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資源
性質和用途
氧化鋁的生產
鋁電解
煉鋁能耗
鋁的精煉
其他煉鋁方法的研究
廢鋁再生
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化學符號Al，在元素周期表中屬ⅢA族，原子序數13，原子量26.98154，面心立方晶體，常見化合價為+3。鋁是最重要的輕金屬。
aluminium一詞是從古羅馬語 alumen(明礬)衍生而來的。1746年德國人波特(J.H.Pott)從明礬制得一種氧化物，即氧化鋁。18世紀法國的拉瓦錫(A.L.Lavoisier)認為這是一種未知金屬的氧化物，它與氧的親和力極大，以致不可能用碳和當時已知的其他還原劑將它還原出來。1807年英國人戴維（H.Davy）試圖電解熔融的氧化鋁以取得金屬，沒有成功，1809年他將這種想象中的金屬命名為alumium，後來改為aluminium。1825年丹麥人奧斯忒（H.C.Oersted）用鉀汞齊還原無水氯化鋁，第一次得到幾毫克金屬鋁，指出它具有與錫相同的顏色和光澤。1827年德國沃勒(F.Wöhler)用鉀還原無水氯化鋁得到少量金屬粉末。1845年他用氯化鋁氣體通過熔融金屬鉀的表面，得到一些鋁珠，每顆重約10～15毫克，從而對鋁的密度和延展性作瞭初步測定，指出鋁的熔點不高。1854年法國德維爾（S.C.Deville）用鈉代替鉀還原NaAlCl4絡合鹽，制得金屬鋁。同年建廠，生產出一些鋁制頭盔、餐具和玩具。當時鋁的價格接近黃金。1886年美國霍爾（C.M.Hall）和法國埃魯(P.L.T.Héroult)幾乎同時分別獲得用冰晶石－氧化鋁熔鹽電解法制取金屬鋁的專利。1888年在美國匹茲堡建立第一傢電解鋁廠，鋁的生產從此進入新的階段。1956年世界鋁產量開始超過銅而居有色金屬的首位。鋁的價格在常用有色金屬中按體積計是比較便宜的，它們的比價（按1977年價格折算）見表1。
表1 鋁和其他幾種金屬的比價
1980年全世界的鋁土礦產量約9150萬噸。氧化鋁產量約3440萬噸，其中有8％是用來生產耐火材料、陶瓷、磨料、催化劑載體、阻燃劑以及填料等，其餘均用於鋁電解。1980年全世界共有39個產鋁國傢，原鋁生產能力約1830萬噸，年產量約為1620萬噸。其中美國458萬噸，蘇聯181萬噸，加拿大、日本各109萬噸。美國市場上鋁錠的年平均價格：1976年為983美元/噸，1979年為1310美元/噸，1980年為1576美元/噸。
資源 鋁在地殼中的含量僅次於氧和矽。自然界的含鋁礦物約250種，最常見的是鋁矽酸鹽及其風化產物──粘土（表2）。鋁土礦是一種以氧化鋁水合物為主要成分的礦石，歷來是主要的煉鋁原料。自然界的氧化鋁水合物有三水鋁石、一水軟鋁石和一水硬鋁石。它們的物理性質和化學性質差別很大。因此鋁土礦按其中氧化鋁水合物的礦物形態分為三水鋁石型、一水軟鋁石型、一水硬鋁石型，以及混合型。全世界已查明的鋁土礦的工業儲量約250億噸，加上遠景儲量共約350億噸左右。儲量豐富和產量較大的國傢有幾內亞、澳大利亞、巴西、牙買加、印度等國。這些國傢的鋁土礦多屬於高鐵低矽的三水鋁石型，適合於用較簡單的拜耳法生產氧化鋁。
