对我国发展高纯铝工业的思考(精)

中国有色金属报/2003年/11月/29日/第003版

对我国发展高纯铝工业的思考

王祝堂

高纯铝的主要用途

高纯铝是高技术高附加值材料,所以它的主要用途是在一些高技术领域和科学研究用。例如精铝(3N8~4N8的78%左右用于轧制电解电容器铝箔,即常说的电子箔,照明灯具的用量占12%,其他用途的为6%,计算机存储硬盘的用量约4%(图1。超纯铝(5N~6N,每种杂质的最大含量0.4ppb的95%用于制造半导体器件,5%用作超导电缆的稳定化材料(图2。

3N~4N精铝主要用于制造电解电容器铝箔,分为阳(正极箔与阴极箔两种,前者

采用纯度为3N5~4N8的铝;后者则用2N7~3N的铝或采用含有微量合金元素如铜、锰等的低合金化铝箔。电容器在轨道车辆、演播室冲击测量仪(studiosurge-measuringinstruments、荧光灯与汽车灯具、摩托车电子设备、影视设备中有着广泛的应用。

精铝在照明灯具中有着重要用途,铝越纯对光的反射率就越高,哪里有现代化的照明灯具,哪里就有精铝在起着至关重要的作用。

航空航天器要用很多高强度、高韧性、高抗蠕、高抗疲劳的铝合金,这些铝合金须用杂质含量低的铝制造。在制造航空航天发动机与导弹发射发动机方面的叶片须用超级合金,而精铝是超级合金的一个不可或缺的元素。用含铝的超级合金单晶体制造透平发动机叶片的主要优点是,既有极高的室温强度又有高的高温强度与抗高温氧化能力,因而大大提高了燃气发电机与水力涡轮发电机的工作性能与效率。

5N及6N的高纯铝在当今的高新技术中起着不可估量的作用。计算机存储硬盘是用高纯铝或高纯铝合金制造的。在制造集成电路芯片时阴极溅镀是一种必不可少的工艺,这是一种特殊的高技术工艺,蒸发的呈等离子状态的铝沉积于阴极靶面,即

在硅片(siliconw afer上形成一层薄薄的均匀的极少缺陷的铝膜,随后在膜上涂一层感光性树脂,经曝光后除去无用的部位即未感光的树脂,也就是把这些处的树脂腐蚀掉,而保留的极窄的铝条便是所需的导电体。阴极溅镀用的铝越纯,其电导率也就越高。

超纯铝的另一重要用途是作为集成电路的配线。5N超纯铝用于制造光电子存储媒体,如CD、CD-ROM、CD-RW、数据盘或微型盘、DVD银盘等。在银盘中用5N超纯铝溅射膜作为光反射层。

高纯铝在高能物理研究与探测物质基本粒子方面起了功不可没的作用。例如欧洲核研究中心(Euro-peanCentreForNuclearReserch探测器的超导结构与电缆用高纯铝作为铌-钛(Nb-T i超导线的稳定化材料,使它们始终处于超导状态。

超纯铝在航天飞机科学研究中发挥了重要作用。1998年秋美国发射的航天飞机中装有德国亚琛工业大学(AchenUniversityOfT echnol-ogy提供的AlMnSi3合金样品,是用5N超纯铝制造的。此项研究的目的是探索金属在微重力作用下的凝固行为,希望能建立理论模型以预测凝固系统中金属微观结构的形成,以及探讨金属固/液相界面模型。

我国精铝与高纯铝工业现状

中国精铝生产始于1958年,距原铝工业化生产约4年。那年抚顺铝厂的工程技术人员设计与制造了12台三层电解法精铝槽,电流强度5.8kA,生产能力0.18kt/a。1964年对精铝生产线进行了改扩建,槽数增至44台,电流强度提高到8kA,生产能力增加到950t/a。20世纪70年代中期将电流强度提高到12kA,电耗却高达

19000kWh/t精铝。2000年该厂精铝生产线关闭,因电耗仍高达15000kWh/t精铝以上,电价约占成本50%,无利可图。20世纪80年代初期,抚顺铝厂的科研人员在实验室研究过偏析提纯法,虽然获得了少量精铝,但不具备工业化生产条件,不久放弃研究开发。三层电解法槽现已全部拆除。

