铝是地壳中含量最多的金属元素,在地壳中占7.45%,比铁多1.77倍。据科学家估算,地壳中铝的储量高达250-280亿吨,是地壳中金属总储量的1/3以上了。
不过,尽管铝在地壳中储量不少,但是能大量生产铝,是“工业革命”以后才开始的事,距今不过150-160年左右。
在1807年的时候,人们就从明矾中发现了铝。但到了1827年,德国化学家维勒才在一间简陋的实验室里面得到了比较纯的金属铝。
铝的化学性质很活泼,在自然界中它们是从来不以金属状态存在的,它们的化合物或多或少存在于各种岩石以及动植物中。因为化学性质比较活泼,所以铝是不可能用像钢铁那样冶炼的。于是,铝在地壳中含量虽然多,但在早期还是神秘加可望而不可及的东西。
1854年,法国科学家德维尔经过了多年的潜心研究,发现了用与氧反应更加强烈的金属钠,从氧化铝中置换出更多金属铝的做法。
1855年,一件铝标本在巴黎博览会上展出,立即引起了全世界的巨大反响,美、英、德等国相继效仿生产。但是,钠也是贵金属,所以这种方法生产的铝仍然非常稀少,世界此时的年产量不足40吨,所以铝的价格这个时候比黄金还昂贵。这个时候的铝,成了制作首饰装饰品和富豪显贵显示自己的财富的象征了。
直到1886年,这时候已经发明了电力了,才出现了转机。美国和法国两个青年人,霍耳和赫欧,不约而同地提出了电解炼铝的办法。那就是将氧化铝溶解在冰晶石中电解,用这样的办法就能够得到大量的比较纯净的铝。这电解铝炼铝方法的发明,也让铝这种金属从贵金属变成了大众金属,走进了千家万户。
铝这种金属的应用非常广泛:小东西有铝制的饮料啤酒易拉罐、铝制的餐具、铝合金门窗、很多家用电器的外壳是铝的。大东西有高压线、很多交通工具的外壳等。
但是呢,笔者作为一个军事博主,还是需要说一说铝金属在军事方面的应用。铝在陆地上、海上还有航空、甚至航天方面都有广泛的应用,所以有一种说法铝是“战略金属”。
铝首先的特点就是轻,所以铝合金最适合用在飞行器上面了。在比较古老的飞行器“齐柏林”飞艇被击落后的残骸中,就发现了铝。然后,更加实用的飞行器——飞机就出现了。在早期的飞机还是比较简陋的,很多飞机的机身还是用木材来制造的。但很快,先进的飞机就普遍要用铝合金来制造了。特别是在二战时期,铝在飞机上获得了更加广泛的使用。到了1943年的时候,铝的产量就达到了195万吨了——在1916年的时候,它的产量也不过13万吨。
飞机进入喷气式时代以后,铝这种产品的使用更加广泛了。无论是战斗机、轰炸机,还是运输机、民航客机,都广泛使用铝。据专家统计,一架现代化的超音速战斗机上面,铝合金的重量占总重量的70%左右了。在大型飞机方面,举两个例子:一架“协和式”超音速客机需要用铝220吨;而一架B-1B型超音速轰炸机则需要用铝142吨。所以说,这个铝,真是当之无愧的飞行金属了。
但是,铝合金用在飞机上也有一些缺点,那就是铝的熔点是比较低的,在660摄氏度左右,不到钢铁的一半。用在飞机上,如果飞行速度在2.5倍音速以下时,问题不大。但如果超过2.5倍音速,它就会出现过热的情况,飞机上的铝合金部件性能就会打折扣。于是,当飞机追求高空高速比如要飞到三倍音速时,铝合金就不能用了。为了追求高空高速,很多国家寻求新的材料。
