鋁 (ALI) 歷史

鋁的歷史

儘管鋁是一種非常稀有的元素，但由於從礦石中提取它的複雜性，它以純金屬形式存在幾個世紀以來一直被人類忽視。然而，鋁化合物（如明礬）的使用早在公元前 5 世紀就有記載，特別是在染色過程中。明礬在染色中的重要性使其在中世紀成為一種有價值的貿易商品 。直到文藝復興時期，學者們才開始懷疑明礬中含有一種未知元素。到了啟蒙時代，他們確定這種元素──氧化鋁──是一種新金屬的氧化物。 1825 年，丹麥物理學家 Hans Christian Ørsted 和德國化學家 Friedrich Wöhler 正式向世界介紹了鋁。

精煉鋁的最初挑戰使其比黃金更昂貴，因此廣泛使用是不切實際的。 1856 年，隨著法國化學家 Henri Étienne Sainte-Claire Deville 發明了第一個工業生產工藝，這一高成本障礙開始瓦解。 1886 年，法國工程師 Paul Héroult 和美國工程師 Charles Martin Hall 獨立開發了 Hall-Héroult 工藝，隨後由奧地利化學家 Carl Joseph Bayer 首創的 1889 年拜耳工藝，其可及性顯著提高。這些突破性的方法徹底改變了鋁的生產，並至今仍是業界標準。

大規模生產鋁的能力釋放了其潛力，使其在各行各業和日常生活中廣泛採用。事實證明，其輕質和耐腐蝕的特性在工程和建築領域具有無價的價值，確保了其在第一次世界大戰和第二次世界大戰期間作為飛機生產的關鍵資源的作用。因此，全球鋁產量經歷了爆炸式增長，從 1900 年的區區 6,800 噸猛增到 1954 年的驚人的 2,810,000 噸。 這種激增推動鋁超過銅，成為世界領先的有色金屬。

20 世紀下半葉見證了鋁在運輸和包裝領域的廣泛使用。然而，隨著圍繞鋁生產的環境問題開始浮出水面，這一進步是有代價的。因此，鋁回收作為一種更永續的做法而受到關注。 20 世紀 70 年代標誌著鋁進入商品市場，恰逢生產從已開發國家轉移到發展中國家。到2010年，中國已成為鋁生產和消費的主導者。全球產量持續呈上升趨勢，2015 年達到 58,500,000 噸，鞏固了鋁作為有色金屬生產領域無可爭議的領導者的地位。

早期歷史

明礬是鋁的化合物，有著悠久而傳奇的歷史。早在公元前五世紀的古代文明就認識到了它的價值。希臘歷史學家希羅多德記錄了它在染色中作為媒染劑、藥用物質、化學研磨劑和木材阻燃塗層的用途，特別是在防禦縱火的加固結構中的用途。雖然明礬的使用已廣為人知，但鋁金屬本身仍未被發現。

有趣的是，羅馬作家彼得羅尼烏斯（Petronius）在他的著作《薩蒂利孔》（Satyricon）中講述了一種呈獻給皇帝的獨特玻璃杯。這種玻璃具有非凡的彈性，在撞擊時會變形而不是破碎，並且可以用錘子重塑形狀。由於擔心黃金貶值，皇帝在得知發明者的獨家知識後，將他處決以壓制這一發現。這一說法的變體出現在老普林尼和卡西烏斯·迪奧的作品中，儘管其真實性存在爭議。有些人推測這種彈性玻璃可能是鋁的早期形式。進一步的證據表明，鋁合金可能在金朝（西元 266-420 年）在中國生產。

十字軍東徵之後，明礬成為國際貿易中的重要商品，對歐洲紡織業尤其重要。雖然小型明礬礦在天主教歐洲運營，但中東仍然是主要來源，貿易主要發生在地中海沿岸。這種情況在 15 世紀中葉發生了變化，當時奧斯曼帝國大幅提高了明礬的出口稅。不久之後，義大利發現了豐富的明礬礦藏。利用這項發現，教宗庇護二世禁止從東方進口所有明礬，利用這項新來源的利潤來資助針對奧斯曼帝國的戰爭。義大利明礬成為歐洲藥品的基石，但教宗政府的定價政策最終促使其他國家尋求自己的來源。因此，大規模的明礬開採在 16 世紀蔓延到歐洲其他地區。