1976年,贵州铝厂(现在的中铝公司贵州分公司建成一条三层电解法精铝生产线,14台电解槽,电流强度12kA,生产能力0.35kt/a;1980年又增建6台槽,产能达到0.6kt/a;后来又经过扩建使生产能力达到3kt/a。2003年,该厂从日本引进的三层电解法精铝生产线于4月份投产,生产能力5kt/a。虽然现代化的三层电解法的电耗有较大下降,但直流电耗仍高达12500kWh/t左右,原铝消耗约1030kg/t精铝。所以精铝的制造成本主要决定于原铝价格与电耗。

众和精铝股份有限公司是中国最大的精铝与高纯铝生产企业,也是世界上最大的这类生产厂之一。至2003年底,精铝的总生产能力为23kt/a,全部采用三层电解法;还有一条生产能力为0. 2kt/a的偏析法高纯铝生产线,可生产99.9993%(5N3的高纯铝。

该公司共有3条精铝生产线,第一条即一期工程,1988年投产,32kA槽,生产能力5kt/a;第二期工程同一年开始生产,65kA,生产能力10kt/a;三期工程80kA槽,生产能力8kt/a,可于今年晚些时候投产。此生产线投产后,将关闭一期工程电解槽。

包头铝业有限责任公司与法国普基铝业公司合资建设的精铝项目的一期工程于2003年9月开工建设,计划于2004年10月建成投产,采用普基公司的偏析提纯法,可生产纯度>99.99%的精铝。该公司一期工程的生产能力为5kt/a,公用设施及厂房等具备将生产能力扩大到10kt/a的条件。

我国拟建精铝项目的企业有:关铝股份有限公司、红鹭铝业有限公司、神火集团铝业公司等。它们很有可能在2005年形成10kt~15kt/a的生产能力。

对发展高纯铝工业的设想

中国已成为全世界高纯铝生产大国,到2004年底可生产高纯铝企业有3个,总生产能力33kt/ a,仅次于日本居全球第二。2005年的生产能力有可能达45kt/a,从而跃居世界第一。因而谈谈世界与我国高纯铝工业的现状与发展前景看来很有必要。

2002年中国的精铝产量约11kt,全球的总产量约65kt,而据海德鲁铝业公司的数据约为70kt。全世界高纯铝的产量约为原铝总产量的0.27%,在2010年以前不可能突破0.3%。

2010年以前全世界原铝产量的年平均增长率为3%~3.5%,而高纯铝的年平均增长率可达5%;而中国高纯铝的年平均增长率可达15%以上。

建议中国取消精铝!这一概念,而采用原铝、高纯铝、超纯铝的叫法,以便与国际接轨。

中国提取高纯铝的工艺虽已有三层电解法与偏析法,但前者占的比例过大,到2004年底将占总生产能力的84.35%。由于偏析法具有能耗低、不排放污染物、装备较简单、产品的纯度高等优点,所以今后不宜发展三层电解法,对现有的三层电解法也可逐步改为偏析法。偏析法有六七种,主要的有日本法、普基法与海德鲁法。

中国已成为头号原铝生产大国,理所当然也可以成为高纯铝生产大国,然而世界高纯铝的消费量是有限的。据笔者预测,全世界2005年的消费量为81kt,2010年的消费量也只不过104kt,而可产高纯铝的国家却有日本、德国、法国、挪威、美国等,日本的企业已几乎全部淘汰了高能耗的三

层电解法,而其他国家也大多采用低能耗的偏析法,并具有质量高、成分稳定的优点,所以将它们逐步挤出市场并不是一件轻而易举的事。现在我们假设日本全部退出高纯铝生产市场,则可让出40kt/a的生产能力,这就是说2010年中国高纯铝的生产能力以70kt/a为极限,产量以65kt为限度;2005年的生产能力不宜超过40kt/a,产量以35kt为目标。拟建高纯铝项目的企业务必对高纯铝的性能、生产技术、应用领域与市场情况、发展前景有一个清晰的了解。

2003年上半年,众和精铝有限公司向日本出口20t高纯铝,受到市场的欢迎与好评,这说明中国的高纯铝是有国际市场竞争力的,前景广阔。

生产高纯铝的装备既不庞大也不复杂,但相当精巧,需严格控制各项工艺参数,以便能生产成分稳定的产品。