В 1855 г. на Всемирной выставке в Париже рядом с изделиями Севрской фарфоровой фабрики лежало несколько небольших слитков и тонких полос серебристобелого металла.
Это были куски первого алюминия, который тогда называли «серебром из глины». Ценился он наравне с золотом и платиной. Император Франции Наполеон III и вся королевская семья пользовались за обедом алюминиевыми ложками. Название металлу дал немецкий химик Велер, разработавший способ получения этого металла в виде маленьких гранул или зерен. Слово «алюминий» происходит от греческого «алюмен», что означает «вяжущий» или «квасцы». По свидетельству древнегреческого историка Геродота, еще в V в. до нашей эры (а возможно, и раньше) при крашении шерстяных тканей применяли в качестве протравы какой-то минерал, который назывался алюменом. Квасцы были знакомы и русским ремесленникам, которые в XIII—XIX вв. пользовались ими для крашения тканей и выделки сафьяна. Квасцовой землей в XVIII в. русские химики называли глинозем.
Алюминий — самый распространенный металл. По содержанию в земной коре (7,45%) он занимает третье место среди всех химических элементов. Насчитывается свыше 250 минералов, в состав которых входит алюминий. Большая часть алюминиевых минералов, слагающих горные породы, — алюмосиликаты, т. е. соединения алюминия с кислородом и кремнием.
Алюмосиликатам было суждено сыграть исключительно важную роль в развитии цивилизации, но еще более важным материалом оказались продукты выветривания алюмосиликатов — глины. Им обязаны своим происхождением гончарные изделия древних, современный художественный и технический фарфор, главный строительный материал — кирпич.
Драгоценные камни — это тоже содержащие некоторые примеси соединения алюминия. Основа рубина, или окиси алюминия, — корунд с незначительной примесью хрома. Сапфир — это тот же корунд, только вместо хрома в нем имеется титан. Голубовато-зеленые аквамарины обязаны своим происхождением алюмосиликату бериллия. Бирюза — алюмосиликат меди; темно-красные гранаты — кристаллы железистого алюминия; нежные лейкосапфиры — прозрачные кристаллы безводной окиси алюминия.
Из многочисленных алюминиевых минералов, встречающихся в природе, лишь немногие могут быть использованы для промышленного производства алюминия. Основным сырьем для его получения служит глинозем (окись алюминия), входящий в состав минералов (бемит, диаспор, гидраргилит), глин, слюды, полевых шпатов, бокситов. Последние получили свое название от деревни Бокс на юге Франции, где в 1821 г. были открыты крупные залежи породы буровато-красного цвета, по внешнему виду похожей на глину, но не обладающей пластичностью. Анализ породы показал, что в ней содержится до 60% глинозема с примесью окислов железа и кремния и других веществ.
Первые изделия из алюминия, появившиеся во Франции в середине 60-х годов прошлого века, ценились так дорого, что почти не находили потребителя. Стоимость 1 кг алюминия превышала 1000 золотых рублей. Но уже к концу 60-х годов, после того как французский химик Девиль организовал производство металлического алюминия из хлористого алюминия, она уменьшилась почти в 10 раз.
Однако способ Девиля, основанный на вытеснении алюминия расплавленным «металлическим» натрием, был дорог, сложен и не давал возможности получать чистый металл. Поиски более совершенных методов производства алюминия натолкнули ученых на мысль использовать в качестве сырья гренландский криолит, который начиная с 1854 г. стали ввозить в Европу в больших количествах. Поскольку минерал представляет собой двойную соль (фторид алюминия и натрия), можно было надеяться получить металлический алюминий, восстанавливая криолит, а также и хлорид алюминия металлическим натрием.
Наиболее эффективный метод получения алюминия из криолита предложил русский ученый Н. Н. Бекетов, тогда профессор Харьковского университета. Спустя два года после сообщения Бекетова по его способу стали работать алюминиевые заводы во Франции и Германии.
