История развития алюминиевой промышленности

Алюминий сравнительно недавно стал промышленным металлом. Металлический алюминий был получен впервые датским физиком Г. Эрстедом в 1825 г., а первые попытки его промышленного использования относятся ко второй половине XIX века.
История производства алюминия знает три направления его получения: 1) химический способ — восстановление алюминия из его соединений более активными металлами; 2) электротермический — восстановление алюминиевых руд с помощью угля и 3) электрохимический — получение алюминия электролизом окиси алюминия (глинозема), растворенной в расплавленном криолите.
Химические способы получения алюминия заключались в восстановлении металлическим натрием, калием или магнием хлористых или фтористых соединений алюминия.
На развитие химических способов производства алюминия большое влияние оказал выдающийся русский физико-химик Н.Н. Бекетов. Он еще в 1854 г. предложил заменить натрий при вытеснении алюминия из фтористых соединений металлическим магнием. Способ, предложенный Н.Н. Бекетовым, оказался наиболее выгодным для промышленности того времени и быстро нашел применение в странах Западной Европы. За время существования химических способов не менее 25% алюминия было получено по способу Н.H Бекетова. В 1865 г. Н.Н. Бекетов защитил докторскую диссертацию на тему «Исследования явлений вытеснения одних элементов другими», которая явилась первой теоретической основой новой отрасли металлургии — металлотермии.
Химический способ в течение значительного времени (с 1854 по 1890 г.) был единственным промышленным методом получения алюминия. Однако вследствие высокой стоимости щелочных и щелочно-земельных металлов он был дорогим и не мог обеспечить массового производства алюминия. После разработки Полем Эру во Франции и Чарльзом Холлом в Америке в 1886—1888 гг. более совершенного электролитического метода химический способ был им вытеснен и больше в промышленном масштабе не возобновлялся.
Начиная с 50-х годов XIX века неоднократно делались попытки получить чистый алюминий электротермическим способом — восстановлением его окиси углеродом. Этот способ также не дал положительных результатов. Причина неудач состояла в том, что при восстановлении алюминия из его окиси углеродом требуется высокая температура (не ниже 2000°). При этой температуре углерод отнимает кислород от алюминия и сам окисляется до окиси углерода, но алюминий получается в парообразном состоянии и активно взаимодействует с углеродом или окисью углерода и образует карбид алюминия или вновь превращается в окись алюминия (глинозем).
Эти недостатки могут быть устранены, если процесс вести в присутствии достаточного количества какого-либо металла, обладающего температурой кипения более высокой, чем алюминий, например железа, кремния, меди. В этих условиях алюминий в момент восстановления растворяется в железе или кремнии и образует с ними сплав.
Производство таких сплавов электротермическим способом было осуществлено в промышленности прошлого столетия, но затем потеряло свое значение. Его вытеснил электролитический способ, позволяющий получать чистый алюминий и занявший с тех пор господствующее положение в промышленности.
Однако и в последующие годы нигде не оставлялись попытки получения алюминия путем термического восстановления его окиси или алюмосиликатов углеродом.
Алюминий является весьма электроотрицательным металлом и пока не удалось получить его электролизом водного раствора, так как при этом на катоде выделяется более электроположительный водород и образуется гидрат окиси алюминия. Поэтому алюминий в настоящее время получают путем электролиза глинозема в расплавленном криолите, не содержащем ионов водорода. Этот способ является в настоящее время практически единственным промышленным способом производства алюминия.
Современный электролитический способ производства алюминия включает в себя четыре основных этапа: 1) производство глинозема; 2) производство криолита и других фтористых солей; 3) производство электродной продукции (угольных блоков, анодной и подовой угольной массы) и 4) собственно производство алюминия.
За короткий срок алюминиевая промышленность, благодаря электролитическому способу, выросла в крупную отрасль современной металлургии. Если в 1886 г. выпуск алюминия во всем мире составлял всего 20 т, то уже в 1927 г. мировое производство алюминия приблизилось к 300 тыс. т, в 1943 г. оно составило около 2 млн. т в год. В результате этого алюминий из «редкого», «драгоценного» металла стал одним из важнейших материалов современной техники.
