使用交流会，进一步促进我国的三石开发应用。

目前，我国已有近20家企业正在开采和加工利用高铝三石资源，其中，红柱石采选企业7个、蓝晶石采选企业5个、矽线石采选企业5个。2011年我国共开采高铝三石矿石量超过120万t以上，共生产三石精矿约32.5万t。其中生产红柱石21万t，蓝晶石7万t，矽线石4.5万t。除主要供应国内使用外，部分产品还出口到国外。

4.2 我国高铝三石矿产的供需形势

4.2.1 需求结构特点

目前，高铝三石类矿产主要用在冶金钢铁、有色金属、水泥、玻璃、化工等行业。其中，钢铁冶金工业占了绝大部分，达到80%以上。我国三石的市场需求结构如图3所示。

图3 我国的高铝三石市场需求结构

4.2.2 市场需求预测

我国对高铝三石矿产的需求经历了三个阶段：第一阶段(上世纪80年代)属于开发利用的摸索试验阶段，市场需求很小；第二阶段(上世纪90年代)属于导入期，市场需求缓慢增长，这一时期我国对高铝三石精矿的年需求量一般不超过10万t；第三阶段(2000年至今)属于稳定增长期，我国三石的市场需求从不足10万t上升到2012年的33万t左右。

我国未来对高铝三石的市场需求将随着国内外高温重工业和窑炉工业的发展以及高铝三石新产品的不断推广、应用领域逐渐拓宽而提高。我国对高铝三石矿产资源的需求将会以每年3%～8%的速度增加。预计到2020年我国对高铝三石的需求量将达到70万t以上。

4.2.3 市场价格

近年来，我国高铝三石产品的价格属于基本稳定、缓慢提升的趋势。据市场调查，国产红柱石Al2O3含量为56%～57%的价格为3000元/t左右，Al2O3含量为55%～56%的价格为2700～2900元/t。国产蓝晶石Al2O3含量为50%、60～120目的轻质耐火砖用蓝晶石主流市场报价为1100～1300元/t；Al2O3含量52%、53%的蓝晶石市场含税价位在1650元/t上下，价格持稳。2012年上半年价格：东北地区普通矽线石(Al2O3含量为54%、Fe2O3含量＜1.5%)报价为2900～3200元/t，经过酸洗后的高纯矽线石(Al2O3含量为54%、Fe2O3含量＜1.0%)报价为3400～3500元/t；河北地区普通矽线石(Al2O3含量为53%～55%、Fe2O3含量＜1.5%)市场主流报价为3000～3200元/t，经过酸洗后的高纯矽线石(Al2O3含量为53%～55%、Fe2O3含量＜1.0%)市场主流报价为3250～3450元/t，主产区矽线石市场价格持稳。

我国进口高铝三石的价格情况：我国从日本和德国进口的高级产品，每吨价格均高达2600美元以上，大部用于钢铁工业，说明我国高铝三石原料的国内价格远低于国外进口价格，价格差别的背后是产品质量的巨大差异。

4.2.4 供需形势

高铝三石属于矿产资源类商品，由于价格较高，国内外销售市场已经基本形成一体化。我国的高铝三石矿物原料市场受到国际市场的直接影响，市场需求变化幅度较大。近年高铝三石进出口情况如图4所示。

图4 2009～2012年高铝三石进出口总量

除2010年我国高铝三石资源进口量大于出口量外，其余各年份出口量均大于进口量。四年中总进口量为11.55万t，总出口量为28.553万t。出口是进口的2.47倍。

以上数据表明，我国高铝三石矿产资源丰富，国内生产的高铝三石原料资源不仅可满足国内的需要，每年还有部分出口。同时也说明我国的高品质高铝三石产品缺乏，每年需高价从国外进口。

5 我国高铝三石产业发展趋势及展望

5.1 产业发展趋势与展望

(1)经过30多年来的地质工作，表明我国高铝三石矿产资源十分丰富，根据预测全国资源潜力巨大，可达3亿t以上。高铝三石是我国的优势非金属矿产资源。

(2)目前，高铝三石资源已经广泛应用于我国的重要工业领域和高科技领域，新的应用还在不断开发和研制过程中。高铝三石已经是我国最重要的基础材料和新材料的矿物原料之一，它在国民经济中占据极为重要的地位，是我国不可或缺的新兴战略性矿产资源。

(3)经过30多年来的研究探索，我国对高铝三石的开发利用已经走上健康发展的道路，国内形成了一大批科研、设计、开发、选矿和产品使用单位，已经在我国国民经济中形成了完整的产业链，这为我国高铝三石产业的未来发展奠定了坚实的基础。未来我国必将在高铝三石的科学利用和开发研究方面取得更大的突破，我国成为高铝三石工业大国和科技强国已不远可期。

