История получения и применения алюминия

В середине XIX века в Западной Европе ученые отчаянно пытались получить алюминий в чистом виде. В 1825 году датский исследователь Х.К. Эрстед первым осуществил подобный опыт, используя калий в виде амальгамы. К сожалению, тогда не удалось точно определить полученное вещество.

Однако спустя два года получением алюминия заинтересовался немецкий ученый Велер. Он использовал для восстановления металла чистый калий. Через 20 лет упорных поисков ему удалось получить чистый алюминий в виде гранул размером со спичечную головку. Алюминий оказался красивым и легким металлом, похожим на серебро. Эти свойства алюминия и определили его высокую стоимость на тот период истории: он оценивался дороже золота.

В 1855 г. на выставке в Париже алюминий являлся главной достопримечательностью. Ювелирные изделия из алюминия располагались по соседству с бриллиантами французской короны. Алюминий стал очень модным металлом. Его считали благородным элементом, созданным природой для создания шедевров искусства.

Поскольку физические и химические свойства алюминия были изучены слабо, ювелиры самостоятельно изобретали способы его обработки. Мягкость и податливость металла позволяла создавать им изделия любой формы, делать отпечатки замысловатых узоров, наносить разнообразные рисунки. Алюминий покрывали золотом, полировали, матировали.

Однако со временем алюминий стал выходить из моды. В середине 1860-х годов килограмм этого металла уже стоил всего около ста старых франков, по сравнению с 3 тысячами в 1854-1856 гг.

В настоящее время первые алюминиевые изделия представляют огромную ценность. К сожалению, большую часть из них почитатели моды заменили золотом, серебром и другими драгоценными сплавами и металлами.

Однако ученых изменчивая мода не остановила. В 1886 году химик Чарльз Мартин Холл стал автором дешевого способа получения алюминия в больших количествах. Он добавил и растворил в расплавленном криолите (соединении алюминия с натрием и фтором) небольшую часть окиси алюминия. Затем, поместив смесь в гранитный сосуд, пропустил через нее электрический ток. После нескольких часов ожидания на дне сосуда он увидел блестящие «пуговицы» чистого алюминия. Работавший в то время в России австрийский инженер Карл Жозеф Байер не остался в стороне и предложил технологию получения глинозема, которая помогла сделать новый способ еще дешевле. В результате вариант получения алюминия, разработанный Байером и Холлом, до сих пор используется в современном производстве.

Рапорт руководства ЦАГИ в ЦК ВКП(б) об экспериментальном производстве дюралюминия

8 октября 1931 г.

До последнего времени основной самолетостроительный материал дюралюмин не мог вполне удовлетворять требованиям авиации. Его стойкость против действия атмосферы и влаги вообще была незначительной. Материал в эксплуатации быстро разрушался (поражался коррозией). Для предохранения металла от этого разъедания применялись лаки, краски, жиры и прочие средства которые, однако, не давали желаемых результатов и приводили к большому удорожанию производства.

В 1926‑1927 гг. в Америке появился сплав «алклед», обладающий большой стойкостью против коррозии. Методы производства и принципы приготовления такого сплава держатся капиталистическими странами в секрете.

В 1929 г. в металлургических цехах завода № 1 были получены первые листы дюралюмина, точно так же не подвергающиеся коррозии. В начале 1930 г. был установлен метод производства этих листов, заключающийся в покрытии (плакировании) дюралюминовых заготовок тонким слоем алюминия, которые сваривались друг с другом в процессе горячей прокатки. Полученный материал при испытании в наших лабораториях и при проверке по нашей просьбе ЦАГИ в условиях выдержки в морской воде Черного моря дал блестящую стойкость против коррозии, но обладал благодаря наличию слоя алюминия пониженными механическими свойствами.

В 1930 г. заводом № 1 была проведена работа по изысканию сплава, который при плакировании давал бы механические качества нормального дюралюмина.

Летом 1930 г. заводу удалось получить плакированные листы не только одинакового качества с дюралюмином, но и превышающие их на 15%. В августе месяце 1930 г. технический отчет главного металлурга с указанием состава сплава и методов его производства был разослан всем заинтересованным учреждениям, ЦАГИ, ВАО, заводу 45 и т. д.

