Получение аллюминия. Гидроксид алюминия

Алюминий

 

 

Только в самые последние полтора-два столетия, когда начала развиваться машинная техника, состоялось знакомство человека с алюминием. Серебристого цвета, очень редкий и добываемый с большими трудностями, он ценился сначала дороже золота. Его применяли лишь для дорогих украшений. Тогда еще трудно было предположить, что у этого металла большое будущее. И все же довольно скоро из рук ювелиров алюминий перешел к конструкторам и технологам.

Первую победу он завоевал в великом соревновании между многими материалами за право летать. Был момент, когда бурное развитие воздушной техники затормозилось из-за отсутствия легкого и достаточно прочного материала. Начались поиски. Дело решил алюминий. Его легкие и высокопрочные сплавы позволили увеличить скорость и дальность полета, поднять высоту и грузоподъемность самолетов. Недаром алюминий получил почетное название «крылатого металла».

Все это сделано из алюминия.

Достоинства алюминия открыли ему широкую дорогу не только в авиацию, но и в автомобилестроение, электротехнику, химию, металлургию.

Однако не будь у алюминия могучих союзников — других металлов, он никогда не смог бы столь стремительно завоевать общее признание. Ведь прочность чистого алюминия в 10-12 раз ниже прочности стали. И только в соединении с другими металлами прочность его значительно возрастает.

Алюминиевые сплавы чрезвычайно разнообразны по своим свойствам и химическому составу. Один из распространенных сплавов — дюралюминий. Это сплав алюминия с 2,2-5,2% меди, 0,2-1,8% магния и 0,3-1,0% марганца. Дюралюминий — прекрасный конструкционный материал. По своим свойствам он близок к некоторым сортам мягкой стали, но легче ее почти в три раза. Он отлично поддается прокатке в листы, ленты, вытягивается в трубы, прессуется. Кроме того, со временем дюралюминий стареет, теряет свою пластичность и становится твердым и прочным. Для технологии это чрезвычайно ценное свойство. Пока он пластичен, из него можно изготовлять сложные детали, его можно гнуть, растягивать, ковать. Но через 7 дней (таков срок его старения) эти свойства теряются, детали становятся твердыми, прочными и не поддаются деформации.

Не менее распространен силумин — сплав алюминия с кремнием и незначительными добавками железа, марганца и магния. Силумин почти совсем не дает при остывании усадки. Это делает его незаменимым при отливке сложных деталей, когда наряду с легким весом необходима достаточная механическая прочность.

Это самые заслуженные сплавы, работающие уже не одно десятилетие. С ними начали успешно конкурировать созданные недавно новые алюминиевые сплавы. В основе их, кроме алюминия, по-прежнему лежат медь, магний и марганец, но в некоторые марки введены такие элементы, как хром, цинк, кремний. Из этих сплавов получают изделия различных профилей — ребристые панели и трубы, различные угольники, профили переменного сечения, полые профили самой разнообразной конфигурации. Их используют для декоративных целей в строительстве зданий, для ободов колес велосипедов, шестерен, кузовов грузовых автомобилей. Делают из них и детали большой прочности в мостовых конструкциях, решетчатые стойки в рыболовных судах, стрелы кранов. Из алюминиевых сплавов были сделаны очень многие детали искусственных спутников Земли и искусственной планеты.

В ближайшем будущем широкое применение получит пеноалюминий. Он очень легок, его удельный вес не превышает 0,5-0,6 Г/см³. Получают его так. В расплавленном алюминии растворяют соединения водорода с некоторыми металлами. При температуре 600-700° молекулы их распадаются и начинает бурно выделяться водород, пузырьки которого вспенивают алюминий. Затем алюминий быстро охлаждают, и он застывает в виде губчатой массы.

Так получают спек.

От окисления алюминий всегда имеет защитную броню. Пленка его окиси, в отличие от окислов других металлов, надежно предохраняет металл от дальнейшего разрушения. Она тонка, прочна, тверда и крепко связана с основным металлом — не отстает, если деталь скручивать, растягивать, сгибать. Если чистый алюминий плавится всего при 660°, то его окисленная пленка выдерживает огромные температуры — до 2050°! Стальные листы, покрытые тонким слоем окиси алюминия, надежно защищены от высоких температур и не окисляются. С помощью такой алюминиевой брони удалось создать жаростойкие детали для реактивных двигателей.

