4.2 铝及铝工业

尽管丹麦化学家奥斯特在18世纪初期就制备了纯铝，但成本高昂，所以直到1886年美国的霍尔和法国的埃罗同时发现了如今还在使用的炼铝办法之前，铝是一种昂贵的金属。霍尔和埃罗发明的方法是把提纯的氧化铝熔于具有碳质内衬的钢容器里的处于熔融状态的冰晶石中。冰晶石作阴极，插入熔融物中的碳棒作阳极。当电流通过时，从氧化铝中产生的氧便聚积在碳棒上，形成二氧化碳，而产生的铝由于比熔融的冰晶石重，便聚积在容器的底部。由于铝合金具有强度大、重量轻、导电率和热传导率高、抗腐蚀性强以及无毒性等特点而很快得到广泛应用。宇宙火箭、航天飞机、人造卫星也使用大量铝合金（一架超音速飞机约由70%的铝合金构成，一艘大型客船的用铝量常达几千吨）。铝的导电性仅次于银和铜，虽然它的导电率是铜的三分之二，但密度只有铜的三分之一，所以输送同量的电，铝线的质量只有铜线的一半。铝表面的氧化膜不仅耐腐蚀，而且有一定绝缘性，所以铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业中有广泛用途。铝是热的良导体，它的导热能力比铁大三倍，工业上可用铝制造各种热交换器、散热材料和炊具等。铝的延展性仅次于金和银，在100～150℃时可制成0.01毫米厚的铝箔（这些铝箔广泛用于包装香烟和糖果等，还可制成铝丝和铝条）。铝的表面因有致密的氧化物保护膜，不易受到腐蚀，常被用来制造化学反应器、医疗器械、冷冻装置、石油和天然气管道等。铝粉具银白色光泽（一般金属粉末状时呈黑色），常用来做涂料（俗称银粉或银漆）以保护铁制品不被腐蚀。铝在氧气中燃烧释放出大量热和光，常用于制造爆炸混合物，如铵铝炸药（由硝酸铵、木炭粉、铝粉、烟黑及其他可燃性有机物混合而成）、燃烧混合物（如用铝热剂做的炸弹和炮弹可用来攻击难以着火的目标或坦克、大炮等）和照明混合物（如含硝酸钡68%、铝粉28%、虫胶4%）。铝板对光的反射性能很好，铝越纯，其反射能力越好，因此常用来制造高质量的反射镜。铝具有吸音性能，音响效果也较好，所以广播室、现代化大型建筑室内的天花板等也常用铝。

硬铝是在1906年发明的一种合金，其密度只是低碳钢的三分之一。铝合金的应用开创了现代航空时代。铝因此是国际金属贸易的大户，其人均消费量与GDP存在一定对应关系（参见图1-2）。发达国家人均消费的铝明显高于发展中国家。对欠发达和发展中国家而言，人均GDP增长所对应的铝消费增长率远远高于发达的工业化国家。

世界铝产量自1944年以来逐年增加（图4-11），反映出铝不断得到广泛应用的事实。2004年世界铝产量2019万吨，其中美国（341万吨）、俄罗斯（286万吨）、加拿大（271万吨）、中国（216万吨）、澳大利亚（149万吨）和巴西（129万吨）等是主要铝生产国。世界铝的主要出口国为俄罗斯（264万吨）、加拿大（195万吨）、澳大利亚（102万吨）、巴西（90万吨）、荷兰（62万吨）、美国（28万吨）、英国（32万吨）和德国（26万吨），它们的铝出口量占世界铝出口总量的65%以上。

4.2.1 现代铝工业的源头——铝土矿

铝，仅次于钢铁，是国民经济建设的第二大金属原材料。铝工业是国家工业的一个重要分支。现代铝工业主要由两个基本部分组成：原铝工业和再生铝工业。原铝工业主要包括铝土矿开采、氧化铝冶炼和原铝电解。再生铝工业包括铝废料工业、再冶炼以及再加工制造业。铝的用途涉及建筑、交通运输、电力通信、耐用消费品、机械制造和包装等各个领域。

铝土矿主要由铝的氢氧化物和一些杂质如黏土矿物和铝的氧化物等组成。Al2O3主要赋存于一水硬铝石、一水软铝石和三水铝石中，其次赋存于硅酸盐矿物中（主要是高岭石类矿物）。由于铝土矿三种主要矿物成分的物理和化学性质差别很大，从中提炼氧化铝的难易程度不同。三水铝石最易脱硅，一水软铝石次之，一水硬铝石最难。

一水硬铝石又名水铝石，一般呈针状、板状、柱状和不规则状，常形成0.1～5微米大小的集合体。当温度低于100℃时，一水硬铝石在酸和碱中溶解很弱，但在煅烧之后易溶于热的硫酸中。当温度低于100℃时，一水软铝石在酸和碱中几乎都不溶解。胶状一水软铝石在温度为190℃时可以完全溶于碱。该矿物形成于酸性介质，主要产在沉积铝土矿中，与菱铁矿共生。它可被一水硬铝石、三水铝石、高岭石等交代，脱水可转变成一水硬铝石和刚玉，水化可变成三水铝石。三水铝石多呈不规则状集合体，可溶于酸和碱（其粉末加热到100℃经2小时即可完全溶解）。

