产业评析电解铝技术发展现况-金属工业研究发展中心.PDF

產業評析 電解鋁技術發展現況 金屬中心 ITIS 計畫 劉文海 出版日期：2009.06.18 一、前言 鋁化合物的歷史久遠，在西元前 2000 年左右就已經在古埃及等地以明礬石的 形式使用於染色劑和醫藥品中。而以明礬 alum 這個字為語源，歷經 alumen、alumium 等形式，最後才被稱為 aluminum （主要在美國）或 aluminium （主要在歐洲和日本）， 至於電解鋁的出現則是 19 世紀以後的事了。電解鋁是資本和能源密集型的原材料 產業，也是一個技術障礙較低的產業。但相對於鋼鐵業來說，其投資成本要少一 點，這也是全球電解鋁企業眾多的原因。電解鋁屬成熟技術且基本上是公開的， 技術障礙基本不存在，因此只要有一定的資金，皆可以進入這個行業。 二.、鋁土礦 鋁工業最上游原料之鋁土礦是一種無塑性的粘土狀物質，含有高達 65%左右 的氧化鋁。鋁土礦以三水鋁石[Al(OH)3]的狀態賦存，或者以一水軟鋁石[α-AlO(OH)] 和一水硬鋁石[γ-AlO(OH)] 的狀態賦存。鋁土礦中有多種雜質，包括活性矽石、 非活性矽石、鐵、鈦和其他金屬的不溶氧化物、可溶性氧化物、碳酸鹽和硫酸鹽、 自有水分等。全球 95％左右的鋁土礦產量用於生產氧化鋁，而大部分氧化鋁又主 要用於生產原生鋁錠。 三、氧化鋁 氧化鋁(Al2O3)是由鋁土礦經過 Bayer 法、燒結法和聯合法等生產出來的，90% 用來生產原生鋁錠，其餘用於生產耐火材料、磨料、水泥，以及作為塑膠、鋼鐵、 陶瓷等工業的添加劑。除中國外，其他國家均是採用 Bayer 法生產氧化鋁，這種方 法係將鋁礬土於 NaOH 水溶液中進行高溫處理，以將其中的 Al2O3 成份提煉成 Al(OH)3，最後加熱焙燒而得到 Al2O3。 目前最常用的氧化鋁物理性能指標有：比表面積、粒度分佈、安息角、α- Al2O3 -- 1 ITIS 智網 .tw 經濟部技術處 ITIS 計畫成果，未經同意不得轉載 含量、真比重、體積比重和磨損指數等。工業氧化鋁分為砂狀氧化鋁和粉狀氧化 鋁兩種，目前以砂狀氧化鋁為主。砂狀氧化鋁物理性能好，有利於電解鋁生產； 介於兩者之間的稱為中間狀氧化鋁，中國多數氧化鋁廠生產的是該品種氧化鋁。 四、電解鋁（原生鋁錠） 最早商業化的鋁是從 AlCl3 利用 Na 化學還原法製造出來的，但是這個方法由 於 AlCl3 的潮解性、揮發性或公害等問題而飽受各種批評，一直持續到 Hall-Héroult process 的發明為止。Hall-Héroult 法係於 1886 年由美國的 C. M. Hall 和法國的 P. L. T. Héroult 分別開發出來的，兩人恰巧都在同一年出生，同一年發明，同一年過世。 這兩人的偉大發明在之後的一個世紀以上的時間裡，幾乎是唯一的電解鋁工業製 造法，一直延續到現在。煉鋁是一個電化學過程，在 940~960℃時，將 60-350KA 直流電通過碳陽極，使電解槽中氧化鋁在熔融狀態的氟化鹽中被分解為鋁和二氧 化碳。電解鋁生產流程如下： 4~5 噸鋁礬土(Bayer 法)→2 噸氧化鋁(Hall-Heroult 電解法)→1 噸電解鋁 （一）Hall-Héroult 法原理 Hall-Héroult 法係在熔融的鹵化物（以冰晶石 Na3AlF6 為主混合了 AlF3 和 CaF2 等）中溶入 Al2O3 之後，再透過電解於陰極產生 Al，碳陽極產生 CO2 ，在熔融狀態 下分離出 Al 的方法，其反應式可以簡單表示如下： 2Al2O3 → 4Al3+ + 6O2－ （溶解於氧化鋁的電解浴中） 3+ － 4Al +12e → 4Al