Текст книги "Металлы и человек"
Автор книги: Михаил Васильев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 17 (всего у книги 30 страниц)
Искра вместо резца
Легенда рассказывает о встрече двух мудрецов древности – царицы Савской и царя Соломона. Испытывая догадливость друг друга, они загадывали хитроумные загадки. Так, царица передала однажды Соломону драгоценный камень, пронизанный извилистым ходом, запутанным, как лабиринт.
– Продень сквозь это отверстие нитку, о мудрый, – предложила она.
Соломон не растерялся. Он взял шелковичного червя и сунул в отверстие. Червь полез по ходу, повторяя все его повороты, а за ним тянулась шелковинка.
– Вот шелковая нить, продетая сквозь твой камень, – сказал Соломон, когда червяк вылез.
Наверное, если бы царица Савская задала Соломону задачу проделать такое отверстие, он, при всей его изобретательности, встал бы в тупик.
В этих дисках аккумулированы воля и мысль человека.
Это было бы нерешимой задачей и для инженера всего лет двадцать назад. Но сегодня проделать криволинейное отверстие даже в самом сверхтвердом сплаве не представляет труда. Конечно, оно не должно быть таким запутанным, чтобы в него нельзя было ввести твердый инструмент, – это все-таки и сегодня задача, не решаемая одной обработкой резанием.
Впрочем, задач, которые не может или только с огромным трудом может решить технолог, располагающий только металлорежущими станками, немало.
Как, например, просверлить в сверхтвердом сплаве отверстие диаметром в 0,02 мм? И как в пластине из закаленной инструментальной стали вырезать узкую щель в виде буквы «ж»?
Все это стало возможным в самые последние годы, после изобретения Б. Р. и Н. И. Лазаренко метода электроискровой обработки металла.
Супруги Лазаренко никогда не занимались металлообработкой. Они, наоборот, искали пути уменьшить пригорание контактов реле и других электрических переключателей. Дело в том, что поработавшие контакты реле часто становятся негодными. Обычно на одной пластине возникает выщерблина, раковина, на другой, наоборот, нарастает бугорок металла. Казалось, проскакивающая между контактами искра переносила частицы металла и наконец насобирала бугорок. Найти методы борьбы с этим вредным явлением и поставили своей задачей Лазаренко.
Исследуя явление, они убедились: да, это искра переносит металл. И тогда возникла идея: а что, если, наоборот, не уменьшить, а увеличить переносящую силу искры и использовать этот метод для обработки металла?
Сегодня станки электроискровой обработки можно найти на многих предприятиях. Вместо сверхтвердого резца у них вставлен инструмент из мягкой латуни. Но не он, а электрическая искра, вылетающая из него, обрабатывает здесь металл.
Заготовка изделия – безразлична ее твердость, предварительная термическая обработка – помещается в ванне с водой или другой не проводящей электрический ток жидкостью. К ней подсоединяют один из электродов довольно сложной электрической схемы станка. Второй элемент соединен с мягким латунным инструментом. Вот он начинает наклоняться над заготовкой, вот приблизился к ней. Замутилась вода около латунного лезвия. Началась прошивка отверстия.
Латунный резец не касается заготовки. Специальное устройство все время поддерживает его на таком расстоянии, чтобы непрерывно проскакивали искры. И по мере образования отверстия резец медленно опускается в него. Нет, он опускается совсем не медленно: ведь под ним сверхтвердая закаленная сталь, которую даже не поцарапало бы лучшее сверло. И все же в пластинке толщиной в 2 см всего за одну минуту мы проделали сквозное отверстие.
Латунный резец можно сделать любой формы и любого размера. Можно просверлить им отверстие диаметром в 5 микрон, в десять раз тоньше человеческого волоса, и вырезать паз любой, самой причудливой формы. Можно им «высверлить» и кривое отверстие.
Электроны вместо резца.
На автоматических заводах будущего и дирекция будет автоматической Но художник, конечно, не ручается, что директор будет выглядеть именно так.
И, пожалуй, самое главное: этим способом можно обрабатывать любой самый твердый металл.
Конечно, у электроискровой обработки есть и недостатки. Она требует больших затрат электроэнергии, ее производительность на мягких металлах ниже, чем при обработке резанием.
Дальнейшим развитием электроискровой обработки является электроимпульсная.
