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.

Но способ был найден. Нашли вещество, в котором глинозем хорошо растворяется, и этот-то раствор и подвергают электролизу.

Это вещество называется криолит.

Криолит также является соединением, содержащим в своем составе алюминий. Кроме этого металла, в нем содержатся еще натрий и фтор. Единственное крупное месторождение этого минерала находится в холодной Гренландии. Его внешний вид символичен: он напоминает лед. Кусок криолита, положенный в стакан с водой, почти невидим. Аборигены Гренландии считали долгое время криолит льдом, спрессованным до такой степени, что его уже нельзя растопить. Впрочем, отдельные куски криолита могут иметь снежно-белый, розоватый или даже черный — в зависимости от примесей — цвет.

Криолит встречается в нашей стране на Урале, но его очень мало. Поэтому и криолит приходится приготовлять искусственно.

Сырьем для производства криолита служит плавиковый шпат. Эта горная порода встречается значительно чаще. В Советском Союзе, в частности, большие запасы плавикового шпата имеются в Забайкалье и Средней Азии. Скажем сразу: получение криолита — не менее сложный и тонкий процесс, чем получение глинозема. Как и тот, он начинается с обогащения и последующего измельчения плавикового шпата, в состав которого входят кальций и фтор.

Размельченный в тонкий порошок плавиковый шпат смешивают в специальных дозаторах с концентрированной серной кислотой, и эту смесь направляют в реакционную печь. Это клепанный из котельного железа, герметически закрытый вращающийся барабан. Смесь шпата и кислоты реагирует в нем при температуре около 130 градусов. В результате реакции получается чрезвычайно ядовитый газ — фтористый водород и гипс. Газ выводится через специальный патрубок и по свинцовым трубам идет на очистку, а гипс шнеки выбрасывают из печи.

После очистки фтористый водород растворяют в воде. Производится это в свинцовых башнях. Фтористая кислота разъедает даже стекло— именно с помощью этого вещества вытравляют на нем надписи и рисунки. Свинец — один из немногих материалов, против которых она бессильна, поэтому из него и делают башни. Растворение фтористого водорода в воде сопровождается выделением тепла, а в результате образуется плавиковая кислота.

Полученную плавиковую кислоту очищают от примесей и производят «варку» криолита. Для этого в нее добавляют ту самую гидроокись алюминия, что была получена при «выкручивании» алюминатных растворов, и соду, В результате ряда последовательных реакций и образуется выпадающий в виде осадка криолит.

Это осуществляется в железных чанах, футерованных угольными плитками и снабженных мешалками. В них непрерывно подают пульпу, содержащую гидроокись алюминия и раствор соды. Тщательно соблюдается необходимая дозировка.

Затем криолитовую пульпу сгущают, отделяют в фильтрах от жидкости твердые частицы криолита, и высушивают их в сушильных барабанах при температуре в 130–140 градусов.

Вот каким сложным путем получается похожий на гренландский нетающий лед искусственный криолит. Это с ним встречается глинозем в электролитической ванне.

Третий участник этой встречи — угольный электрод.

Нехитрая, кажется, вещь эти цилиндрические и прямоугольные угольные плиты, спускающиеся в ванну с криолито-глиноземным расплавом. А и их производство — сложный и деликатный процесс, которым занимаются специальные заводы. Ведь все, что входит в состав электрода, при его сгорании рано или поздно попадает в ванну и загрязняет получаемый металл. Поэтому должны быть очень чистыми исходные материалы. Они должны быть достаточно электропроводными, плотными, иметь значительную механическую прочность.

Не будем детально проходить всю цепочку технологических процессов, ведущих от исходных материалов — антрацита, нефтяного кокса, пекового кокса, каменноугольной смолы и т. д. к готовому электроду. Скажем лишь, что она включает в себя дробление исходных материалов, их прокаливание, размол, классификацию, строгую дозировку и смешивание, прессование и обжиг. И только пройдя все эти операции, приходит электрод в электролизный цех алюминиевого завода.

В настоящее время применяют аноды, самообжигающиеся в процессе работы. Но приготовление углеродистого материала для них — не проще.

В электролизном цехе стоят в ряд, одна рядом с другой огромные ванны. В них под коркой застывшего криолита в криолито-глиноземном расплаве электрический ток буквально по атому отбирает алюминий. Он выделяется на дне ванны. Это дно (оно выложено угольными плитами, в которые вделаны залитые чугуном провода) служит катодом. Спускающиеся сверху угольные электроды являются анодами. На них непрерывно выделяется кислород, и они медленно сгорают.

