铝 (ALI) 历史

铝的历史

尽管 铝是一种非常稀有的元素，但由于从矿石中提取铝的复杂性，几个世纪以来，人类一直无法发现其纯金属形式。然而，早在公元前 5 世纪，就有使用明矾等铝化合物的记录，特别是在染色过程中。明矾在染色中的重要性使其在中世纪成为一种有价值的贸易商品 。直到文艺复兴时期，学者们才开始怀疑明矾含有一种未知元素。到了启蒙时代，他们确定这种元素，即氧化铝，是一种新金属的氧化物。1825 年，丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特 (Hans Christian Ørsted) 和随后的德国化学家弗里德里希·沃勒 (Friedrich Wöhler) 正式向世界介绍了铝。

铝精炼的最初挑战是铝比黄金还要昂贵，因此无法广泛使用。1856 年，法国化学家 Henri Étienne Sainte-Claire Deville 发明了第一种工业生产工艺，这一高成本障碍开始瓦解。1886 年，法国工程师 Paul Héroult 和美国工程师 Charles Martin Hall 独立开发了霍尔-埃鲁法，随后奥地利化学家 Carl Joseph Bayer 于 1889 年率先发明了拜耳法，铝的可获得性大大提高。这些开创性的方法彻底改变了铝的生产方式，至今仍是行业标准。

大规模生产铝的能力释放了其潜力，使其在各行各业和日常生活中得到广泛应用。铝的轻质和耐腐蚀特性在工程和建筑中发挥了无价的作用，确保了其在第一次世界大战和第二次世界大战期间作为飞机生产的关键资源的作用。因此，全球铝产量经历了爆炸式增长，从 1900 年的 6,800 公吨飙升至 1954 年惊人的 2,810,000 公吨。这一激增推动铝超越铜成为世界领先的有色金属。

20 世纪下半叶，铝在运输和包装领域的应用不断扩大。然而，这种进步是有代价的，因为围绕铝生产的环境问题开始浮出水面。因此，铝回收作为一种更可持续的做法得到了关注。20 世纪 70 年代，铝进入商品市场，与此同时，生产从发达国家转移到发展中国家。到 2010 年，中国已成为铝生产和消费的主导者。全球产量继续呈上升趋势，2015 年达到 58,500,000 公吨，巩固了铝作为有色金属生产无可争议的领先者的地位。

早期历史

明矾是一种铝化合物，历史悠久。早在公元前 5 世纪，古代文明就认识到了它的价值。希腊历史学家希罗多德记录了明矾作为染色媒染剂、药用物质、化学研磨剂和木材防火涂层的用途，特别是在加固建筑物以防纵火方面。虽然明矾的用途众所周知，但铝金属本身仍未被发现。

有趣的是，罗马作家佩特罗尼乌斯 (Petronius) 在其著作《萨蒂利孔》 (Satyricon) 中讲述了一种献给皇帝的独特玻璃。这种玻璃非常有弹性，在受到撞击时会变形而不是破碎，可以用锤子重塑。皇帝担心黄金贬值，在得知发明者独家知识后，下令处死他以压制这一发现。老普林尼 (Pliny the Elder) 和卡西乌斯·狄奥 (Cassius Dio) 的作品中也出现了这种说法的不同版本，尽管其真实性存在争议。有人推测这种有弹性的玻璃可能是铝的早期形式。进一步的证据表明，铝合金可能在晋朝 (公元 266-420 年) 在中国生产。

十字军东征之后，明矾成为国际贸易中的重要商品，对欧洲纺织业尤为重要。虽然天主教欧洲也有小型明矾矿，但中东仍然是主要来源，贸易主要发生在地中海对岸。这种情况在 15 世纪中叶发生了变化，当时奥斯曼帝国大幅提高了明矾的出口税。不久之后，意大利发现了丰富的明矾矿藏。利用这一发现，教皇庇护二世禁止从东方进口所有明矾，利用这一新来源的利润资助对奥斯曼帝国的战争。意大利明矾成为欧洲药品的基石，但教皇政府的定价政策最终迫使其他国家寻找自己的来源。因此，大规模明矾开采在 16 世纪蔓延到其他欧洲地区。