Станки для обработки электроимпульсным методом внешне почти не отличаются от электроискровых. Изменена в них только электрическая схема. Однако производительность электроимпульсной обработки в 5–6 раз выше. Лучше обстоит дело и с расходом электроэнергии и с изнашиваемостью металла «резца».
А вот и еще один станок, в котором инструмент сделан не из сверхтвердого сплава, а из мягкого кровельного железа. Это станок для анодно-механической обработки.
Видели вы циркулярную пилу? Вот так же вращается и тонкий железный диск этого станка. Только у него нет зубцов, его обод гладкий, словно полированный. И все же в заготовке, которую режут этим удивительным диском, все углубляется и углубляется щель.
Секрет анодно-механической обработки прост. Один полюс источника тока подсоединен к диску, другой – к детали. Место их соприкосновения непрерывно поливается каким-либо электролитом – жидкостью, проводящей электрический ток. Поэтому ток постоянно течет сквозь зону резания.
Этот ток постоянно разъедает металл, образуя на поверхности тонкую пленку. Пленка соскабливается вращающимся диском, и снова обнажается металл. Происходит непрерывное электрохимическое разрушение детали. Вместе с тем имеет место и электроэрозионный процесс разрушения металла искрой.
На ряде заводов введение анодно-механической резки металла взамен механической повысило производительность труда в полтора с лишним раза. А стоимость анодно-механической резки почти в два раза ниже резки механической.
Еще проще электроконтактная обработка. Схема станка для нее такова же, что и при анодно-механической, но, во-первых, в этом случае используется не постоянный, а переменный ток, во-вторых, дело обходится без электролита. В месте соприкосновения диска и разрезываемого металла возникает очень высокая температура. Металл заготовки размягчается и выбрасывается металлом диска, который успевает охладиться.
Электроконтактная обработка применяется для резки проката и труб, для обработки шариков для подшипников.
Электричество может осуществлять не только грубые, но и самые тонкие отделочные операции. Оно может даже шлифовать.
Сущность этого процесса такова же, как и при анодно-механической обработке. Бруски из абразивного материала, с небольшой силой прикасаясь к обрабатываемой поверхности, снимают с нее пленку окисла, а электролит, сквозь который проходит ток, растворяет металл.
Производительность такой шлифовки в 5–6 раз выше других чисто механических способов, обеспечивающих ту же точность и чистоту поверхности.
Высокую чистоту поверхности можно получить и электрическим полированием. В этом случае изделие помещают в электролит и через него пропускают электрический ток. Интересно, что при этом растворение металла происходит в первую очередь с выступов на поверхности металла, так что в общем его поверхность становится очень чистой.
В речи на Всесоюзном совещании по энергетическому строительству в ноябре 1959 года Никита Сергеевич Хрущев сказал:
«Что такое электрификация всей страны? Это – основа основ развития народного хозяйства. Без осуществления электрификации нельзя на современном этапе успешно и быстро двигать вперед и тяжелую индустрию и строительство, транспорт и сельское хозяйство, производство товаров народного потребления, нельзя поднять культуру производства и быта. Электрифицировать всю страну – это значит дать могучую энергию новому обществу, ускорить развитие его производительных сил…»
Это полностью относится и к металлургии и к металлообработке.
И дело не только в том, что современный прокатный стан имеет вместо паровой машины электродвигатель. Дело в том еще, что только в электропечах можно выплавить сверхкачественную сталь для высокопрочного проката, что только электричество обеспечивает автоматизацию этого прокатного стана, что оно позволяет осуществить такую обработку деталей, сделанных из этой стали, какой иначе выполнить невозможно. И, самое главное, во всех этих случаях неизмеримо растет производительность человеческого труда.
Только началось применение электрических способов обработки металла в цехах, где осуществляется его резание. Но уже в целом ряде случаев методы обработки, основывающиеся на применении электричества, конкурируют и превосходят механическое резание по всем показателям.
И, конечно, они будут завоевывать у механического резания все новые позиции, поднимая производство на новую, высшую ступень.
VI. КРЫЛАТЫЕ МЕТАЛЛЫ
Впервые его получил в сравнительно чистом виде знаменитый датский ученый Эрстед в 1825 году. В 1854 году французский химик Сент-Клер Девилль разработал технологию получения этого металла, уже пригодную для промышленности. Но только метод русского ученого Н. Н. Бекетова, предложенный в 1865 году, стал достоянием заводской практики. Однако и позже будущий первый из крылатых металлов продолжал оставаться драгоценным.