Алюминий хорошо проводит электрический ток. И хотя электропроводность его ниже электропроводности меди, делать из него провода выгоднее. Если делать медный и алюминиевый провода одинаковой длины и электропроводности, то диаметр алюминиевого провода будет больше медного в 1,3 раза, но вес его останется все же в 2 раза меньше медного.

При сгорании алюминиевого порошка выделяется огромное количество тепла, возникают высокие температуры, которых не выдерживают самые тугоплавкие металлы и их окислы. Это свойство используется в технике для получения металлов из их кислородных соединений. Такой способ называется алюминотермией. Широко применяют алюминий в быту. Из него делают тончайшую пленку — фольгу для упаковки шоколада, чая, табака; его используют для производства посуды, мебели и т. д.

Где же находят алюминий? Буквально всюду! Насчитывается более 250 различных минералов, содержащих этот металл: от самых разнообразных глин до драгоценных камней — голубых сапфиров и кроваво-красных рубинов. Но в чистом виде он в природе не встречается, так как это чрезвычайно активный элемент. По своей распространенности в земной коре алюминий — первый среди металлов.

Однако извлекают его пока лишь из ограниченного числа руд — бокситов, нефелинов, алунитов и каолинов. Причем из них добывается не чистый металл, а только его окись — глинозем, который и служит исходным сырьем для получения металлического алюминия.

Важнейшая алюминиевая руда — боксит. Это сложная горная порода, которая содержит не только соединения алюминия, но и других элементов — железа, кремния, титана, хрома и др. Качество боксита как алюминиевой руды определяется содержанием глинозема и окиси кремния. Чем меньше окиси кремния и больше глинозема, тем качество боксита выше. Но, кроме этого признака, необходима еще достаточная «вскрываемость» боксита, т. е. легкость извлечения из него глинозема.

Цена 1 Т металла Чтобы получить 1 Т чугуна, достаточно добыть и переработать 2-2,5 Т железной руды. Для выплавки 1 Т меди расходуется уже 70-100 Т руды. 1 Т золота извлекают в среднем из 100 и более тысяч тонн породы. А для добычи 1 Т радия потребовалось бы переработать до 500 млн. Т руды. — Наверное, для добычи радия расходуется очень много энергии? — подумаете вы — и ошибетесь. Расход энергии на добычу 1 Т радия колоссален, но мировая добыча его за год не достигает и килограмма. А вот на выплавку алюминия каждый год в мире расходуется чуть ли не 100 млрд. квт-ч электроэнергии. Для сравнения укажем, что годовая выработка такой мощной станции, как Волжская ГЭС им. В. И. Ленина, составляет «всего» 10,8 млрд. квт-ч.

Другая порода, содержащая много алюминия, — нефелин. Он входит в состав апатито-нефелиновых пород, которые долгое время использовались только для производства фосфорных удобрений. При разделении этих пород на апатит и нефелин первый шел на переработку, а второй — в отходы. Но в последние годы группа советских инженеров разработала и освоила промышленный способ комплексной переработки апатито-нефелиновых пород, и нефелины стали ценным сырьем для алюминиевой промышленности. Из таких руд и получают чистый глинозем. Чистым он должен быть потому, что в дальнейшем процессе при электролизе — молекулы окиси алюминия будут расщепляться. И если при этом в основном сырье окажутся примеси, обладающие большей активностью, чем алюминий, то все они перейдут в металл. А из алюминия такие примеси удалить еще труднее, чем из глинозема.

Из бокситов чистую окись алюминия в настоящее время получают в основном при помощи щелочного способа. Сначала боксит дробят. Затем обрабатывают раствором щелочи — едкого натра или едкого калия. Получается масса в виде пульпы, которую подают в автоклавы — металлические герметически закрытые цилиндры. После загрузки в автоклав пускают пар, который перемешивается с пульпой и нагревает ее. При этом давление в автоклаве повышается до 8-12 атм. Затем обработанную паром пульпу выгружают и разбавляют водой.