表2 主要含鋁礦物及其化學組成
中國已探明的鋁土礦主要分佈於河南、山西、貴州、山東、廣西等地，除個別地區外都為低鐵高鋁的一水硬鋁石型，雜質主要是高嶺石中的 SiO2和少量的Fe2O3、TiO2。中國還有豐富的明礬石礦。浙江、安徽兩省有以億噸計的鉀明礬石資源，是生產氧化鋁和鉀肥的原料。此外，在雲南等地也發現有較豐富的霞石資源。
和各種常用有色金屬礦石相比，鋁礦中的鋁含量高得多，而鋁礦的儲量又非常豐富，這就使鋁工業在資源上占有較大的優勢。
性質和用途 鋁的標準電極電勢（25℃）-1.662伏，電化當量0.3356克/（安·時）。
純度為99.99%的金屬鋁的主要物理性質
在各種常用的金屬中，鋁的密度小，導電、導熱和反光性能都很好；鋁的電導率相當於國際標準退火銅的62～65％，約為銀的一半，如果就相等的重量而言，鋁的導電能力超過這兩種金屬。鋁在低溫下(-198℃)不變脆。在空氣中鋁的表面上生成一層致密而堅硬的氧化鋁薄膜，厚度為0.005～0.02微米，成為鋁的天然保護層，因而鋁有良好的抗腐蝕能力。此外，還可以用陽極氧化或電鍍的方法，在鋁材和鋁制品表面生成色彩鮮艷的表層。鋁的表面也可電鍍其他金屬。鋁和多種鋁合金有很好的延展性，可以進行各種塑性加工，制成鋁絲、鋁箔和鋁材。鋁的熔點低，鑄造性能好，鑄造鋁合金的使用量也很大（見鋁加工）。
鋁對氧的親和力很大，氧化鋁的生成熱
為-400.9±1.5千卡／摩爾，所以鋁可以用作煉鋼的脫氧劑和一些高熔點金屬氧化物(如
MnO
2、
Cr
2
O
3)的
金屬熱還原劑。鋁與氮、硫和鹵族元素在高溫下發生反應，生成如AlN、
Al
2
S
3、
AlCl
3之類的化合物。這些化合物(除AlN外)和鋁在真空中加熱到1000℃以上時，生成相應的低價鋁化合物。這些低價化合物，在低溫下發生
歧化分解，生成金屬鋁及其三價化合物（例如：
AlCl
3+2Al⇌3AlCl）。AlN加熱到2000℃以上溫度時，開始分解為單體元素。
鋁是兩性元素，它與大多數稀酸可緩慢地反應，能迅速溶解於濃鹽酸中。但是濃硝酸使鋁鈍化（見金屬腐蝕）。鋁與苛性堿溶液發生強烈反應，迅速溶解，生成鋁酸根離子：2Al+2OH-+6H2O─→2Al(OH)4-+3H2↑鋁在各個工業部門和日常生活中應用廣泛。航空工業是傳統的用鋁部門。在建築工業中用鋁合金作房屋的門窗和板壁。用鋁和鋁合金制造的各種車輛，由於重量輕，可減少運輸能耗，從而可以補償煉鋁時所消耗的能量。在電力輸送方面，鋁的用量早已居首位，現在90％的高壓導線是用鋁制的。在食品工業方面，從倉庫、儲槽到罐頭盒，以至飲料容器等都可用鋁制造。
鋁的生產包括氧化鋁的生產和由氧化鋁電解制取金屬鋁。
氧化鋁的生產 從礦石提取氧化鋁有多種方法，例如：拜耳法、堿石灰燒結法、拜耳-燒結聯合法等。拜耳法一直是生產氧化鋁的主要方法，其產量約占全世界氧化鋁總產量的95％左右。70年代以來，對酸法的研究已有較大進展，但尚未在工業上應用。
拜耳法 系奧地利拜耳（K.J.Bayer）於1888年發明。其原理是用苛性鈉（NaOH）溶液加溫溶出鋁土礦中的氧化鋁，得到鋁酸鈉溶液。溶液與殘渣（赤泥）分離後，降低溫度，加入氫氧化鋁作晶種，經長時間攪拌，鋁酸鈉分解析出氫氧化鋁，洗凈，並在950～1200℃溫度下煅燒，便得氧化鋁成品。析出氫氧化鋁後的溶液稱為母液，蒸發濃縮後循環使用。