Общедоступным сделало алюминий открытие способа его получения электролизом криолито-глиноземных расплавов. Это открытие одновременно в 1886 году на двух концах света, не зная о работах друг друга, сделали француз П. Эру и американец У. Холл.
Бесспорно, алюминий – металл XX века, металл скоростных автомобилей, стремительных самолетов, космических ракет. Но из глубокой древности приходят к нам легенды об этом таком вездесущем и таком непокорном, не дающемся в руки металле.
Платон рассказывает, что древние атланты знали, кроме золота и серебра, еще один драгоценный металл. По краткому описанию его свойств он очень похож на алюминий. Конечно, можно только гадать, как могли люди, культура которых предшествовала критской и египетской, «учителя учителей», по выражению Валерия Брюсова, получать этот металл.
Древний историк Плиний рассказывает еще об одном интересном событии. Почти две тысячи лет назад к римскому императору Тиберию, который родился в 41 году до н. э., а умер в 37 году н. э., пришел неизвестный мастер. Он преподнес императору металлическую чашу, блестевшую, как серебро, и чрезвычайно легкую. Мастер рассказал, что получил этот металл из глинистой земли. Тиберий из боязни, что будут обесценены новым металлом его запасы золота и серебра, отрубил изобретателю голову и разрушил его мастерскую.
Чем еще мог быть этот металл, блестевший, как серебро, чрезвычайно легкий, полученный из глинистой земли, как не алюминием? Впрочем, это всего лишь легенды…
Наш алюминий – дитя электротехники. Без электрического тока он не был бы получен в чистом виде и доныне: ведь калий, натрий и магний, с помощью которых его начали добывать, вытесняя из соединений, сами рождены электрическим током. И во всяком случае только электричество сделало алюминий общедоступным металлом промышленности.
Алюминий – отец авиации. Без алюминия не было бы сверхзвуковых скоростных самолетов и гигантских реактивных лайнеров. Он позволил превратить примитивные деревянные «этажерки» в гигантские стратосферные корабли. И это отнюдь не все из родственных связей, соединяющих алюминий с новейшими отраслями техники.
Алюминий полюбился человеку, не зря так стремительно растет его производство. Сто лет назад на всем земном шаре его годовая выработка измерялась килограммами. В 1897 году было получено уже около 4 тысяч тонн алюминия, в 1913 году – 66 500 тонн. В 1943 году эта цифра поднялась до 1949 тысяч тонн только в одних капиталистических странах. А сегодня добыча алюминия только в капиталистических странах приблизилась к трем миллионам тонн.
Несмотря на то что русские ученые внесли немалый вклад в разработку производства алюминия, промышленное получение его началось в нашей стране только после Великой Октябрьской революции. 27 марта 1929 года были получены первые 8 кг крылатого металла, а уже в августе 1929 года было вынесено решение правительства о строительстве Волховского и Днепровского алюминиевых заводов. В 1932 году вступил в строй первый из них, в 1933 году – второй.
В 1939 году был пущен крупнейший в Европе Уральский алюминиевый завод, но еще в 1937 году Советский Союз занял третье в мире и второе в Европе место по производству алюминия. И с тех пор производство алюминия все возрастает в нашей стране.
«За последние годы все большее значение приобретает алюминий, как металл разностороннего применения в промышленности и в строительстве, – отметил в докладе на XXI съезде КПСС Никита Сергеевич Хрущев. – Поэтому производство алюминия за семилетие предполагается увеличить в 2,8–3 раза. Для такого роста у нас имеется достаточная энергетическая и сырьевая база». У нас есть для этого роста и другое.
Великие преимущества социалистического строя обеспечивают промышленности нашей страны значительно более быстрые темпы развития, чем при капитализме. Великий прыжок к коммунизму, осуществляемый за семилетие нашей страной, прыжок, который зарубежные журналисты называют «семиступенчатой ракетой, запущенной в будущее», позволит нам вплотную приблизиться по всем главным показателям развития народного хозяйства к самой развитой стране капиталистической половины мира – Соединенным Штатам Америки, с тем, чтобы в ближайшие за этим годы и обогнать ее.
