氧化铝期货系列专题二之氧化铝基础知识与生产工艺及成本

氧化铝期货系列专题二之 氧化铝基础知识与生产工艺及成本 氧化铝期货系列专题2023年6月 期货（期权）研究报告 请务必阅读正文之后的免责条款部分 报告摘要： 氧化铝分为冶金级氧化铝和非冶金级氧化铝，冶金级氧化铝用来生产电解铝，上期所氧化铝期货合约以冶金级氧化铝为标的物。 氧化铝生产工艺包括拜耳法、烧结法和拜耳-烧结联合法。 根据钢联统计数据，截止2023年4月底，中国氧化铝平均生产完全成本为2625元/吨。 分析师：曾德谦（F3021262，Z0013703）研究所 金属研究室 Tel：010-82293558 Email：wangwenhu@swhysc.com 相关研究 《美联储货币政策存变数贵金属市场等待新驱动》，期货日报 《沪镍重心将震荡下移》，期货日报 《铜价重心下移但难回2020年以前水平》，期货日报 《低库存使铜价下跌具有抵抗性》，期货日报 《冲突螺旋式升级间接支撑有色金属》，期货日报 《青山做空伦镍险遭百亿美元浮亏？但镍价终将回归产业运行逻辑》，腾讯财经 《全球镍仍在持续去库短期供需仍然偏紧》，金融界 《央行降准后结构性宽松仍可期》，金融界 《避险需求支撑趋弱，黄金中期中心将下移》，期货日报 《两大因素主导金价走势》，期货日报 《有色重心逐步下移》，期货日报 《沪铜：谨慎追涨》，期货日报 《黄金中长线配置时点仍需等待》，期货日报 目录 一、氧化铝定义及分类3 二、氧化铝用途4 （一）冶金级氧化铝4 （二）非冶金级氧化铝5 三、氧化铝生产工艺7 （一）拜耳法8 （二）烧结法8 （三）拜耳－烧结联合法9 四、氧化铝生产成本11 上海期货交易所正在稳步推进氧化铝期货上市，目前已经完成现货市场研究、仓储存放测试、合约设计及规则优化等准备工作，而且已于2023年5月9日发布《上海期货交易所就氧化铝期货合约和相关业务规则公开征求意见的公告》，这意味着氧化铝期货将在不久的未来与我们见面，氧化铝行业将面临新的发展机遇。因此，我们将通过撰写氧化铝系列专题来梳理氧化铝的上下游发展现状，帮助投资者了解氧化铝产业链及潜在交易策略。 一、氧化铝定义及分类 氧化铝是铝的稳定氧化物，化学式Al2O3，相对密度3.5g/cm3，熔点2054℃，沸点2980℃，高温状态下可电离的离子晶体。从物理性质来看，氧化铝为难溶于水的白色固体，外观呈无定形粉末状或砂状，无臭无味、质极硬、易吸潮而不潮解（灼烧过的不吸湿）。从化学性质来看，氧化铝是典型的两性氧化物，能溶于无机酸和碱性溶液中，几乎不溶于水与非极性有机溶剂。 图1：砂状氧化铝图2：粉末状氧化铝 资料来源：网络公开资料，宏源期货研究所资料来源：网络公开资料，宏源期货研究所 国家标准《氧化铝》（GB/T24487-2022）是2022年10月1日实施的一项中华人民共和国国家标准，该标准规定了氧化铝（Al2O3）的技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输、贮存、质量证明书及订货单（或合同）内容。该标准适用于由铝土矿、再生氧化铝原料等作为原料生产的、用作熔盐电解法生产金属铝用的氧化铝，也适用于生产刚玉、陶瓷、耐火制品及生产其他氧化铝化学制品用原料的氧化铝。 根据该标准，氧化铝牌号分为三类，分别是AO-G、AO-1和AO-2，各自主要的化学成分、物理性能及微量元素含量应符合图3和图4所列规定。 图3：氧化铝分类 牌号 主要化学成分 主要物理性能* AL2O3 SiO2 Fe2O3 Na2O CaO 灼减 比表面积 粒径小于45μm含量 %，不小于 %，不大于 m2/g，不小于 %，不大于 AO-G 98.6 0.018 0.015 0.35 0.03 1.0 60 20 AO-1 98.6 0.020 0.020 0.45 0.03 1.0 60 20 AO-2 98.5 0.040 0.020 0.55 0.04 1.0 60 25 *分析检验数值的判定采用修约比较法，数值修约规则按GB/T8170的有关规定进行，修约数位与表中所列极限值数位一致。 