В ноябре 1930 г. из плакированного материала 1‑го завода на заводе № 22 было построено 2 самолета для испытания на стойкость против коррозии. Самолеты не были покрыты никакими красками и в течение 10 месяцев работы не показали никаких следов коррозии. Заводской масштаб производства этого сплава показал его преимущества не только в эксплуатации, но и в процессе производства. Одно только упрощение процесса производства должно дать уже в 1932 г. экономию 2,5 млн. руб.

Что касается экономии, которую получит страна от эксплуатации самолетов из нового материала, на удлинении срока службы самолетов, сокращении ремонтных работ, уменьшении расходов на покраску, на облегчении конструкции и прочего, то она настолько велика, что подсчет ее является задачей чрезвычайно трудной.

В 1931 г. на основе проведенных заводом № 1 опытно-исследовательских работ начат перевод производства обыкновенного дюралюмина на плакированный на заводе № 1 ВАО и Кольчугинском. С этого же времени ОИАМ ЦАГИ, относившийся раньше к плакированному дюралюмину очень индифферентно, заинтересовался этой работой и поставил опыты по внедрению в производство плакированного дюралюмина на заводе им. Ворошилова.

В мае 1931 г. ЦАГИ специальному техническому совещанию доложило об изобретенном им плакированном сплаве с якобы более высокими механическими качествами, химический состав которого отличался от состава сплава завода № 1 введением присадки кремния. На совещании в ЦАГИ специалистами было дано разъяснение, что введение кремния в сплав завода № 1 не может улучшить его качеств.

22 августа с. г. в печати опубликован рапорт ЦАГИ в адрес т. Сталина, Орджоникидзе и Баранова об изобретении нового сплава именуемого «альплата ЦАГИ».

В день опубликования общественными организациями завода № 1 был поставлен в известность т. Баранов о том, что сплав ЦАГИ не является оригинальным, никаких преимуществ перед сплавом завода № 1 не имеет и кремний введен в сплав по странному недоразумению. 10 сентября экспертиза, проведенная согласно распоряжению т. Баранова, указала на отсутствие необходимости введения кремния в сплав завода № 1.

Проведенные с 20 по 30 сентября совместно с заводом № 1 и ЦАГИ сравнительные опыты по прокатке листов из сплава дали ухудшение качеств сплава от введения кремния и окончательно доказали , что «рапорт ЦАГИ» является документом, вводившим в заблуждение вождей партии и правительства.

Исследования и работу по постановке производства плакированного дюралюмина завода № 1 вели: 1. Ю. Г. Музалевский — главный металлург, инициатор работ по плакированию дюралюмина, основной руководитель исследований и производства этого сплава, кандидат ВКП(б). 2. С. М. Петров — начальник производства член ВКП(б) и А. Ф. Белов — начальник горячих цехов, кандидат ВКП(б) — руководители производства плакированного дюралюмина. 3. Равич В. Н. — начальник опытного бюро, исполнитель опытно-исследовательских работ по плакированному дюралюмину (кандидат ВКП(б)). 4. Инженер Ф. М. Шафит (член ВКП(б)) и начальник химической лаборатории Шандоров, проводившие лабораторные исследования. 5. Мастера Павлов (член ВКП(б)) и Арсентьев (член ВКП(б)). 6. Рабочие бригад: 1) чернового стана, 2) отжигальщиков. 7. Отдельные рабочие и ударники горячего цеха.

Рапорт ЦАГИ подписали: 1. Начальник ЦАГИ — Друян (член ВКП(б)) 2. Партком — Асташев (член ВКП(б)) 3. Завком — Петров (член ВКП(б)) 4. Начальник ОИАМ ЦАГИ — Сидорин 5. Начальник секции металлов, проф. Акимов (член ВКП(б)) 6. Начальник коррозионной группы — Крениг.

РГАСПИ Ф. 17. Оп. 120. Д. 56. Л. 38-39 об. Копия.

Несмотря на то, что в последующие годы эти предприятия постоянно наращивали объемы производства, полностью удовлетворить растущие потребности экономики страны они не могли. В СССР развернулось строительство новых предприятий.