Советский Союз располагает богатейшими месторождениями бокситов на Урале, в Башкирской АССР, Казахстане. Еще в 1882 г. А. Е. Бренн обнаружил залежи бокситов в районе реки Воложбы, неподалеку от города Тихвина (ныне Ленинградская область). Царские чиновники не обратили внимания на сообщение Бренна, и алюминий продолжали ввозить из-за границы. Лишь в 1915 г. в связи с резко возросшим спросом на алюминий для военных целей были начаты усиленные поиски алюминиевых руд в стране. Военное ведомство объявило даже крупную денежную премию (50 тыс. рублей) тому, «кто укажет местонарождение бокситов». На призыв правительства откликнулись геологи, краеведы, старатели. Спустя год инженер П. Н. Тимофеев установил наличие в Тихвинском районе значительного месторождения бокситов, которое в советские годы стало основной рудной базой алюминиевой промышленности. В 1931 г. в районе города Серова на Северном Урале были найдены бокситы еще лучше тихвинских, а несколько позднее были открыты крупные месторождения богатых глиноземом бокситов в других районах Урала.
В конце 1916 г. В. А. Аршинов предложил использовать для производства алюминия нефелиновые руды, которыми так безмерно богата наша страна. Наиболее крупные нефелиновые месторождения находятся в Хибинском массиве (Кольский полуостров), в Красноярском крае и Кемеровской области.
Первая выдача алюминия из нефелиновой руды состоялась на Хибинском месторождении, разведанном в 1921 г. геологической экспедицией под руководством академика А. Е. Ферсмана. Производство было организовано следующим образом. В гранатовые тигли насыпали 21 кг измельченного в порошок «ледяного камня» и 3 кг чистого магния. Тигли плотно закрывали и помещали в коксовую печь, где они нагревались до белого каления. Спустя полтора часа тигли вынимали из печи и охлаждали. Кусочки алюминия, выделившиеся из затвердевшей массы, переплавляли в слитки в небольшом графитовом тигле.
Изучая процессы вытеснения металлов из их солей, Бекетов заметил, что алюминий полностью вытесняется из криолита металлическим магнием. «Глиний (алюминий) восстанавливается магнием, — писал он в своей докторской диссертации, — из своего фтористого соединения (из криолита, искусственно мною приготовленного) в чем я убедился особенным опытом».
Эти наблюдения послужили основой для создания промышленного способа получения алюминия, и этот способ использовался в Европе более 25 лет. Только в 90-х годах прошлого века, после того как в Петербурге на Тентелевском химическом заводе (теперь «Красный химик») К. И. Байер предложил получать алюминий из более дешевого глинозема, бекетовский метод утратил свое промышленное значение.
Разрабатывая способ получения чистого гидрата окиси алюминия для протравы ситцевых тканей, Байер сделал два важных открытия, которые затем и легли в основу его метода производства алюминия. Он заметил, что раствор алюмината натрия в присутствии затравки свежеосажденного гидрата глинозема самопроизвольно разлагается с выделением окиси алюминия и что глинозем можно извлекать из бокситов путем обработки их щелочью под давлением. Байеровокий способ получения чистого глинозема применяется до сих пор.
Спустя пять лет после опубликования Байером своих патентов инженер Д. А. Пеняков запатентовал другой способ производства глинозема из бокситов. Дорогостоящие щелочи — кальцинированную соду и едкий натр — он заменил глауберовой солью. Смесь мелкоизмельченного боксита, глауберовой соли и угля подвергалась спеканию в трубчатой вращающейся печи при 1200° С. Алюминат натрия выщелачивали из снека водой, затем алюминатный раствор карбонизировали (продувая через него окись углерода), в результате чего гидроокись алюминия выпадала в осадок, а в растворе оставалась сода. Сернистый газ, выделявшийся при спекании смеси, использовался для получения из поваренной соли новых порций глауберовой соли и соляной кислоты.
Способ Пенякова не нашел применения в России, но был немедленно использован за границей. В Бельгии построили глиноземный завод, который работал до 1914 г., пока не был разрушен немецкими войсками, оккупировавшими страну.
Особо ценный вклад в развитие производства алюминия внесли русские ученые В. П. Ильинский и П. П. Федотьев, создавшие теорию электрометаллургии алюминия, теорию процессов, происходящих при извлечении этого металла из руд с помощью электрического тока. В 1912 г. вышла в свет книга Федотьева «Экспериментальное исследование по электрометаллургии алюминия», которая сразу же была переведена на многие иностранные языки и стала настольной книгой металлургов всего мира.
Разработанные русскими учеными промышленные способы производства алюминия не смогли найти практического приложения в царской России, хотя правительство с самого начала первой мировой войны всячески поощряло разведку алюминиевых руд и пыталось организовать алюминиевую промышленность. Но этому препятствовало отсутствие нужного количества электроэнергии — основы электрометаллургии алюминия. Мешали этому начинанию и иностранные концерны, продававшие алюминий России и не желавшие терять свои барыши.
