Михаил Васильев - Металлы и человек

• Название: Металлы и человек
• Автор: Михаил Васильев
• Издательство: Советская Россия
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1962

Эта книга рассказывает о металлах. И о таких широкоизвестных, как железо, медь, алюминий, и о тех, даже названия которых приходилось слышать не всем: церий, гадолиний, тантал.

Вы сможете прочесть здесь и о волшебных свойствах юного соперника железа — титана, и об уране — новом топливе для электростанций, и о вольфраме — самом прочном и самом тугоплавком в семействе металлов. В общем — обо всех восьмидесяти металлах, которые существуют в природе.

Вместе с тем это книга и о человеке, о его великой власти над металлами. Ведь это человек превращает ржавые камни, руду в металлические изделия.

Это он собрал, в иных случаях буквально по атому, первые крупинки редких и рассеянных элементов и открыл их удивительные свойства. Он облагородил металлы: сделал сталь нержавеющей, слабый алюминий — прочным, желтое золото — разнообразным по цвету. Это человек нашел металлам бесчисленное применение — для сооружений высотных зданий и газопроводов, космических ракет и вагонов метро, для сшивания кровеносных сосудов и превращения солнечных лучей в электрический ток…

Книга эта рассказывает и о борьбе советского народа за металл, о наиболее прогрессивных методах получения и обработки металлов, о важности их экономии и рационального использования.

Книга написана очень популярно. Она рассчитана на то, чтобы ее с пользой для себя прочитал каждый интересующийся современной наукой и техникой и перспективами их развития.

---

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.