明礬的神秘性質使文藝復興初期的學者們感到困惑。直到 1530 年左右，瑞士醫生帕拉塞爾蘇斯才將明礬與硫酸鹽（硫酸鹽）區分開來，並提出將其歸類為土鹽。 1595年，德國醫生兼化學家安德烈亞斯·利巴維烏斯（Andreas Libavius）透過實驗證明，明礬、綠礬和藍礬具有共同的酸，但其地球成分不同。他將明礬中發現的未知泥土命名為「氧化鋁」。 1702 年，德國化學家喬治·恩斯特·斯塔爾(Georg Ernst Stahl) 假設明礬的鹼與石灰或白堊有相似之處，這一誤解在接下來的半個世紀裡一直在科學界持續存在。德國化學家弗里德里希·霍夫曼 (Friedrich Hoffmann) 在 1722 年挑戰了這一觀點，認為明礬的基質完全是一個獨特的地球。 1728 年，法國化學家 Étienne Geoffroy Saint-Hilaire 進一步推進了這一觀點，他錯誤地認為燃燒泥土會產生二氧化矽，但他斷言明礬是由一種未知的泥土與硫酸相互作用而產生的。直到 1785 年，德國化學家和藥劑師 Johann Christian Wiegleb 才糾正了 Geoffroy 的錯誤，證明與普遍的看法相反，明礬土不能由二氧化矽和鹼合成。法國化學家讓·蓋洛 (Jean Gello) 在 1739 年證明了粘土中的土和鹼與明礬反應生成的土具有相同的性質，從而豐富了這一不斷增長的知識體系。 1746 年，德國化學家約翰·海因里希·波特 (Johann Heinrich Pott) 進一步證實了明礬鹼的獨特性，他證明向明礬溶液中添加鹼所產生的沉澱物不同於石灰和白堊。

1754 年，德國化學家安德烈亞斯·西吉斯蒙德·馬格拉夫 (Andreas Sigismund Marggraf) 成功合成了明礬土，並取得了突破。他的方法是將粘土在硫酸中煮沸並引入鉀肥。他觀察到，在這種新合成的土壤的硫酸溶液中添加蘇打、鉀肥或任何鹼會導致明礬的形成。馬格拉夫觀察乾燥後其在酸中的溶解度，將這種地球描述為鹼性。他的工作也擴展到描述地球上的鹽類，包括氯化物、硝酸鹽和醋酸鹽。 1758 年，法國化學家Pierre Macquer 對氧化鋁和金屬土進行了比較，這一觀點在1760 年得到了他的同胞、化學家Théodore Baron d'Hénouville 的響應，他對氧化鋁作為金屬土的特性表示了信心。

1767 年，瑞典化學家 Torbern Bergman 透過兩種不同的方法合成明礬，進一步加深了對明礬的認識：在硫酸中煮沸明礬石並向溶液中添加鉀，然後使硫酸鉀與明礬土反應。透過這些實驗，他確定了明礬作為複鹽的身份。 1776 年，瑞典德國藥物化學家卡爾·威廉·舍勒 (Carl Wilhelm Scheele) 證明，明礬和二氧化矽都起源於黏土，而明礬不含矽，這進一步增加了人們的認知。 1782 年，著名的法國化學家安托萬·拉瓦錫(Antoine Lavoisier) 將氧化鋁歸類為金屬氧化物，並提出其與氧的親和力非常強，以至於任何已知的還原劑都無法破壞該鍵。

1815年，瑞典化學家Jöns Jacob Berzelius提出了氧化鋁的化學式AlO3。然而，德國化學家 Eilhard Mitscherlich 在 1821 年建立了正確的化學式 Al2O3。事實證明，這項修正有助於貝採利烏斯隨後確定金屬的準確原子量：27。