 

 

Сделано из порошков

 

 

Что общего между керамикой и резцами, обрабатывающими прочную сталь? Казалось бы, ничего. А между тем и для тех и для других сырьем служит мелко измельченный порошок, который прессуют и спекают. Резцы делают из металлических порошков и называют их металлокерамическими. Они столь тверды, что ими режут металлы.

В состав порошков входят разнообразные элементы — редкие металлы и их соединения. Сырье размалывают в специальных мельницах, смесью порошков заполняют формы, подвергают давлению, а затем нагреву. Чтобы получить изделия из порошков, не нужны ни плавка, ни механическая обработка. Шестерню таким способом можно изготовить очень точно.

Технология порошковой металлургии. Слева способы получения порошков: 1 — в шаровых мельницах; 2 — в вихревых мельницах; 3 — распыле-ниєм легкоплавких металлов на вращающихся дисках; 4 — электролизом; 5 — электроискровым способом.

Методом порошковой металлургии быстро и просто делают сейчас многие детали машин, приборов и различных вещей всевозможных форм. Шестерни, сварочные электроды, зубчатые колеса, щетки электродвигателей, магниты, контакты рубильников, мерительный и режущий инструмент — лишь немногие примеры металлокерамических изделий.

В порошок можно превратить любые, даже самые тугоплавкие металлы; можно составлять сложные смеси из разных металлов с разными свойствами; можно соединить вместе металл и неметалл — как, например, соединены медь и графит в щетках электродвигателей. Из одного и того же материала можно сделать разные изделия, с разными свойствами, если по-разному измельчать его в порошок и прессовать. И никаким другим способом нельзя сделать, например, подшипник с мельчайшими порами, через которые будет выдавливаться смазка. Трудно иначе получить изделия, состоящие из слоев нескольких металлов.

Металлокерамические тормоза самолетов.

Путь к металлокерамической детали начинается с приготовления порошков. Порошки бывают нужны различного «помола», различны и способы размельчения металла. Кусочки, обрезки проволоки, стружку дробят или перетирают в шаровой мельнице. В мельнице другой конструкции с помощью вентиляторов создают внутри воздушные вихри. Сталкиваясь друг с другом, кусочки металла сами измельчают себя. Иногда применяют и специальные дробилки с падающим грузом.

Легкоплавкие металлы распыляют в жидком виде, разбрызгивают под давлением сжатого воздуха, а затем направляют на размельчитель — быстро вращающийся диск. Застывшие капельки металла разбиваются на мельчайшие частички. Прибегают и к помощи электрического тока, восстанавливая металл электролизом из солей. Он получается хрупким и легко превращается в мельнице в порошок.

Смесь порошков далее прессуют в формах. Частички сближаются и плотно сцепляются друг с другом. При этом удается получить нужную пористость.

Остается произвести спекание: сначала при не очень высокой температуре, а потом, когда деталь приобретает уже окончательно нужную форму, при высокой. При горячем прессовавши применяют одновременно и давление и нагрев. В этом случае нагревают порошок током, причем можно использовать токи высокой частоты. Такое совмещение экономит время, и готовую деталь иногда получают за несколько минут.

При спекании происходят сложные процессы. Частички металла могут расплавляться, проникать друг в друга. Образуется плотная масса, свойства которой зависят от исходных металлов и от того, как происходили прессование и нагрев.

Минералокерамические резцы и фрезы.

Из пористых металлов делают подшипники, применяя для этого железо или бронзу вместе с графитом. Графит — хорошая смазка. В прессованный подшипник, содержащий графит, не нужно вводить масло. Другие пористые подшипники пропитывают маслом, которое постепенно выдавливается и смазывает трущиеся поверхности. Самосмазывающийся подшипник расходует масло очень экономно.

Металлокерамические детали встречаются в тормозных устройствах самолетов, автомобилей, сельскохозяйственных и землеройных машин.

Пористые материалы бывают нужны и для других изделий — фильтров, антиобледенителей. Чтобы крыло самолета не покрывалось льдом, на его передней кромке укрепляют пластинки из пористого металла. В поры поступает жидкость, которая испаряется и не дает появляться льду. Пористые фильтры для горючих масел и газов настолько дешевы, что выгоднее заменить засорившийся фильтр, чем очищать его.

