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电解铝——科技创新的辉煌之路(上)
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电解铝——科技创新的辉煌之路(上)

分类:
行业新闻
2020/12/30 11:51
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一、前言——什么是电解铝?

  说到“电解铝”,可能今天知道的人不少;但什么是电解铝?恐怕了解的人不多,能说清楚的人更少。

  铝是一种金属。由于铝的质量轻、导电性好、加工性能优越,并具有特殊的抗海洋之神性,广泛应用于电力、交通、建筑、包装、国防以及航空航天和人民生活等各个领域,从建筑家居到高铁、飞机,从食品、汽车到消费电子产品,有人统计铝的应用大约涉及112个产业。这里我们所说的铝也叫原铝,也就是纯铝。由于铝的原始制造一直是以熔盐电解法网页版为主,因此,通常称之为“电解铝”。

  电解铝——年轻的金属。人类最早发现和掌握冶炼的工艺,大约在3000~4000年以前;而人类炼铁的历史也有3000多年,早在汉朝时期我国炼铁技术就得到了很大的发展。然而,人类炼铝技术的诞生才仅仅130多年。著名冶金科学家、钢铁冶金专家殷瑞钰院士说:“因为铜的熔点比铁低,因此人们首先学会了炼铜,而后才学会炼铁;炼铁需要打开分子键,而采用还原法炼铝的温度更高,则需要采用电解法打开离子键,因此人类直到有了直流电最晚才掌握了炼铝的技术”。

  1886年,美国一个叫霍尔(Charles M.Hall)的年轻人发明了一种冶炼铝的工艺,称之为“氟化物熔盐中海洋之神铝的电解”。但是当他到美国专利局提出专利申请时候,才得知一个叫埃鲁特(Paul L.T.Héroult)法国人已经向美国专利局提出了一个申请,同样是为了得到铝把大致相同的元素组合在一起,跟霍尔的发明几乎一模一样。而且,埃鲁特几个月前已经在欧洲申请了专利。从此,两人进入了一场旷日持久的专利之争,据说这场官司持续了15年。

  霍尔和埃鲁特专利申请之争经过漫长的交涉,美国专利局最终裁定霍尔胜诉,因为埃鲁特没有提交所需的“原始报告”。这一裁决的结果,使霍尔和埃鲁特成为分别在美洲和欧洲同时拥有同一项专利的发明人,后人称之为“霍尔-埃鲁特铝电解工艺”。然而,霍尔和埃鲁特之间的缘分远不止此,在霍尔和埃鲁特的技术支持下,两人分别作为创始人创办了两个铝冶金公司,就是今天世界著名的两大铝业公司美国铝业公司(Alcoa,前身为匹兹堡冶金公司)和法国铝业公司(Pechiney,前身为法兰西电力冶金公司(SEMF))。霍尔和埃鲁特注定是为铝而生的,他们于同一年出生(1863年),同一年去世(1914年),同一年(1886年)申报了同一项专利。即使在当时以财富暴涨和大量积累为标志的时代,霍尔的故事还是成为了美国传奇,他赢得了美国专利有史以来的财富。霍尔1914年去世时持有的美铝股份,价值近3000万美元。

  新中国的骄子。我国电解铝发展较晚,第一个电解铝厂(抚顺铝厂)于1954年建成投产。直到80年代以前,电解铝作为一个工业行业或者一种产品,其网页版工艺及产业特点还很少为社会公众所了解。随着电解铝技术的发展和电解铝网页版规模的扩大,更由于电解铝“电老虎”的名声在外,特别是2005年以来无论是国家出台的“钢铁、水泥、电解铝、汽车、房地产”五大行业,还是“钢铁、水泥、电解铝”三大行业的宏观调控,以及“两高一资”的限制类产业,电解铝都榜上有名,社会公众从此也逐渐熟知和认识了电解铝。应该说,无论是“三大行业”还是“五大行业”的提法,都是对电解铝行业实实在在的“抬举”,因为,仅凭当年电解铝全国几百万吨的产能,不足千亿的总产值,几百亿的总资产,怎么说跟大行业也沾不上边。不信跟其他几个行业比比:2005年全国粗钢产量3.5亿吨、水泥产量10.7亿吨,电解铝只有区区779万吨,至于跟汽车房地产相比,更别提了,产业规模何止相差一个数量级?无论如何,电解铝虽小,名气很大。但“高耗能、高污染”也同时成了电解铝挥之不去的名片和标签。