工業生產

1854 年，法國化學家亨利·艾蒂安·聖克萊爾·德維爾 (Henri Étienne Sainte-Claire Deville) 在巴黎科學院推出了突破性的鋁生產工業方法。他的工藝涉及使用鈉還原氯化鋁，鈉是維勒使用的鉀的更實用且更具成本效益的替代品。這項創新使德維爾成功地製造了金屬錠。出於對其潛在軍事應用的興趣，拿破崙三世承諾為德維爾的研究提供大量財政支持，希望為法國軍隊配備由這種新型有光澤金屬製成的輕型、有彈性的武器、頭盔、盔甲和其他裝備。雖然尚未準備好公開展示，但鋁的魅力如此之大，據說拿破崙曾舉辦過一場宴會，尊貴的客人用鋁製餐具進餐，而其他不得不接受黃金的人卻無法享受到這種特權。

1855 年的世界博覽會標誌著十二個小鋁錠的首次公開展覽。由於與銀極為相似，這種金屬被稱為“粘土中的銀”，它引起了人們的極大興趣，並引發了對其在藝術、音樂、醫學、烹飪藝術和餐具中潛在應用的廣泛猜測。包括查爾斯·狄更斯、尼古拉·車爾尼雪夫斯基和儒勒·凡爾納在內的那個時代的前衛作家設想了一個由鋁塑造的未來。然而，這次招待會也並非沒有受到批評。一些報紙駁斥了最初的炒作，聲稱展出的數量僅為一公斤，未達到預期，並對這種金屬的革命性影響產生了懷疑。儘管存在這種懷疑，博覽會最終為鋁的商業化鋪平了道路。那年，它以每公斤300法郎的價格進入市場。在隨後的1867 年巴黎博覽會上，鋁線、鋁箔和新型合金（鋁青銅）亮相，展示了這種金屬的多功能性及其經濟的生產成本、令人印象深刻的耐腐蝕性和理想的機械性能。

早期商業化生產鋁的嘗試受到多種因素的阻礙。製造商對於將資源從鐵和青銅等成熟金屬上轉移出去猶豫不決，而更願意專注於這些已知且易於銷售的材料。此外，此時生產的鋁通常不純，其性能在批次之間差異很大。這種不一致導致業界不願意接受這種新金屬。

儘管面臨這些挑戰，Deville 和他的合作夥伴於 1856 年在魯昂建立了世界上第一個工業鋁生產設施。到 1858 年，德維爾改進了他的工藝，利用鋁土礦作為氧化鋁的主要來源。後來，他將自己的鋁業權益出售給了亨利·梅爾(Henri Merle) 的阿萊和卡馬格公司(Compagnie d'Alais et de la Camargue)，該公司隨後幾十年來一直主導著法國鋁市場。

雖然德維爾的過程代表了重大進步，但它也並非沒有限制。產量仍然相對較低，到 1872 年僅達到 1.8 噸。

在整個 1880 年代，新的生產基地不斷湧現，每個生產基地都試圖改進製程並提高所生產鋁的純度。英國工程師詹姆斯·費恩·韋伯斯特 (James Fern Webster) 在 1882 年取得了顯著的成功，他的方法生產的鋁比德維爾的方法要純得多。在美國，威廉·弗里什穆斯(William Frishmuth) 簡化了生產，將鈉、氧化鋁和鋁的生產合併到一個流程中，而漢密爾頓·卡斯特納(Hamilton Castner) 在鈉生產方面的創新顯著降低了鋁的成本。儘管取得了這些進步，但由於生產成本高和工業應用有限，鋁的廣泛採用仍然難以實現。

