金红石的资源分布与应用.docx
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金红石的资源分布与应用
金红石资源分布及应用
姓名：
王明学
班级：
采矿11-8班
学号：
07112971
金红石资源分布及应用
摘要：
综述了我国天然金红石资源概况及成矿机理，选矿加工工艺、开发利用现状。
对我国金红石资源找矿现状及开发利用问题进行综合分析。
指出了存在的问题及解决方法。
关键词：
金红石；资源；钛合金；性能及应用
前言
金红石是提炼金属钛的重要矿物原料，也是生产金红石型钛白粉的最佳原料以及高档电焊条必须的原料之一。
我国的钛资源非常丰富，位居世界第一，约占世界钛储量的48﹪，现探明的储量达9亿吨，但可经济利用的钛铁矿约1亿吨，金红石矿为数千万吨。
金红石资源含钛量占钛资源总量的2.01％，其中金红石岩矿占1.52％，金红石砂矿占0.49％。
因此国内天然金红石资源是非常宝贵的，近年来金红石矿的地质勘查工作正在向纵深发展，并取得了令人振奋的可喜成绩。
综观世界经济，钛材在航空、建筑、汽车、生活休闲、医疗、化工、海洋开发等领域的强势需求，使国际钛材市场日趋火旺，国内钛材的需求量也在增长，增长幅度达到了两位数。
但我国天然金红石资源绝大部分为低品位的原生矿石，其储量占全国金红石资源总量的86％，而金红石砂矿仅为14％。
由于金红石资源品位低、粒度细小、矿石成分复杂，因而选矿工艺流程长，多采用重选、磁选、浮选的联合工艺流程。
某些矿区为了除去微量的S、P、Fe等杂质还需要焙烧或酸洗，所以加工成本高。
因此解决我国天然金红石的开发利用问题的关键是进一步加强地质探矿工作的科学研究（找大矿、找好矿）和选矿技术上的突破。
2.金红石资源分布概况
金红石资源分布与其成矿地质背景、控矿因素、成矿地质条件有着密切的关系。
从鄂、豫、苏、晋、鲁诸省已发现的金红石矿床、矿化点相关资料的研究中，可找出金红石矿床的成矿机理。
2.1金红石矿床的区域成矿地质背景、控矿因素、成矿地质条件
2.1.1区域成矿地质背景
中国金红石成矿的大地构造单元主要为秦岭造山系东段，次为中朝准地台、扬子准地台及华南造山带。
与成矿有关的地层主要为前寒武系及泥盆系的区域变质岩。
与成矿有关的主要构造为深大断裂。
与成矿有关岩浆岩主要为基性岩、次为超基性岩和蚀变岩等。
金红石矿主要分布在太行—恒山成矿带、东秦岭成矿带、辽东—鲁东成矿带、宁南—会东成矿带、东南沿海成矿带。
2.2.2控矿因素
⑴地层
沉积变质型金红石矿床主要产于秦岭褶皱带，其矿床产出层位有元古宇和古生界。
榴辉岩型金红石矿床主要产于秦岭褶皱带东部的超高压、高压变质带以及郯庐断裂的东延部分，富矿层位为中古元古界。
热液蚀变型金红石矿床主要产于秦岭褶皱带东段，富矿层位为古生界，寒武纪—奥陶系。
变质蚀变岩型金红石矿床产于华北准地台山西台背斜恒山褶皱带变质蚀变岩带内，富矿层位为太古界恒山群古老变质岩系。
各时代的地层均遭受不同程度区域变质作用，金红石矿床则赋存在各种不同的变质岩系中。
⑵构造
①大地构造环境控矿
中国金红石矿床主要分布在秦岭构造带东段，次为中朝准地台，扬子准地台及华南造山带。
②褶皱
根据典型矿床地质特征分析主要金红石矿床均赋存在构造的有利部位，褶皱构造的轴部及两翼的有利构造部位是成矿的有利部位。
2.2.3成矿地质条件
⑴区域变质作用
区域变质作用是金红石成矿的必要条件，我国典型金红石矿床，主要赋存在区域变质作用为主的中深部变质岩中，以中高压和中低压变质条件为特征。
⑵岩浆作用
岩浆作用与金红石形成的关系，主要表现在两个方面，其一是岩浆分异作用使钛铁富集形成高钛岩浆；其二是岩浆结晶作用形成金红石矿床。
⑶热液作用
热液作用与成矿的关系主要表现在高钛物质在变质作用过程中重熔形成高钛热液，高钛热液在构造区域动力作用下运移至适当部位结晶形成热液型金红石矿床；另一种则表现在使富含钛铁矿的岩石发生热液蚀变，形成蚀变岩型金红石矿床，变质作用使金红石颗粒变粗，并进一步富集成具有较好工业价值的矿床。
⑷风化作用
