Александр Исаев
Вице-президент ассоциации "Алюминий"


Алюминий - один из наиболее распространенных элементов земной коры. По содержанию в ней – 7,45 % – он занимает первое место среди других металлов. Из-за высокой химической активности алюминий в свободном состоянии в природе не встречается.
    Сегодня алюминий - превосходный конструкционный материал, сочетающий в себе малую плотность, высокую электропроводность, пластичность, устойчивость к коррозии. Благодаря этим уникальным свойствам его можно использовать и в чистом виде, и в сплавах с другими металлами в большинстве отраслей экономики: машиностроении, энергетике и электротехнике, авиации, автомобилестроении, химической промышленности, на транспорте, в производстве предметов широкого потребления, жилищном строительстве.

Чудо из глины
    Первые сведения об этом металле известны из рассказов древнего историка Плиния Старшего. Однажды римский император Тиберий получил в подарок необычно легкую чашу серебристого цвета. Мастер поведал, что этот красивый материал получен из глины, и выразил готовность создать немало других подобных изделий. Тиберий же, опасаясь, что превращенная в металл глина обесценит хранившееся в его казне золото и серебро, приказал отрубить изобретателю голову, а его мастерскую уничтожить.
    Вполне вероятно, что рассказанный Плинием эпизод, – всего лишь легенда. Но возникает вопрос, каким образом в эпоху античности могло возникнуть представление о легком металле?
    Древнейшие материальные свидетельства об алюминии появились чуть позже. Как установлено недавно с помощью спектрального анализа, некоторые орнаменты гробницы китайского полководца Чжоу-Чжу, умершего в начале III века, изготовлены из сплава с 85 % -ным содержанием алюминия. Получить столь активный элемент в свободном состоянии древние китайские металлурги, конечно, не могли. Остается предположить, что алюминий попал к ним в виде самородка. В одном из докладов АН СССР была высказана гипотеза о возможности образования чистого алюминия из газов, содержащих соединения алюминия низшей валентности с галогенами. Эти соединения, устойчивые при высокой температуре, конденсируются при ее снижении, распадаясь на металлический алюминий и его трехвалентное соединение с галогенами.
    Долго бытовавшие предположения, что те или иные породы, в частности, глины содержат неизвестный металл, подтвердились лишь в XIX веке. Им оказался оксид алюминия Al₂O₃, или глинозем. Его содержание в глинах колеблется от 10 до 40 %.
    Создавая Периодическую систему элементов (1869 г.), Д.И.Менделеев назвал металлический алюминий "глинием" – производным от "глины". Этим термином и пользовались в России. В других странах утвердилось название, взятое от латинского "alumen" - квасцы.
    Первую попытку выделить алюминий в свободном состоянии предпринял английский ученый Гемфри Дэви в 1810 году. Однако его опыты по разложению глинозема постоянным электрическим током не увенчались успехом. Сделать это смог через 15 лет датский физик Ганс Христиан Эрстед. Вначале он получал хлористый алюминий, пропуская хлор через горячую смесь глины с угольным порошком. К полученной соли Эрстед добавлял амальгаму калия и нагревал смесь. В результате протекала реакция образования хлористого калия и сплава алюминия с ртутью. Затем ртуть отгонялась из сплава в вакууме, а в осадке оставалась металлическая масса, цветом похожая на олово.
    В 1827 году немецкий химик Фридрих Велер усовершенствовал метод Эрстеда. Заменив калиевую амальгаму металлическим калием, он получил алюминий в порошкообразном виде. Позднее Велер показал возможность получения алюминия в компактной массе и с достаточной точностью определил основные физические и химические свойства этого металла.

