走進鋁的製造過程

它是打造太空飛船的神奇原料,也是鑄造世界最大渡輪發動機的必備材料,輕到可以製造飛機的關鍵部件,卻又硬到足以擊打棒球,還能用來保護和儲存食物,通過壓制和熔鍊再被捲成卷,甚至製成泡沫的鋁,它改變了世界,今天就走進鋁的製造工廠,一睹其驚人的蛻變以及帶來的人類驚天工程。 你知道鋁這種神奇的物質來自於哪裏呢?其實都來自於腳底的大地,它們可以說是地殼中儲量最豐富的金屬,地下的每一百萬個原子中就有八萬兩千個是鋁原子,但是純鋁無法在自然界中單獨存在,它儲藏在棕紅色的鋁土礦中。 仍通過煉製工藝來提取鋁,氫氧化鈉溶液會侵蝕鋁土礦,將鋁從鋁土礦中溶出,所生成的白色殘留物乾燥後就變成了白色粉末,這是一種叫做氧化鋁或繁土的化合物,鋁便是從氧化鋁中提取的,現在只需要將氧化鋁中的氧分離出來,爲此得把氧化鋁運進專門的生產設備。 比如美國鋁公司在印第安納州的伊萬斯維爾所操作的這臺設備,這個堆礦場每天都會收到一船重約三百二十萬磅的氧化鋁,他們用吸粉機將原料從船上吸上來,吸粉機每小時能吸三百噸的粉末,十小時就能清空一條泊船,吸走的粉末會被送上傳送帶。 在這棟佔地一百二十英畝的超大型綜合樓內,七百五十隻鍋爐正等待着粉末的到來,每一隻爐子的內部都設有熔岩浴,每隔兩分鐘,頂上的架空潰陷就會往其中一個鍋爐裏倒入七磅粉末,隨着粉末逐漸融化,煉爐的最關鍵要素開始大顯神威,那就是大量的電。 附近的煤電廠向鍋爐工的電,足夠滿足三十萬戶家庭的用電需求,電流通過銅杆被導進鍋爐,銅杆與吊在鹽浴槽上方的鋼塊相連,鹽浴槽中的氧化鋁分子由兩個鋁原子和三個氧原子組成,電流使分子電解,迫使原子散落開來,這一過程製造出了液態金屬,由於液態金屬的密度稍大於鹽液,它便會沉到鍋爐的底部,然後釋放出二氧化碳氣泡, 不過此時冶煉還不算完,隨後工人會從鍋爐中提取出熔融鋁,把它轉化爲固態鋁,此時產車把一鍋鍋液態鋁運到保溫爐附近,再由起重機把融化的金屬倒入保溫爐,然後液態鋁順着渠道流進鑄造室讓鋁固化,這些大鋁塊將被鑄成各種製品, 從啤酒罐到船舶發動機,從燉鍋到外牆皮,充斥着各行各業,相對於青銅,鉛,鐵,純銅等古老的金屬來說,鋁元素最早是由化學家戴維於1808年發現的,但是在當時人們只能提煉出純度不高的鋁製樣品,所以它變得非常稀有,價格更是黃金的兩倍,直到19世紀80年代,冶煉工藝的進步才促進了鋁價的下跌, 紀念碑的大理石尖頂上所安放的鋁製金字塔,重達2.8千克,這是當時所焦鑄成的最大的一塊鋁,兩年後的1886年,法國人保羅和美國人查爾斯,他們所發現的化學電解鏈鋁法至今仍被使用,這使得鋁的市場價猛跌到了不到一美元每磅,冶煉工藝的突破釋放了鋁的潛能,從而引發了多個革命性新產業的崛起, 其中遠洋輪船的發動機裏就運用了大量的鋁,它幫助人類走向更廣闊的海洋。 