风化作用使原生金红石矿床矿石结构松散，部分脉石矿物变化，使矿床选采能力提高，并提高其经济价值，而成为新型的风化矿床。
⑸沉积作用
原生金红石矿体经风化、剥蚀，成矿物质经地表径流搬运、沉积，使金红石进一步富集而形成现代沉积型金红石矿床。
2.2金红石资源分布
基于金红石矿床的成矿背景、控矿因素、成矿地质条件，金红石主要产于变质岩系的含金红石石英脉中和伟晶岩脉中。
此外，在火成岩中作为副矿物出现，亦常呈粒状见于片麻岩中。
也以碎屑或砂矿形式分布于沉积岩或沉积物中。
我国金红石岩矿主要分布在湖北省枣阳的大阜山；山西省代县的碾子沟；河南省新县的杨冲等省。
其中湖北省金红石储量534.43万吨占全国750.86万吨的71.20％，山西省154.79万吨占20.60％，陕西省44.40万吨占5.90％。
金红石砂矿主要分布在河南省西峡县的八庙子沟；山东省莱西县的刘家庄和诸城市的上崔家沟；湖北省枣阳的大阜山；湖南省湘阴的望湘、岳阳的新墙河、华阳的三朗堰；安徽省潜山的黄埔古井；海南省万宁县的保定。
其中河南省金红石砂矿218.45万吨占全国256.86万吨的85％，山东省17.68万吨占6.9％，湖北省9.24万吨占3.60％，湖南省6.99万吨占2.70％，安徽省占1.15％，海南省占0.58％。
国外金红石主要产地在美国加利福尼亚州、南达科他州、阿肯色州、佐治亚州格雷夫斯山脉；安大略省萨德伯里；挪威；瑞典；德国；澳大利亚昆士兰、新南威尔士；发光金红石在瑞士和巴西都有发现。
钛合金是以钛为基加入其他元素组成的合金。
钛有两种同质异晶体：
882℃以下为密排六方结构α钛，882℃以上为体心立方的β钛。
合金元素根据它们对相变温度的影响可分为三类：
①稳定α相、提高相转变温度的元素为α稳定元素,有铝、碳、氧和氮等。
其中铝是钛合金主要合金元素，它对提高合金的常温和高温强度、降低比重、增加弹性模量有明显效果。
②稳定β相、降低相变温度的元素为β稳定元素，又可分同晶型和共析型二种。
前者有钼、铌、钒等；后者有铬、锰、铜、铁、硅等。
③对相变温度影响不大的元素为中性元素，有锆、锡等。
氧、氮、碳和氢是钛合金的主要杂质。
氧和氮在α相中有较大的溶解度,对钛合金有显著强化效果,但却使塑性下降。
通常规定钛中氧和氮的含量分别在0.15～0.2％和0.04～0.05％以下。
氢在α相中溶解度很小,钛合金中溶解过多的氢会产生氢化物，使合金变脆。
通常钛合金中氢含量控制在0.015％以下。
氢在钛中的溶解是可逆的，可以用真空退火除去。
3．钛合金的分类
钛是同素异构体，熔点为1720℃，在低于882℃时呈密排六方晶格结构，称为α钛；在882℃以上呈体心立方品格结构，称为β钛。
利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金（itaniumalloys）。
室温下，钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：
α合金,（α+β）合金和β合金。
中国分别以TA、TC、TB表示。
3.1α钛合金
它是α相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是α相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。
在500℃～600℃的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。
3.2β钛合金
它是β相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1372～1666MPa；但热稳定性较差，不宜在高温下使用。
3.3α+β钛合金
它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。
热处理后的强度约比退火状态提高50％～100％；高温强度高，可在400℃～500℃的温度下长期工作，其热稳定性次于α钛合金。
三种钛合金中最常用的是α钛合金和α+β钛合金；α钛合金的切削加工性最好，α+p钛合金次之，β钛合金最差。