Начало промышленного производства
    В 1854 году французский химик Анри Сент-Клер Девиль предложил промышленный способ производства алюминия. Он восстанавливал его из соли двойного хлорида алюминия и натрия, используя в качестве восстановителя натрий. Через год металлические брусочки под названием "серебро из глины" демонстрировались на Всемирной выставке в Париже как промышленный продукт. Таким образом, Франция заявила о начале промышленного производства алюминия, и уже в 1856 году в Руане было создано первое предприятие по его выпуску. Затем производство этого металла организовала Англия, где в качестве сырья использовался криолит, из которого алюминий восстанавливался натрием.
    Третьей после Франции и Англии страной, создавшей промышленное производство алюминия химическим способом, стала Россия. Завод начал действовать в августе 1885 года в Сергиевом Посаде Московской области. Его основатель и владелец – А. А. Нововейский. Предприятие располагалось в одноэтажном здании площадью 113 м². Первое время алюминий получали здесь по способу Девиля, используя в качестве сырья глину Глуховского месторождения Черниговской губернии, содержавшую после отмучивания 37,5 % AL₂O₃ и 46,5 % SiO₂. Позднее завод использовал вместо глины криолит. Правда, работало это предприятие недолго: через 2,5 года его пришлось закрыть из-за невозможности выдерживать конкуренцию с зарубежными производителями.
    Знаменательные страницы в истории алюминия связаны с деятельностью русского ученого Н. Н. Бекетова. Исследуя процессы замещения одних элементов другими, он установил, что алюминий весьма полно вытесняется из криолита магнием. По способу, предложенному Бекетовым, был построен завод в Гмелингене (Германия), который в 1887 – 1890 годах выпустил 58 т металла.
    Производство алюминия химическим способом просуществовало более 30 лет. За это время было выпущено около 200 т металла, в том числе примерно 30 % по способу Бекетова. Такой алюминий стоил очень дорого. Его использовали крайне ограниченно - в основном, для изготовления предметов роскоши, украшений, а также в качестве оправы сложных оптических приборов - секстантов, подзорных труб, телескопов, биноклей и др. Вместе с тем, за эти 30 лет удалось основательно изучить физические, химические, механические и электрические свойства алюминия и некоторых его сплавов. Тем самым определились его возможности как перспективного материала для различных отраслей промышленности. Дело было за тем, чтобы найти более дешевые технологии, позволяющие организовать массовое производство легкого металла.

Наука и энергия
    В 1886 году француз Поль Эру и американец Чарльз Холл независимо друг от друга заявили патенты на способ получения алюминия электролизом глинозема, растворенного в расплавленном криолите. Так начался новый период в истории алюминиевой промышленности.
    В 1888 году в Нейгаузене (Швейцария) начал работать первый в мире электролизный алюминиевый завод. Предприятие разместили у гидростанции на Рейнском водопаде, вырабатывавшей дешевую электроэнергию. В том же году выпуск алюминия начался в Кенсингтоне (США) на электролитическом заводе Питтсбургской компании. Еще через год использовать технологию электролиза начали во французском городе Фроже: директором нового предприятия стал сам Поль Эру. В 1893 году во Франции был построен второй алюминиевый завод, оборудованный ваннами с шестью анодами на силу тока 5000 ампер. К началу ХХ века производство алюминия электролитическим способом осуществлялось в Швейцарии, США, Франции, Англии, Германии, Австрии. Накануне первой мировой войны подобные заводы были построены в Канаде, Италии и Норвегии.
    С развитием электролитического способа резко возросла потребность в глиноземе. На первом этапе использовали глинозем, извлекаемый из бокситов дорогостоящим методом Де Шателье - Морена, основой которого является спекание руды с содой. Получаемый в результате спекания алюминат натрия выщелачивался, а раствор разлагался углекислотой с получением гидроокиси алюминия.
    Современный гидрохимический способ производства глинозема, носящий имя его автора, ученого-химика Байера, был создан в России. Карл Иосифович Байер, работая на Тентелевском заводе в Петербурге (ныне завод "Красный химик"), а затем на Бондюжском близ Елабуги, сделал два очень важных открытия. Первое из них описано в патенте 1889 года и представляет процесс самопроизвольного разложения растворов алюмината натрия в присутствии затравки свежеосажденного гидроксида алюминия. Второе, сформулированное в патенте 1892 года, заключалось в установлении возможности растворения оксида алюминия с образованием алюмината натрия путем обработки их раствором едкой щелочи под давлением в автоклавах. Кроме того, К.И.Байер является автором способа производства искусственного криолита.
    В 1890 году способ Байера был впервые применен для получения глинозема, используемого в текстильном деле, а также для других целей. Тем самым Россия внесла важнейший вклад в развитие алюминиевой промышленности. Вскоре гидрохимический способ выпуска глинозема стал использоваться на заводах Франции, Великобритании и США. В настоящее время он применяется практически во всем мире.
    Высокой оценки заслуживает также работа другого российского ученого – инженера-химика Д.А.Пенякова. В 1895 году он предложил технологию спекания глиноземсодержащего сырья с сульфатом натрия и углем. Сульфатный способ использовался на глиноземном заводе в Бельгии до 1914 года. Пеняковым был также предложен метод извлечения глинозема из руд, содержащих значительное количество кремнезема. Он основан на спекании глиноземсодержащего сырья с известняком с последующей обработкой спека раствором соды. По этой технологии с 1911 по 1925 годы действовал завод в Гардане (Франция).