工人正在將16噸重的金屬水濃湯倒入兩個巨大的膠柱鋼包,這裏就是德國超級柴油發動機MPU8000的製造工廠, 對於這臺發動機來說最重要的莫過於這個重達數噸的外殼,接下來就一起看看它是如何製造出來的,這是一臺世界上功率最大,速度最快的柴油引擎, 它能讓這艘雙體渡輪可最高加速至42節,這臺發動機是一臺20氣缸的共軌柴油引擎,長度達到7米,寬度2米,高度達3.5米, 整個引擎機組和蒸汽機車差不多大小,重達48噸,20個氣缸350升的排氣量,13600匹馬力,每小時能消耗2000升的燃料, 其中最大的最核心的部件就是巨大的曲軸箱,整個引擎曲軸箱的製造來自於德國這家鑄造廠,早在15世紀的時候,這裏還是一個小鐵匠鋪, 他們有着600多年的打鐵鑄鐵成型的歷史傳統,現在鑄造廠的三個高爐高速的運轉着,工人正在製造的就是MPU8000超級引擎的曲軸箱, 這些就是用來鑄造超級發動機的原材料,他們主要是廢鋼廢鋁,生鐵,人造石墨,碳化硅等,交出這樣一臺曲軸箱需要消耗16噸的原材料,工人需要不斷的注意爐子的溫度, 只有當爐子達到1500度時熔水才能運往模具鑄造,這個過程中工人需要不斷的將這種測量管帶着溫度感應頭,放到熔爐裏去測量, 每當達到不同的溫度時,工人就會相應的往熔爐里加入原材料,這樣才能確保曲軸箱的硬度和韌度,時不時的還要咬出一勺來品嚐一下,將濃湯倒入樣品乾鍋裏,乾鍋裏放着一個小小的測量管,目的就是測量溫度變化的過程,並將結果傳到隔壁辦公室的電腦裏, 如果這些濃湯按預定的過程冷卻,就證明了原料的配比是正確的,巨大的熱能是靠電流產生的,和家用電磁爐的原理一樣。 不一樣的地方就是這裏用的三個工品感應熔煉爐,它具有5000個微波爐的能量,功率達到4兆瓦,當溫度終於達到1500度的時候,工人需要將這些濃湯倒出來,此時工人需要用溜槽再加入一味調料,那就是煤,當煤在這個溫度下瞬間就會變成蒸汽的狀態,它就像可樂裏的二氧化碳一樣穿過熾熱的金屬,它的作用就是改變鐵分子的網絡結構,讓曲軸箱變得更加有韌性。 一切妥當以後就是將這個16噸重的濃湯倒入兩個巨大的膠柱缸包,因爲曲軸箱的鑄造模具只有兩個膠入口,這個就是單個零件的鑄造模具,它是由浸泡過的樹脂石英沙組成,它經過硬化之後就跟石頭一樣,10個這個單片核心組成了超級發動機曲軸箱的整個鑄造模具。 在膠柱之前每個模子上都會刷上塗層,叫中間層氣味很大,它的作用就是防止在鑄造的過程中沙子粘在鋼鐵上,當鋼水濃湯通過這個管道流入模具,裏面是一個陶瓷過濾器,然後通過這些切槽流入模具,這10個單片模具首先放入一個鑄造框架,此時工人們需要往框架裏面填入沙子,如果沒有這些沙子,模具的部件有可能在鑄造的過程中被炸飛, 整個填沙的過程需要工人極具經驗,因爲沙子填入有誤都有可能導致模具報廢,隨後就是澆注鋼水濃湯了,在這個過程中工人需要一直測量鋼水的溫度,溫度絕不能下降到1400度以下。 巨大的航車將鋼包運往模具,這個過程需要非常小心,鋼水被緩慢地倒入澆注鬥,當工人拉下閥門的操作杆後,16噸的液態鋼水只需要70秒鐘就能流向整個模具並充滿模具中的每個空腔,一分鐘以後澆注就完成了,這些鋼水濃湯在模具內需要冷卻兩週。 