α钛合金代号为TA，β钛合金代号为TB，α+β钛合金代号为TC。
钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金（钛-钼，钛-钯合金等）、低温合金以及特殊功能合金（钛-铁贮氢材料和钛-镍记忆合金）等。
典型合金的成分和性能见表。
热处理钛合金通过调整热处理工艺可以获得不同的相组成和组织。
一般认为细小等轴组织具有较好的塑性、热稳定性和疲劳强度；针状组织具有较高的持久强度、蠕变强度和断裂韧性；等轴和针状混合组织具有较好的综合性能。
4．钛合金的性能
钛是一种新型金属，钛的性能与所含碳、氮、氢、氧等杂质含量有关，最纯的碘化钛杂质含量不超过0.1％，但其强度低、塑性高。
99.5％工业纯钛的性能为：
密度ρ=4.5g/cm3，熔点为1800℃，导热系数λ=15.24W/（m.K），抗拉强度σb=539MPa，伸长率δ=25％，断面收缩率ψ=25％，弹性模量E=1.078×105MPa，硬度HB195。
4.1比强度高
钛合金的密度一般在4.5g/cm3左右，仅为钢的60％，纯钛的强度接近普通钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。
因此钛合金的比强度（强度/密度）远大于其他金属结构材料，见表7-1，可制出单位强度高、刚性好、质轻的零、部件。
目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。
4.2热强度高
使用温度比铝合金高几XX，在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长期工作这两类钛合金在150℃～500℃范围内仍有很高的比强度，而铝合金在150℃时比强度明显下降。
钛合金的工作温度可达500℃，铝合金则在200℃以下。
4.3抗蚀性好
钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强；对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。
但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。
4.4低温性能好
钛合金在低温和超低温下，仍能保持其力学性能。
低温性能好,间隙元素极低的钛合金,如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。
因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。
4.5化学活性大
钛的化学活性大，与大气中O、N、H、CO、CO2、水蒸气、氨气等产生强烈的化学反应。
含碳量大于0.2％时，会在钛合金中形成硬质TiC；温度较高时，与N作用也会形成TiN硬质表层；在600℃以上时，钛吸收氧形成硬度很高的硬化层；氢含量上升，也会形成脆化层。
吸收气体而产生的硬脆表层深度可达0.1～0.15mm，硬化程度为20％～30％。
钛的化学亲和性也大，易与摩擦表面产生粘附现象。
4.6导热系数小、弹性模量小
钛的导热系数λ=15.24W/（m.K）约为镍的1/4，铁的1/5，铝的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数约下降50％。
钛合金的弹性模量约为钢的1/2，故其刚性差、易变形，不宜制作细长杆和薄壁件，切削时加工表面的回弹量很大，约为不锈钢的2～3倍，造成刀具后刀面的剧烈摩擦、粘附、粘结磨损。
5．钛合金的用途分类
5.1高温钛合金。
世界上第一个研制成功的高温钛合金是Ti-6Al-4V，使用温度为300-350℃。
随后相继研制出使用温度达400℃的IMI550、BT3-1等合金，以及使用温度为450~500℃的IMI679、IMI685、Ti-6246、Ti-6242等合金。
目前已成功地应用在军用和民用飞机发动机中的新型高温钛合金有.英国的ＩＭＩ８29、ＩＭＩ83４合金；美国的Ti-1100合金；俄罗斯的BT18Y、BT36合金等。
