История металлургии алюминия   

  В истории металлургии алюминия возможно различить три периода, характеризующиеся определенными методами, применяемыми для получе­ния этого металла!. Эти периоды следующие: 1) получение алюминия хи­мическими методами, 2) получение алюминия электротермическим путем и 3) получение алюминия электролизом расплавленных солей.

  Открытие алюминия и получение его химическими методами

  Первоначальные попытки выделения алюминия в свободном состоянии относятся к 1807 г. и принадлежат знаменитому английскому химику Гемфри Дэви (1778—1629). Последнему до этого времени удалось впервые получить металлические калий и натрий электролизом расплавленных едких щелочей. В качестве источника тока Дэви пользовался вольтовым столбом. J

  С цёлью выделения алюминия Дэви тем же путем пытался разложить глинозем. Для этого он пропускал электрический ток через слегка увлаж­ненную и находящуюся в атмосфере водорода гидроокись алюминия. При этом в качестве анода служила платиновая пластинка, на которой поме­щалась плотно спрессованная гидроокись алюминия, а катодом — погру­женная в нее железная проволока. При пропускании тока последняя раскалялась добела и оплавлялась.

  Таким путем Дэви получил только железоалюминиевый сплав, из ко­торого выделить свободный алюминий он не смог. Точно так же оказа­лись безуспешными опыты Дэви по восстановлению глинозема парами ка­лия в присутствии Железных опилок.

   Фиг.1   Получение алюминия по методу Сен-Клер-Девилля. Первая мастерская в районе Парижа

  Из полученного сплава железа с алюминием последний выделить в чи­стом виде Дэви также не удалось.

  Все это, однако, не помешало Дэви быть уверенным в том, что глино­зем является химическим производным предполагаемого металла, которому он заранее дал название aluminum (алюминум), образовав его от англий­ского наименования глинозема — alumina.

  Свободный алюминий впервые был выделен датским физиком Гансом Эрстедом (1777—1851) в марте .1825 г. С этой целью Эрстед получил амальгаму алюминия, восстановив хлорид алюминия (также им впервые полученный) «амальгамой калия. Дестиллируя затем без доступа воздуха ртуть из полученной алюминиевой амальгамы, Эрстед извлек таким обра­зом небольшие комочки алюминия — «металла из глины», по цвету и блеску похожего на олово.

  Позднее, в 1827 г., немецкий химик Фридрих Ведер (1800—1882) улуч­шил метод Эрстеда, заменив амальгаму калия металлическим калием. В фарфоровый или платиновый тигель Велер помещал несколько кусочков металлического калия, сверху засыпал их кристаллами хлорида алюминия, и закрытый крышкой тигель осторожно нагревал на горелке. Полученная в результате реакции серо-черная плавленая масса после охлаждения вы­щелачивалась водой; твердый остаток представлял собой порошкообраз­ный алюминий. Так как взаимодействие между калием и хлоридом алюми­ния при их непосредственном сплавлении протекало крайне бурнее Велер в 1845 г. применил измененный вариант своего способа, нагревая эти ве­щества раздельно и пропуская пары хлорида алюминия над калием. При­меняя этот метод. Велер получил алюминий в количествах, достаточных для определения его важнейших физических и химических свойств.

  В 1864 г. Анри Сен-Клер-Девилль {1818—1881 г.) во Франции применил способ Велера для первого промышленного способа производства алюми­ния, внеся в него дальнейшие улучшения: металлический калий Сен-Клер- Девилль заменил более дешевым натрием, а нестойкий и весьма гигроско­пичный хлорид алюминия — более прочным двойным хлоридом алюминия и натрия (АLСLз • №СL). Разложение двойного хлорида натрием осуществ­лялось в пламенной печи при постепенно повышающейся температуре. Процесс, в отличие от бурной реакции восстановления чистого хлорида алюминия, протекал очень спокойно. Восстановленный алюминий собирался на подине печи и отливался затем в болванки в железных изложницах (фиг. 1).      Производство алюминия этим так называемым химическим способом по методу Сен-Клер-Девилля существовало с 1854 по 1890 г. Однако в течение. 30 лет с помощью химического метода было получено в общей сложности всего около 200: т алюминия. В конце 80-х годов прошлого столетия химический способ был вытеснен электролити­ческим способом, который позволил резко снизить стоимость произ­водства алюминия и создал возможность для быстрого развития алюми­ниевой промышленности.