明矾的神秘性质在文艺复兴初期让学者们困惑不已。直到 1530 年左右，瑞士医生帕拉塞尔苏斯才将明矾与硫酸盐区分开来，并提出将其归类为土盐。1595 年，德国医生兼化学家安德烈亚斯·利巴维乌斯通过实验证明，明矾、绿矾和蓝矾具有共同的酸性，但土成分不同。他将明矾中发现的未知土命名为“氧化铝”。1702 年，德国化学家格奥尔格·恩斯特·斯塔尔假设明矾的碱与石灰或白垩有相似之处，这一误解在科学界持续了半个世纪。1722 年，德国化学家弗里德里希·霍夫曼对这一观点提出了质疑，他认为明矾的碱是一种完全不同的土。 1728 年，法国化学家埃蒂安·杰弗鲁瓦·圣希莱尔 (Étienne Geoffroy Saint-Hilaire) 进一步推进了这一观点，他错误地认为燃烧泥土会产生二氧化硅，并声称明矾是由未知泥土与硫酸相互作用而产生的。直到 1785 年，德国化学家兼药剂师约翰·克里斯蒂安·维格勒布 (Johann Christian Wiegleb) 才纠正了杰弗鲁瓦的错误，证明与普遍看法相反，明矾土不能由二氧化硅和碱合成。1739 年，法国化学家让·盖洛 (Jean Gello) 证明了粘土中的泥土与碱与明矾反应产生的泥土性质相同，这进一步巩固了明矾碱的独特性。1746 年，德国化学家约翰·海因里希·波特 (Johann Heinrich Pott) 证明，向明矾溶液中添加碱后产生的沉淀与石灰和白垩都不同，这进一步巩固了明矾碱的独特性。

1754 年，德国化学家安德烈亚斯·西吉斯蒙德·马格拉夫成功合成了明矾土，这是一项突破。他的方法是将粘土在硫酸中煮沸，然后加入钾碱。他观察到，在这种新合成的明矾土的硫酸溶液中加入苏打、钾或任何碱都会形成明矾。马格拉夫观察了明矾土干燥后在酸中的溶解度，认为这种明矾土是碱性的。他的工作还扩展到描述这种明矾土的盐类，包括氯化物、硝酸盐和醋酸盐。1758 年，法国化学家皮埃尔·马凯尔将氧化铝与金属土进行了比较，他的同胞、化学家西奥多·巴隆·德努维尔在 1760 年也持同样的观点，他对氧化铝是一种金属土的身份充满信心。

1767 年，瑞典化学家托伯恩·伯格曼通过两种不同的方法合成明矾，进一步加深了对明矾的了解：将明矾石在硫酸中煮沸，并向溶液中添加钾碱，以及使硫酸钾与明矾土发生反应。通过这些实验，他确定了明矾是一种复盐。1776 年，瑞典德国药物化学家卡尔·威廉·舍勒证明明矾和二氧化硅都来源于粘土，明矾不含硅，这进一步加深了人们的认识。到 1782 年，著名的法国化学家安托万·拉瓦锡将氧化铝归类为金属氧化物，认为它对氧的亲和力非常强，以至于没有已知的还原剂可以破坏这种键。

1815 年，瑞典化学家 Jöns Jacob Berzelius 提出了氧化铝的化学式 AlO3。然而，德国化学家 Eilhard Mitscherlich 于 1821 年确定了正确的化学式 Al2O3。这一修正对 Berzelius 随后确定该金属的准确原子量（27）起到了重要作用。