Нет сомнения, что и по производству алюминия мы в ближайшее время обгоним США и прочно займем первое место в мире.
Алюминий был первым крылатым металлом. Но он далеко не единственный, имеющий право так называться. Уже пришел в авиационную промышленность магний. Все внимательнее приглядываются инженеры и к другим металлам. Вероятно, им также предстоит разделить с алюминием право сверхзвуковых полетов в ионосфере, честь космических прыжков к другим планетам. Им принадлежит будущее не только авиации, но и астронавтики.
Нет, не бедный родственник!
Алюминий занимает по распространенности в земной коре первое место среди металлов. После кислорода и кремния он является самым распространенным элементом. Земная кора содержит 7,45 процента алюминия. Академик А. Е. Ферсман насчитал около 250 минералов, содержащих алюминий.
Однако никто никогда не нашел на Земле ни одного даже самого крохотного слитка самородного алюминия. Из-за своей большой химической активности он встречается в природе только в виде соединений.
Почему же не окисляется, не сгорает мгновенно, как это происходит, например, с калием, кусочек чистого алюминия, попав на воздух?
Да, он сразу же начинает сгорать, окисляться. Его сверкающая поверхность тускнеет, покрывается матовым налетом. Но на этом и кончается процесс окисления. Образующаяся пленка окиси алюминия обладает большой прочностью. Как броней покрывает она нестойкий металл.
Стойкостью этой пленки и объясняется способность алюминия сопротивляться действию тех или иных агрессивных жидкостей. Концентрированная азотная кислота и органические кислоты бессильны разрушить ее, и поэтому на алюминий они не действуют. Едкие щелочи растворяют защитную пленку, и горе той домашней хозяйке, которая вздумает вскипятить в алюминиевом чайнике щелочь, – чайник придется сдать в утиль.
Технический алюминий, содержащий не более половины процента примесей, плавится при 658 градусах, кипит при 2500 градусах. Почти в двухтысячеградусном диапазоне температур алюминий продолжает оставаться жидким.
Алюминий – легкий металл. Он почти в три раза легче железа. Его удельный вес – 2,7 (удельный вес стали – 7,8).
Алюминий – мягкий металл. Он легко поддается всем видам механической обработки: прокатке, резанию, волочению, ковке и т. д. Он непрочен – предел прочности литого технического алюминия равен 3—12 кг на кв. мм. Уже простая прокатка повышает прочность этого металла. Прокатанный алюминий выдерживает до 18–28 кг на кв. мм. Однако при этом резко снижается пластичность: у литого она равна 18–25, у прокатанного —3–5 процентам.
Вспомним, что предел прочности широко распространенной качественной углеродистой стали, содержащей около 0,3 процента углерода, равен примерно 45–50 кг на кв. мм, а удлинение– 20 процентам.
Даже ливень из кислот не страшен ему!
Алюминий обладает высокой электро– и теплопроводностью. В ряду металлов по этим свойствам он занимает третье место, сразу за медью. У технического алюминия электропроводность, в зависимости от чистоты, составляет примерно 65 процентов от электропроводности меди.
Нет, алюминий не бедный родственник, уступающий своим более счастливым соперникам – железу по прочности, меди по электропроводности. Надо поглубже разобраться в его свойствах.
Не будем говорить о сплавах алюминия, механические свойства которых приближаются к некоторым сортам мягкой стали. Посмотрим свойства простого прокатанного алюминия.
Изготовим из него круглый стержень, равный по длине и весу другому стержню, изготовленному из стали и имеющему в сечении 1 кв. мм. Очевидно, что алюминиевый стержень будет несколько толще стального, но на них пошли одинаковые по весу количества металла. Попробуем их прочность.
Стальной стержень-проволочка разорвется как только усилие превысит 40 кг. Это – прочность хорошей конструкционной углеродистой стали, из которой изготовляют болты, винты, фермы и т. д.
Начинаем разрывать алюминиевый стержень. Подвешиваем к нему 20-килограммовую гирьку – выдерживает. Добавляем еще 20 килограммов. Ого! Этого не выдерживала уже и наша сталь! И только когда вес груза перевалил за 60 кг, лопнул алюминиевый стерженек. Он оказался почти в полтора раза прочнее стального.