5.2钛铝化合物为基的钛合金。
与一般钛合金相比，钛铝化合物为基钠Ti3Al（α2）和TiAl（γ）金属间化合物的最大优点是高温性能好（最高使用温度分别为816和982℃）、抗氧化能力强、抗蠕变性能好和重量轻（密度仅为镍基高温合金的1/2），这些优点使其成为未来航空发动机及飞机结构件最具竞争力的材料。
目前，已有两个Ti3Al为基的钛合金Ti-21Nb-14Al和Ti-24Al-14Nb-#v-0.5Mo在美国开始批量生产。
其他近年来发展的Ti3Al为基的钛合金有Ti-24Al-11Nb、Ti25Al-17Nb-1Mo和Ti-25Al-10Nb-3V-1Mo等。
TiAl（γ）为基的钛合金受关注的成分范围为Ti-（46-52）Al-（1-10）M（at.％），此处Ｍ为ｖ、Cr、Mn、Nb、Mn、Mo和Ｗ中的至少一种元素。
最近，TiAl3为基的钛合金开始引起注意，如Ti-65Al-10Ni合金。
5.3高强高韧β型钛合金。
β型钛合金最早是20世纪50年代中期由美国Crucible公司研制出的B120VCA合金（Ti-13v-11Cr-3Al）。
β型钛合金具有良好的冷热加工性能，易锻造，可轧制、焊接，可通过固溶-时效处理获得较高的机械性能、良好的环境抗力及强度与断裂韧性的很好配合。
新型高强高韧β型钛合金最具代表性的有以下几种:
Ti1023（Ti-10v-2Fe-#al），该合金与飞机结构件中常用的30CrMnSiA高强度结构钢性能相当，具有优异的锻造性能；
Ti153（Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn），该合金冷加工性能比工业纯钛还好，时效后的室温抗拉强度可达1000MPa以上；
β21S（Ti-15Mo-3Al-2.7Nb-0.2Si），该合金是由美国钛金属公司Timet分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金，具有良好的抗氧化性能，冷热加工性能优良，可制成厚度为0.064mm的箔材；
日本钢管公司（NKK）研制成功的SP-700（Ti-4.5Al-3V-2Mo-2Fe）钛合金，该合金强度高，超塑性延伸率高达2000％，且超塑成形温度比Ti-6Al-4V低140℃，可取代Ti-6Al-4V合金用超塑成型-扩散连接（SPF/DB）技术制造各种航空航天构件；俄罗斯研制出的BT-22（TI-5v-5Mo-1Cr-5Al），其抗拉强度可达1105MPA以上。
5.4阻燃钛合金。
常规钛合金在特定的条件下有燃烷的倾向，这在很大程度上限制了其应用。
针对这种情况，各国都展开了对阻燃钛合金的研究并取得一定突破。
羌国研制出的Alloyc（也称为Ti-1720），名义成分为50Ti-35v-15Cr（质量分数），是一种对持续燃烧不敏感的阻燃钛合金，己用于F119发动机。
BTT-1和BTT-3为俄罗斯研制的阻燃钛合金，均为Ti-Cu-Al系合金，具有相当好的热变形工艺性能，可用其制成复杂的零件。
5.5医用钛合金。
钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理想的医用金属材料，可用作植人人体的植人物等。
目前，在医学领域中广泛使用的仍是Ti-6Al-4vELI合金。
但后者会析出极微量的钒和铝离子，降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害，这一问题早已引起医学界的广泛关注。
羌国早在20世纪80年代中期便开始研制无铝、无钒、具有生物相容性的钛合金，将其用于矫形术。
日本、英国等也在该方面做了大量的研究工作，并取得一些新的进展。
例如，日本已开发出一系列具有优良生物相容性的α+β钛合金，包括Ti-15Zr-4Nb_4ta-0.2Pd、Ti-15Zr-4Nb-aTa-0.2Pd-0.20~0.05N、Ti-15Sn-4Nb-2Ta-0.2Pd和Ti-15Sn-4nb-2Ta-0.2Pd-0.20，这些合金的腐蚀强度、疲劳强度和抗腐蚀性能均优于Ti-6Al-4vELI。