铝土矿矿床分为两大类：红土型和沉积型。红土矿床是在铝硅酸盐岩石风化时形成的，主要分布在大洋洲、拉丁美洲、非洲和东南亚，储量约占世界总储量的86%。沉积型铝土矿主要分布在南欧和加勒比海地区，储量约占世界总储量的14%。沉积矿床是由于红土冲刷以及红土物质经水-机械再沉积生成。按照矿石中Al2O3含量、Al/Si比值、提取氧化铝的方法及杂质Fe2O3和硫的含量划分矿石的工业类型（如高铝耐火材料、电熔刚玉、高铝水泥、高铁铝土矿、高硫铝土矿、低铁铝土矿、低硫铝土矿等）。根据1983年国家标准局颁发的“铝土矿石品级标准”将铝土矿石分为7个品级（表4-9）。

全球铝土矿的分布很不均衡（表4-10）。几内亚的铝土矿储量位居世界第一，大多为典型的红土型铝土矿（萨加列狄矿床的平均Al2O3含量为60%，储量1.5亿吨，矿床平均厚度15米，铝土矿层几乎出露地表）。韦帕、戈弗、文思、科洛涅尔、科布尔格、米切尔高原和克马儿克含铝土矿区和矿床组成了澳大利亚北部铝土矿带，韦帕矿床位于澳大利亚西北的约克角半岛。在早白垩世白色石英砂岩的侵蚀面上赋存着3～4米厚的红色铝土矿层。铝土矿中Al2O3含量53%～57%，储量约25亿吨，铝土矿层被土壤或古土壤覆盖，铝土矿层松软，产状稳定并几乎呈水平状。

2004年世界铝土矿探明储量为230亿吨，储量基础为330亿吨（表4-10）。铝土矿储量最大的分别为几内亚（74亿吨）与澳大利亚（44亿吨），二者储量超过世界总储量（230亿吨）的50%。大约70%的储量集中在几内亚（32.2%）、澳大利亚（19.1%）、牙买加（8.7%）和巴西（8.3%）四个国家（图4-12）。占世界铝土矿总储量22%的澳洲的产量占世界总产量的37%（2004年全球铝土矿产量1.56亿吨）。储量占37%的非洲铝土矿产量仅占全球总产量的11%。储量仅占4%的欧洲铝土矿产量约占世界总产量的18%。因此，铝土矿工业的集中度与其储量分布比例不一致。铝土矿产量前十位依次是澳大利亚（36%）、巴西（12%）、几内亚（11%）、牙买加（9%）、中国（7%）、印度（7%）、委内瑞拉（4%）、苏里南（3%）和哈萨克斯坦（3%）。澳大利亚、巴西、几内亚和牙买加四国铝土矿产量约占世界总产量的68%。

4.2.2 世界原铝生产

铝土矿开采之后要制成氧化铝，并在此基础上冶炼制成原铝。氧化铝生产在全球范围内不像铝土矿分布那样集中。2003年氧化铝产量居世界前十位的国家分别为澳大利亚（占世界总产量的28.21%）、中国（10.43%）、美国（8.25%）、巴西（8.04%）、牙买加（6.56%）、俄罗斯（5.51%）、印度（4.87%）、苏里南（3.42%）、委内瑞拉（3.21%）和冰岛（2.56%）（表4-11）。

2004年原铝产量排名前几位的分别为中国（占世界总产量的21.11%）、俄罗斯（12.46%）、加拿大（9.13%）、美国（8.65%）、澳大利亚（6.51%）、巴西（5.02%）和挪威（4.33%）（表4-12）。比较各洲铝土矿储量、铝土矿产量、氧化铝产量以及原铝产量的分布可以看出，世界铝工业分布与铝土矿资源分布存在着差别，并且越是下游，差别越大。仅占世界铝土矿储量4%和7%的欧洲和亚洲，其原铝产量分别占世界总产量的33%和31%；而占世界铝土矿储量39%的非洲，其原铝产量仅占世界总产量的3%左右。造成原铝工业集中度与铝土矿资源集中度差别很大的原因主要有三点：①原铝工业集中的地区均为工业化程度较高或者正在进行工业化的地区（例如北美、欧洲和亚洲）; ②原铝工业是高耗能工业，对于电力资源紧张的地区，原铝生产成本高，而电力资源丰富的地区，原铝生产成本相对较低；③各个国家可以根据自身的资源和经济条件通过国际贸易使铝供需达到相对均衡状况。