Большую роль в создании научных основ и развитии электролитического производства алюминия сыграли труды русских и советских ученых. Так, в 1889—1892 гг. в России К.И. Байером был открыт простой и дешевый способ производства глинозема путем обработки боксита щелочным раствором в автоклаве. Этот способ в настоящее время стал самым распространенным в мировой алюминиевой промышленности.
В 1895 г. русский инженер Д.А. Пеняков разработал способ получения глинозема из бокситов путем спекания их с сульфатом натрия и углем. Однако царское правительство России не заинтересовалось изобретением Д.А. Пенякова. Этот способ был использован для организации промышленного производства сначала в Бельгии, а затем в Германии.
В 1915 г. русскими учеными А.Н. Кузнецовым и Е.И. Жуковским был разработан способ получения глинозема из низкосортных алюминиевых руд путем плавки их в электрических печах с карбонатами щелочно-земельных металлов при высокой температуре с целью получения шлаков, содержащих алюминий, и ферросилиция.
Выдающаяся роль в изучении теоретических основ современного производства алюминия, начиная с 1910 г., принадлежит русскому ученому проф П.П. Федстьеву. Глубокие научные исследования, принадлежащие ему и его школе, с которыми мы дальше неоднократно будем встречаться в данной книге, получили мировую известность и всеобщее признание.
В 1916 г. в районе г. Тихвин инженером-краеведом П.Н. Тимофеевым было открыто первое в России промышленное месторождение алюминиевых руд—бокситов.
Однако, несмотря на наличие сырья и большего количества выдающихся научных работ по металлургии алюминия, выполненных русскими учеными, царская Россия не смогла организовать собственной алюминиевой промышленности как по причине отсутствия должного внимания к этому вопросу царского правительства, так и вследствие технической отсталости страны. Алюминий царская Россия ввозила из-за границы по высокой цене и в малых количествах.
Необходимые условия для организации в нашей стране алюминиевой промышленности были созданы только после Октябрьской социалистической революции.
Особое значение для этого имел план электрификации нашей страны, разработанный по указанию В.И Ленина в 1920 г., так как для производства алюминия требуются значительные количества дешевой электроэнергии. В осуществление этого плана в 1926 г. была сдана в эксплуатацию крупная гидроэлектростанция на р. Волхов, а в 1932 г. была пущена мощная гидроэлектростанция на р. Днепре в г. Запорожье.
Проведенная в первые годы советской власти детальная геологическая разведка первого известного в России Тихвинского месторождения бокситов показала, что они содержат большое количество кремнезема. Перед учеными нашел страны встала задача—найти методы получения глинозема из низкосортных тихвинских бокситов и притом по достаточно низкой цене.
Этим вопросом занялись в 1925 г. две группы ученых: группа проф. А.А. Яковкина и И.С. Лилеева и группа проф. А.А. Кузнецова и Е.И. Жуковского.
Первой группой в 1925—1932 гг. в Государственном институте прикладной химии (ГИПХ, Ленинград) был разработан способ содо-известкового спекания. Второй способ — электротермический, разработанный еще в 1915 г. А.А. Кузнецовым и Е.И. Жуковским в лаборатории электрометаллургии Ленинградского горного института, был проверен ими в 1927 г. в полузаводском масштабе на Царицынской опытной станции под Москвой.
Одновременно работниками института прикладной минералогии (ныне BИMC) под руководством проф. Э.В. Бринке был разработан кислотный способ производства криолита из плавикового шпата. Способ был положен в основу производства (с 1929 г.) фтористых солей на Потевском заводе (Урал).
В 1927 г. проф. П.П. Федотьев в лаборатории Ленинградского политехнического института из отечественного сырья методом электролиза получил первые слитки советского алюминия.