鋁的大量使用

19 世紀末鋁價的下降導致其廣泛應用於各種日常用品，從珠寶、眼鏡框到光學儀器。 19 世紀末和 20 世紀初，鋁的使用量激增。 1900 年代初，隨著鋁箔的流行，由這種輕質金屬製成的炊具開始取代傳統的銅鍋和平底鍋。冶金學家發現，將鋁與其他金屬製成合金可以增強其強度，同時又不會影響其輕質。這導致了鋁青銅等合金的發展，因其靈活性和強度而廣泛應用於造船和航空領域。 1903 年硬鋁的發明進一步推動了鋁在航空領域的應用，特別是在萊特飛行器引擎的製造中。

20 世紀開始，鋁回收出現，這項做法很快就受到關注。鋁能夠反覆回收而不降解，使其成為該工藝的理想選擇。最初，只有未到達消費者手中的鋁才會被回收。然而，第一次世界大戰的爆發極大地增加了對鋁的需求，特別是對輕質而堅固的飛機部件。全球各國政府大力投資鋁生產、補貼工廠和加強電網，以滿足不斷飆升的需求。全球產量從 1900 年的 6,800 公噸激增至 1916 年的超過 10 萬公噸。

戰後幾年，鋁產量下降，隨後進入快速成長時期。在整個 20 世紀上半葉，鋁的實際價格穩步下降，從 1900 年的每噸 14,000 美元暴跌至 1948 年的 2,340 美元，除了第一次世界大戰期間的急劇飆升。 1919 年，德國努力應對惡性通貨膨脹，開始用鋁幣取代銀幣。到 20 世紀中葉，鋁已變得無處不在，成為全球家庭的必需品。

20 世紀 30 年代標誌著鋁材進入土木工程領域的轉折點，用於結構和室內應用。同時，它在軍事工程中的應用，特別是在飛機和坦克發動機中的應用也得到了擴展。隨著 1931 年鋁製貨車的推出，運輸業受益於鋁的輕量化特性，實現了更大的貨運能力。

儘管回收量不斷增長，但由於在回收過程中保持化學成分一致和有效去除雜質方面的挑戰，原鋁仍然表現出色。能源價格波動等因素也影響了回收率。例如，當美國能源價格在 1930 年代末下降時，使用能源密集型霍爾-埃魯製程生產原鋁變得更加經濟可行，導致鋁回收量下降。儘管如此，到 1940 年，消費後鋁的大規模回收已成為現實。

在第二次世界大戰期間，鋁產量激增，1941 年首次突破 100 萬噸。鋁的重要性如此之大，以至於噹噹時美國鋁生產的主導力量美國鋁業公司猶豫是否要增加產量時，美國內政部長在1941年發表了著名的宣言：「如果美國輸掉了戰爭，可以感謝美國鋁業公司美國」。德國是 1939 年領先的鋁生產國，將這一優勢視為其戰爭努力的關鍵。鋁幣最初象徵衰落，到 1939 年，鋁幣已成為權力的象徵。然而，1941 年，為了將這種金屬用於軍事目的，它們退出了流通。 1940 年參戰後，英國發起了一項大規模鋁回收計劃，飛機生產部長敦促公眾貢獻任何可用的家用鋁用於飛機製造。 1941 年至 1945 年間，蘇聯從其盟國接收了 328,100 噸鋁，這對其飛機和坦克發動機的生產至關重要。據估計，如果沒有這些供應，蘇聯飛機產量將減少一半。

儘管戰後全球產量曾短暫下降，但很快又恢復了快速成長。到 1954 年，世界產量達到 2,810,000 噸，超過銅，使鋁成為產量最多的有色金屬，在金屬總產量中僅次於鐵。

鋁時代

1957 年，地球第一顆人造衛星的發射，由兩個相連的鋁半球構成，標誌著鋁在太空船中廣泛應用的開始。有趣的是，鋁罐於 1956 年首次生產，並於 1958 年首次用作飲料容器。從 1970 年代起，其高強度重量比使其成為高速列車製造的熱門選擇，並使其在汽車行業的地位不斷提高。