История получения алюминиевых сплавов электротермическим путем

  В истории металлургии алюминия должны быть отмечены работы бр. Каулес по электротермическому производству алюминиевых сплавов, (от­носящиеся к концу прошлого (Столетия. После ряда безуспешных попыток получения чистого, свободного от карбида, алюминия восстановлением глинозема углеродом, Каулес пришли к необходимости вести этот процесс в присутствии других, менее химически активных металлов. В результате ими был разработан промышленный метод электротермического получения сплавов алюминия с медью и железом — алюминиевой бронзы и ферро­алюминия.

  Для получения этих сплавов бр. Каулес применяли дуговые печи на 5000—6000 а и 60 в (фиг. 2). В печь вводилась шихта из глинозема, дре­весного угля и металлического скрапа (железа или меди). Алюминиевая бронза получалась с содержанием до 17% Аl и ферроалюминий до 20% Аl. Расход электроэнергии составлял в среднем 37 квт-ч на 1 кг алюми­ния в сплаве.

   Фиг. 2.     Дуговые электропечи бр. Каулес

  По методу бр. Каулес в Англии и США с 1884 по 1892 г. работали заводы, выпускавшие сплавы на, рынок. Однако в таком виде электротер­мический способ производства алюминиевых сплавов конкурировать с бо­лее дешевым электролитическим методом не мог.

  Только в настоящее время электротермическое производство алюми­ниевых сплавов, главным образом с кремнием, вновь получило значитель­ное развитие как одна из специальных областей металлургии алюминия.

История получения алюминия электролизом расплавленных солей

  В 1852 г. Роберт Бунэен (1811—1899), подвергая электролизу расплав­ленный хлорид магния, получил металлический магний. Продолжая свои исследования, Бунзен применил этот же метод для выделения металличе­ского -алюминия. Последний и был им получен в 1854 г. электролизом рас­плавленного двойного хлорида алюминия и натрия.

  Сен-Клер-Девилль, проводя свои исследования независимо от Бунзена, в это же самое время также получил металлический алюминий электроли­зом двойного хлорида алюминия и натрия. В марте 1854 г. Сен-Клер- Девилль представил французской Академии наук вместе с описанием) своих опытов маленький королек алюминия, выделенный им электролитическим путем. 9 июля того же года Бунзен опубликовал результаты своих работ в «Поггендорфс Аннален».

  Опыты Бунзена и Сен-Клер-Девилля не вышли, /однако, за пределы лаборатории ввиду невозможности получить в то время значительные количества электроэнергии.

  Понадобилось свыше 30 лет, прежде чем принцип получения «алюминия электролизом расплавленных солей нашел свое осуществление в промыш­ленное! и.

  Мощным толчком для развития электролитиче­ского метода послужило «изобретение в ,1867 г. бр. Грамм динамомашины.

  Основоположнийами современного электролити­ческого способа производства металлического алю­миния являются Поль Эру (1863—1914) во Фракции и Чарльз Холл (1863—1914) в США, 23 апреля 1886 г. Эру и 9 июля того же года Холл заявили’ почти аналогичные патенты на способ получе­ния алюминия электролизом глинозема растворенного в расплавленном криолите.