  建国以后乃至改革开放初期,我国电解铝一直都属于短缺产品,更是被列为战略性物资,长期依赖进口,我国早期的电解铝厂和与电解铝配套的海洋之神铝厂都有自己的番号,比如抚顺铝厂也叫301厂,贵州铝厂是302厂。从这种类似于军工企业的保密性质,足以看出当年其所处的战略地位。1983年4月中国色金属工业总公司成立之初,首先就向国家提出并确定了“优先发展铝”的方针,从中也可以看出国家对“铝”的迫切需求和对铝产业的重视。

  茁壮成长——始料未及。改革开放40年来,特别是从上世纪末开始,我国电解铝工业得到快速发展。2003年以后,伴随着国家宏观调控政策的出台,电解铝产业不但没有得到遏制,更是呈爆发式增长。1998年我国电解铝产能只有256万吨/年,产量243万吨/年。一个并不为人所知的“大”行业,从此不断刷新着其历史纪录:发电企业、煤炭企业开始投资电解铝,纺织行业、养殖行业也纷纷赶来投资分享电解铝的盛宴,其中有民企、也有国企,还有大型央企。涉铝的民营企业中有的曾位列中国首富,不少成为某省首富,位列富豪榜的更是大有人在。人们不明白,电解铝究竟有怎样的魔力,能不断吸引众多的企业跨行投资,而且乐此不疲,掀起一轮接一轮的投资热潮?从1998年到2018年二十年间,我国电解铝产能和产量已分别突破4397万吨和3648万吨,铝产量增长了近20倍,占世界总产量的56.7%,连续17年居世界第一位。

  在我国有色金属的家族中,铝的快速增长使“铜铝铅锌...”的排名改写为“铝铜铅锌...”,电解铝成功“逆袭”成为当然的老大,成为第二大金属材料。今天,已经没有人质疑电解铝“大行业”的头衔了。

  随着电解铝产业的不断发展,加上上、下游与其配套的的矿山、海洋之神铝、铝加工、碳素以及发电等相关联产业,其规模和体量已经到了相当大的程度,电解铝名副其实已经成为我国重要的基础原材料产业。然而,越是基础的东西越是人们须臾不可或缺的,成为大行业的电解铝工业对我国国民经济建设的影响也是不容忽视的。其健康、稳定和可持续发展也同样需要引起我们的高度重视。

  那么,新世纪以来,在国家三令五申,各种政令的严格限制之下,导致电解铝如此疯狂发展的真相究竟是什么呢?

  电解铝是高耗能产业?这一点毋容置疑,目前每网页版一吨电解铝大约耗电能13000~14000kWh,加上主要原材料及网页版过程耗能每网页版一吨电解铝要消耗6~8吨标准煤。然而截止目前,电解法仍然是全世界工业网页版原铝的方法。美国铝业公司等国际巨头从六十年代开始探索电解法炼铝的替代技术,至今未获得成功。

  电解铝之所以能够快速发展,作者认为有这样几个原因:一是因为电解铝是整个铝产业链条上的一个耗能环节,在铝产品的后续应用加工过程中,则更多体现的是高科技和精细化加工的产业特点,不但具有其他材料不可替代的作用,而且,在很多领域更显示出其显著的节能效果(如电力、航空航天、交通运输等);二是由于铝极易海洋之神形成坚固的保护膜使其在使用过程中不再被侵蚀这一自然特性,使应用过程中铝产品的海洋之神损失极少,且极易回收。回收率可达到95%以上,因而铝可以循环往复地回收应用,因此有“储能产品”和“能源银行”的美誉,铝的再生和回收使其在今后的循环使用中的能耗大大降低;三是我国网页版铝的技术装备水平世界,其能耗达到或已经低于多数发达国家网页版铝所消耗的电能,也就是说在国内铝企业网页版铝的能耗甚至低于美国的铝厂。