Технике нужны магнитные материалы. Огромные магниты поднимают и переносят детали с места на место, крошечные магнитики применяются в приборах. Магниты требуются для
разнообразных электрических аппаратов. Просто и удобно их изготовлять из порошков. Магнитные изделия делают не только из металлов, но и из смеси магнитного порошка с пластмассовым. Этим избегают спекания, так как пластмасса связывает крупинки металла и без нагрева.

Металломинералокерамика применяется в реактивных двигателях.

Металлокерамику используют при изготовлении алмазно-металлических изделий. Шлифовальные круги, например, делают так: в заготовку укладывают крошечные алмазные зерна и связующий порошок и прессуют. Так же делают и буровые коронки.

Существует целая отрасль промышленности — производство твердых сплавов. Прочность материалов намного увеличилась за последние полвека. И если бы не твердые сплавы, в металлообработке нельзя было бы добиться больших скоростей резания.

Но и твердый сплав в конце концов перестает быть твердым, когда скорость резания достаточно велика. В последние годы появились еще более стойкие резцы — минералокерамические. Камень режет металл! Минералокерамические резцы дают возможность добиться самых высоких скоростей в металлообработке.

Теперь есть и металломинерало-керамика. В ее основе — металлы и минералы, в ней сочетается стойкость и прочность, она выдерживает сильный нагрев. Из металло-минералокерамики изготовляют защитные жаропрочные покрытия, например для деталей реактивных двигателей.

Возможности порошковой металлургии не имеют границ.

А то, что сейчас, помимо металлов, в ней применяется и минеральное сырье, еще больше расширило возможности и увеличило значение этой новой отрасли техники.

Великаний багаж В 1913 г. на каждого жителя России приходился не такой уж большой «груз» различных продуктов: 205 кГ угля, 60 кГ чугуна и стали, 66 к Г нефти и 11 кГ цемента. В 1965 г. на каждого жителя СССР придется примерно по 300 кГ чугуна, 360 кГ стали, 2500 кГ каменного угля, 1000 кГ нефти и по 320 кГ цемента. Только по пяти видам продукции на каждого из нас придется по 4,5 Т — это поистине великаний багаж!

 

Химическая промышленность

 

 

Химия служит человеку — Д. А. Эпштейн

Как произошли химические открытия

Когда возникла химия

Современное применение химии

Химики синтезируют высокомолекулярные вещества

Как химики управляют реакциями

Химические заводы

Развитие большой химии

Превращения нефти и угля — В. А. Юфин

Первичная переработка нефти

Что такое термический крекинг

Разделение газовых смесей холодом

Переработка угля

Материалы неограниченного выбора — О. Н. Писаржевский

Незаменимые качества

Полиуретан и смолы

Как создаются молекулы-гиганты

Переработка полимеров

Как производят питание для растений — С. И. Вольфкович и И. А. Поспелов

Какие бывают удобрения

Как производится аммиачная селитра

Как получают фосфорные удобрения

Другие виды удобрений

Увлекательные перспективы

 

Химия служит человеку

 

 

Оглянемся вокруг. Дом, в котором мы живем, смотрит на мир прозрачными бесцветными стеклами; стены выложены из кирпичей, связанных между собой известью или Цементом; изнутри стены оклеены обоями; пол, двери, рамы окрашены в различные цвета. Машины, во множестве установленные на фабриках и заводах, изготовлены из сплавов железа — сталей различных марок и чугуна. Сталь необходима также для сооружения тепловозов и электровозов, железнодорожных вагонов и трамваев, рельсов, предметов домашнего обихода. Широко используются алюминий, медь, цинк, олово, свинец и десятки других металлов.

Химия — везде! Без нее не построишь дом и не сконструируешь станок, не сделаешь автомобиль и трамвай, не получишь топливо, не приготовишь лекарство.

В двигателях автомобилей, самолетов и тракторов сгорает бензин, керосин и другие виды жидкого топлива. Все машины — от самых крохотных до гигантов — нуждаются в смазочных маслах.