工业生产

1854 年，法国化学家亨利·埃蒂安·圣克莱尔·德维尔在巴黎科学院公布了一种具有突破性的铝生产工业方法。他的工艺涉及使用钠还原氯化铝，钠是一种比沃勒使用的钾更实用、更经济的替代品。这项创新使德维尔能够成功制造出铝锭。拿破仑三世对铝的潜在军事应用很感兴趣，他承诺为德维尔的研究提供大量资金支持，希望用这种新的有光泽的金属为法国军队配备轻便、有弹性的武器、头盔、盔甲和其他装备。虽然铝还没有准备好公开展示，但它的魅力如此之大，据说拿破仑曾举办过一场宴会，贵宾们用铝制餐具用餐，而其他不得不接受黄金的人则没有这种特权。

1855 年的世界博览会首次公开展出了 12 块小铝锭。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。当时的先锋派作家，包括查尔斯·狄更斯、尼古拉·车尔尼雪夫斯基和儒勒·凡尔纳，都设想了铝塑造的未来。然而，铝的反响并非没有批评。一些报纸驳斥了最初的炒作，声称展出的数量只有一公斤，没有达到预期，并对这种金属的革命性影响表示怀疑。尽管存在这种怀疑，但博览会最终为铝的商业化铺平了道路。那一年，铝以每公斤 300 法郎的价格进入市场。在随后的 1867 年巴黎博览会上，铝线、铝箔和一种新合金——铝青铜——进行了展出，展示了这种金属的多功能性和经济的生产成本、令人印象深刻的耐腐蚀性和理想的机械性能。

早期铝的商业化生产尝试受到多种因素的阻碍。制造商不愿将资源从铁和青铜等成熟金属上转移，而是更愿意专注于这些已知且易于销售的材料。此外，当时生产的铝通常不纯，其性能在各个批次之间差异很大。这种不一致性导致行业内不愿接受这种新金属。

尽管面临这些挑战，德维尔和他的合作伙伴还是于 1856 年在鲁昂建立了世界上第一家工业铝生产设施。这座冶炼厂随后多次搬迁，最终落户萨林德雷。到 1858 年，德维尔改进了他的工艺，利用铝土矿作为氧化铝的主要来源。后来，他将自己的铝业权益出售给了亨利·梅尔的阿莱和卡马格公司，这家公司后来在法国铝业市场占据主导地位数十年。

虽然德维尔的工艺代表了重大进步，但并非没有局限性。产量仍然相对较低，到 1872 年仅达到 1.8 公吨。铝的需求也有限，这种金属通常与银相比，主要用于装饰品和珠宝。

整个 19 世纪 80 年代，新的生产基地不断涌现，每个基地都试图改进工艺并提高所产铝的纯度。英国工程师詹姆斯·费恩·韦伯斯特 (James Fern Webster) 于 1882 年取得了显著的成功，他的方法生产的铝比德维尔的方法纯度高得多。在美国，威廉·弗里什穆特 (William Frishmuth) 简化了生产流程，将钠、氧化铝和铝的生产合并为一个流程，而汉密尔顿·卡斯特纳 (Hamilton Castner) 在钠生产方面的创新大大降低了铝的成本。尽管取得了这些进展，但铝的广泛采用仍然难以实现，因为生产成本高昂且工业应用有限。

铝的大量使用

19 世纪末铝价不断下降，铝开始广泛应用于珠宝、眼镜架和光学仪器等各种日常用品中。19 世纪末和 20 世纪初，铝的使用量激增。20 世纪初，用这种轻质金属制成的炊具开始取代传统的铜和铸铁锅碗瓢盆，与此同时，铝箔也开始流行起来。冶金学家发现，将铝与其他金属合金化可以提高其强度，且不影响其轻质。这导致了铝青铜等合金的发展，铝青铜因其柔韧性和强度而被广泛应用于造船和航空业。1903 年硬铝的发明进一步推动了铝在航空领域的应用，尤其是用于制造莱特飞行器的发动机。