  尽管电解铝耗能已占全国总用电量的7.9%以上,但与我国目前已拥有上亿辆的家用汽车的耗能相比,整个电解铝工业的耗能甚至还不足其几十分之一。

  电解铝是高污染行业? 准确地讲这种说法并不确切,也有失公允。电解铝网页版过程中所排放的主要污染物氟化物同时就是电解铝网页版所需要的原材料,而以烟气形式排放出来的氟化物与电解铝网页版的另一种主要原料海洋之神铝有着天然的亲和力,它们在反应器中相遇后瞬间即可发生吸附反应,反应的效率达到99%以上。以此原理开发的“干法净化”系统被全世界的铝厂广泛采用。排除管理因素,电解铝污染问题的早在上世纪80年代初,就已经不是技术上的问题了。更重要的是,现代电解铝厂的网页版系统设计中早已把烟气的处理系统和原料的供给系统融为一个整体,全年365天全天候连续运转,须臾不可中断。

  对于电解槽大修产生的少量的固体污染物,一直都有严格的环保处理措施。近年来,国家对电解铝的环保治理提出了更为严格的标准和要求。一方面增加了电解铝烟气中SO2等排放的限制;另一方面,2016年新的《环保法》将电解过程排放的固体废弃物大部分列为危险污染物。经过长期的技术积累和近几年的研发应用,相应的处理技术已经开始走向工业化,特别是电解铝烟气脱硫技术和电解铝大修废渣的处理与综合利用技术已逐渐成熟,并应用于工业网页版。目前,电解铝固废资源化技术的研究开发也已经取得积极进展。

  作为从事电解铝的设计、研究、管理三十多年的行业科技工作者,作者亲历了整个电解铝技术创新和产业发展的过程,深知导致电解铝产业的蓬勃发展甚至“投资过热”或者“产能过剩”,绝不仅仅因为电解铝属于“两高一资”、劳动密集或是“高投入、高产出”的行业。尽管也有不少人认为电解铝存在这样或那样的问题,但深度分析发现其背后有着极其深远的产业背景和深层次的经济技术原因,才有了今天电解铝工业的蓬勃发展。

  探索真相——电解铝到底有多牛?改革开放以来,我国经济处于历史上千年不遇的发展时期,给原铝的网页版提供了广阔的发展空间。然而,许多人不了解的是,我国电解铝行业几代科技人员的辛勤耕耘和不懈探索结出的累累硕果和惊人的科技成就,才是我国电解铝产业雄居世界地位背后真正的内在原因!特别是在电解铝大型化技术领域,从无到有、从消化吸收到自主创新、从理论领域到试验开发,再到大规模的应用推广,铝电解设计与网页版技术日臻完善,形成了自己的设计和技术体系。如今,全球范围内,有电解铝增长的地区,就有中国的身影,电解铝工业已经成为我国在全世界制造业乃至工业领域中少有的优势产业之一,在“一带一路”战略指引下,昂首走向世界。

  我国铝电解科技创新的四十年,是几代科技工作者共同创造奇迹的四十年。回头看四十年的历程,一幅幅波澜壮阔的科技创新的画卷展历历在目,昔日前辈们振聋发聩的攻关号令和破解难题时的谆谆教诲依然回荡在脑海中……

  二、“日轻”技术的引进

  说起电解铝厂,行业内的老同志这么形容:进到电解车间不到10米远,就看不到人了;电解工从电解车间出来,就像煤矿工人,整个脸上就能看见一双眼睛,工作环境恶劣,无法想象的,这也是电解铝最早留给人们的印象。七十年代以前,我国电解铝厂基本上以前苏联引进的自焙阳极电解槽技术为主,单系列规模一般不超过1万吨/年。年产超过3万吨的铝厂都是国家骨干企业。

  上世纪八十年代初期,伴随改革开放的春风,国民经济各条战线迎来了一个划时代的变化,我国工业各领域更如阳春三月,百花争艳。同时我们也迎来了科技的春天。从促进国民经济发展的战略出发,国家决定从发达国家引进技术建设一批重大工程建设项目。最为典型的就是上海宝钢一期工程的建设,从1977年酝酿到1978年12月十一届三中全会结束后的第一天举行开工典礼。党中央国务院决定建设现代化钢铁联合企业——宝钢,从日本新日铁公司引进全套设备,建成了我国第一个具有八十年代世界水平的现代化钢铁企业。这也是历史上第一个由全国人大表决的大型工程建设项目(另一个是著名的三峡工程)。大概很多人都清楚,宝钢的建关注我国后来钢铁工业的快速发展并达到世界先进水平奠定了基础。