铝土矿资源丰富的国家出口铝土矿和氧化铝，而电能充足的国家进口铝土矿和氧化铝。2003年世界铝的主要出口国家包括澳大利亚、牙买加、巴西、爱尔兰、美国、几内亚、苏里南、印度、德国、哈萨克斯坦、乌克兰、意大利、法国等，其中澳大利亚铝出口额占世界总出口额的40%（表4-13）；铝进口额排在前几位的分别是中国、美国、加拿大和俄罗斯，这四国的进口额占世界铝进口总额的54%。

4.2.3 中国的铝工业

我国铝土矿资源总量比较丰富，山西、贵州、河南和广西四省铝土矿占全国铝土矿储量的91%（表4-14）。山西的铝土矿探明储量居全国第一位，河南的铝土矿探明储量居全国第二位，贵州的铝土矿探明储量居全国第三位，广西的铝土矿探明储量居全国第四位。中国铝土矿矿床可分为古风化壳型和红土型，并且以古风化壳型铝土矿为主（占98%以上）。我国现代红土型铝土矿主要形成在低纬度地区（如福建、海南及广东），以一水硬铝石型为主（储量占98.5%），三水铝石型较少（占1.5%）。一水硬铝石型矿石生产氧化铝与三水铝石相比，溶出性差，工艺复杂，成本高。我国铝土矿虽然丰富，但平均品位低，铝土矿平均品位的Al/Si比仅6，全国高品级的矿石储量比例少，Al/Si比＞7的矿石占33%。在全国310个矿区中，大型矿床仅有35个。

自20世纪90年代以来，中国经济高速发展，拉动了铝需求的增长，铝土矿开采量也节节攀升（图4-13）。中国90%的氧化铝生产由中国铝业集团旗下六家氧化铝厂垄断：郑州铝厂（2004年生产氧化铝147.5万吨）、山西铝厂（140.2万吨）、中州铝厂（111.6万吨）、山东铝厂（103.9万吨）、平果铝厂（91.7万吨）和贵州铝厂（85万吨）。2002年中国先后超过美国和俄罗斯成为原铝产量最高的国家。目前中国的原铝产量约占全球总产量的18%。图4-14显示了1996-2004年中国原铝产量的增长趋势，2004年中国原铝产量突破600万吨。

4.2.4 中国铝工业需求分析与预测

铝已经渗透到国民经济和人民生活的各个领域。铝消费主要在建筑、交通运输、电器与电力、耐用品和机械制造行业（表4-15），其中建筑行业对铝的需求量最大（2003年占30%），其次是交通运输行业（14%）、电器与电力行业（13%）和耐用品行业（10%）（图4-15）。假设2050年我国将达到中等发达国家水平，这期间住宅建设将继续高速发展。2000年我国住宅建设面积6.3亿平方米，仅门窗生产规模即达16.1亿平方米。2050年前我国将新建250～300亿平方米住宅，仅门窗约需640～766亿平方米，其中2010年前，仅铝门窗一项所需铝型材年均增长10万吨。

2004年中国原铝出口1406万吨，进口69.8万吨。出口对象主要是我国周边铝资源匮乏、经济较为发达的国家和地区，如韩国、日本和新加坡等。进口大部分为中国回购的原铝，另外还有小部分来自澳大利亚和南非。铝合金出口27.8万吨，进口33.5万吨，主要来源于哈萨克斯坦、俄罗斯和阿联酋等。氧化铝出口2.2万吨，进口587.5万吨，进口量占当年全国消费量的55%左右。氧化铝的主要来源是澳大利亚、牙买加和印度；废铝出口3781吨，进口120万吨。铝半成品出口43.1万吨，进口88.2万吨。中国原铝出口量对国际原铝市场以及相关下游产品国际市场的影响很大，而铝土矿贸易所占比例相对较小。

表4-16为1998年世界各地区氧化铝生产成本的比较。中国生产的氧化铝绝大多数以国产铝土矿为原料。中国氧化铝的生产成本比世界平均成本每吨高28.5美元，比澳大利亚每吨高51.8美元，导致这种差距的主要原因是能耗成本过高。而耗能高的主要原因是，我国铝土矿大多为品位不高的一水硬铝石矿，只能用联合法或烧结法生产氧化铝，工艺流程复杂（氧化铝生产的原料大多为高品位三水铝石矿，采用拜耳法生产，工艺流程简单、工艺能耗低）。由于我国生产的氧化铝以中间状或粉状氧化铝为主，不能适应电解铝工业生产的要求，导致我国氧化铝对进口的依赖很大。目前中国主要以现货购进的方式从国际市场进口氧化铝。国际市场氧化铝的成本为130美元/吨，现货价格500美元/吨左右。我国是电解铝第一大生产国和出口国，氧化铝第一大进口国。电解铝工业为高耗能工业，以进口氧化铝为原材料生产电解铝出口，造成了国家巨大的能源外流。我国周边的一些铝土矿资源贫乏的国家（如韩国和日本）早就停止或限制了电解铝的生产。