Российские приоритеты
    Царское правительство неоднократно рассматривало предложения о создании в России мощного промышленного производства алюминия, однако решение так и не было принято. Помешали слабая изученность сырьевой базы, отсутствие дешевых источников электрической энергии и нехватка средств для реализации проектов. Нужный стране металл покупали за границей. Вместе с тем, научные исследования не прекращались.
    Выдающийся вклад в развитие технологии внесли П.П. Федотьев и В.П. Ильинский. В 1910 – 1912 годах они провели серию экспериментов с целью изучения процессов при электролизе алюминия. Хотя к моменту опубликования результатов их исследований электролитический способ существовал уже 25 лет, и десять стран успешно применяли его в промышленных масштабах, теория этого метода оставалась практически не разработанной. Труды Федотьева и Ильинского получили мировую известность и стали основой науки об электрометаллургии алюминия.
    В развитии отечественной науки по электролитическому получению алюминия большую роль сыграла работа профессора Петербургского электротехнического института Н.А.Пущина. В 1909 году он приступил к изучению двойных систем фторидов щелочных металлов и фторидов алюминия. В 1913 году Пущин, а также Э.Э.Дишлер и М.С.Максименко получили алюминий из отечественных материалов. В качестве сырья был использован уральский минерал саймонит, содержащий 63 % оксида алюминия.
    После революции создание отечественной алюминиевой промышленности продолжалось. Для организации массового производства требовалось выбрать сырье и методы его переработки на глинозем. Зарубежные заводы использовали высококачественные низкокремнистые бокситы, перерабатывая их по способу Байера. В России было известно лишь Тихвинское месторождение бокситов. Открыты они были еще в 1916 году, но в тот период оказались малопригодными. Поэтому основным направлением научно-исследовательских работ было выбрано изучение других видов сырья – различных глин, алунитов и нефелинов. Одновременно велась разработка технологии получения фтористых солей и создания производства угольных электродов и блоков для выпуска алюминия.
    В 1923 году в Институте прикладной минералогии и металлургии под руководством профессора Э.В.Брицке была разработана технология кислотного способа производства фтористого натрия, фтористого алюминия и криолита. Этот способ применили на Полевском криолитовом заводе.
    После геологоразведочных работ на Тихвинском месторождении бокситов начались лабораторные (в 1928 - 1930 гг.), а затем и опытно-промышленные исследования с целью создания технологии их переработки. Результаты, полученные на опытном заводе Государственного института прикладной химии, легли в основу проектирования всех технологических переделов глиноземного производства будущего Волховского алюминиевого завода. В этот же период на заводе "Красный Выборжец", а затем на Опытном алюминиевом заводе в Ленинграде шел выбор оптимальной конструкции электролизера.
    В истории отечественной металлургии важное место занимают работы по созданию легких алюминиевых сплавов. Это направление успешно развивал профессор Московского высшего технического училища П.П.Сидорин. Он не только проводил научные исследования, но и выступил инициатором промышленного производства новых материалов. В 1923 году на Кольчугинском заводе по обработке цветных металлов, работавшем в то время на импортном алюминии, был разработан сплав, легированный медью, никелем, марганцем и магнием и по механическим свойствам отвечающий требованиям, предъявляемым к летательным аппаратам. Сплав назвали "кольчугалюмин". В следующем году из него был изготовлен первый отечественный цельнометаллический самолет АНТ-2.
    Важнейшее значение для создания отечественного производства алюминия имела реализация плана ГОЭЛРО, что позволило обеспечить строящиеся заводы дешевой электроэнергией.
    В 1931 году в Ленинграде в результате объединения специализированных институтов был создан Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт алюминиевой, магниевой и электродной промышленности (ВАМИ).
    Решение о начале строительства первых в стране алюминиевых заводов – Волховского и Днепровского - было принято в 1929 году. Проектом в составе Волховского завода предусматривались два производства: глиноземное, мощностью 12,5 тыс. т в год, и электролизное, на 6 тыс. т алюминия. Строительство Тихвинского бокситового рудника началось в том же 1929 году, а промышленная добыча бокситов ведется с апреля 1932 года. Первая промышленная партия алюминия на Волховском заводе получена 14 мая 1932 года – эта дата и считается днем рождения отечественной алюминиевой промышленности.
    В следующем году начал действовать Днепровский алюминиевый завод на Украине, производительностью 15 тыс. т металла в год. Мощности этих предприятий постоянно увеличивались, однако их все равно не хватало для обеспечения растущих потребностей страны в алюминии. В 1938 году на базе Тихвинского месторождения построили глиноземный завод мощностью 40 тыс.т. (в настоящее время – Бокситогорский). Интенсивно велся поиск бокситов и в других районах страны. В 30-е годы близ села Петропавловского на берегу реки Вагран обнаружили месторождение, названное "Красная Шапочка", а затем разведали и другие залежи, которые в совокупности образовали Северо-Уральский бокситовый район.
    В 1939 году на базе Надеждинского месторождения бокситов было завершено строительство Уральского алюминиевого завода мощностью 70 тыс.т. глинозема и 25 тыс.т. алюминия.
    Мощная, современная отрасль, полностью обеспеченная сырьем, была сформирована.