Невелико напряжение тока, работающего в ванне, не более 5 вольт, но зато колоссальна его сила, достигающая у крупных ванн 15 000 тысяч ампер и даже больше. Гигантская электрическая река протекает сквозь расплав, вымывая из него атомы драгоценного металла и складывая их в одно место. Этой реки хватило бы на непрерывный плеск молний. И действительно, иногда электрическая река становится зримой: вокруг анода возникают искры, крохотные молнии. Это свидетельствует о нарушении правильного режима работы ванны.

Мы помним, что чистый глинозем плавится при температуре выше 2 тысяч градусов. Расплав в ванне имеет температуру всего около 950 градусов. Вот он, тот обходный путь, который делает алюминий общедоступным.

Конечно, общедоступность эта еще очень условна. Мы проследили уже, каким сложным путем пришли в электролизный цех основные материалы, без которых невозможно получение алюминия. Эта сложность удорожает металл, да к тому же и сам процесс электролиза не дешев: ведь для выработки 1 тонны алюминия надо затратить 17 500 киловатт-часов электроэнергии!

Очень много? Да, очень много. Но в первых конструкциях ванн, на заре советской алюминиевой промышленности, на тонну алюминия приходилось затрачивать целых 40 тысяч киловатт-часов. Увеличением размера ванн, уменьшением теплопотерь, улучшением самой конструкции ванны снизили расход энергии более чем вдвое. И, конечно, он будет еще снижен.

Такое снижение вполне возможно. Теоретические расчеты показывают, что едва трети потребляемой энергии достаточно для выделения из расплава чистого алюминия. Остальные две трети — потери. Это потери и очевидные — с теплом, излучаемым ванной в окружающее пространство. Это потери и за счет скрытого от непосредственного наблюдения процесса растворения уже полученного чистого алюминия со дна ванны в плавающем над ним криолите. И, конечно, все эти потери еще можно уменьшить. Но главную статью в себестоимости алюминия составляет стоимость глинозема. Удешевление его производства тоже возможно как за счет частных усовершенствований, так и принципиальным изменением технологии.

Сегодня тонна «серебра из глины» стоит столько же, сколько сто лет назад стоил килограмм этого металла. Когда его стоимость снизится еще в десять раз, он повсюду вытеснит железо и его сплавы.

Но мы отвлеклись. Полученный в ванне алюминий еще надо извлечь, очистить от примесей.

Расплавленный металл из ванн извлекают или с помощью вакуум-ковшей, в которые по железной трубке засасывается металл, или с помощью специальных сифонов. За сутки ванна на 50 тысяч ампер вырабатывает примерно 360 кг алюминия. Металл извлекают из нее через каждые двое-трое суток.

Ковш с алюминием сразу же ставят в специальную камеру, опускают в него трубку и прокачивают сквозь расплавленный металл хлор. Он уносит с собой большую часть механических примесей, собирающихся в виде рыхлого порошка на поверхности металла. Его снимают дырчатой ложкой, напоминающей шумовку, которой домашние хозяйки снимают пену с мясного супа. Затем металл направляют в рафинировочную печь. В ней смешивается алюминий из разных ванн, происходит усреднение состава, некоторая очистка. Затем металл разливают в изложницы разливочной машины.

Слитки, предназначенные для механической обработки, отливают методом полунепрерывного литья. При этом получается лучшая кристаллическая структура слитков.

Таков процесс рождения технического алюминия. Он еще содержит в среднем около 0,5 процента посторонних примесей — главным образом железа и кремния. Дальнейшая очистка алюминия (а мы знаем, что сверхчистые металлы обладают совершенно особыми свойствами) осуществляется также электролитическим методом. Удается получить металл, содержащий не больше 0,002 процента примесей. Такой алюминий обладает повышенной электропроводностью, пластичностью и, что особенно важно, сверхвысокой антикоррозионной стойкостью. Из него изготавливают высокосортную фольгу, химическую и электрическую аппаратуру, им покрывают поверхности других металлов для защиты от коррозии.

Однако в подавляющем большинстве случаев алюминий применяется не в чистом виде, а в сплаве с другими металлами.