В 1938 году был введен в эксплуатацию Тихвинский (позже переименован в Бокситогорский) глиноземный завод мощностью 40 тыс. тонн продукции в год, а в 1939 году приступил к работе Уральский алюминиевый завод, способный производить 70 тыс. тонн глинозема и 25 тыс. тонн алюминия в год.

Вот интересный документ о росте пром-производства в СССР

Совершенствование свойств алюминия

Новый материал, который теперь можно было применять в промышленности, был всем хорош. Однако отмечалось, что чистый алюминий недостаточно прочен для некоторых областей применения.

В борьбу с этой проблемой вступил немецкий химик Альфред Вильм, который сплавил его с небольшим количеством магния, меди и марганца. Полученный сплав был настолько прочен, что в 1911 году в городке Дюрене была выпущена партия материала, названного в его честь дюралюминием. Чуть позже в 1919 году из него был выполнен первый самолет. Так алюминий с триумфом завоевал весь мир.

В настоящее время трудно назвать отрасль промышленности, обходящуюся без этого легкого серебристого металла. Алюминий, занимающий 3 место по концентрации в земной коре после кислорода и кремния, с новой силой притягивает к себе внимание специалистов как металл будущего. Совокупность таких его достоинств, как малая плотность, высокая тепло- и электропроводность, прочностные характеристики, а также высокая устойчивость к коррозии и технологичность, позволяют отнести алюминий к числу самых ценных материалов планеты.

Получение

Алюминий находится на первом месте среди металлов и на третьем среди всех элементов по распространённости в земной коре. Приблизительно 8% массы земной коры составляет именно этот металл. Алюминий содержится в тканях животных и растений в качестве микроэлемента. В природе он встречается в связанном виде в форме горных пород, минералов. Каменная оболочка земли, находящаяся в основе континентов, формируется именно алюмосиликатами и силикатами.

Алюмосиликаты – это минералы, образовавшиеся в результате вулканических процессов в соответствующих условиях высоких температур. При разрушении алюмосиликатов первичного происхождения (полевые шпаты) сформировались разнообразные вторичные породы с более высоким содержанием алюминия (алуниты, каолины, бокситы, нефелины). В состав вторичных пород алюминий входит в виде гидроокисей или гидросиликатов. Однако не каждая алюминийсодержащая порода может быть сырьём для глинозёма – продукта, из которого при помощи метода электролиза получают алюминий.

Наиболее часто алюминий получают из бокситов. Залежи этого минерала распространены в странах тропического и субтропического пояса. В России также применяются нефелиновые руды, месторождения которых располагаются в Кемеровской области и на Кольском полуострове. При добыче алюминия из нефелинов попутно также получают поташ, кальцинированную соду, цемент и удобрения.

В бокситах содержится 40-60% глинозёма. Также в составе имеются оксид железа, диоксид титана, кремнезём. Для выделения чистого глинозёма используют процесс Байера. В автоклаве руду нагревают с едким натром, охлаждают, отделяют от жидкости «красный шлам» (твёрдый осадок). После осаждают гидроокись алюминия из полученного раствора и прокаливают её для получения чистого глинозёма. Глинозём должен соответствовать высоким стандартам по чистоте и размеру частиц.

Из добытой и обогащённой руды извлекают глинозём (оксид алюминия). Затем методом электролиза глинозём превращают в алюминий. Заключительным этапом является восстановление процессом Холла-Эру. Процесс заключается в следующем: при электролизе раствора глинозёма в расплавленном криолите происходит выделение алюминия. Катодом служит дно электролизной ванны, а анодом – угольные бруски, находящиеся в криолите. Расплавленный алюминий осаждается под раствором криолита с 3-5% глинозёма. Температура процесса поднимается до 950°С, что намного превышает температуру плавления самого алюминия (660°С). Глубокую очистку алюминия проводят зонной плавкой или дистилляцией его через субфторид.