拜耳法的簡要化學反應如下：
由於三水鋁石、一水軟鋁石和一水硬鋁石的結晶構造不同，它們在苛性鈉溶液中的溶解性能有很大差異，所以要提供不同的溶出條件，主要是不同的溶出溫度。三水鋁石型鋁土礦可在125～140℃下溶出，一水硬鋁石型鋁土礦則要在240～260℃並添加石灰（3～7％）的條件下溶出。
現代拜耳法的主要進展在於：①設備的大型化和連續操作；②生產過程的自動化；③節省能量，例如高壓強化溶出和流態化焙燒；④生產砂狀氧化鋁以滿足鋁電解和煙氣幹式凈化的需要。拜耳法的工藝流程見圖1。
拜耳法的優點主要是流程簡單、投資省和能耗較低，最低者每噸氧化鋁的能耗僅3×106千卡左右，堿耗一般為100公斤左右（以Na2CO3計）。
拜耳法生產的經濟效果決定於鋁土礦的質量，主要是礦石中的SiO2含量，通常以礦石的鋁矽比，即礦石中的Al2O3與SiO2含量的重量比來表示。因為在拜耳法的溶出過程中，SiO2轉變成方鈉石型的水合鋁矽酸鈉(Na2O·Al2O3·1.7SiO2·nH2O)，隨同赤泥排出。礦石中每公斤SiO2大約要造成1公斤Al2O3和0.8公斤NaOH的損失。鋁土礦的鋁矽比越低，拜耳法的經濟效果越差。直到70年代後期，拜耳法所處理的鋁土礦的鋁矽比均大於7～8。由於高品位三水鋁石型鋁土礦資源逐漸減少，如何利用其他類型的低品位鋁礦資源和節能新工藝等問題，已是研究、開發的重要方向。
堿石灰燒結法 適用於處理高矽的鋁土礦，將鋁土礦、碳酸鈉和石灰按一定比例混合配料，在回轉窯內燒結成由鋁酸鈉(Na2O·Al2O3)、鐵酸鈉(Na2O·Fe2O3、原矽酸鈣（2CaO·SiO2）和鈦酸鈉（CaO·TiO2組成的熟料。然後用稀堿溶液溶出熟料中的鋁酸鈉。此時鐵酸鈉水解得到的NaOH也進入溶液。如果溶出條件控制適當，原矽酸鈣就不會大量地與鋁酸鈉溶液發生反應，而與鈦酸鈣、Fe2O3·H2O 等組成赤泥排出。溶出熟料得到的鋁酸鈉溶液經過專門的脫矽過程，SiO2O形成水合鋁矽酸鈉(稱為鈉矽渣)或水化石榴石3CaO·Al2O3·xSiO2·(6－2x)H2O沉淀(其中x≈0.1)，而使溶液提純。把CO2氣體通入精制鋁酸鈉溶液，和加入晶種攪拌，得到氫氧化鋁沉淀物和主要成分是碳酸鈉的母液。氫氧化鋁經煅燒成為氧化鋁成品。水化石榴石中的Al2O3可以再用含Na2CO3母液提取回收。
堿石灰燒結法的主要化學反應如下：
燒結：
Al2O3+Na2CO3─→Na2O·Al2O3+CO2
Fe2O3+Na2CO3─→Na2O·Fe2O3+CO2
SiO2+2CaCO3─→2CaO·SiO2+2CO2
TiO2+CaCO3─→CaO·TiO2+CO2
熟料溶出：
Na2O·Al2O3+4H2O─→2NaAl(OH)4（溶解）
Na2O·Fe2O3+2H2O─→Fe2O3·H2O↓+2NaOH（水解）
脫矽：
1.7 Na2SiO3+2NaAl(OH)4─→
Na2O·Al2O3·1.7SiO2·nH2O↓+3.4NaOH
3 Ca(OH)2+2NaAl(OH)4+xNa2SiO3─→ 3CaO·Al2O3·xSiO2·(6-2x)H2O↓+2(1+x)NaOH