兩週以後工人會把曲軸從模具中剝離,工人用起重機將其吊起,此時石硬沙外殼開始脫離,呈現在眼前的就是全新的NPU8000超級發動機的曲軸箱,然後由焊接工人切斷兩條注入形成的鐵柱,在7米長的柱件上還有很多多餘的部分,工人需要逐個地將其切割掉,這些割下來的材料可以回收下次澆注再利用。 緊接着這臺曲軸箱被吊機吊至一個巨大的振動板上,隨着振動的加劇,粘在柱件上的石硬沙紛紛脫落,這些石硬沙也會用來回收再利用,三分鐘後這臺超級曲軸箱被送到噴丸室,在噴丸室裏它將接受數以萬計的鋼珠的衝擊,這些鋼珠以200公里的時速將柱件的表面清理得乾乾淨淨,整個過程持續一個小時後,呈現出來的就是一個令人驚歎的工程奇蹟。 全世界每年消耗6290萬噸的鋁,僅美國一年就要消耗掉86萬噸鋁,可以說沒有鋁現代文明就無法維繫,無論是我們所乘坐的飛機,還是日常代步的汽車以及城市的建築全都有鋁的身影,但大部分人最熟悉的鋁製品可能比頭髮絲還要薄,那就是超過95%的家庭都會使用的鋁箔,它能隔絕光線,空氣和水分是料理食物的理想之選。 但是鋁箔又是如何造得如此之薄?位於弗吉尼亞州里士滿的雷諾茲工廠,每天生產超過34萬磅鋁箔,機動油軌車運到工廠的鋁是重達32萬磅的巨大鋁卷,首先需要將其放到退火爐裏,退火處理有助於軟化金屬。 每張鋁片有0.0045英寸厚,基本上跟一張光碟的厚度差不多,軟化後的鋁片要交給滾壓機進行加工,由於施加在鋁上的高壓可能催生火化,鋁片在進入滾壓機後會澆上一種冷卻潤滑劑,在滾壓機內部,鋁片要經過兩隻電動旋轉滾輪的碾壓,上下還有一隻更大的無動力滾輪向內施加均勻的壓力,幫助電動滾輪將鋁片碾壓成統一的厚度。 這一次經過滾壓機鋁片的厚度就會減半,長度也會更長,總長30萬碼的鋁卷要先後經過三臺滾壓機,然後進行6次碾壓,最後在精壓機上完成碾壓後鋁卷的長度達到240英里。 精壓機的最後一道碾壓就是鋁箔爲什麼只有一面閃光一面是啞光,由於鋁片的外側接觸的是經過高度拋光和潤滑的滾輪表面,這一面出來後就是閃光的。 而鋁卷的內側沒有經過高度拋光的滾輪,所以這一面出來後是啞光的。 兩張鋁箔出來後每一層都只有0.00064英寸厚,這比一張標準複印紙還要薄6倍。 接下來同時滾壓的兩卷鋁箔被分開後,金屬架上的刀具會把鋁卷切成6等份,每份寬12英寸,接下來機械臂將切好的每一等份剪出。 現在鋁箔的厚度和寬度已經制完,將要由包裝設備將每張鋁箔切割成標準的長度。 一臺筒子車會對鋁箔進行切割,然後把鋁箔卷在一根纖維心上,每分鐘能卷300轉,然後由機器將鋁箔卷裝入紙盒,成品鋁箔接下來就是銷往全世界。 實際上鋁箔的起源要追溯到百年前,那時候人們用非鋁的金屬來保存食物,以滿足人們對甜食或者煙燻食物的需要。 1947年鋁進入居家使用,雷諾茲包裝紙公司首次發行了一種25英尺長12英寸寬採用粉色和銀色包裝的鋁箔卷,通常就是人們所稱的錫箔紙。 這些應用僅僅是我們生活中的一撇,大型交通工具的發展更是奠定了鋁的關鍵性地位,特別是空中大飛機的不斷精進,毫不誇張地說是鋁讓人類又能翱翔於更高更遠的藍天。 