После Беловежской пущи

К началу 1990-х годов отечественная алюминиевая отрасль была одной из самых успешных и развитых в стране. Однако последовавшие затем события поставили под угрозу все, что было достигнуто за полвека. Крах плановой экономики привел к сокращению либо полному прекращению потребления алюминия в ВПК и машиностроении — двух основных заказчиках для алюминиевых заводов страны. К 1994 году потребление алюминия на душу населения по отношению к 1985 году сократилось в 8,5 раза. Сбыт «крылатого металла» был практически полностью переориентирован за рубеж.

Еще один удар был нанесен сырьевому обеспечению алюминиевой отрасли: после распада СССР больше половины глиноземных производств оказалось за границей. Оставшиеся могли обеспечить потребности российских алюминиевых заводов лишь на 40%.

Однако самый серьезный риск для будущего алюминиевой промышленности России был связан с началом так называемых «алюминиевых войн». Алюминиевые заводы страны попали под контроль организованной преступности, которая очень жестоко боролась за свое влияние. Заказные убийства и расправы, происходившие в алюминиевых центрах Сибири, оставили после себя целые кладбища криминальных авторитетов и их подручных.

Практически на десятилетие алюминиевая отрасль России погрузилась в «черную дыру», высасывавшую из нее все ценное и превращавшую страну в сырьевой придаток развитых экономик мира.

Российская алюминиевая промышленность сегодня

К сожалению, распад Советского Союза разрушил многие межотраслевые и экономические связи. Многие предприятия были на грани банкротства (в том числе Волховский алюминиевый завод). Алюминиевая промышленность потеряла свой внутренний рынок. Алюминий стал частью российского экспорта. Основными источниками алюминиевого сырья стали:

Свердловская область;
Челябинская область;
Архангельская область;
Республика Коми;
Красноярский край.

Считается, что в горах южной Сибири имеются мощные залежи алюминиевых руд. Однако отечественным предприятиям не хватает собственного сырья. В последнее время сократились поставки сырья из Украины и Казахстана. В среднем российская экономика ежегодно закупает более 500 тыс. тонн бокситов для обеспечения потребностей отечественных заводов. Ведущими алюминиевыми заводами России являются промышленные группы СУАЛ и РУСАЛ.

Развитие металлургии в России

Металлы известны в России с древних времен. Даже скифы были известны как опытные металлурги. До наших дней сохранились изделия скифских мастеров из железа, меди и золота. Наши относительно близкие предки славяне славились использованием специального сплава железа — клуба.

Однако металлургия в промышленных масштабах уже давно практически не присутствует в России. Его появление началось с реформ Петра I. Для нужд строящейся армии и уменьшения зависимости страны от иностранных товаров Петр I приказал построить новые металлургические заводы. Началось освоение Урала. Долгое время акцент делался на черной металлургии (производство железа и стали).

Реформа 1861 года, отменившая крепостное право, была половинчатой. В экономике страны остались многочисленные феодальные руины. В результате развитие капиталистических условий в экономике было значительно затруднено. Поэтому Россия, обладая значительными природными ресурсами, отстала в экономическом развитии. В экономическом развитии он уступал ведущим европейским странам.

С началом развития молодого советского государства был заложен курс на индустриализацию экономики. Это означало развитие отечественной промышленности. Прежде всего, это касалось тяжелой промышленности: металлургии, тяжелого машиностроения и энергетики. За короткое время молодому государству удалось создать современный экономический комплекс, который стал основой экономической мощи и политической независимости страны.

Но в довоенный период лидерство в металлургическом комплексе по-прежнему принадлежало черной металлургии. Развитие авиации и производства оборудования (особенно радиотехники) стимулировало бурное развитие цветной металлургии. Эти отрасли промышленности стали основными потребителями цветных металлов.

Применение

Алюминий применяется в металлургии в качестве основы для сплавов (дуралюмин, силумин) и легирующего элемента (сплавы на основе меди, железа, магния, никеля). Сплавы алюминия используются в быту, в архитектуре и строительстве, в судостроении и автомобилестроении, а также в космической и авиационной технике. Алюминий применяется при производстве взрывчатых веществ. Анодированный алюминий (покрытый окрашенными плёнками из оксида алюминия) применяют для изготовления бижутерии. Также металл используется в электротехнике.