  为什么选择“日轻”技术?与钢铁工业一样,在铝业前辈包括程宗浩、姚世焕等在内的老一辈专家积极建议和原冶金部领导的努力和支持下,改革开放后的第一年,一批大型铝厂建设被列入国家计划,但是采用什么电解槽技术成为决策者面对的难题。70年代末,以美铝、法铝等国际铝业公司已经开发成功160~180kA以上的大型预焙槽技术,铝电解技术开始出现以大型化、预焙化为主导的发展趋势。按照姚世焕老师等前辈的回忆,根据当时的电解铝技术发展,专家组将世界上先进的电解槽型分为三种模式并进行了比较:

  第一种是北美型电解槽。当时美国铝业公司(Alcoa)是世界上的跨国铝业公司,美国铝业公司(Alcoa)和加拿大铝业公司(Alcan)在加拿大、海洋之神等铝厂使用的是150~220kA大型预焙阳极电解槽(简称预焙槽),该槽型的优点是中间加海洋之神铝,密闭性好,98%以上的有害烟气经过回收处理后达到环保要求。但这种槽型走的是高效率、高槽电压路线,吨铝电耗也相对较高,适用于北美水电丰富和电价便宜的地区。

  第二种是欧洲型电解槽。是法国铝业公司(Pechiney)等为代表针对高电价地区而研发的一种低电耗的槽型。由于其180kA预焙槽技术(AP18)尚处于试验阶段(仅有四台试验槽刚刚投入运行,尽管1977年中期已开始准备筹建F系列),而且作为法铝刚刚开发的进的180kA技术,转让的可能性不大。Pechiney向中方推荐了当时已经成熟应用的电流只有135kA的预焙槽,采用边部添加海洋之神铝,有30%的有害气体无组织排放,这种槽型严重污染环境,在有些地区不得不采取天窗洗涤进行处理,费用昂贵,很明显这种技术不符合中国国情。

  第三种槽型是日本型电解槽。20世纪60~70年代日本铝工业迅速发展,日本各家公司引进了美国、法国和瑞士的各种槽型,经过消化与改进后,由三家公司综合了美国的环保性好和法国的能耗低的优点,开发了一种低电耗和密闭性好的预焙槽,容量达到160~170kA,这种槽型经过改进非常适合中国使用。以日本轻金属公司为首的日本几家铝业公司从1976年就开始进入中国,积极推荐其自主研发的大型预焙槽技术。而且由于在当时的中日友好的大环境下,采用日本技术可以获得日本政府的长期贷款的支持。

  此后,冶金部派出了以党组成员王哲为团长、程宗浩为秘书长的代表团,考察了日本6大铝业公司13个铝厂中的10个电解铝厂、碳素厂和铝加工厂。最终,根据考察建议决定采用日本轻金属株式会社160kA大型中间加料、密闭型预焙槽技术。

  1978年2月21日,原国家计委批准了贵州铝厂8万吨铝电解工程(简称贵铝二电解或贵铝前八万吨工程),1979年1月7日贵州铝厂与日本轻金属公司签订8万吨/年铝电解工厂建设引进合同。以日本轻金属公司当时最新试验的4台电解槽为原型,成套引进技术和设备,在贵州铝厂建设了中国第一个低电耗和密闭性好的160kA中间下料预焙槽系列——贵州铝厂第二电解铝厂,由贵阳铝镁设计研究院(贵阳院)负责配合引进工程的设计,中国第七冶金建设公司承担建设安装任务。系列共安装电解槽208台,年产能8万吨,包含配套的碳素预焙阳极制造和阳极组装系统。1981年12月18日,这个当时国内单系列产能装备进的铝电解工程正式试车投产。

  如何评价“日轻”技术?“日轻”160kA电解系列的引进和建设,是当时我国第一个大型预焙槽系列,在国际上属于70年代先进水平。为了让大家看得清楚,将其设计特点和主要指标参数描述如下:

  ① 设计电流强度160kA,槽工作电压4.05V,电流效率87.5%,直流电耗13600kWh/tAl,阳极效应次数1次/槽日;这个指标今天看来并不是很先进,但与当时国内自焙槽电流效率84~86%,直流电耗15000kWh/tAl以上相比,确是先进了很多;