分解：
2NaOH+CO2─→Na2CO3+H2O
NaAl(OH)4─→Al(OH)3↓+NaOH
中國堿石灰燒結法生產氧化鋁的主要技術成就是：在熟料燒成中采用低堿比配方，在熟料溶出工藝中采用二段磨料和低分子比溶液，以抑制溶出時的副反應損失，使熟料中Na2O和Al2O3的溶出率分別達到94～96％和92～94％。Al2O3的總回收率約90％，每噸氧化鋁的Na2CO3的消耗量約95公斤。堿石灰燒結法可以處理拜耳法不能經濟地利用的低品位礦石，其鋁矽比可低至3.5，且原料的綜合利用較好，有其特色。
堿石灰燒結法的常用流程見圖2。
拜耳－燒結聯合法 可充分發揮兩法優點，取長補短，利用鋁矽比較低的鋁土礦，求得更好的經濟效果。聯合法有多種形式，均以拜耳法為主，而輔以燒結法。按聯合法的目的和流程連接方式不同，又可分為串聯法、並聯法和混聯法三種工藝流程。
① 串聯法是用燒結法回收拜耳法赤泥中的Na2O和Al2O3，用於處理拜耳法不能經濟利用的三水鋁石型鋁土礦。擴大瞭原料資源，減少堿耗，用較廉價的純堿代替燒堿，而且Al2O3的回收率也較高。
② 並聯法是拜耳法與燒結法平行作業，分別處理鋁土礦，但燒結法隻占總生產能力的10～15％，用燒結法流程轉化產生的NaOH補充拜耳法流程中NaOH的消耗。
③ 混聯法是前兩種聯合法的綜合。此法中的燒結法除瞭處理拜耳法赤泥外，還處理一部分低品位礦石。
中國根據本國的鋁礦資源特點，發展出多種氧化鋁生產方法。50年代初就已用堿石灰燒結法處理鋁矽比隻有3.5的純一水硬鋁石型鋁土礦，開創瞭具有特色的氧化鋁生產體系。用中國的燒結法，可使Al2O3的總回收率達到90%；每噸氧化鋁的堿耗(Na2CO3)約90公斤；氧化鋁的SiO2含量下降到0.02～0.04％；而且在50年代已經從流程中綜合回收金屬鎵和利用赤泥生產水泥。60年代初建成瞭拜耳燒結混聯法氧化鋁廠，使Al2O3總回收率達到91％，每噸氧化鋁的堿耗下降到60公斤，為高效率地處理較高品位的一水硬鋁石型鋁土礦開創瞭一條新路。中國在用單純拜耳法處理高品位一水硬鋁石型鋁土礦方面也積累瞭不少經驗。
根據物理特性的不同，電解用氧化鋁可分為三類：砂狀、粉狀和中間狀（表3）。
表3 不同類型工業氧化鋁的物理性質
目前鋁工業正研制和采用砂狀氧化鋁，因為這種氧化鋁具有較高的活性，容易在冰晶石溶液中溶解，並且能夠較好地吸收電解槽煙氣中的氟化氫，有利於煙氣凈化。
煉鋁用氧化鋁的化學組成一般如下：
Al2O3 ＞98.35％ Fe2O3 0.01～0.04％
SiO2 0.01～0.04％ TiO2 ＜0.005％
ZnO 0.003～0.02％ CaO 0.007～0.07％
Na2O 0.3～0.65％ V2O5 ＜0.003％
P2O5 ＜0.003％ Cr2O3 ＜0.002％
灼減 0.2～1.5％
鋁電解 鋁電解的原理是使直流電通過以氧化鋁為原料、冰晶石為溶劑組成的電解質，在950～970℃下使電解質熔液中的氧化鋁分解為鋁和氧。由於比重的差別在陰極上析出的鋁液匯集於電解槽槽底，而在陽極上析出二氧化碳和一氧化碳氣體（見熔鹽電解）。鋁液從電解槽中吸出，經過凈化除去氫氣、非金屬和金屬雜質並澄清後，鑄成各種鋁錠，其流程示意見圖3。