  Эти даты собственно и следует считать’ нача­лом развития современной мировой алюминиевой промышленности и вместе с тем началом широкого использования алюминия. Необходимо отметить, что появлению патентов Эру и Холла предшество­вало накопление значительного практического и теоретического материала, полученного большим числом исследователей, много работавших над воп­росом электролиза расплавленных алюминиевых солей. ,

  Роль Эру и Холла заключалась, пожалуй, не столько в ношзне их открытия, сколько в удачном сочетании «уже известных положений, оформленных ими в метод, пригодный для промышленного использования.

  Эру, будучи студентом Горной школы в Париже, уже в 1888 г. инте­ресовался электролитическим методом получения алюминия. Об этом сви­детельствует набросок электролиза в его тетради, датированный этим го­дом (фиг. 3). Весьма показательно, что этот набросок чрезвычайно бли­зок к эскизу из первого патента Эру <см. фиг. 4). *

  Интерес Эру к алюминию получил практическое преломление после смерти отца, когда он получил в наследство небольшую кожевенную ма­стерскую в Жантильи близ Парижа. Мастерская была оборудована парб- вой машиной, и после приобретения динамомашины Грамма Эру получил возможность производить опыты электролиза различных соединений алю­миния.

  Фиг. 3. Набросок электролизера в школьной тетра­ди Эру

  Будучи убежден, что алюминий возможно получить электролизом, Эру после многих неудач te водными растворами перешел к электролизу рас­плавленного  криолита и смеси его с хлоридом алюминия. Во время одного из таких опытов исследователь обнаружил на угольном аноде ясные при­знаки его обгорания и заключил, что в электролите находится окисел, восстановление которого шло за счет расходования материала анода.

  Химический анализ показал, что вместо хлорида алюминия в расплав­ленный криолит исследователь вводил глинозем, получавшийся за счет гид­ролиза хлорида. Введя теперь глинозем в криолит намеренно, Эру ‘и пюк- . шел к открытию способа, который с тех пор применяется для производ­ства алюминия.

  На основании этих опытов Эру заявил свой первый патент от 23 ап­реля 1886 г. Патент этот дает весьма ясную формулировку сущности про­цесса, которая остается целиком справедливой и по нестоящее время.

  Фиг. 4. Эскиз электролизера из первого патента Эру

  «Я претендую, — говорится в патенте,— на изобретение описанного выше способа получения алюминия, который заключается в электролизе глинозема, растворенного в расплавленном криолите, причем ток подво­дится с помощью любых электродов, например угольных анодов, погру­жаемых в расплавленный электролит, в то время каяк катодом служит са­мый сосуд для электролита. При этом анод сжигается выделяющимся на нем кислородом, а металл собирается на дне тигля. В данном процессе криолит не расходуется, и для непрерывного выделения металла доста­точно возмещать разлагающийся при электролизе глинозем».

  Фиг. 5. Эскиз электро­лизера из дополнитель­ного патента Эру

  В качестве электролизера Эру использовал угольный стакан, который вставляется внутрь большого графитового тигля. Весь аппарат помещался в коксовую печь. На фиг. 4 приведен эскиз электролизера из первого па­тента Эру. Не найдя, однако, первоначально своему патенту практического применения, Эру занялся разработкой способа получения алюминиевых сплавов и примерно годом позже заявил дополнительный патент на полу­чение электролитическим путем алюминиевой бронзы. Для этого в электро­лизер вводится соответствующее количество металлической меди. В патен­те также указывается на возможность одновременного электролиза гли­нозема и окисла тяжелого металла. Как видно из эскиза (фиг. 5), заимст­вованного из дополнительного патента Эру, здесь совершенно отсутствует внешний нагрев электролизера, причем в описании указывается, что «элек­трический ток производит достаточно тепла, чтобы глинозем поддержи­вать в расплавленном состоянии».

  Эру не смог реализовать свое изобретение во Франции и сделал это в Швейцарии, на заводе в Нейгаузене, пущенном в конце 1888 г. Завод этот был первым в Европе алюминиевым предприятием, работавшим по электролитическому методу. Вначале завод производил алюминиевую бронзу на основе дополнительного патента Эру. Вскоре (1891 г.). однако, завод в Нейгаузене перешел на производство чистого алюминии.