Миллионы тонн минеральных удобрений применяются ежегодно в сельском хозяйстве для питания растений, всевозможные вещества защищают растения от насекомых и болезней, помогают уничтожать сорняки. А как было бы плохо, если бы мы внезапно лишились лекарств, помогающих предупреждать и излечивать болезни!

Но к чему мы перечисляем столь разнообразные материалы — стекла и обои, сталь и минеральные удобрения, лекарства и кирпичи, бензин и смазочные масла, что общего между ними?

А общее то, что природа не дает нам их в готовом виде. Они получаются на заводах посредством химических реакций.

Чтобы получить, например, важнейшее минеральное удобрение — аммиачную селитру (NH₄NО₃), на азотнотуковых заводах сжижают воздух, из жидкого воздуха выделяют азот, связывают его с водородом в аммиак и затем проводят еще несколько химических реакций. На разнообразных химических заводах вырабатывают химические продукты — серную кислоту, соду, хлор, минеральные удобрения, красители, лекарственные вещества, пластмассы, химические волокна, каучуки и резиновые изделия, фото- и кинопленки, фотобумагу, мыла и духи и сотни других продуктов.

Химические реакции применяются не только на химических заводах.

Почти все металлы, за исключением платины, золота и серебра, встречаются на Земле только в виде соединений, и для их получения нужно обязательно подвергнуть руды химическому воздействию. Химия играет огромную роль в металлургическом производстве.

Чтобы получить, например, чугун из железной руды, необходимо провести ряд химических реакций. В руде железо находится в соединении с другими элементами, большей частью с кислородом, т. е. в виде окислов. В состав руды, кроме соединений железа, входят и другие вещества. Посредством химических реакций железо восстанавливается, сплавляется с другими элементами — углеродом, кремнием, марганцем, отделяется от примесей. Такой процесс проводится в доменных печах.

Последние годы ознаменовались созданием высокоскоростной авиации, бурным развитием радиотехники и телевидения; человечество овладело тайной расщепления ядер элементов. В связи с этим понадобились новые металлы и сплавы, обладающие своеобразными свойствами — исключительной жаропрочностью и химической стойкостью. Для их получения разработаны новые химические процессы.

Химия используется и в машиностроительном производстве. Литье деталей, газовая сварка и резка, термическая обработка, травление — все эти операции в своей основе Химические.

Жидкие топлива и смазочные масла также получают химическими методами на нефтеперерабатывающих заводах.

В производстве многих строительных материалов — кирпича, извести, цемента, огнеупорных изделий — основную роль играют химические реакции. Очень велико значение химии в производстве пищевых продуктов. Не обойдешься без химии и в текстильном производстве — хотя бы, например, при отбеливании и крашении волокнистых материалов.

Уже из этого далеко не полного обзора практического применения химии ясно, что ее роль в современной жизни огромна.

Потрясающие факты Вместе с каждой тонной добытой нефти из земли извлекается в среднем 50 м³ газа, который до недавнего времени бесполезно сжигался в факелах. Весят эти 50 м³ примерно 30 кГ. Значит, на каждые 30-35 Т добытой нефти приходится по 1 Т газа. К концу семилетки нефти будет добываться больше 200 млн. Т, а попутного газа почти 30 млн. Т. Из каждой же тонны газа можно приготовить 3 тыс. м синтетических тканей, или 400-500 кГ синтетического каучука, или 300-500 кГ пластических масс — это из 1 Т. А из всего попутного газа?!

 

ПЕРВОЕ ХИМИЧЕСКОЕ ОТКРЫТИЕ

Какую химическую реакцию человек поставил себе на службу первой? Конечно же, реакцию горения. Трудно сколько-нибудь точно определить, при каких условиях и когда человек овладел огнем. Сотни тысяч лет отделяют нас от этого события. Первобытные люди боялись этой грозной силы природы, спасались бегством от страшных лесных пожаров, вспыхивавших, например, при попадании молнии. Но наступило время, когда люди «привыкли» к огню, открыли способ добывать огонь трением, начали обогреваться у костров в холодные ночи, а позднее применять огонь, чтобы сделать пищу более вкусной. Насколько могущественнее сделало человека это первое химическое открытие в его борьбе с природой! Ф. Энгельс писал: «... добывание огня трением... окончательно отделило человека от животного царства».