鋁電解過程的電化學反應 冰晶石-氧化鋁熔液具有離子結構，其中陽離子有Na+和少量Al3+，陰離子有AlF咶、AlF4-和Al-O-F絡合離子以及少量O2-和F-(見熔鹽)。在溫度1000℃下，鈉在析出電位大約比鋁負250毫伏。由於陰極上離子的放電不存在很大的過電壓，所以陰極反應是：
Al3+（絡合的）+3e─→Al
而陽極反應是：6O2-（絡合的）+3C-12e─→3CO2
鋁電解過程的總反應式是：2Al2O3+3C─→4Al+3CO2
由於溶解在電解質熔體中的Al被 CO 2所氧化，引起 電流效率降低，所以鋁電解的總反應式實際上應為：
式中
N為陽極氣體中的
CO
2/(CO+
CO
2)體積百分比。
在冰晶石-氧化鋁溶液中，Al2O3的含量一般保持3～5％，為瞭改善電解質的性質，通常添加鋁、鎂、鈣和鋰的氟化物。
工業鋁電解槽的發展 工業鋁電解槽大致分為側插陽極棒自焙槽、上插陽極棒自焙槽和預焙陽極槽三種。預焙陽極電解槽又分邊部加料槽和中間加料槽兩種。19世紀末開始用小型預焙陽極電解槽生產，電流在8000安以下，直流電耗高達42000千瓦·時/噸。1923年以後，這種槽型為側插陽極棒自焙槽所代替，到20世紀30年代末，電流強度最高達25000安，直流電耗為20000～25000千瓦·時/噸。側插陽極棒電解槽的特點是技術裝備簡單，投資較小；但缺點是煙氣處理比較困難，機械化程度較差，不易大型化等。
為瞭提高電解槽的機械化操作水平，改進煙氣收集和凈化的方法，50年代法國開始使用上插陽極棒自焙槽；到60年代直流電耗達14500千瓦·時/噸左右，並大大提高瞭勞動生產率。80年代的上插陽極棒自焙槽又得到瞭改進，噸鋁直流電耗降低到13800千瓦·時左右，並由於陽極工藝的改進，采用瞭“幹陽極糊”（用高軟化點瀝青、低瀝青配比的陽極糊）大大減少瞭瀝青煙氣的散發，改善瞭環境保護的條件。上插陽極棒電解槽的優點是：機械化水平較高。缺點是不易大型化，煙氣處理也比較困難。
現代化的大型電解鋁廠多數采用中間加料大型預焙槽（典型實例見圖4），其優點為單槽產能高，打殼加料可以自動化，適於用計算機控制，電解槽密閉程度高，集氣效率高（90～95％）。
中國50年代開始建立瞭鋁電解工業，對側插陽極棒自焙槽的建設和生產積累瞭豐富的經驗，噸鋁直流電耗達15000千瓦·時以下，80年代建成的160000安的中間加料大型預焙槽，直流電耗可達13800千瓦·時左右。
鋁電解廢氣凈化 鋁電解槽的陽極氣體中含有有害成分，例如氟化氫、冰晶石粉塵等，嚴重地污染環境，所以陽極氣體需要凈化。凈化方法有濕法和幹法兩種。
濕法凈化是用5％的蘇打溶液洗滌含氟氣體，生成碳酸氫鈉和氟化鈉：
Na2CO3+HF─→NaF+NaHCO3
蘇打溶液在洗滌塔內循環使用，直到其中 NaF含量達到25～30克/升為止。然後，把NaF+ NaHCO 3溶液送至冰晶石合成槽與鋁酸鈉溶液作用，合成冰晶石：6NaF+4NaHCO3+NaAlO2─→
Na3AlF6+4Na2CO3+2H2
O冰晶石經幹燥後，供電解用。幹法凈化中用氧化鋁作吸附劑。受吸附的HF與Al2O3發生化學反應，生成表面化合物AlF3：
Al2O3+6HF─→2AlF3+3H2O