  Холл так же, мак и Эру, будучи еще студентом колледжа, заинтересо­вался вопросом получения алюминия и производил опыты в надежде найти наиболее экономичный способ производства этого металла. В своих исследованиях Холл вначале шел чисто эмпирическим путем. Он пытался •применить способ термического восстановления, затем перешел к электро­лизу водных растворов алюминиевых солей, убедился в необходимости перехода к электролизу в неводной среде и, наконец, стал искать раство­рителя для глинозема. С этой целью Холл перепробовал различные фто­ристые соли. В феврале 1886 г. он испытал криолит, причем обнаружил весьма легкую растворимость в нем глинозема, который в расплавленной соли быстро исчезал, растворяясь «подобно сахару или соли в кипящей воде».

  23 февраля 1886 г. Холл подверг электролизу раствор глинозема в расплавленном криолите и получил алюминий. 9 июля 1886 г. он заявил свой ‘основной патент, который был выдан ему 2 апреля 1889 г.

  В 1888 г. в Кенсингтоне близ Питсбурга (США) было начато первое в США производство алюминия но электролитическому методу Холла с по­лучением 50 фунтов (28, 65 кг) металла в день (фиг. 6). С 1894 г. для этого производства спала использоваться энергия Ниагарского водопада.

  Фиг. 6. Первое производство алюминия по методу Холла в Питсбурге

  С момента появления способа Эру и Холла собственно и начинается развитие современной алюминиевой промышленности, которая за полвека своего существования выросла в одну из крупнейших отраслей мирового хозяйства.

  Весьма показательным является движение цен на алюминий на миро­вом рынке. В течение 30 лет, пока алюминий получался химическим путем, цена держалась, примерно, на уровне 45 руб. за килограмм. С 1890 г.. когда электролитический способ вытеснил все другие, произошло редкое снижение цены на алюминий, которая уже во все последующие годы со­ставляла в среднем 1 руб. за килограмм.

  Первые попытки организации производства алюминия в нашей стране относятся к 80-м годам прошлого столетия, когда под Москвой для получения алюминия химическим путем бьц1 построен небольшой завод, про­существовавший, однако, очень короткое время Ос 1892 по 1893 г.).

  В начале этого столетия проф. П. П. Федотьевым (1864—1934)и дру­гими русскими учеными был выполнен в области изучения современного способа производства алюминия ряд теоретических исследований, полу­чивших мировую известность. Однако лишь после Октябрьской социали­стической революции были созданы условия для организации и развития алюминиевой промышленности в нашей стране.

  Первые опыты получения алюминия в значительном масштабе были осуществлены в 1929 г. по инициативе Ленинградского областного совета народного хозяйства на заводе «Красный выборжец» (Ленинград) под руководством проф. П. П. Федотьева. В 1930 г. в Ленинграде был пущен опытный алюминиевый завод, который сыграл большую роль в развитии советской алюминиевой промышленности. На этом заводе в течение четы­рех лет испытывалось различное оборудование и обучались кадры рабо­чих и инженерно-технического персонала для первых алюминиевых пред­приятий.

  В мае 19321 г. был пущен Волховский алюминиевый завод, сооруженный на базе Волховской гидроэлектростанции, а в июне 1933 г. Днепровский алюминиевый завод, сооруженный на базе Днепрогэс. В 1938 г. вступил в эксплуатацию Тихвинский глиноземный завод, расположенный в непосредственной близости к месторождению тихвинских, бокситов. Далее, в сентябре 1939 г, был пущен Уральский алюминиевый завод с более со­вершенным и мощным оборудованием, чем предыдущие, а затем, уже в период Великой отечественной войны — ряд новых алюминиевых заводов, сооруженных в восточных районах страны.