這架巨人般的雙層噴氣式飛機就是空中客車A380,也是世界上最大的商用飛機,它比波音747要長出10英尺,高出16英尺,它重達驚人的120萬磅,像大部分商用飛機一樣,其中65%的機身都是鋁製造的。 A380柔韌的機翼跨度達260英尺,這裏安裝着機身上最大塊的鋁,每隻機翼的表面都貼着10張鋁板,其中5張在機翼上面,另外5張在機翼下面,鋁板下面是一系列的鋁類和鋁糧,它們組成了支撐機翼的骨架,很顯然鋁的輕便使它成爲完美的飛機建造材料,但是更重要的還是鋁的韌性,這種材料能承受飛機在使用壽命內數千次的增壓和減壓。 A380的機翼像其他飛機一樣要持續不斷地承受壓力,在地面時機翼的自重將它往下拉,在空中時飛行所需的氣流把機翼推向相反的方向。 A380機翼的表皮是位於愛荷華州的美國旅公司達文波特工廠所生產的數千部件之一,該工廠大到能容下一個高爾夫球場。 工廠的工人們製造的機翼部件最長達到120英尺,重量超過11000磅,工廠所使用的原料是18英寸厚70英寸寬,重達3萬磅的鋁合金塊機翼表皮的鑄造。 從這臺巨瘦般強勁的滾壓機開始,它的跨度達到18英尺,也是全世界最寬的滾壓機,鋁合金塊沿着縱向的流水線向下滾動。 直到被製成合適的規格,每通過一次滾壓機,上滾就被壓低一點,鋁塊會受到越來越狹窄的狹槽的擠壓,就像鋁板被壓成了鋁箔一樣。 鋁合金塊也會越來越薄越來越長,直到變成約一英寸厚,隨後電鋸將每塊被壓平的鋁板鋸成不同的形狀,具體形狀取決於它們將被安裝到機翼的哪個位置。 最後雙洗頭削薄鋁板的表皮,按照需要進行精加工,最終讓鋁板的錶板生成機械紋理,看起來像有漩渦一樣。 至此這些材料可以送到空中客車的製造工廠,它位於空客在英國最大的工廠設計並製造。 這裏就是英國的布勞頓工廠,起初他們每個月可製造4個機翼,隨着產量的增加每月可製造6個機翼,機翼的製造時一大堆原材料。 這些原料來自世界各地,這一車33米長的鋁材將被送進工廠的板材成型區。 由於機翼上的一切都極其龐大,所以這些鋁材也被安放到歐洲最大洗牀上。 首先就是要對這些鋁材進行打磨,72個小時後鋁材被雕刻出各種錯綜複雜的花紋,被定模下來的廢料也會被收集起來重複再利用。 下一步經過完美雕模的面板,將會嚴格按照設計師的需求被打造成符合空氣動力學的輪廓,它們被放置在經過特別鑄造的機牀牀面上。 接下來被傳送到烤爐,在這個龐大的烤爐中,面板將被加熱到160攝氏度讓其定型。 A380的機翼可將500噸重的超大型客機帶上12000米高空,機翼的形狀供不可沒,機翼頂面彎曲,底面則較爲平坦。 這種形狀使空氣流經頂面的速度比流經底面要快,這就意味着上面的氣壓比下面的低,將機翼和機身拖上高空,A380的機翼使其更省油。 機翼經過加熱處理之後,巨大的面板還將經歷12道洗浴進行清潔和保護,這些表面處理設備都是24小時不停的運轉,接下來就是機翼的組裝環節了。 如今完全有鋁製成的飛機越來越大,讓人難以想象,但先驅的飛機制造者們曾用覆蓋有織物的木材來製造機身,不過木材會腐爛脫屑。 