氧化铝期货系列专题(一):氧化铝生产工艺及应用

（以下内容从光大期货《氧化铝期货系列专题(一):氧化铝生产工艺及应用》研报附件原文摘录）
　　氧化铝期货系列专题（一）：氧化铝生产工艺及应用 重要提示 本订阅号所涉及的期货研究信息仅供光大期货专业投资者客户参考，用作新媒体形势下研究信息和研究观点的沟通交流。非光大期货专业投资者客户，请勿订阅、接收或使用本订阅号中的任何信息。本订阅号难以设置访问权限，若给您造成不便，敬请谅解。光大期货不会因关注、收到或阅读本订阅号推送内容而视相关人员为光大期货的客户。 氧化铝是铝的稳定氧化物，外观为白色晶状粉末或固体，在矿业、制陶业和材料科学上又被称为矾土，是生产电解铝的核心原材料，涉及应用范畴非常广泛。针对上期所即将推出上市的氧化铝期货，为了更好地市场宣导和服务客户，光期研究将通过氧化铝系列专题带您全面了解其基础特征属性、应用及资源分布、产业基本面、报价体系及价格影响因素以及设计的整体概况。 氧化铝是一种高硬度的化合物，难溶于水，能溶于无机酸和碱性溶液中，无臭、无味、质极硬，易吸潮而不潮解（灼烧过的不吸湿）。相对密度4.0，熔点为2054℃，沸点为2980℃，是在高温下可电离的离子晶体，常用于制造耐火材料。工业Al2O3是由铝矾土（Al2O3·3H2O）和硬水铝石制备的，对于纯度要求高的Al2O3，一般用化学方法制备。 氧化铝按照不同的生产用途可分为冶金级氧化铝和非冶金级氧化铝两类。而全球超过90%的氧化铝都是冶金级氧化铝。冶金级氧化铝为熔盐电解法生产金属铝所用的氧化铝，是生产电解铝的主要原料。非冶金级氧化铝即化学品氧化铝，为除生产铝锭用氧化铝以外的氧化铝、氢氧化铝及含铝化合物。 氧化铝的冶炼工艺大致可以分为烧结法、拜耳法和烧结-拜耳联合法等，而目前烧结法已经较少运用，主流冶炼方法为拜耳法。拜耳法基本原理是用苛性钠溶液溶出铝土矿中的氧化铝而制得铝酸钠溶液，采用对溶液降温、加晶种、增加搅拌的办法，从溶液中分解出Al(OH)3。将分解后的母液经过蒸发后用来重新溶出新的一批铝土矿，溶出过程是在加温加压下进行的。 氧化铝的应用主流方向为生产电解铝，此外应用方向还有制备蓝宝石、高纯氧化铝、纳米氧化铝精细陶瓷以及活性氧化铝等。其中电解铝产业链完整，分为上游铝土矿的采矿，中游对氧化铝及电解铝的冶炼以及下游的铝材的加工和应用。下游在轻工业、电器行业、机械制造、电子行业、交通运输、冶金以及房产建筑行业等行业应用广泛。 正文 氧化铝是铝的稳定氧化物，外观为白色晶状粉末或固体，在矿业、制陶业和材料科学上又被称为矾土，是生产电解铝的核心原材料，涉及应用范畴非常广泛。针对上期所即将推出上市的氧化铝期货，为了更好地市场宣导和服务客户，光期研究将通过氧化铝系列专题带您全面了解其基础特征属性、应用及资源分布、产业基本面、报价体系及价格影响因素以及设计的整体概况。 一、氧化铝概况 世界氧化铝工业有着近百年的历史。法国萨林得厂被认为是氧化铝工业的诞生地。第一个氧化铝生产方法——烧结法就是1856-1860年在这里研究出来的。1856年查得力提出铝土矿苏打烧结法生产氧化铝。1880年优列儿提出进步添加石灰石，后来又改为添加石灰，以至于发展成为今天的烧结法。1889-1892年奥地利人拜尔发明了用苛性碱溶液直接溶出铝土矿生产氧化铝的拜尔法，为氧化铝的迅速发展和大规模生产开辟了道路。二十一世纪以来，随着铝应用的领域不断扩展，氧化铝资源需求高涨，铝土矿的开采量也不断增长，国际氧化铝市场已经成为世界关注的一个焦点。 （一）氧化铝的物理和化学性质 氧化铝是一种高硬度的化合物，难溶于水，能溶于无机酸和碱性溶液中，无臭、无味、质极硬，易吸潮而不潮解（灼烧过的不吸湿）。相对密度4.0，熔点为2054℃，沸点为2980℃，是在高温下可电离的离子晶体，常用于制造耐火材料。工业Al2O3是由铝矾土（Al2O3·3H2O）和硬水铝石制备的，对于纯度要求高的Al2O3，一般用化学方法制备。 