最理想的当然是钛合金,它的熔点比较高。美国的著名的SR-71“黑鸟”高空侦察机那就是用钛合金制造的。但是钛合金非常昂贵——虽然钛在地壳中的蕴藏量也不算少,但是熔点高,冶炼加工困难。在没有发现大规模廉价冶炼钛合金的情况下,它的地位就和当年的“铝“差不多。苏联为了让飞机达到三倍音速,使用了更加简单粗暴的办法,那就是用更耐高温的”不锈钢“来制造飞机。这就是大家都知道的米格-25”狐蝠“战斗机了。同样,不锈钢让米格-25达到了三倍音速,但是也随之而来的是飞机太重、发动机功率消耗太大,而且推重比比较低等等。
不过,到了第三代战斗机的时候,战斗机已经不再刻意追求三倍音速了,而是追求亚音速、高亚音速的机动性能高,推重比高。然后就是更加先进的机载电子设备,还有超视距空战能力。于是,钛合金飞机、不锈钢飞机就不再研制了。战斗机的主要材料,还是铝。至于运输机还有民航客机,那是要讲究成本和经济性的,所以不会刻意追求高空高速,那当然主要材料还是铝。
在海上和陆地上,这铝材料应用也是十分广泛。铝材料算作是比较轻的金属材料了,所以很多快速轻型舰艇是用铝合金制造的,比如大型军舰附带的交通艇、救生艇等就有用铝制造的。很多鱼雷艇、导弹艇的艇体也是铝合金的等。英国的42型驱逐舰甚至有好几艘的上层建筑是用铝合金建造的,比如谢菲尔德号。但是,实战中,铝合金熔点低的缺点又一次暴露了。马岛战争中,谢菲尔德号被一枚飞鱼反舰导弹打中了,铝合金上层建筑被引燃发生了大火,最终导致舰艇沉没。吸取了这个教训以后,舰艇中铝合金用的就少了。
陆上装备一直是钢铁的天下,但是铝也为自己赢得了一席之地,甚至能用到装甲车辆上。比如,英国的”乔巴姆“复合装甲中,就有铝和陶瓷材料。铝材料的主要优势还是轻便,对于很多对于重量十分在意的两栖和空降装甲车辆还有轻型坦克装甲车辆就有很重大的意义了。
比如,美国的M113装甲输送车悍马越野车、英国的蝎式轻型坦克武士步兵战车、苏联/俄罗斯的BMD系列空降战车、我国的03式空降战车等,都采用了大量的铝合金材料等。
因为铝是地壳中含量最多的金属,那么可以展望加预料的是铝的应用是一定会越来越广泛的。虽然,就目前来看,世界产量处于第一位的还是钢铁。
铝以化合态的形式存在于各种岩石或矿石里,如长石、云母、高岭石、铝土矿、明矾,等等。含有铝的矿物很多,但最适合电解铝的还是铝土矿。
容易开采的铝土矿主要分布在热带亚热带地区,比如东南亚、南亚、非洲、南美洲等。在非洲的铝土矿产区,甚至可以露天开采。我国的铝土矿储量却比较少——或者说大部分铝土矿藏开采成本高、难度很大。
通过铝土矿获得铝的主要流程如下:
这个电解铝的确带动了很多地方的GDP快速增长,增加了很多地方的利税、财政收入。但是,它毕竟是高耗能、高污染的项目。于是,很多省市为了产业升级,发展高技术、高科技产业同时保护环境,毕竟绿水青山就是金山银山。开始限制它的发展,但是很多地方还是要保护它的,指望着它创造GDP呢……于是就出现了上级比如发改委限制要求电解铝去产能,但是很多地方要保护它,要求铝业“坚持生产”这样的状况。
电解铝最大的成本是电力,如果电解铝所需的电力是来自于比较清洁或温室气体排放比较少的电站,比如水电站或者核电站(可惜现在很多网友把核电站妖魔化了)等,那不算太大的问题。然而,电解铝企业还是觉得从电网采购电力(买电)的成本高。于是,很多电解铝企业就自己建造热电厂,自发电自用。某大型电解铝企业,不光自己建造热电厂,自己发电电解铝,还有剩余电力向外出售等,甚至和国家电网发生了矛盾冲突。这些企业自己建造的热电厂,基本都是燃煤热电厂。尽管他们解释他们使用的是清洁燃煤,脱硫处理等等等。但是,燃煤热电厂就会造成温室气体排放——而且企业自备热电厂很难受到控制,这本身就不符合节能减排的大趋势——这也算污染。