到1955 年，全球鋁市場由六家主要參與者主導：美國鋁業(Alcoa)、加拿大鋁業(Alcan)（源自美國鋁業(Alcoa)）、雷諾茲(Reynolds)、凱撒(Kaiser)、佩奇內(Pechiney)（由收購德維爾冶煉廠的阿萊和卡馬格公司(Compagnie d'Alais et de la Camargue) 合併而成，以及法國電力公司(Société électrométallurgique) française（僱用了Héroult）和Alusuisse（Héroult 的鋁業股份公司的繼承者）。這些公司總共佔了86%的市佔率。 1945 年後的近三十年裡，由於鋁在建築應用、電纜、基礎鋁箔和飛機工業中的使用不斷擴大，鋁的消費量經歷了近乎持續 10% 的年增長率。 20 世紀 70 年代初期鋁製飲料罐的出現進一步推動了這一成長。產量的激增，加上技術的進步以及開採和加工成本的降低，導致鋁的實際價格下降，直到 20 世紀 70 年代初。到 1973 年，實際價格已降至每噸 2,130 美元（以 1998 年美元計算）。 1971年，全球鋁產量首次突破1,000萬噸。

1960 年代末，各國政府開始意識到工業廢棄物對環境的影響。實施法規鼓勵回收和廢棄物處理。 Söderberg 陽極雖然在陽極烘烤的資本和勞動力方面具有成本效益，但由於捕獲和處理烘烤煙霧的挑戰，對環境有害。因此，這些材料不再受歡迎，業界又重新轉向預烤陽極。為了預防對鋁罐的潛在限制，鋁業開始促進鋁罐的回收。這刺激了消費後鋁的回收。例如，在美國，這種鋁的回收率從1970年到1980年增加了3.5倍，到1990年又增加了7.5倍。此外，成分控制和精煉技術的進步縮小了原鋁和再生鋁之間的品質差距。

20 世紀 70 年代，由於需求增加，鋁成為一種交易商品。 1978年，它在世界上最古老的工業金屬交易所倫敦金屬交易所上市。多種因素，包括開採低品位礦床的需要、不斷上升的能源和鋁土礦投入成本、貨幣波動以及溫室氣體法規，導致了鋁淨成本的上升。因此，鋁的實際價格在 20 世紀 70 年代一直在上漲。

鋁實際價格的上漲，加上關稅和稅收的變化，導致全球生產份額發生變化。 1972年，美國、蘇聯和日本合計佔全​​球初級產量的近60%，初級鋁消費量也佔類似比例。然而，到 2012 年，它們的總份額已降至略高於 10%。這種生產轉移始於 20 世紀 70 年代，生產從美國、日本和西歐轉移到澳洲、加拿大、中東、俄羅斯和中國等地區。由於電價便宜和政府優惠政策（包括稅收減免和補貼），這些地區的生產成本較低。 1980 年代和 1990 年代，技術進步、能源和氧化鋁價格下降以及美元堅挺導致生產成本下降。

進入21世紀，金磚四國（巴西、俄羅斯、印度和中國）的初級生產份額合計從32.6%飆升至56.5%，初級消費份額從21.4%上升至47.8%。尤其是中國，由於豐富的資源、廉價的能源和政府的激勵措施，累積了全球產量的很大一部分。該國的消費份額也從1972年的僅2%飆升至2010年驚人的40%。交通、工程、建築和包裝是美國、西歐和日本鋁消費的主要產業。

2000 年代中期，不斷上漲的能源、氧化鋁和碳（用於陽極）價格對生產成本造成了上行壓力。貨幣匯率的變化，特別是美元的疲軟和人民幣的走強，加劇了這種情況。由於中國大部分鋁的價格相對便宜，後者變得越來越重要。

儘管面臨這些成本壓力，全球鋁產量仍繼續呈上升趨勢，2018 年達到創紀錄的 6,360 萬噸，然後在 2019 年略有下降。 2019年，鋁的實際價格（以1998年美元計算）為每噸1,400美元，相當於今天的貨幣每噸2,190美元。