氧化铝有许多同质异晶体，目前已知的有10多种，主要有3种晶型，即γ-Al2O3、β-Al2O3、α-Al2O3（刚玉）。其中结构不同性质也不同，在1300℃以上的高温时几乎完全转化为刚玉。煅烧氢氧化铝可制得γ-Al2O3。γ-Al2O3具有强吸附力和催化活性，可做吸附剂和催化剂。刚玉是桶状或锥状的三方晶体，有玻璃光泽或金刚光泽，密度为3.9～4.1g/cm3，硬度9，熔点2000±15℃。不溶于水，也不溶于酸和碱，耐高温。其中，无色透明者称白玉，含微量三价铬的显红色称红宝石；含二价铁、三价铁或四价钛的显蓝色称蓝宝石；含少量四氧化三铁的显暗灰色、暗黑色称刚玉粉，可用做精密仪器的轴承，钟表的钻石、砂轮、抛光剂、耐火材料和电的绝缘体，也可制坩埚、瓷器等。色彩艳丽的可做人造宝石做装饰用，人造红宝石单晶还可制激光器的材料。此外，氧化铝也是炼铝的原料。 因其具有机械强度高、硬度大、高频介电损耗小、高温绝缘电阻高、耐化学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能等优势，氧化铝在陶瓷行业中也有广泛运用——氧化铝陶瓷是一种以Al2O3为主要原料,以刚玉为主晶相的陶瓷材料。 （二）氧化铝的分类 氧化铝按照不同的生产用途可分为冶金级氧化铝和非冶金级氧化铝两类，而全球超过90%的氧化铝都是冶金级氧化铝。 1、冶金级氧化铝 冶金级氧化铝为熔盐电解法生产金属铝所用的氧化铝，是生产电解铝的主要原料。 氧化铝中含有Fe2O3、SiO2、TiO2、V2O5等氧化物，这些元素在电解过程中将首先在阴极上析出，降低铝的质量，同时磷、钒、钛、铁等杂质进入电解质，还会使电流效率降低；氧化铝中含有碱金属及碱土金属的氧化物如Na2O，则在电解时这些元素将与氟化铝反应，造成氟化铝耗量增加；氧化铝中的Fe2O3、SiO2在电解炼铝过程中，全部进入铝锭，对铝锭中Fe、Si元素的杂质含量有着重要的影响。因此,电解炼铝用的氧化铝必须具有较高的纯度，其杂质含量应尽可能低。 由全国有色金属标准化技术委员会归口的YS/T 803-2012准则，规定了冶金级氧化铝的行业标准，其中将冶金级氧化铝按照化学成分和物理性能分为三个牌号，划分标准如下表： 2、非冶金级氧化铝 非冶金级氧化铝即化学品氧化铝，为除生产铝锭用氧化铝以外的氧化铝、氢氧化铝及含铝化合物。按化学成份分类，化学氧化铝又可分为氢氧化铝系列、特种氧化铝系列、拟薄水铝石系列、沸石系列、铝酸钙水泥系列等。 氢氧化铝系列产品包括用于生产氟化盐、硫酸铝、铝酸钠、氯化铝等铝盐的普通氢氧化铝和用于复合材料、特殊塑料、纸张、人造石等填充材料以及用于生产高级光学玻璃的特种氢氧化铝。普通氢氧化铝牌号命名按GB/T 4294，特种氢氧化铝系列产品牌号、成分及用途见下表： 特种氧化铝系列产品包括用于硫磺回收催化剂、脱氟剂、吸附剂和干燥剂等活性氧化铝，用于耐火材料、陶瓷和磨料行业的煅烧氧化铝，用于生产单晶陶瓷、荧光材料等的高纯氧化铝以及用于生产高压电器开关等绝缘件的电工填料氧化铝。其产品牌号、成分及用途见下表： 拟薄水铝石系列产品包括用作催化剂载体——活性氧化铝的原料及用作分子筛、硅酸盐耐火纤维制品成型粘结剂的假一水软铝石。其产品牌号、成分及用途见下表： 沸石系列产品包括用于生产洗涤剂用的4A沸石、催化剂载体的NaY沸石和石油化工行业的脱芳烃、脱氮、脱有机硫的10X型等沸石。铝酸钙水泥系列产品包括用于生产不定型耐火材料的纯铝酸钙水泥。其产品牌号、成分及用途见下表： 二、氧化铝的冶炼技术 氧化铝的冶炼工艺大致可以分为烧结法、拜耳法和烧结-拜耳联合法等，而目前烧结法已经较少运用，主流冶炼方法为拜耳法。 （一）烧结法 烧结法的基本原理是将铝土矿与一定数量的纯碱、石灰（或者石灰石）、配成炉料在高温下进行烧结，使氧化硅和石灰化合成不溶于水的原硅酸钙，氧化铝与纯碱化合成可溶于水的固体铝酸钠，而氧化铁与纯碱化合成可以水解的铁酸钠，将烧结产物（熟料）用稀碱溶液溶出时固体铝酸钠便进入溶液，铁酸钠水解放出碱，氧化铁以水合物与原硅酸钙-道进入赤泥。