Значит, фермы из прокатанного алюминия, равные по прочностям стальным, будут в полтора раза легче. Значит, можно будет реже поставить быки-опоры, длиннее сделать пролеты, если из алюминия построить мост через реку. Значит, можно выше поднять шпиль телевизионной башни, если изготовить ее из алюминия. Значит, большим будет полезный вес состава из одинаковых по прочности со стальными алюминиевых вагонов.
Совсем не бедным родственником, а имеющим важное преимущество соперником оказывается алюминий при таком сравнении со сталью!
Если мы приведем такое же сравнение алюминиевых и медных проводов, мы убедимся, что и здесь алюминиевый провод равного сопротивления току с медным окажется более легким. Реже встанут опоры высоковольтной линии с алюминиевыми проводами, более легким окажется ротор мотора и генератора с алюминиевой обмоткой. И здесь – преимущество алюминия.
Эти преимущества и предопределили широчайшее применение алюминия. Важным его потребителем является электротехника. Кабели и шинопроводы, конденсаторы и выпрямители переменного тока, провода и приборы делаются из алюминия.
Из рафинированного алюминия можно прокатать фольгу тоньше папиросной бумаги, вытянуть проволоку тоньше паутинки. Кстати, и такая проволока и такая фольга находят важнейшее применение в радиотехнике.
Высокая коррозионная стойкость алюминия позволяет широко использовать его в химической промышленности. Аппаратура для производства азотной кислоты, многих органических веществ, пищевых продуктов (включая и домашнюю посуду) – все это область алюминия.
Но главный потребитель алюминия – авиация. Подавляющее большинство современных самолетов во всех странах мира делается из алюминия.
Немало алюминиевых деталей и в современном автомобиле. Делают из алюминия автобусы, железнодорожные вагоны. Наверное, все видели алюминиевую мебель – легкую, прочную, изящную.
И чем дальше, тем большее применение будет находить чудесный металл. Единственное, что мешает ему вытеснить железо буквально изо всех областей применения, – его еще высокая стоимость.
Рождение в молнии
Металлургический завод, на котором получают чистый алюминий, очень непохож на своего собрата, производящего чугун и сталь. Здесь нет гигантских башен доменных печей, тяжелых мартенов, громоздкого блюминга. Не в пламени сгорающего кокса, а в горячей электролитной ванне, пронизанной потоками электрического тока, достаточными, чтобы породить молнию, рождается чистый металл. Но здесь, в этой электролитической ванне, сходятся, как и в домне, многие технологические линии.
Одна из этих линий – производство чистого глинозема, чистой окиси алюминия.
Не многие из двухсот пятидесяти содержащих алюминий горных пород могут служить рудой для получения глинозема. Одни из них содержат глинозем в такой форме, что извлечь его слишком трудно, в других глинозема просто мало, третьи сами встречаются слишком редко или в небольших количествах. Поэтому наиболее часто используются бокситы.
В состав бокситов входят, кроме соединений алюминия, также соединения железа, титана, кремния и т. д. Внешне эта руда алюминия представляет глиноподобную или каменистую породу. Общие разведанные запасы ее определяются более чем миллиардом тонн. Больше всего бокситов найдено в Европе, меньше – в Африке, еще меньше – в Америке и Азии.
Богата залежами бокситов и наша страна. Они имеются в Ленинградской области (близ города Тихвина), на Северном Урале, на Южном Урале, в Красноярском крае и т. д.
Неспециалист не скажет, если перед ним положить на стол два куска бокситов, но один из-под Тихвина, а другой из южноуральского месторождения, что это одна и та же горная порода. Да и в пределах одного месторождения бокситы внешне могут очень отличаться друг от друга. Так, тихвинские бокситы встречаются всех цветов – от белого до красного и фиолетового. Непостоянен и их удельный вес. И, конечно, непостоянен химический состав.
Обычно в бокситах содержится от 50 до 60 процентов глинозема. Впрочем, в лучшем случае эта цифра может быть и значительно выше.
Глинозем… Когда мы произносим это слово возникает представление о чем-то грязно-землистом, сером, аморфном. Но это неверно. Ведь одной из разновидностей бокситов является корунд. Это очень твердый кристаллический минерал. Только алмаз тверже корунда, поэтому корундовые круги применяются для заточки инструмента, а мелкий корундовый порошок – для шлифовки. Это далеко не аморфная глина!