与α+β钛合金相比，β钛合金具有更高的强度水乎，以及更好的切口性能和韧性，更适于作为植入物植入人体。
在美国，已有5种β钛合金被推荐至医学领域，即TMZFTM（TI-12Mo-^Zr-2Fe）、Ti-13Nb-13Zr、Timetal21SRx（TI-15Mo-2.5Nb-0.2Si）、Tiadyne1610（Ti-16Nb-9.5Hf）和Ti-15Mo。
估计在不久的将来，此类具有高强度、低弹性模量以及优异成形性和抗腐蚀性能的庐钛合金很有可能取代目前医学领域中广泛使用的Ti-6Al-4VELI合金。
6．前景展望
钛及其氧化物、合金产品是重要的涂料、新型结构材料和防腐材料，被誉为继铁、铝之后处于发展中的“第三金属”和“战略金属”，在航空、航天、舰船、军工、化工、环保等领域具有广泛用途。
国外共有24个国家生产钛白粉,其中金红石型钛白粉占80%以上,主要生产国为美国、西德、日本、英国和法国。
美国是世界最大的钛白生产国,其中氯法钛白占88%。
国外主要钛白生产公司有8家,拥有世界总产量的82%。
钛白的主要消费国是美国、西德、法国和日本。
我国钛白工业基础薄弱,工业开发较晚,至今仍以硫法工艺为主,近几年氯法工艺虽有了较迅速的发展,但仍处于开发试验阶段。
国内钛白粉年产量约为5万～6万t,共有100多个钛白粉生产厂,分布在河南、河北、江苏、广西等24个省区内,其中生产规模最大的三家为镇江钛白粉总厂、南京油脂化工厂和上海钛白粉厂。
我国钛白粉消费量较稳定,年均消费量为7万～8万t,消费量最大的是涂料工业,其次为非颜料及搪瓷、电焊条等行业。
我国钛白工业生产水平尚处于国外的初期阶段,不仅产量低且在产品的质量、品种和消费水平方面均与国外存着较大的差距。
国内钛白市场的特点是低档钛白粉供需基本平衡或供略大于求,高档金红石钛白粉供应紧缺,不足部分主要依靠进口或用人造金红石代替。
回眸“十五”，我国钛工业发展“雄关漫道真如铁”。
展望“十一五”，我国钛工业发展“而今迈步从头越”。
2006年，海绵钛的产量达到18037t，比2005年增加89.6%，实际销售量达到16634t；中国钛加工材的产量达到12807.6t，比2005年增加了28.5%，钛加工材的需求量达到13985t，比2005年增加了14.6%。
中国第一次具有了产能14000t／a，实际生产10204t海绵钛的世界级大厂；第一次具有了钛锭产能12000t／a，实际生产6000t钛锭的世界级钛加工材大厂。
2007年上半年，我国钛工业更是突飞猛进，发展迅速。
海绵钛生产量达20098吨，比2006年同期增加203.5%，预计2007年全年产量将达40000吨。
钛粉产量达723吨，比2006年同期增加24.7%。
钛加工材产量达11311吨，比2006年同期增加84.5%，预计全年产量将突破20000吨。
2007年上半年我国首次成为海绵钛和钛加工材的净出口国。
海绵钛出口2651吨，进口501吨，净出口2150吨，预计2007年全年出口海绵钛将超过5000吨。
钛加工材出口3744吨，进口2127吨，净出口1617吨，预计2007年全年钛加工材的出口量将超过7000吨。
因此，预计到2010年以前，中国钛加工材的生产量和需求量都将会以两位数的增长速度迅速成长。
钛是继铁、铝之后，被誉为正在崛起的“第三金属”，它就是一座待深入开发的世界级宝藏。
中国钛业生产要达到一定的经济规模，必须优化生产技术，提高经济技术指标，降低生产成本，开展新法冶炼钛研究。
同时，向国际同行学习，拓展自身视野，拉近与国外先进加工装备和技术的差距。
钛是继铁、铝之后，被誉为正在崛起的“第三金属”，它就是一座待深入开发的世界级宝藏。
中国钛业生产要达到一定的经济规模，必须优化生产技术，提高经济技术指标，降低生产成本，开展新法冶炼钛研究。
同时，向国际同行学习，拓展自身视野，拉近与国外先进加工装备和技术的差距。
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