资料来源：国家标准《氧化铝》（GB/T24487-2022），宏源期货研究所 微量元素含量应符合图4的规定。其他微量元素含量（如Cu、Mg、B、Li、Cd、Cr、Hg、Pb、A、As等），需求方如有特殊要求，则由供需双方协商确定，并在订货单（或合同）中注明。 图4：氧化铝微量元素含量 牌号 微量元素含量，μg/g，不大于 Mn V Zn Ti Ga K 其他单个* AO-G 3 3 3 20 40 30 3 *其他单个指表中未列出或未规定数值的元素。 资料来源：国家标准《氧化铝》（GB/T24487-2022），宏源期货研究所 二、氧化铝用途 根据用途不同，氧化铝可分为冶金级氧化铝和非冶金级氧化铝。两者生产工艺无差，但一般非冶金级氧化铝纯度较冶金级氧化铝更高。冶金级氧化铝主要用来生产电解铝，而非冶金级氧化铝主要用于制作刚玉、陶瓷、耐火制品及其他氧化铝制品。其中，冶金级氧化铝产量约占氧化铝总产量的95-97%。上期所即将上市的氧化铝期货合约的标的物为冶金级氧化铝。 图5：氧化铝用途示意图 资料来源：上海有色网，宏源期货研究所 （一）冶金级氧化铝 一般用作生产金属铝原材料的氧化铝被称为冶金级氧化铝。考虑到冶金级氧化铝的质量对金属铝质量、生产能耗、环境保护具有重大影响。因此，要求冶金级氧化铝的粒度较粗且均匀、流动性好、具有良好的吸附能力并易溶于铝电解质中。目前煅烧程度较低的“砂状”氧化铝已成为生产 主流，粒度细而煅烧程度高的“面粉状”氧化铝已趋于淘汰。图6：氧化铝冶炼铝示意图 资料来源：上海有色网，宏源期货研究所 （二）非冶金级氧化铝 非冶金级氧化铝是重要的无机非金属材料，也是当前世界上重点发展的新材料之一，主要是指除冶金级氧化铝以外的氧化铝和氢氧化铝的差异化产品或延伸产品，也称为精细氧化铝、特种氧化铝、多品种氧化铝或化学品氧化铝。非冶金级氧化铝具有优异的物理化学性能，是一种市场需求较大的关键基础材料，与先进陶瓷、石油催化、无卤阻燃、汽车尾气净化等方面关系密切，其应用领域广、产品品种多、附加值较高。随着经济发展和科技进步，非冶金级氧化铝的应用领域也在不断扩大，新能源、新光源和环保等高新技术领域对其需求量不断增加。 目前非冶金级氧化铝已经细分超过400个品种，包括拟薄水铝石、沸石、高纯氧化铝、活性氧化铝、特种氢氧化铝等，在新材料领域和传统领域都有广泛应用。从用途上来看，非冶金级氧化铝可以作为吸附新材料，有效吸附SO2、CO2、NOx、H2S等有毒、有害气体，分离空气中的氧气和氮气；也可以作为耐火、耐磨材料，广泛应用于钢铁、铸造、石化、陶瓷、玻璃等行业的高性能耐火材料中；而作为阻燃材料，非冶金级氧化铝可以添加到高分子材料或橡胶中，用于制作电缆材料颗粒，使电缆达到阻燃的效果。此外，非冶金级氧化铝还可以作为催化剂，主要有常温水解催化剂、中温水解催化剂等。 图7：精细氧化铝主要品种及用途 产品名称 主要品种 主要用途 沸石 4A沸石 洗涤助剂 10X沸石 催化剂 铝酸钠 铝酸钠溶液 氟化盐 固体铝酸钠 催化剂、凝聚剂 纯铝酸钙水泥 纯铝酸钙水泥 耐火材料结合剂 氧化铝陶瓷 结构陶瓷 研磨介质 精细陶瓷 机械零件 普通氢氧化铝 联合法氢氧化铝 氟化盐、净水剂 拜尔法氢氧化铝 氟化盐、净水剂、活性氧化铝 特种氢氧化铝 白色氢氧化铝 阻燃剂、填料 超白氢氧化铝 人造玛瑙、人造石 超细氢氧化铝 电缆、化妆品、纸张填料 低铁氢氧化铝 特种玻璃、人造玛瑙 低钠氢氧化铝 催化剂载体 活性氧化铝 活性氧化铝微粉 耐火材料结合剂 柱状活性氧化铝 催化剂、干燥剂、净化剂 球状活性氧化铝 催化剂、干燥剂、吸附剂 高纯氧化铝 高纯氧化铝 钠灯管、荧光粉 高温氧化铝 低钠高温氧化铝 电子陶瓷精细陶瓷 中钠高温氧化铝 结构陶瓷 低钠高温氧化铝超细微粉 电子陶瓷、精细陶瓷、耐火材料 中钠高温氧化铝超细微粉 结构陶瓷、耐火材料 抛光研磨氧化铝 不锈钢抛光研磨 电工氧化铝 高压开关环氧树脂绝缘件填料 拟薄水铝石 普通拟薄水铝石 催化剂、粘结剂 特种拟薄水铝石 催化剂、粘结剂 资料来源：网络公开资料，宏源期货研究所 20世纪80年代以来，在铝土矿供应紧张、冶金级氧化铝生产成本增加、生产利润低等因素的影响下，国际上不少冶金级氧化铝生产企业将部分或全部产能转向精细氧化铝生产。