Корунд не всегда имеет и грязно-серый цвет. Драгоценнейшие камни – красный, как пламя, рубин, синий, как морская вода, сапфир, желтый, как кошачий глаз, топаз, фиолетовый «восточный» аметист, зеленый «восточный» изумруд – все это окись алюминия, глинозем, корунд, содержащие в себе неуловимо малые примеси других металлов, создающих их волшебную окраску. Но каждый из этих дивных самоцветов может служить рудой в производстве алюминия.
Вот, оказывается, каких родственников имеет обычный глинозем – безводная окись алюминия, которую надо получить из бокситов!
Есть много способов получения глинозема. Наиболее часто применяется так называемый щелочный метод. Вот он.
Тяжелые самосвалы выгрузили каменистые глыбы боксита в приемный бункер щековой дробилки. Куски величиной до 40–60 см в поперечнике она разгрызает до размера обычного булыжника. Но и этого еще недостаточно. Эти куски руды поступают в конусные дробилки, из которых руда попадает в шаровые мельницы. И только теперь частицы руды поступают в автоклавы для выщелачивания.
Автоклавы – это высотой с трехэтажный дом стальные цилиндры, способные выдержать большое внутреннее давление. Ведь порошок боксита, который загружают в автоклав и заливают щелочью, лучше всего отдает в раствор соединение алюминия при температуре в добрых пару сотен градусов и давлении не менее десятка атмосфер. И несколько часов бурлит автоклав (пульпу в нем непрерывно перемешивают струей пара, проходящего сквозь всю ее толщу), пока длится процесс «варки» боксита.
Химическая суть этого процесса довольно сложна. Со щелочью вступает в реакцию не только окись алюминия, но и другие вещества, входящие в состав боксита, – кремнезем, окислы титана, ванадия и т. д. Некоторые из образовавшихся веществ вступают в реакции между собой. Однако большая часть получающихся в конечном результате веществ остается в твердом осадке. В растворе же концентрируется соединение алюминия, загрязненное некоторым количеством соединений кремния, фосфора, хрома и т. д.
Скажем сразу: процесс выщелачивания – сложный, тонко регулируемый процесс. На его ход оказывают влияние и состав боксита, и концентрация щелочного раствора, и продолжительность его, и температура, и давление в автоклаве. Кроме того, далеко не всегда весь процесс выщелачивания идет в одном автоклаве. Чаще этот процесс делают непрерывным, соединяя ряд автоклавов друг с другом. Это повышает производительность процесса. Но во всех случаях, чтобы добиться извлечения не менее 85 процентов глинозема из бокситов, нужно высочайшее умение инженеров.
Из варочного автоклава пульпа давлением пара выгружается в самоиспаритель. Давление резко падает, и начинается бурное кипение жидкости. Когда оно прекращается, пульпа направляется на разбавление. Разбавляют пульпу водой, которой перед этим промывали твердый остаток – так называемый красный шлам.
После разбавления алюминатный раствор отделяется от твердого шлама. Для того чтобы мелкие твердые частицы быстрее отделялись от жидкости, в пульпу добавляют так называемые коагулянты – вещества, способствующие слипанию отдельных твердых частиц в крупные хлопья. В качестве такого коагулянта нередко используют обыкновенную ржаную муку. Затем алюминатный раствор фильтруют и направляют на разложение. Твердый остаток после промывки водой для извлечения последних капель раствора вывозят на свалку.
Разложение алюминатных растворов – также очень сложная и тонкая операция. Осуществляется она в гигантских цилиндрических резервуарах, снабженных мешалками, – так называемых декомпозерах. Раствор, имеющий вначале температуру около 60 градусов, постепенно перетекает по системе сифонов из одного резервуара в другой. В ходе процесса в раствор всыпают кристаллы гидроокиси алюминия. Они становятся центрами кристаллизации. Длится этот процесс, называемый технологами выкручиванием, трое-четверо суток.
Конечно, далеко не весь алюминий уходит из раствора. Почти половина его остается в жидкости. Но он не пропадает. Ведь эта жидкость после отделения от нее выделившейся гидроокиси алюминия возвращается в автоклавы для выщелачивания. Так она и циркулирует непрерывно, растворяя в автоклавах глинозем и выделяя его в твердом виде в декомпозере.
