Производство алюминия

На алюминиевых заводах цехи электролиза размещены в приземистых, вытянутых в длину зданиях. Здесь рядами установлены десятки и сотни закрытых сверху электролитических ванн. Ванны — железные, футерованные изнутри огнеупорным кирпичом и вдобавок угольными блоками, к которым подводится постоянный электрический ток. Благодаря этому корпус ванны служит катодом, на котором и собирается расплавленный алюминий.

Аноды — тоже угольные. В процессе работы они постепенно сгорают, поскольку на них происходит выделение кислорода, с образованием углекислого и угарного газов. Впрочем, большая часть угарного газа догорает, превращаясь в углекислый, здесь же, в ванне. Тем не менее вопросы вентиляции, санитарии и вообще условий труда для алюминиевых производств первостепенно важны и непросты.

Однако мы немного забежали вперед: угарный и углекислый газы, равно как и сам алюминий, образуются, когда электролизер уже работает. Но прежде его надо загрузить. почти весь объем ванны заполняется криолитом, а доля глинозема (выше приводились данные о его растворимости) всего 6-8%.

Ванны работают под небольшим напряжением, но при большой силе тока. Выработанный алюминий компенсируют, добавляя новые порции глинозема и фторида алюминия. Металл из ванны обычно выбирают раз в день с помощью вакуум-ковша, а до этого пропускают через расплав газообразный хлор, чтобы очистить металл от водорода и некоторых других примесей. Затем уже в литейном цехе из расплава отливают чушки первичного алюминия и слитки разной формы. Тут же, как правило, легируют алюминий, прилагая ему те или иные нужные свойства, в первую очередь, конечно. большую прочность.

По зарубежным данным потребление энергии при выплавке алюминия за три послевоенных десятилетия снизилось на треть, но все равно алюминиевое производство и в наши дни остается одним из весьма энергоемких. Вот почему алюминиевые заводы строят, как правило. поближе к электростанциям Для первого нашего завода — Волховского — таким напарником быта Волховская ГЭС, для последнего (Саяногорск, 1985 г ) — Саяно-Шушенская. Глинозем же и криолит могут везти и издалека, порой даже из-за рубежа, но это уже другая тема.

Дюралюминий и сплавы алюминия

Технически чистый алюминий (99,7% Al, главные примеси — кремний, натрий, железо) — металл достаточно привлекательный: легок-примерно втрое легче, чем сталь; химически стоек; хорошо проводит тепло и электричество — лишь на треть хуже меди. И вдобавок технологичен — ему свойственны благоприятные литейные свойства, свариваемость практически всеми методами сварки, способность к обработке давлением при умеренных (350 — 500'С) температурах, причем методы обработки давлением-практически любые, включая изготовление проката. А вот прочностные его свойства, прямо скажем, плоховаты' всего 6 — 8 кг/мм' — предел прочности технически чистого алюминия.

Малоудачными были первые попытки легировать алюминий, предпринятые еще в прошлом веке. Не случайно же в последних прижизненных изданиях знаменитых «Основ химии» Д.И.Менделеева из алюминиевых сплавов более или менее подробно описан лишь один — алюминиевая бронза, сплав с медью, в котором преобладала последняя.

Между тем в самом начале ХХ века были получены первые сплавы семейства дуралюмина, или, что то же самое, дюралюминия. Это сплавы, прочность и твердость которых многократно увеличиваются в процессе закатки и естественного старения. Закалка происходит: при резком охлаждении с 500'С до комнатной температуры, а естественное старение состоит в постепенном преобразовании структуры металла. который просто лежит в помещении в течение нескольких суток. Как в известной прибаутке: солдат спит, а служба идет, — так и тут: ничегошеньки не делают с металлом, а он, лежа на боку. набирает нужные кондиции.

Первым получил и описал сплавы, упрочняемые при естественном старении после закалки, известный немецкий металлург и металловед А.Вильям. Это были сплавы на алюминиевой основе с добавками меди и магния. Металловеды предпочитают оперировать другими Г терминами, говоря о «системах», в данном случае это система Al — Mg — Cu. Позже были найдены и другие системы, которым тоже свойственно естественное старение с многократным упрочнением: Al — Mg — Si, к примеру, или Al — Zn — Mg.

При этом каждой системе, каждой группе таких сплавов свойственны те или иные полезные особенности. Так, кремнийсолержащие сплавы алюминия с магнием отличаются высокой коррозийной стойкостью и лучше других противостоят вибрационным нагрузкам. Усталостные трещины развиваются в изделиях из такого металла медленнее, чем в других. Оттого лопасти винтов в военных и паcсажирских вертолетах делают обычно из сплавов системы AlMg — Si.

Объяснить феномен старения алюминиевых сплавов с добавками меди и магния пытался еще сам их первооткрыватель. Было высказано предположение, что из матрицы — пересыщенного твердого раствора мели в алюминии — выделяются мельчайшие частички состава, и именно это служит причиной полезнейшего явления, открытого, как утверждали злые языки, совершенно случайно: мол, в конце недели с закалкой возились и охлажденные слитки на выходной день оставили, потом другими делами занимались, а потом уж на разрывную машину пустили образцы — и нате вам...

По поводу фаз-упрочнителей оппоненты тоже высказали немало сомнений и колкостей. Действительно, ни в один даже самый сильный микроскоп эти новообразования разглядеть не удалось. Лишь спустя десятилетия, когда в металловедение легких сплавов пришли рентгеноструктурный анализ и электронная микроскопия, позволяющая проглядывать насквозь тончайшие металлические пленки. стало ясно, что авторы гипотезы о фазах-упрочнителях были очень близки к истине: в процессе старения после закалки медь не выделялась так уж резко из твердого раствора, но и не оставалась внутри него в прежнем состоянии. При старении ее атомы диффундировали внутри слитка на микроскопически малые расстояния. Вызванные невидимые изменения кристаллической решетки и были причинами упрочнения при старении.

Образованием упрочняющих фаз объясняют полезные. а порой уникальные свойства других алюминиевыми сплавов, в том числе полученных в последние десятилетия XX века методами порошковой металлургии. Но это не значит, что нестареющие сплавы бесполезны.

Существует множество сплавов алюминия с другими металлами, широко применяемых в наши дни. Магний и медь, да еще кремний с марганцем, стали важнейшими легирующими добавками, превратившими алюминий в важнейший и самый массовый цветной металл техники ХХ века — авиации, в первую очередь, а также строительства, транспортного машиностроения, химической и нефтяной промышленности.

А вот для электротехники, производства провода и кабеля главными оказались сплавы, в которых крайне нежелательны значительные добавки магния, марганца и, как это ни странно на первый взгляд, серебра и меди Электропроводность алюминия сильнее всего снижают классические легирующие добавки черной металлургии — марганец, хром, ванадий, титан. Медь, магний, серебро тоже ухудшают эту важную характеристику алюминиевых проводов. А цинк-наоборот. Вот такая занимательная наука — металловедение.

В.Станцо

Приглашаем на сайт Волшебство науки. Сайт посвящен различным направлениям науки и техники, на нем размещаются научно-популярные и информационные статьи и заметки для широкой аудитории читателей.
Доолнительная информация: Тринадцатый номер - алюминий. В статье рассматривается история открытия алюминия, разработка технологий производства и влияние алюминия на биосистемы.

Следующая страница: Система OneU - эффективное решение организации пожаротушения