 

ОБ АЛХИМИКАХ

Прошли тысячелетия, в течение которых человечество медленно, ощупью копило все новые и новые сведения о превращениях, которые мы ныне зовем химическими. Многие из этих превращений были столь неожиданны, что породили фантастические представления о возможности получить золото из других элементов, добыть химическим путем «элексир жизни», дарующий человеку вечную молодость. Эти представления поддерживались всевозможными авантюристами, стремившимися нажиться на невежестве. Но далеко не все алхимики, как звали тех, кто в мрачных лабораториях средневековья производил химические реакции по «строго секретным» прописям, были обманщиками, — многие из них заблуждались искренне. Самое же главное, однако, то, что постепенно открывались новые вещества, новые способы их получения. Так были открыты и изучены серная и азотная кислоты, многие соли и щелочи. В XV в. серную кислоту получали уже тем самым способом, который существует ныне: сжигали серу и окисляли двуокись серы кислородом воздуха в присутствии воды и при участии окислов азота.

СОСТЯЗАНИЕ ПРОДОЛЖАЕТСЯ Самые лучшие сорта стали выдерживают большие нагрузки—до 200 кГ/мм^2. В ближайшие годы металлурги обещают создать стали с прочностью в 300 кГ/мм^2. Но химики работают и над получением сверхпрочных волокон. Кто же одержит победу — металл или волокно? По-видимому, все же металл. Во многих лабораториях сейчас выращиваются тончайшие (в несколько микронов поперечником) кристаллики меди и других металлов — «усы». Прочность их огромна. Если бы удалось получить такой «ус» сечением в 1 мм^2, на нем бы повисла гиря весом в 1 Т и даже больше. Представьте себе тонкую проволочку, к которой прицепилось 15 взрослых человек! Настанет день, говорят металлурги, когда появятся буквально кружевные фермы мостов, тончайшие телевизионные башни в десятки километров высотой, почти невесомые автомобили и другие машины, сделанные из металла невиданной прочности.

 

Когда возникла химия

 

 

За долгие века человечество накопило много полезных сведений из области химии. Но ни химической науки, ни науки о химических производствах — химической технологии не существовало до тех пор, пока не были открыты основные законы химии — закон сохранения массы веществ, атомно-молекулярная теория. Это произошло во второй половине XVIII и начале XIX в. Открытию этих законов человечество обязано нашему великому соотечественнику М. В. Ломоносову, выдающемуся французскому химику Лавуазье, англичанину Дальтону и другим ученым. Теория озарила ярким светом множество разрозненных фактов и открыла дорогу дальнейшим экспериментам и новым теоретическим открытиям в области химии. Особенно важно было открытие периодического закона Д. И. Менделеевым и структурной теории А. М. Бутлеровым. Опираясь на развивающуюся химию, формировалась и химическая технология. Значительно быстрее, чем раньше, создавались новые химические производства, совершенствовались химическая аппаратура, машины химического производства. Познакомимся с некоторыми наиболее важными достижениями химической технологии в исторической последовательности.

 

ПРОБЛЕМА СОДЫ

Во второй половине XVIII в. Западная Европа вступила в период быстрого промышленного развития. Быстро росло население, росли города. Потребовалось больше одежды и обуви, а в связи с этим — химических продуктов, применяемых в производстве тканей и кожи — соды, красителей и др. Сода нужна также при производстве мыла, стекла. В конце XVIII в. ощущался резкий ее недостаток.

В отличие от других натриевых солей, и в особенности от хлористого натрия, соды в природе мало. Она содержится в некоторых природных водах — в озерах Египта, Калифорнии, Китая, Сибири. Залежи природной соды немногочисленны. Кроме того, некоторые растения, произрастающие на морских берегах, концентрируют натрий, и поэтому зола этих растений содержит соду. Из этих-то источников и получали раньше соду. Она была дорогой и недостаточно чистой. Когда потребность в ней увеличилась, понадобились новые способы ее получения, новые виды сырья. В качестве сырья можно было использовать каменную соль. Но как превратить ее в соду, как заменить атомы хлора на группу СО₃?