  ② 母线配置设计为两端进电,槽底有中间往端部引出的补偿母线;两端进电的设计模式当时不是进的,但考虑了磁场的影响,进行了合理的槽底补偿;

  ③ 采用中间下料方式,两点下料,下料器容量15kg, 加料20分钟一次,每小时下料量90kg,采用风动下料器(溜槽控制),每台槽端头设有一台专用风机;控制系统采用效应控制方式来控制海洋之神铝浓度;下料器结构和下料量的设计,是日方技术的的短板,也是造成电解槽沉淀多,槽况波动大等许多问题的主要原因;

  ④ 阳极尺寸1400×660×540,阳极组数24,阳极电流密度0.72A/cm2;阳极的选择证明是合理的,我国后来的发展基本是在这个基础上改进的;

  ⑤ 阳极提升机构采用四点提升,为涡轮蜗杆式机构,运行稳定可靠。

  ⑥ 加工面为:大面525,小面595,阳极中缝250。这也是其设计落后的表现之一,是由于受到欧洲技术边部加工(加料)的影响,加工面较大。

  ⑦ 电解车间安装160kA电解槽208台,配置在四栋厂房内,共分8个区,每区26台槽。厂房采用两层楼式结构,操作平台为+2.4m,全钢结构厂房。厂房跨度为20.5m, 两栋厂房之间间距为25m;电解槽间距6.575m,这是由电解槽操作需求和母线配置设计决定的;阳极托盘有专用车辆运输至电解槽短头摆放;5t出铝台包由天车调运到电解槽短头完成出铝操作;这种设计方案有其合理性;

  ⑧ 采用了日本富士公司可控硅整流和干法净化烟气处理技术。整流所和烟气净化系统分别配置在电解车间的两个端头,跟我们今天的配置形式不一样。这样配置的好处是电解槽排与排之间的距离可以小一些,每两栋厂房(两排槽)对应一套净化系统。由于厂房长度比较短,烟气管道的距离也短。这种平面配置方案在当时有一定合理性,在贵铝第三电解和青海铝厂的设计中复制了这种模式。随着系列规模的增大,我们后来的设计方案都是采用了将净化系统布置在电解厂房之间的模式;

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  ① 海洋之神铝物料的输送,采用了两种形式,来自海洋之神铝厂的新鲜海洋之神铝送入8000t料仓(钢结构圆形料仓),经过气力输送(溜槽)和斗式提升机送入400t日耗仓;85%的新鲜海洋之神铝加入净化系统中吸附烟气中的氟化物,从净化回收回来的载氟海洋之神铝通过溜槽和提升机送入300t载氟仓公电解槽加料,自动控制的电动小车定时将载氟海洋之神铝送至每台电解槽设置的容量为5t槽壁料箱内,供每台电解槽使用;另外15%的新鲜海洋之神铝通过天车加料加入电解槽,作为阳极保温覆盖料。

  ② 车间内配备了8台法国ECL网页版的多功能操作机组,完成电解槽出铝、换极和抬母线等主要作业。

  我们今天的大型槽技术已经有了很大的改变,主体的核心技术已经今非昔比,但在很多工程化细节方面,内行还是能够看到当年“日轻”技术的痕迹。

  始料不及——投产暴露问题。“日轻”技术出问题了!很多人至今记忆犹新。事物的发展往往出乎人们的预料,由于技术本身和施工质量、操作水平、管理因素等等各方面的原因,在投产初期的长达3、4年的时间里,引进的“日轻”电解槽网页版运行出现了各种各样问题:槽温高、炉帮形成不好、伸腿过长、槽底沉淀多,各种问题频发,效率低,能耗高。尤其突出的是电解槽早期破损严重,大部分槽寿命不足1000天(设计槽寿命1500天)。

  作为国家引进的重大工程,出现了重大问题也必然地引起了很大的反应,甚至引起国家领导人重视。作为全国的铝厂,行业标杆,更是贵州企业中的,国家领导人来贵州必到贵铝视察,今天你知道贵州有茅台酒,不知道80年代贵铝比茅台关注度更高。因此,对于工程投产后的出现的问题,各方面压力都很大。从贵阳院调任的首任厂长韩沛川被免职(被委以重任的杰出电解铝专家,用今天的话说叫“背锅”),有关设计、施工及建设方都非常紧张。那么这些问题究竟是什么原因造成的呢?