Развитию исследований в области металлургии алюминия в Советском Союзе уделялось и уделяется много внимания. Работы в этой области и сейчас успешно продолжаются Ю.В. Баймаковым, А.И. Беляевым, В.М. Гуськовым, В.П. Машовцом, В.А. Мазелем, Е.И. Жуковским, И.С. Лилеевым и др.
Коммунистическая партия и Советское правительство уделяют исключительно большое внимание развитию производства легких металлов в Советском Союзе.
В декабре 1927 г. XV съезд партии вынес решение о создании в нашей стране алюминиевого производства.
В мае 1930 г. был пущен в г. Ленинграде опытный алюминиевый завод, сыгравший большую роль в разработке метода ведения технологического процесса электролиза криолито-глиноземного расплава и в подготовке квалифицированных кадров инженеров и рабочих для первых советских алюминиевых заводов.
Одновременно с пуском Ленинградского опытного алюминиевого завода было организовано производство искусственного криолита на Полевском заводе, а для производства угольных анодов и футеровочных угольных блоков был сооружен Московский электродный завод.
Для координации всех исследовательских работ, связанных с организацией производства алюминия в нашей стране, в 1931 г. был организован научно-исследовательский институт алюминиевой промышленности (НИИСалюминий), преобразованный позднее во Всесоюзный алюминиево-магниевый институт (ВАМИ).
В июне 1930 г. было начато строительство Волховского и Днепровского алюминиевых заводов. Первый вошел в эксплуатацию 14 мая 1932 г., а второй — 12 июля 1933 г.
С вводом в эксплуатацию Днепровского и Волховского алюминиевых заводов Советский Союз, не выпускавший до 1932 г. ни одной тонны алюминия, вышел в 1935 г. на третье место среди стран, производивших алюминий, опередив Францию, Англию, Италию и Канаду.
Одновременно со строительством первых алюминиевых заводов, базировавшихся на тихвинских бокситах, широко велись поиски других бокситовых месторождений.
В период 1931—1936 гг. на Урале были открыты крупные месторождения высококачественных бокситов, пригодных для получения из них глинозема по способу Байера.
С открытием уральских бокситов были широко развернуты исследовательские работы по изысканию методов их переработки. Исследования проводились в г. Ленинграде в ВАМИ под руководством Д.П. Маноева и В.А. Мазеля, а также на Урале под руководством проф. В.В. Вольфа, Л.А. Бугорева и др. Этими двумя группами исследователей были разрешены технологические и аппаратурные вопросы производства глинозема способом Байера применительно к уральским бокситам.
5 сентября 1939 г. вступил в строй Уральский алюминиевый завод — для того времени самый передовой по уровню техники и по производительности не только в нашей стране, но и в других странах.
Вероломное нападение фашистской Германии на Советский Союз 22 июня 1941 г. нарушило мирное строительство. Однако во время Великой Отечественной войны Советская алюминиевая промышленность продолжала развиваться. Был расширен Уральский алюминиевый завод и были построены и пущены новые алюминиевые заводы на Северном Урале и в Кузбассе.
В послевоенное время алюминиевая промышленность продолжала быстро развиваться. Так, за пятую пятилетку (1951—1955 гг.) объем производства алюминия в СССР вырос в 2,8 раза.
На шестое пятилетие предусмотрено увеличение производства алюминия в 1960 г. по сравнению с 1955 г. в 2,1 раза, а мощности заводов в 2,7 раза. При этом поставлена задача получить за счет лучшей организации производства и использования имеющихся производственных мощностей не менее 20%, намеченного прироста производства алюминия.
Развитие алюминиевой промышленности в шестой пятилетке базируется в основном на использовании дешевой энергии рек Восточной Сибири, топливных ресурсов Кузбасса и Восточной Сибири, бокситов Тургайского месторождения в Казахской CCP и вовлечении новых видов сырья для производства глинозема — загликских алунитов Азербайджанской CCP и ужурских нефелинов Красноярского края.
При строительстве новых алюминиевых заводов будут использованы новейшие технические данные, достигнутые за последнее время в области производства алюминия, как в Советском Союзе, так и в зарубежных странах.