Последней операцией получения чистого глинозема является кальцинация – обезвоживание полученного вещества. Осуществляется она в гигантских – метров в 50–75 длиной и метра 1,5–2 диаметром – барабанных вращающихся печах. В поднятый конец этой печи-трубы вводится гидроокись алюминия. Она медленно передвигается по наклону печи вниз, навстречу жаркому пламени мазутных или газовых горелок. В процессе нагревания и прокаливания до температуры в 1250 градусов большая часть гидроокиси превращается в безводную окись алюминия, тот самый корунд, из которого состоят рубины и топазы.
Безводный глинозем – термически стойкий окисел. Температура его плавления равна 2050 градусам. Не просто получить такую температуру в электролизной ванне. И, вероятно, если бы не нашли обходного способа получения алюминия, кроме прямого электролиза расплавленного глинозема, этот металл и сегодня оставался бы драгоценным.
Но способ был найден. Нашли вещество, в котором глинозем хорошо растворяется, и этот-то раствор и подвергают электролизу.
Это вещество называется криолит.
Криолит также является соединением, содержащим в своем составе алюминий. Кроме этого металла, в нем содержатся еще натрий и фтор. Единственное крупное месторождение этого минерала находится в холодной Гренландии. Его внешний вид символичен: он напоминает лед. Кусок криолита, положенный в стакан с водой, почти невидим. Аборигены Гренландии считали долгое время криолит льдом, спрессованным до такой степени, что его уже нельзя растопить. Впрочем, отдельные куски криолита могут иметь снежно-белый, розоватый или даже черный – в зависимости от примесей – цвет.
Криолит встречается в нашей стране на Урале, но его очень мало. Поэтому и криолит приходится приготовлять искусственно.
Сырьем для производства криолита служит плавиковый шпат. Эта горная порода встречается значительно чаще. В Советском Союзе, в частности, большие запасы плавикового шпата имеются в Забайкалье и Средней Азии. Скажем сразу: получение криолита – не менее сложный и тонкий процесс, чем получение глинозема. Как и тот, он начинается с обогащения и последующего измельчения плавикового шпата, в состав которого входят кальций и фтор.
Размельченный в тонкий порошок плавиковый шпат смешивают в специальных дозаторах с концентрированной серной кислотой, и эту смесь направляют в реакционную печь. Это клепанный из котельного железа, герметически закрытый вращающийся барабан. Смесь шпата и кислоты реагирует в нем при температуре около 130 градусов. В результате реакции получается чрезвычайно ядовитый газ – фтористый водород и гипс. Газ выводится через специальный патрубок и по свинцовым трубам идет на очистку, а гипс шнеки выбрасывают из печи.
После очистки фтористый водород растворяют в воде. Производится это в свинцовых башнях. Фтористая кислота разъедает даже стекло– именно с помощью этого вещества вытравляют на нем надписи и рисунки. Свинец – один из немногих материалов, против которых она бессильна, поэтому из него и делают башни. Растворение фтористого водорода в воде сопровождается выделением тепла, а в результате образуется плавиковая кислота.
Полученную плавиковую кислоту очищают от примесей и производят «варку» криолита. Для этого в нее добавляют ту самую гидроокись алюминия, что была получена при «выкручивании» алюминатных растворов, и соду, В результате ряда последовательных реакций и образуется выпадающий в виде осадка криолит.
Это осуществляется в железных чанах, футерованных угольными плитками и снабженных мешалками. В них непрерывно подают пульпу, содержащую гидроокись алюминия и раствор соды. Тщательно соблюдается необходимая дозировка.
Затем криолитовую пульпу сгущают, отделяют в фильтрах от жидкости твердые частицы криолита, и высушивают их в сушильных барабанах при температуре в 130–140 градусов.
Вот каким сложным путем получается похожий на гренландский нетающий лед искусственный криолит. Это с ним встречается глинозем в электролитической ванне.
Третий участник этой встречи – угольный электрод.
Нехитрая, кажется, вещь эти цилиндрические и прямоугольные угольные плиты, спускающиеся в ванну с криолито-глиноземным расплавом. А и их производство – сложный и деликатный процесс, которым занимаются специальные заводы. Ведь все, что входит в состав электрода, при его сгорании рано или поздно попадает в ванну и загрязняет получаемый металл. Поэтому должны быть очень чистыми исходные материалы. Они должны быть достаточно электропроводными, плотными, иметь значительную механическую прочность.