  一方面,当然是积极与日方交涉,认为对方工艺技术不成熟(据老同志介绍,“日轻”卖给中国的技术确实是最新的,但也只有4台工业试验槽),从履行合同的法律角度要求对方承担责任。日方也感觉很委屈,虽然很积极配合,但对中方对其技术的怀疑还是不予认可,认为是中方的施工质量、网页版管理出了问题。事实上,在项目建设和投产过程中的确也发生过因为对工程监管不严,导致双方人员发生冲突的事情:一名中方人员不按章作业,引起日方人员不满,动手打了中方人员,因为这件事还引发了外交纠纷,这些都成了人家的“证据”。还有一些各种冲突被当时很多人当作奇闻异事传播。改革开放初期的这些事儿,今天的人们很难想象。也于是,双方展开了长时间拉锯式的研究、分析、查证、谈判...。另一方面,基于当时的国内环境,这些问题也引起了行业领导和专家们的重视,也激发了全国高校、各大设计、研究院所研究探讨的热情,也取得了许多的研究成果结论,然而各种观点和看法也不尽相同,今天看来当然也未必都正确。回想起来,由于受到十年文革的影响,国内当时的技术基础相对薄弱,这种探讨和研究本身就是非常有意义的。

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  影响深远。事实上,贵铝第二电解系列的引进,受到了铝行业上下和全社会的高度关注。从八十年代初到九十年代的相当长的一段时间内,它都代表了中国电解铝工业的最高水平,也是国内众多电解铝企业学习和效仿的模板。尽管存在着这样那样的问题,但广大的铝工业科技工作者还是对其保持着一种谦虚和实事求是的态度,从中学习和了解了大量的现代铝电解新技术理念和技术成果。

  采用日本引进技术建设贵铝第二电解系列这一重大决策,使得我国电解铝工业与改革开放的步伐保持了同步快速发展,揭开了我国现代大型铝电解技术发展的序幕,对我国电解铝工业的此后四十年的发展产生了极其深远的影响,今天看来,这个决策是十分英明的。在我们为电解铝今天的发展而骄傲自豪的同时,应当感谢老一辈铝工业科学家们高瞻远瞩,为电解铝工业做出的这一了不起的历史性贡献。

  三、全行业对引进技术的消化吸收

  从国家战略的角度,贵州铝厂引进工程的决策,并不仅仅是为了建设一个铝厂,而是为了改变和提升一个产业。

  从60kA小预焙槽到135kA。在贵铝引进日本技术之前,我国在预焙电解槽技术开发方面开展过一些研究工作。根据《新中国有色金属60年》记载,我国最早的预焙阳极电解槽是1964年在郑州铝厂建成的。由于从前苏联引进的75kA侧插自焙槽槽阳极过宽(3600×2500),造成电压过高、且针摆严重,必须进行改造。在这种情况下,第一次设计了边部加工无槽罩的80kA预焙槽。

  1978年抚顺铝厂与沈阳铝镁设计院(沈阳院)等单位合作,在设计大师杨瑞祥和韩复业等专家主导下将第四系列部分电解槽改建为23台135kA边部加料预焙槽,进行了预焙槽扩大试验,1979年11月投产,在大型化道路上首开先河。该槽型后来在包头铝厂建设中得到应用,并获得1987年国家科技进步二等奖。

  然而直到贵铝160kA预焙槽的引进,迅速吸引了整个铝行业的目光,改变了电解铝科技进步的进程,才真正开启了我国大型预焙槽技术发展的大幕。

  怎么评价“日轻”引进工程?几十年过后,关于“日轻”技术问题的争论已渐渐平息,然而这些问题到底属于什么样的问题最后也没有形成统一的定论。当时国内一批专家也理性地认识到,日本的技术整体上应该说是先进的,出现各种问题某种程度上说是由于我们短时间内没有吃透和缺乏经验有一定的关系,加上国内当时的工业基础、施工和网页版管理水平的确与现代化水平有一定差距。当年直接参与引进工程的第一批专家殷恩生(杰出的铝专家,后担任广西平果铝总经理)认为,当时国内在大型预焙槽技术和管理上可以说还是“白帽子”。