再用二氧化碳分解铝酸钠溶液便可以析出氢氧化铝，经过焙烧后产出氧化铝。分离氢氧化铝后的母液成为碳分母液经过蒸发后返回配料。料烧结熟料溶出赤泥分离和洗涤粗液脱硅精液碳分氢氧化铝分离和洗涤氢氧化铝焙烧母液蒸发。具体流程如下图所示： （二）拜耳法 拜耳法的基本原理是用苛性钠溶液溶出铝土矿中的氧化铝而制得铝酸钠溶液，采用对溶液降温、加晶种、增加搅拌的办法，从溶液中分解出Al(OH)3。将分解后的母液经过蒸发后用来重新溶出新的一批铝土矿，溶出过程是在加温加压下进行的。破碎湿磨溶出稀释沉降分离赤泥赤泥洗涤煅烧蒸发苛化，具体流程如下图所示： （三）烧结-拜耳联合法 烧结-拜耳联合法是拜耳法和烧结法并用的一种氧化铝生产方法。这是一种用于处理Al2O3 与SiO2比为5～7的中等品位铝土矿的较经济方法。这种方法的最大特点是可用烧结法系统所得的铝酸钠溶液来补充拜耳法系统中的碱损失。具体流程如下图所示： 三、氧化铝的应用 （一）电解铝 现代电解铝工业生产多采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950℃~970℃下，在电解槽内的两极上进行电化学反应，主要通过这个方程进行：2Al2O3+3C==4Al+ 3CO2↑。阳极：2O2ˉ+C-4eˉ=CO2↑ 阴极：Al3++3eˉ=Al。阳极产物主要是二氧化碳和一氧化碳气体，其中含有一定量的氟化氢等有害气体和固体粉尘。为保护环境和人类健康需对阳极气体进行净化处理，除去有害气体和粉尘后排入大气。阴极产物是铝液，铝液通过真空抬包从槽内抽出，送往铸造车间，在保温炉内经净化澄清后，浇铸成铝锭或直接加工成线坯型材等。 电解铝是一种应用广泛的基本金属，主要用于生产各种不同用途的铝加工材。电解铝产业链完整，分为上游铝土矿的采矿，中游对氧化铝及电解铝的冶炼以及下游的铝材的加工和应用。下游在轻工业、电器行业、机械制造、电子行业、交通运输、冶金以及房产建筑行业等行业应用广泛。，目前最重要的下游行业为房产建筑行业、交通运输业、电力电子行业以及包装行业，合计对铝金属的消耗量约占总量的80%。电解铝的行业产业链如下图所示： （二）蓝宝石 蓝宝石是一种氧化铝α-Al2O3的单晶，又称为刚玉。蓝宝石作为一种重要的技术晶体，已被广泛地应用于科学技术、国防与民用工业的许多领域。蓝宝石晶体具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷，可在接近2000℃高温的恶劣条件下工作。蓝宝石晶体具有独特的晶格结构、优异的力学性能、良好的热学性能。其主要用途如下: （1）用于红外军事装置、卫星空间技术、高强度激光的窗口材料。成为实际应用的半导体GaN/Al2O3发光二极管（LED）、大规模集成电路SOI和SOS及超导纳米结构薄膜等最为理想的衬底材料。 （2）用于半导体照明产业，如LED，LED是新一代光源，被公认为是21世纪最具发展前景的高技术领域。LED能使发光效率提高近10倍，寿命是传统灯具的20倍以上，兼有绿色、环保等优点。现在世界各个主要国家和地区纷纷制定LED技术与产业发展计划，目前全球80%的LED企业都采用蓝宝石衬底，所以蓝宝石拥有巨大的市场应用前景。 （3）用于民用航天、军工等，如透波窗口、整流罩、光电窗口、护板、陀螺、耐磨轴承等部件。军用光电设备，如：光电吊舱、光电跟踪仪、红外警戒系统、潜舰光电桅杆等。 （4）在民用领域的应用，如条码扫描仪的扫描窗口，永不磨损型雷达表的表蒙,纺织工业的纤维导丝器，照相机外护镜头，耐磨轴承。 （三） 高纯氧化铝 从功能方面看，高纯氧化铝具有电学、光学、化学、生物、吸声、热学、力学等多种功能，主要应用领域如下: 1、电基材料：集成电路基片、封装、火花塞、Na-S 电池固体电解质，用 4N高纯纳米氧化铝造粒粉VK-L05C。 2、光学功能：高压钠蒸气灯发光管、激光器材料，传感器，用5N高纯纳米氧化铝VK-L100G。 3、化学功能：控制化学反应，净化排出气体，催化剂载体、耐腐蚀材料、固酶载体。 