20 世纪初，铝回收业开始兴起，这一做法迅速流行起来。铝可以反复回收而不会降解，因此成为这一工艺的理想选择。最初，只有未到达消费者手中的铝才会被回收。然而，第一次世界大战的爆发大大增加了对铝的需求，尤其是对重量轻但坚固的飞机部件的需求。世界各国政府在铝生产方面投入巨资，补贴工厂并加强电网，以满足不断增长的需求。全球产量从 1900 年的 6,800 公吨飙升至 1916 年的 100,000 多公吨。然而，这一激增无法满足战时需求，导致铝回收量大幅增加。

战后，铝产量出现下滑，随后进入快速增长期。20 世纪上半叶，铝的实际价格稳步下降，从 1900 年的每吨 14,000 美元暴跌至 1948 年的 2,340 美元，只有第一次世界大战期间出现了大幅上涨。铝的价格实惠，加上储量丰富，使其在各种应用中得到广泛采用。1919 年，德国为应对恶性通货膨胀开始用铝币替代银币。到 20 世纪中叶，铝已变得无处不在，成为全球家庭的必需品。

20 世纪 30 年代是铝材的转折点，铝材开始进入土木工程领域，用于结构和室内装饰。与此同时，铝材在军事工程（尤其是飞机和坦克发动机）中的应用也不断扩大。1931 年，铝制货车问世，提高了货运能力，运输业也从铝材的轻量化特性中获益。

尽管回收量有所增长，但由于在回收过程中保持化学性质一致和有效去除杂质方面存在挑战，原铝仍然占据优势地位。能源价格波动等因素也影响了回收率。例如，当 20 世纪 30 年代末美国能源价格下跌时，使用能源密集型的霍尔-埃鲁工艺生产原铝变得更具经济可行性，导致铝回收量下降。然而，到 1940 年，消费后铝的大规模回收已成为现实。

第二次世界大战期间，铝产量激增，1941 年首次超过 100 万公吨。铝在飞机制造中的应用使其成为一项至关重要的战略资产。铝的重要性如此之大，以至于当当时美国铝产量的主导力量美国铝业公司犹豫是否增加产量时，美国内政部长在 1941 年发表了著名言论：“如果美国输掉了战争，它可以感谢美国铝业公司”。1939 年，德国是最大的铝生产国，它将这一优势视为其战争努力的关键。铝币最初象征着衰落，到 1939 年，它已成为权力的象征。然而，1941 年，铝币退出流通，以将金属用于军事用途。1940 年参战后，英国发起了一项大规模的铝回收计划，飞机生产部长敦促公众捐出任何可用的家用铝用于飞机制造。 1941 年至 1945 年间，苏联从其盟国获得了 328,100 公吨铝，这对苏联的飞机和坦克发动机生产至关重要。据估计，如果没有这些供应，苏联的飞机产量将减少一半。

尽管战后全球产量曾短暂下降，但很快又恢复了快速上升势头。到 1954 年，世界产量达到 2,810,000 公吨，超过铜，成为产量最大的有色金属，在金属总产量中仅次于铁。

铝时代

1957 年，地球首颗人造卫星发射升空，该卫星由两个相连的铝半球构成，标志着铝开始广泛应用于航天器。有趣的是，铝罐于 1956 年首次生产，1958 年首次被用作饮料容器。20 世纪 60 年代，铝被用于电线和电缆的生产。从 20 世纪 70 年代起，铝的高强度重量比使其成为高速列车建造的热门选择，并促使其在汽车行业中的地位日益提高。