Лишь при Советской власти были созданы предпосылки для развития отечественной алюминиевой промышленности. Решающую роль здесь сыграл разработанный В. И. Лениным план электрификации страны (ГОЭЛРО). В 1925 г. первенец этого плана — Волховская ГЭС — дал ток и спустя несколько лет стал энергетической базой Волховского алюминиевого завода. Прошло еще семь лет, и Днепрогэс стал снабжать электроэнергией второй алюминиевый завод в Союзе — Днепровский. В конце 1934 г. началось строительство крупного алюминиевого комбината на Урале.
В 1940 г. было принято решение об усиленном развитии алюминиевой промышленности, намечена постройка глиноземных и алюминиевых заводов на Урале, в Кузбассе, Закавказье, Мурманской области, Карелии.
Алюминиевый завод совсем непохож на обычные металлургические предприятия, где из железной руды добывают чугун и переплавляют его в сталь. Сердце алюминиевого завода — электролизный цех. Вдоль широких пролетов в несколько рядов установлены на каменном фундаменте большие железные ящики — электролизные ванны. Они выложены внутри графитом или угольными плитами, которые служат катодами. Сверху в ванны спущены массивные угольные пластины — аноды. Электролизные ванны наполняют окисью алюминия с добавкой небольшого количества криолита, который снижает температуру плавления. При включении тока криолит начинает плавиться и растворяет окись алюминия.
Электролиз ведется при температуре около 1000° С. На аноде выделяется кислород, который окисляет уголь в окись углерода. На дне ванны, на катоде, собирается расплавленный алюминий. Несколько сот килограммов металла дает в сутки каждая ванна.
В 60-х годах советские металлурги одержали выдающуюся победу: на Волховском алюминиевом комбинате впервые стали получать алюминий из нефелинов. А совсем недавно вступил в строй крупнейший в мире Ачинский комбинат, построенный на базе Килшалтырского нефелинового месторождения.
Отходы, получающиеся при флотации апатитовых руд и переработке их на удобрения, называют нефелиновыми хвостами. Прежде чем получить из хвостов алюминий, их надо обогатить, получить концентрат, содержащий не менее 30% глинозема. Из нефелинового концентрата можно получить в два раза больше алюминия, чем из бокситов, но извлечь металл из концентрата гораздо труднее, чем из бокситов. Здесь на помощь металлургам пришли высокая температура и химические реакции.
Нефелиновый концентрат дробят на мелкие кусочки и смешивают с раздробленным известняком. Смесь, смоченную водой, размалывают на мельницах и полученную кашицу, пульпу, загружают во вращающуюся печь — длинный (60—180 м) железный барабан. Пульпа поступает в барабан с холодного конца, а навстречу ей с другого конца движется струя мелкоизмельченного горящего угля, температура которого достигает 1300—1500° С. Сначала испаряется вода, затем известняк разлагается на окись кальция и углекислый газ; последний отсасывается из печи.
Молекулы извести вступают в реакцию с молекулами нефелина и разрушают их. Образуется спек — плотная масса, состоящая главным образом из силиката кальция и алюминатов натрия и калия. Они жадно соединяются с молекулами кремнезема. Одновременно окись алюминия реагирует с окислами калия и натрия и превращается в алюминаты этих металлов.
Спек охлаждают до 100° С и размалывают на мельницах в порошок, который затем засыпают в большие чаны и заливают раствором соды. Алюминаты натрия и калия растворяются в соде, а силикат кальция остается на дне чана. Алюминатные растворы отделяют от осадка в специальных аппаратах. Осадок промывают и направляют в цех, где из него приготовляют цемент.
Очищенные растворы алюминатов перекачивают в аппараты-карбонизаторы и обрабатывают углекислым газом. В осадок выпадает гидрат окиси алюминия — белый пушистый порошок, а в растворе остаются поташ и сода. Гидрат окиси алюминия прокаливают во вращающихся печах, где он, теряя воду, превращается в глинозем. Соду и поташ снова используют для растворения соединений алюминия, содержащихся в нефелине.
Извлечение окиси алюминия из нефелиновых хвостов расширяет сырьевую базу производства металла. У нас в стране запасы нефелиновых руд во много раз больше запасов бокситов.