一戰期間,一心尋求更耐用的材料的德國設計師雨果·榮克斯設計了史上首架由全鋁合金打造的飛機,這就是1935年的道格拉斯DC-3。 他宣告了一個全新時代的到來,裝載了比先輩們更大更長機翼的民航班機飛得更高更快,能攜帶的燃料也更多。 這就使加油停靠的次數降到了最低,一趟橫跨美國東西兩岸的飛行,時長從令人痛苦的26個小時降低到了不到18個小時。 今天有鋁製成的大飛機每天飛行超過8000億英里,但是除了飛機外有鋁製成的交通工具還有很多。 鋁在另一個場地上也是熱門的材料,那就是在棒球場上製造出無往不勝的球棒的祕訣,便是給它洗個超高溫的熱水澡。 木製球棒是職業棒球賽的基礎,從貝比魯斯的年代起就是如此。 爲了延續這一傳統,職業棒球運動員不得使用其他球棒,但是還未成爲職業球員的選手們不會被要求使用木製球棒。 事實上當今所銷售的90%以上的球棒都不是由木材而是由鋁製成的,因爲鋁製球棒更輕,這讓球員能揮出更快的記球速度。 和木製球棒不同,鋁製球棒的整個棒身可以通過技術手段讓重量分配極爲均勻,傳導振動合力的效率更高。 所以用鋁製球棒擊打後,棒球的飛行距離會增加20英尺,而鋁製球棒的最佳擊球位置的面積也會更大。 位於安德森球棒公司加州成郡的工廠是現存的少數幾家美國球棒製造商之一,他們每天生產300根鋁製球棒。 鋁製球棒簡單的外形,容易讓人忽略其精細的科學制造工藝,他們最高級的鋁製球棒所使用的鋁合金裏摻了少量的鋅,這就增加了剛性和耐久性。 製造球棒的原材料是這根17英尺長的中空鋁管,根據成品球棒型號的不同,操作員會把鋁管鋸到22至26英寸長, 然後由一種叫旋轉錘斷機的機器將鋁管錘斷成目數精準且重量分配均勻的球棒,鋁管在進入錘斷機時會被套在一根新棒上, 然後鑽進一對擠壓模具之間,隨着雛形擠壓模具的不斷旋轉,模具會向外擴開,外圍的一圈圈壓滾此時會將模具推回原位,迫使模具閉合。 就被壓制成了擠壓模具空腔處逐漸收緊的形狀,鋁要經過三次旋轉錘斷機,每經過一次鋁管壁都更薄,管身也更長,最後一次會收窄球棒末端的手柄, 藉着這些球棒要被塑出完美的形狀,並使棒身的重量均衡,但是在上場記球之前,這些球棒還需要被硬化,此時滾燙的熱欲正等着鋁管的到來。 熱欲用的不是熱水而是硝酸鈉,這種鹽溶液不會腐蝕鋁,熱處理一共要經過兩步處理,首先高溫加熱一定的時間,然後進行叫做脆火的快速冷卻,必須在15秒內把原料從鹽浴池泡進水槽。 而它強化了鋁的硬度,接下來球棒還要在烤箱中進行烘烤,以保持硬度和形狀,之後質檢員會檢查每一根球棒,看看它們是否完美無瑕,質檢完成後會繪上圖案和塗色,最後就是收尾工序,處理球棒的末端,頂部和手柄,到此這根精心製造的鋁球棒就完成了。 這種形似海綿的全新神奇材料,也許能在恐怖襲擊中拯救很多人的生命,這些遭受襲擊的建築,在炸彈所釋放的毀滅性大爆炸面前不堪一擊。 