(4)近年来，由于世界经济和科学技术的飞速发展，伴随着耐火材料、硅铝合金及高科技产品的增长，对三石这种节能、高效原材料的需求量越来越迫切。国内外三石市场容量和发展潜力很大。三石原料主要用于生产高档耐火材料，加上其他行业应用领域也在不断扩大，市场需求数量将会不断增长。三石产品在国际市场上一直处于发展状态，需求量在扩大。多年来，欧美、东南亚一些国家和地区(如美国、德国、意大利、英国、日本、韩国、印度、中国台湾等)多次来华寻求三石原料供货。我国高铝三石产业面临广阔的发展机遇。

5.2 产业发展中存在的一些问题

(1)讫今为止，我国对以高能、高效、节能、环保为特色的高铝三石产业的重视不够，缺乏对这一战略产业的有利政策和发展环境的支持与引导，尚未制定我国高铝三石产业的总体发展规划和指导意见。

(2)我国目前对高铝三石矿产资源的基本成矿规律的地质研究程度较浅；对全国高铝三石矿产重要成矿带的资源潜力评价和远景调查工作严重不足；在已经发现的高铝三石矿床中多数地质勘查程度太浅，(以普查为主)，难以为科学合理的开发利用我国的蓝晶石类矿产资源提供可靠的依据。

(3)我国高铝三石资源储量大，但是资源总体利用水平较低，一定程度上造成高铝三石矿产资源的浪费。甚至有的矿山急功近利、采富弃贫、形成破坏性开采。原因一方面是由于部分矿床选矿技术未解决，贫矿难以综合回收利用；部分原因是地质勘查程度不够，造成企业盲目开采和政府监管缺乏技术依据。

(4)我国高铝三石矿产资源的综合利用水平和深加工技术水平与国际先进水平相比仍然较低。 国家和企业对三石产业的科研和产品开发投入少，三石产品科技含量总体较低，深加工能力弱；缺乏精加工产品和高档产品，出口产品多是初级原矿和粗选精矿产品，出口三石原料价格远低于国外企业的三石产品，造成我国三石资源开发利用效益远低于国外工业发达国家。

(5)高铝三石矿山的开采引发的生态环境问题较为严重，由于矿山多为露天开采，造成了对地貌、植被、岩土、水域及大气等自然资源的影响与破坏，人为地质灾害和环境污染加剧。

5.3 高铝三石产业发展建议

(1)国家有关部门应尽快组织制定我国高铝三石产业的中远期发展规划和产业指导意见，制定促进产业发展的重要措施，创建良好的产业发展环境，加大对产业科研、开发的支持力度。使我国的三石开发健康有序发展。

(2)加强地质调查与基础研究工作。国家矿产资源主管部门应加大对我国高铝三石矿产成矿规律研究的支持，加大对与高铝三石矿产有关的基础性和公益性研究课题和项目的支持，近期集中开展我国三石矿产重要成矿区带的资源潜力评价和远景调查工作，支持地质勘查单位加大找矿工作力度，寻找更多的高铝三石矿床。

(3)加强地质勘查工作。我国已发现许多三石矿点和矿化点，但绝大部分矿点只限于简单的地质调查或矿点普查，这样的地质勘查评价程度不能满足生产建设要求。今后，应对一般高铝耐火粘土资源不足地区(如北京、吉林、辽宁、华东各省区、广东、广西、湖南、湖北、海南、云南、新疆、青海等)的普查点、矿化点有选择性地做好地质详查或勘探工作，为改善耐火原料合理布局和促进地区三石资源发展，提供资源依据。三石矿物常与石墨、金、铜、钼矿伴生，地质工作应注意综合评价，以便为综合开发三石资源提供依据。

(4)立足我国资源优势，加强高铝三石的应用领域研究，努力发展高技术含量、高附加值、节能、环保的三石新产品和高端产品，努力扩展市场。三石具有许多耐高温、防腐蚀、节能、环保、能大幅提高工业生产效率等优异特征，除做优质高效耐火原料外，还用于技术陶瓷、硅铝合金、磨矿介质、铸造、防磨、电子、航天、核防护材料等。因此，要不断了解市场动向，开发新产品，开拓应用新领域，满足市场需求，促进我国三石发展。

(5)积极开展三石矿床选矿工艺研究。采用先进工艺技术和设备，提高产品纯度，解决低品位矿石利用和有效回收有用矿物，做到综合利用、增加品种、降低成本、提高综合效益。

(6)提高企业管理水平。三石原料的推广应用，取决于质量价格及使用效果，在保证质量基础上降低生产成本，使产品质量和规格有竞争力，才能在市场上确保强有利的地位。因此，企业要提高管理水平，完善生产制度和营销体系，把握市场动态，抓机遇、促发展。

[1]王濮,潘兆橹,翁玲宝.系统矿物学[M].北京:地质出版社,1984.

[2]林彬荫.蓝晶石、红柱石、硅线石(第3版)[M].北京:冶金工业出版社,2011.

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