Отрасли химической промышленности

В конце XVIII в. Парижская академия наук объявила конкурс на лучший способ получения соды. Лучшим был признан способ Леблана, по которому хлористый натрий сначала превращали действием серной кислоты в сернокислый натрий (попробуйте составить уравнение этой и следующих реакций); затем сернокислый натрий восстанавливали углем в сернистый натрий и одновременно действием известняка (углекислого кальция) превращали сернистый натрий в углекислый, т. е. в соду. Процесс был сложный, но тем не менее он получил очень широкое распространение и применялся в течение почти всего XIX в. Этот первый пример из истории современной химической промышленности наглядно показывает важнейшую особенность химических методов производства — возможность неограниченного производства продуктов из распространенного в природе сырья.

 

ПРОБЛЕМА ПИТАНИЯ

Новая проблема волнует ученых-химиков, проблема, затрагивающая самое существование человечества. Растет население городов, особенно в странах с быстро развивающейся промышленностью, растет потребность в продуктах питания. Надо поднимать урожайность сельскохозяйственных культур. Совместными усилиями химиков и биологов были установлены некоторые законы питания растений, определены элементы, в которых они нуждаются, выяснено, какие вещества должны вноситься в почву, чтобы полностью «накормить» растения. Оказалось, что «дефицитные» элементы — это в первую очередь фосфор, азот и калий. Чтобы повысить урожайность, необходимо вносить в почву больше удобрений. Органических удобрений не хватает для возмещения изъятых из почвы растениями питательных веществ. Тогда и встала задача создать производство минеральных удобрений. Решить ее могла только химия.

В середине XIX в. возникает производство фосфорных удобрений, позднее — калийных, а в начале XX в. — азотных. Химическая промышленность тесно связывается с сельским хозяйством. Сейчас производство минеральных удобрений — важнейшая отрасль химической промышленности.

 

Химические заводы

 

 

Что же представляют собой современные химические заводы, на которых проводятся разнообразнейшие химические процессы при разных температурах, давлениях, при участии многочисленных катализаторов? Вы знаете, как проводят химические реакции в школьном кабинете, некоторые из них вы проводили сами. А как эти же реакции проводят на заводах? Ведь там перерабатывают не граммы, а тонны и тысячи тонн исходных веществ!

Пойдем на сернокислотный завод. Сюда ежедневно поступают вагоны с серным колчеданом. Его нужно выгрузить, разместить на складе, крупные куски измельчить, отобрать для обжига куски определенных размеров, доставить измельченный колчедан к печам, загрузить его в печь, выгрузить из печи образующийся твердый остаток — огарок (окись железа). Можно ли все эти операции проводить вручную? Конечно, нет. На современном заводе транспортировку, измельчение, загрузку, выгрузку совершают машины-дробилки, транспортеры, шнеки, элеваторы и т. д. Машины и механизмы приводятся в движение электродвигателями. Между тем всего еще тридцать-сорок лет назад рабочие на сернокислотных заводах забрасывали колчедан в печь и выгребали горячий огарок лопатами. Какая это была трудная работа, сколько рабочих требовалось для того, чтобы обжечь даже небольшое количество колчедана!

Пульт управления и контроля на химическом заводе

Известно, что любой процесс нужно проводить при определенных условиях: при заданных температуре, давлении и т. д., — как говорят, при определенном режиме. Кто же и как поддерживает заданный режим? Очевидно, для управления процессом прежде всего необходимо знать, как работает данная машина, данный аппарат, т. е. знать, например, какая температура в печи, какое количество колчедана в нее поступает в течение часа, каков состав образующегося газа — процент содержания сернистого газа. На глаз все эти показатели не определишь. Нужны измерительные приборы и инструменты, например термометры и пирометры, газоанализаторы и т. д.

Чтобы иметь возможность непрерывно следить за ходом процесса, быстро устранять отклонения от нормального режима, все показания приборов, контроль централизуют — все показатели передаются на общий щит. Это, конечно, облегчает работу человека, управляющего данным аппаратом или группой аппаратов, и делает управление более надежным. Можно пойти и дальше — установить автоматы, которые сами будут поддерживать заданный режим.