如果它們事先被套上一層創新鋁材料的話,可能結果就是另外一樣了,這種鋁是由加拿大的賽馬特科技公司研發,被稱爲氣泡鋁,它獨特的海綿結構讓它在未來可能成爲全球通用的救命材料,因爲氣泡會吸收衝擊波,從而減弱樓房倒塌帶來的衝擊,所以如果對沉重的混凝土進行防爆處理,極有可能建築物就不會垮塌。 氣泡鋁的關鍵成分不過是空氣而已,但是製造氣泡鋁最難的不是將氣泡注射進鋁中,而是注射完成後如何保持氣泡不破裂,於是他們使用摻有陶瓷顆粒的熔融鋁,這些顆粒讓氣泡穩固下來,從而確保外表不會破裂。 賽馬特公司生產流程的第一步是燒熔內部含有陶瓷顆粒的鋁錠,熔爐將滾燙的熔液倒進溝渠,一路流進叫做起泡箱的容器裏,現在就是注射至關重要的空氣了,在起泡箱內,一根噴嘴會噴進空氣,在熔融混合物中製造出氣泡,注射的空氣越多,密度就越低,成品就越輕,噴嘴頂端的螺旋槳讓陶瓷顆粒均勻地分散開來,氣泡升起。 在向表面靠近的過程中開始冷卻硬化,之後被送到傳送帶進行壓制,在此過程中大量熱量快速散發出來,讓氣泡固化,從而形成了成品的固體板。 成品的鋁板厚0.5英寸,同樣大小的固態鋁可以達到300多磅,但是這種氣泡鋁板卻只有30磅重,氣泡鋁還可以進行三維澆築,看起來它是一塊沉重的鋁,但是其實輕到能漂浮在水面上。 對膠珠物內部結構的掃描,可以看到內部所含有的空氣結構,想象這些氣泡一個個破掉,在膠珠物擠壓的過程中裏面的小孔坍塌掉,每一處坍塌都會吸收掉部分能量,輕盈含泡的吸震金屬這一創意。 還吸引了汽車製造商的注意,也許它可以讓汽車減重,同時又不必犧牲乘客的安全。這種材料通常可以應用於汽車上的碰撞吸能盒,這樣就能夠吸收低強度碰撞所產生的能量。汽車行業每年要使用約1653萬噸的鋁,反而用鋼的比重越來越小,這是爲什麼呢? 首先用鋁能節省燃油,因爲比起銅體積的鋼,它的重量減少了30%至50%,一般來說一輛汽車的重量減少10%,它的燃料使用成本就能節約8%。使用鋁來製造汽車不僅是因爲減重,同時也是因爲它更易融化和塑形,澆築汽車引擎部件時這就是一個大大的加分項。 因爲引擎佔據了汽車的大部分重量,這種神奇的液態金屬不僅能幫助汽車引擎減重,還能幫助車身塑形,這是利用其他金屬所無法做到的。通用汽車公司用來給鋁製部件塑形的工藝之一就是利用水液壓成型,同時還不需要進行焊接,它能製造出一整塊的部件,這樣比焊接部件有更高的耐久性。 這些液壓成型的管道將用來製造雪佛蘭·科爾維特跑車的框架結構,一旦管道進入壓制裝置,就會遭受大流量泵裏的100加輪水的衝擊,所產生的壓力會促使鋁被壓成模具的形狀。整個過程不到兩分鐘就結束了,至此一體成型的鋁製車架成功替代了鋼製焊接車架,這就使得科爾維特整車更輕,並且能在更短的時間內實現加速性能。 爲鋁製汽車部件塑形不是隻能用液壓法,還可以使用一種新型的氣壓科技,這就是快速鋁素成型技術,它們把鋁製於高溫之下,從而把部件塑造成各種不規則形狀。現在機器正在製造的就是凱迪拉克STS的後備箱蓋,送進機器的是預熱過的鋁板,壓制機閉合後利用氣壓迫使鋁板嵌入鋼製的壓制槽,從而進行塑形。 好了,這就是當今社會最重要材料裏的流通與價值,歡迎訂閱關注頻道,咱們下期再見。