到 1955 年，全球铝市场被六大公司所主导：美国铝业公司、加拿大铝业公司（Alcan，源自美国铝业公司）、雷诺兹公司、凯撒公司、佩希内公司（Compagnie d'Alais et de la Camargue，收购了 Deville 的冶炼厂，以及法国电解铝公司，雇佣了 Héroult）和 Alusuisse（Héroult 的铝工业股份公司的继任者）。这些公司合计占有 86% 的市场份额。1945 年后的近三十年间，铝消费量几乎以每年 10% 的速度增长，这得益于其在建筑应用、电缆、基础箔和航空工业中的广泛应用。20 世纪 70 年代初铝制饮料罐的出现进一步推动了这一增长。产量激增，加上技术进步和开采加工成本降低，导致铝的实际价格在 20 世纪 70 年代初之前一直下跌。到 1973 年，实际价格已跌至每公吨 2,130 美元（以 1998 年美元计算）。1971 年，全球铝产量首次超过 10,000,000 公吨。

20 世纪 60 年代末，各国政府开始认识到工业废物对环境的影响。政府出台了鼓励回收和废物处理的法规。自焙阳极虽然在阳极焙烧的资本和劳动力方面具有成本效益，但由于捕获和处理焙烧烟雾的难度大，对环境有害。因此，自焙阳极不再受欢迎，行业又转回了预焙阳极。为了避免对铝罐的潜在限制，铝行业开始推广铝罐的回收利用。这刺激了消费后铝的回收利用。例如，在美国，这种铝的回收率从 1970 年到 1980 年增加了 3.5 倍，到 1990 年又增加了 7.5 倍。20 世纪 70 年代和 80 年代原铝生产成本的上升也促进了铝回收利用的增长。此外，成分控制和精炼技术的进步缩小了原铝和再生铝之间的质量差距。

20 世纪 70 年代，由于需求增加，铝成为一种交易商品。1978 年，铝在世界历史最悠久的工业金属交易所伦敦金属交易所上市。从那时起，铝就以美元交易，其价格随货币汇率波动。多种因素导致铝的净成本上升，包括开采低品位矿藏的需求、不断上升的能源和铝土矿投入成本、货币波动以及温室气体法规。因此，铝的实际价格在整个 20 世纪 70 年代都在上涨。

铝实际价格上涨，加上关税和税收的变化，导致全球生产份额发生变化。1972 年，美国、苏联和日本合计占全球原铝产量的近 60%，原铝消费量也占相当比例。然而，到 2012 年，它们合计的份额已降至略高于 10%。这一生产转移始于 20 世纪 70 年代，生产从美国、日本和西欧转移到澳大利亚、加拿大、中东、俄罗斯和中国等地区。这些地区的电价更便宜，政府政策优惠，包括减税和补贴，因此生产成本更低。技术进步、能源和氧化铝价格下跌以及美元走强，导致 20 世纪 80 年代和 90 年代生产成本下降。

进入 21 世纪，金砖四国（巴西、俄罗斯、印度和中国）的初级铝产量合计份额从 32.6% 飙升至 56.5%，初级铝消费份额从 21.4% 上升至 47.8%。尤其是中国，由于资源丰富、能源廉价以及政府激励措施，在全球铝产量中占据了相当大的份额。中国的消费份额也从 1972 年的 2% 飙升至 2010 年的 40%。除美国外，唯一一个达到两位数百分比的国家是美国，为 11%，其他国家均未超过 5%。美国、西欧和日本的铝消费主要集中在交通运输、工程、建筑和包装领域。

2000 年代中期，能源、氧化铝和碳（用于阳极）价格不断上涨，给生产成本带来了上行压力。汇率变化加剧了这一压力，尤其是美元走弱和人民币走强。人民币走强的影响越来越大，因为中国大部分铝的价格都相对便宜。

尽管存在这些成本压力，但全球铝产量仍保持上升趋势，2018 年达到创纪录的 63,600,000 公吨，然后在 2019 年略有下降。铝产量现在超过了所有其他有色金属的总和。2019 年，铝的实际价格（以 1998 年美元计算）为每公吨 1,400 美元，相当于今天的每吨 2,190 美元。