Пусть, например, температура в колчеданной печи повысилась до верхнего допустимого предела. Стрелка пирометра достигла крайнего положения, и тогда автоматически включается регулятор количества воздуха, подаваемого в печь, температура понижается. Ясно, что такое устройство более надежно поддерживает заданный режим, чем человек.

Роль человека изменилась — теперь требуется такой аппаратчик, который был бы знаком не только с процессом, происходящим в печи, и способами его регулирования, но и с автоматическими устройствами. Основное внимание приковывается к наблюдениям за работой автоматов. Но, конечно, нужно знать также и процесс.

Остается ли заданный режим неизменным в течение длительного времени или его нужно изменять? На тот же завод серной кислоты поступил колчедан с меньшим содержанием серы, чем обычно. Значит, нужно изменить режим работы печи, а быть может, и режим работы других аппаратов. Кто это сделает, кто обдумает новые условия, рассчитает их и даст указания аппаратчику? Инженер-химик или заведующий цехом? Пока еще действительно, как правило, требуется в каждом случае вмешательство кого-либо из названных лиц. Но в последнее время развивается новая отрасль техники — техника управляющих машин. Такая машина принимает информацию о течении процесса, сама на основе этой информации находит наивыгоднейшее решение и отдает команду, как перестроить процесс.

В 100 раз прочнее Есть такая деталь подшипника—«чугунныйвкладыш». Каждый квадратный сантиметр чугунной детали может выдержать давление от 15 до 25 кГ. Делают подшипники и из текстолита (его готовят из пластмасс и растительных волокон). Такие подшипники выдерживают нагрузку 2500 кГ/см^2. Возьмем текстолитовый подшипник диаметром в 160 и длиной в 250 мм. Он поместится на листе школьной тетради. Выдержит же этот подшипник тяжесть в 1 млн. кГ — вес большого дома.

 

Алюминий

 

 

Только в самые последние полтора-два столетия, когда начала развиваться машинная техника, состоялось знакомство человека с алюминием. Серебристого цвета, очень редкий и добываемый с большими трудностями, он ценился сначала дороже золота. Его применяли лишь для дорогих украшений. Тогда еще трудно было предположить, что у этого металла большое будущее. И все же довольно скоро из рук ювелиров алюминий перешел к конструкторам и технологам.

Первую победу он завоевал в великом соревновании между многими материалами за право летать. Был момент, когда бурное развитие воздушной техники затормозилось из-за отсутствия легкого и достаточно прочного материала. Начались поиски. Дело решил алюминий. Его легкие и высокопрочные сплавы позволили увеличить скорость и дальность полета, поднять высоту и грузоподъемность самолетов. Недаром алюминий получил почетное название «крылатого металла».

Все это сделано из алюминия.

Достоинства алюминия открыли ему широкую дорогу не только в авиацию, но и в автомобилестроение, электротехнику, химию, металлургию.

Однако не будь у алюминия могучих союзников — других металлов, он никогда не смог бы столь стремительно завоевать общее признание. Ведь прочность чистого алюминия в 10-12 раз ниже прочности стали. И только в соединении с другими металлами прочность его значительно возрастает.

Алюминиевые сплавы чрезвычайно разнообразны по своим свойствам и химическому составу. Один из распространенных сплавов — дюралюминий. Это сплав алюминия с 2,2-5,2% меди, 0,2-1,8% магния и 0,3-1,0% марганца. Дюралюминий — прекрасный конструкционный материал. По своим свойствам он близок к некоторым сортам мягкой стали, но легче ее почти в три раза. Он отлично поддается прокатке в листы, ленты, вытягивается в трубы, прессуется. Кроме того, со временем дюралюминий стареет, теряет свою пластичность и становится твердым и прочным. Для технологии это чрезвычайно ценное свойство. Пока он пластичен, из него можно изготовлять сложные детали, его можно гнуть, растягивать, ковать. Но через 7 дней (таков срок его старения) эти свойства теряются, детали становятся твердыми, прочными и не поддаются деформации.