4、生物体功能：人工骨骼，人工牙根，用 5N高纯纳米氧化铝VK-L100G。 5、热学功能：耐热，隔热结构材料。 6、力学功能：研磨材料、切削材料，轴承、精密机械零部件。 （四）纳米氧化铝精细陶瓷 以纳米氧化铝为主要原料制得的纳米氧化铝精细陶瓷,因具有多种功能，在高科技术领域及许多行业都已得到应用，主要应用领域如下： 1、在电子工业中的应用： a)多芯片式封装用陶瓷多层基板：封装用的纳米氧化铝陶瓷多层基板的制造方法有厚膜印刷法、生坯蛊片法、生坯印刷法、厚薄膜混合法等四种。 b)高压钠灯发光管：由多晶不透明的高纯纳米氧化铝（VK-L100G，99. 999%）所形成的纳米氧化铝透明体，应用于高压钠灯发光管，照明效率为水银灯的两倍，从而开拓了提高照明效率的新途径。透明高纯纳米氧化铝精细陶瓷不仅能透光，而且具有耐高温、耐腐蚀、高绝缘、高强度、介质损耗小等性能，是一种优良的光学陶瓷，还可作微波炉窗等。 c)纳米氧化铝陶瓷传感器：用高纯纳米氧化铝（VK-L100G）陶瓷的晶粒、晶界、气孔等结构特征和特性作敏感元件，用于高温和含腐蚀性气体的环境中，使检测、控制的信息准确而迅速。从应用的类型看，有温度、气体、温度等传感器。 2、生物纳米高纯氧化铝（VK-L100G）陶瓷： 高纯氧化铝多晶作为生物功能材料并应用于人体是1969年，高纯氧化铝精细陶瓷用于医学工程的有单晶体和烧结的多晶体两种。现在，美国、西德、瑞士和荷兰都在广泛地使用多晶高纯纳米氧化铝制作人造牙和人造骨，医学用材料主要是高纯纳米氧化铝，用于牙根、关节,纳米氧化铝精细陶瓷与人体组织液的接触角是最接近人体牙的材料。迄今用于医学工程中的生物陶瓷有20余种，高纯纳米氧化铝是用得最多的一种。 3、纳米氧化铝（VK-L05C）陶瓷刀具： 纳米氧化铝的硬度（Hr）为2700~3000，杨氏模量(kg/mm2)35000~41000。导热系数0.75~1.35*103J/m*h *℃，热膨胀系数8.5*10-6/℃（室温~1000℃）。人们在利用这些特性的同时，又开发了Al2O3-TiO2，Al2O3-ZrO2系陶瓷,以改善纳米氧化铝陶瓷刀具的韧性和耐热冲击性，Al2O3的粒度组成在烧结过程中纳米氧化铝晶粒度的控制是决定刀具质量的重要环节，若采用高温等静压烧结（HIP）,可使晶粒度为0.3~0.5微米。纳米氧化铝刀具的抗折强度可提高到900~1000MPa，适应高速切削的需要。 （五）活性氧化铝 活性氧化铝外观多为白色球状多孔性颗粒，粒度均匀，表面光滑，机械强度大，吸湿性强，吸水后不胀不裂保持原状，无毒、无臭、不溶于水、乙醇，对氟有很强的吸附性，主要用于高氟地区饮用水的除氟。 活性氧化铝对气体、水蒸气和某些液体的水分有选择吸附本领。吸附饱和后可在约175℃~315℃加热除去水而复活。吸附和复活可进行多次。除用作干燥剂外，还可从污染的氧、氢、二氧化碳、天然气等中吸附润滑油的蒸气。并可用作催化剂和催化剂载体和色层分析载体。 光期研究所有色金属团队 光大期货研究所有色金属团队现有4名成员，以“见微知著”为研究体系，深耕有色产业，把脉有色价格运行逻辑，以深入产业细节的高质量、接地气研究服务大型实体企业和金融机构客户，具有广泛的行业影响力。团队负责人具有10年以上行业研究经验，先后荣获2020年度和2021年度上海期货交易所“优秀金属分析师”；其他成员均具有3年以上工作经验，也曾先后多次荣获上期所、上海证券报、期货日报“优秀金属分析师”“优秀新人分析师”等奖项；2016年度有色团队曾荣获上期所“有色金属优秀产业团队”称号。 免责声明 本订阅号是光大期货有限公司研究所（以下简称“光大期货研究所”）依法设立、独立运营的官方唯一订阅号。其他任何以光大期货研究所名义注册的、或含有“光大期货研究”、与光大期货研究所品牌名称等相关信息的订阅号均不是光大期货研究所的官方订阅号。 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