所用的氧化鋁通常是砂狀氧化鋁。載氟的氧化鋁經佈袋收塵器回收，再送往電解槽去電解。
煉鋁能耗 煉鋁能耗與所用原料和生產方法有關，堿石灰燒結法的能耗較高，拜耳法的能耗較低。從鋁土礦開采到鋁錠鑄造，每噸鋁一般消耗總電能約15600千瓦·時；此外，還消耗熱能14.8×106千卡，其分配見表4。可以看出降低能耗是鋁工業的一項重要課題。
表4生產1噸原鋁的能量消耗
鋁的精煉 隨著鋁純度的提高，它的抗蝕性、可塑性、導電性、反光性等性能愈好。精鋁或高純鋁(含Al＞99.99％)供許多特殊部門使用。
精鋁 以原鋁為原料，用三層液電解法制取純度為99.99％的鋁。此法是美國人胡普斯（W.Hoopes）發明，1922年開始工業化生產。槽內三層液體，各層密度不同：下層是67％原鋁加33％銅的合金（密度為3克/厘米3），用作陽極，其中銅是加重劑；中層是17％NaF、23％AlF3、60％BaCl2的電解質(密度為2.7克/厘米3)，其中BaCl2是加重劑；上層是電解產物精鋁(密度為2.3克／厘米3)，用作陰極。電解溫度為720～800℃。電解槽槽壁用絕緣材料（鎂磚）砌築。
精煉電解時，鋁從陽極合金中轉移到陰極上，而原鋁中的雜質元素都留在陽極合金中，使鋁得到精煉。此法中的陰極電流效率達到97～99％。
高純鋁 以精鋁為原料，用區域熔煉法、有機溶液電解法或兩法兼用制得；含Al99.999％以上。精鋁區域熔煉在臥式管狀電爐中進行。鋁中雜質矽、鐵、銅、鎂等的分配系數都小於1，因而富集在液相內，經過12～15次重復熔煉後，可得Al＞99.999％的高純鋁。
有機溶液電解法可得到99.9995％的高純鋁。
如以有機溶液電解與區域熔煉串聯，可制得超純度鋁（見超純金屬）。預先經過有機溶液電解的鋁，再經幾次區域熔煉，可在最純區段得到Al≥99.9995％的產品。
其他煉鋁方法的研究 世界各國都在研究新的煉鋁方法，主要目標為尋求一個大幅度降低能耗的途徑，但大多還處於試驗研究階段。
氯化鋁電解法 原理是把工業氧化鋁氯化成三氯化鋁，然後在多室電解槽內電解，得到純鋁和氯氣，氯氣返回利用。但三氯化鋁制備中的腐蝕和成本較高等問題還未得到解決。
電熱法 用低品位鋁礦作原料，用焦炭作還原劑，在電弧爐內還原得含Al60％以上的鋁矽粗合金，然後降低溫度至580℃左右，通過離心分離除去析出的固相，制得含Al達80％左右的中間合金。用此法直接生產矽鋁合金，有一定經濟意義，但如何獲得較好的質量和較好的技術經濟指標，則仍然是一個技術課題。
廢鋁再生 鋁及其合金制品的再生日益得到重視。再生鋁又稱二次鋁，現在世界每年從廢鋁回收的鋁量約400萬噸，相當於原鋁產量的25％左右。由於鋁的熔點低，熱焓值小，廢鋁再熔所需的能量僅為從礦石制取原鋁的5％左右。此外，原料和投資費也較節省。廢鋁主要用來生產鋁合金。在再熔之前，要先將廢鋁選揀分類，再加以適當調配和處理，以便達到所需的合金組成。鋁的第一次煉制能耗較高，合理回收利用廢鋁，是節能的一個有力的措施（見再生有色金屬）。
參考書目
邱竹賢編：《預焙槽煉鋁》，冶金工業出版社，北京，1980。
Winnacker-Küchler，Chemische Technologie，Band6，Metallurgie，1973.