据统计，2020年全球精细氧化铝总产量已经达到775万吨，其中英国、德国、法国、日本和美国是传统的精细氧化铝生产强国。 自2010年来，中国精细氧化铝产量增长迅速。2016年以后，中国精细氧化铝产量已占世界年产量的40%以上，成为世界精细氧化铝产量最大的国家。但与国外先进精细氧化铝企业相比，我国精细氧化铝在化学纯度、颗粒形貌、产品稳定性、应用性能等方面需要进一步改善。 图8：国内外精细氧化铝主流企业 国内企业 国外企业 中国铝业 安迈铝业 天马新材 阿泰欧法铝业 壹石通 纳博特 国瓷材料 住友化学株式会社 联瑞新材 昭和电工株式会社 博迁新材 德国马丁 宣城晶瑞 日本不二见 扬州中天利苏州贝尔德江苏连连化学股份青海圣诺光电赛福尔山东晶鑫晶体上海钵铭材料大连海蓝光电淄博宏赫化工山东科恒浙江爱科 资料来源：网络公开资料，宏源期货研究所 三、氧化铝生产工艺 氧化铝生产已有一百余年的发展历史，由于氧化铝具备两性属性，即既可以用碱性溶液也可以用酸性溶液使铝土矿中氧化铝溶出。因此，氧化铝的生产方法大致可分为碱法、酸法、酸碱联合法和热法，但目前在工业上得到应用的只有碱法。 碱法是用工业烧碱（NaOH）或纯碱（Na2CO3）来处理铝土矿，使铝土矿中氧化铝转变为铝酸钠溶液。铝土矿中铁、钛等杂质和绝大部分的硅则成为不溶解的化合物进入残渣（赤泥），将残渣与溶液分离，从净化后的铝酸钠溶液中分解析出氢氧化铝，氢氧化铝与母液分离、洗涤后进行焙烧，从而得到氧化铝产品。根据生产过程的特点，碱法生产氧化铝可以分为拜耳法、烧结法和拜耳 -烧结联合法，联合法又包括并联、串联、混联联合法等。但不管采用哪一种生产方法，生产氧化铝的实质始终是为了将铝土矿中氧化铝与杂质分离。 世界上第一种氧化铝工业生产方法是烧结法，首先应用的是碳酸钠烧结法，但该方法只适合处理低硅优质铝土矿，处理高硅铝土矿时容易损失大量氧化铝。之后在碳酸钠烧结法基础上，添加石灰石从而演变出碱石灰烧结法，该法有效地解决了碳酸钠烧结法难以处理的高硅铝土矿问题。 后来随着拜耳法面世后，氧化铝进入了工业规模化生产阶段，目前世界上95%以上氧化铝都是通过拜耳法生产出来的。经过多年发展，拜耳法由间断连续生产逐渐改进为连续操作，生产设备也逐步实现了大型化、自动化、高效化和节能化。 选择何种氧化铝生产方法主要由铝土矿的性质决定。目前铝土矿主要有三大类，分别是三水铝石、一水软铝石和一水硬铝石。其中三水铝石中的氧化铝最易溶出，基本采用低温拜耳法生产， 国外大部分氧化铝生产都采用低温拜耳法。而我国目前所发现的铝土矿几乎全部为一水硬铝石型铝土矿，是拜耳法溶出性能最差的一种水铝石矿物，因此采购国产铝土矿生产氧化铝基本只能选择高温拜耳法或者烧结法。 （一）拜耳法 拜耳法是由拜耳在1889-1892年发明，该方法直接利用含有大量苛性碱（氢氧化钠或氢氧化钾）的循环母液来处理铝土矿，溶出氧化铝得到铝酸钠溶液，然后向铝酸钠溶液中添加氢氧化铝晶种经长时间搅拌分解析出氢氧化铝结晶，再焙烧氢氧化铝得到氧化铝。分解得到的母液，经蒸发浓缩后在高温下可以用来溶出新一批的铝土矿。交替使用这两个过程就能够处理每一批铝土矿，从中得到纯的氢氧化铝产品，构成拜耳法循环。 拜耳法适合高铝硅比矿石，其生产流程简单、能耗低、成本低且产品质量好、纯度高，也是目前世界上处理铝土矿生产氧化铝的最主要方法。 图9：拜耳法生产氧化铝的基本流程 资料来源：上海有色网，宏源期货研究所 （二）烧结法 碱石灰烧结法是在铝土矿中加入石灰石（石灰