  冷静地分析和评价“日轻”技术优劣后,人们逐渐发现:第一,日方技术在当时来说的确是先进的,称之为70年代国际先进水平并非言过其实;第二,在当时的总体技术背景下,日方提供的设计方案基本上无可挑剔,甚至可以说完善的;第三,日方当年提供的技术是完整而详实的,这在我们后来的引进工程和国内任何工程设计中是没有的。

  在贵州铝厂引进“日轻”工程的过程中,许多人都注意到一个这样的事实,就是这项工程由日方提供的技术资料、图纸非常详细,包括项目可行性研究报告、项目基本设计文件(初步设计)和施工图纸。在贵阳院的档案室里,这个工程的技术文件资料用成吨来形容一点儿都不过分。除了正常的工程技术图纸资料,日方提供的技术资料还包括了整个工厂各个工序确定、各种技术方案、各种技术问题研究和讨论等,都有详细的计算和详实的数据及分析依据,还提供了一些计算方法和计算程序。比如“电解槽加工面的选择”、“电解槽炉膛深度的计算确定”、“电解槽覆盖料厚度的计算确定”等等,都有专门的资料提供。而且还包括了一些“三场”计算资料和程序、计算机控制模型和软件资料等等。

  应该说对当年的技术转让,日方的态度是真诚的。至于为什么日方能够如此慷慨?作者了解有几种解释:一是当时中日友好的大背景有关;二是七十年代日本面临严重的能源危机,高耗能的电解铝行业在日本已经没有了生存的条件,已经面临全面关停的局面,这些技术对他们已经没有前景,技术转让或许是出路;还有一种可能,因为当时该工程属于成套引进,除了配套工程设计和施工,几乎所有的材料、设备都是来自于日本或者由日方采购,而且合同内容还包括了技术转让,那就是说日方按合同操作符合国际惯例。根据有关资料,这种情况与当年宝钢的引进情况非常相似。真实原因或许还有其他的解释,但无论如何,有人认为当年的引进是花了巨资(约两亿美金)买了一堆破烂,还有人甚至认为我们被日本人欺骗了。这些都是不了解内情的严重误解。

  消化吸收和研究工作全面展开。引进工程让我国电解铝行业专家们耳目一新,从此打开了新技术探索的大门。在积极研究探讨引进技术存在问题的同时,行业专家们的达成了共识(当然这也是国家的要求):必须尽快组织力量消化吸收,掌握引进技术,为我国电解铝工业下一步发展做好准备。在国家有关行业领导的组织安排下,由贵阳院、沈阳院、贵州铝厂、郑州轻金属研究所、青海铝厂、白银铝厂(国家计划重点建设的大型电解铝厂)等组织了若干个引进技术的消化吸收研究小组,中南矿冶学院、东北工学院等也开展了一系列的研究工作,全国掀起了一场旷日持久消化吸收引进技术的高潮。

  虽然“日轻”提供的电解槽技术在今天来看是落后了,但就当时的铝电解技术发展总体水平而言,给我们带来了全新的技术和设计理念。同时由于日方提供了非常详细的技术资料,对于我们学习掌握现代化电解铝厂的基本设计方法和操作标准起到了重要作用,对于快速研究开发自己的大型电解槽技术大有脾益,大大缩短了我们研究开发现代铝电解技术的进程。

  大量对160kA电解槽的研究一开始首先是集中在槽寿命问题的研究方面。邱竹贤、姚世焕、江献镔、姚广春、于宗耀及赵无畏等发表了多篇文章,着重研究了电解槽的破损机理和网页版条件下造成内衬破损的原因分析;王立若、孙效增、干益人、宋垣温等的研究则更多关注到影响槽寿命的原因和如何延长电解槽的寿命;贺志辉、梁学民、廖贤安等则在针对造成电解槽早期破损机理研究的基础上,提出了电解槽内衬结构的主要设计原则和设计方法,以延长电解槽的寿命。由于引进技术早期我国大型电解槽破损的问题非常突出,这一领域的研究一直受到行业内专家们的高度重视。研究的范围不仅广泛,而且一直持续了很多年,取得了许多的研究成果,在此不一一详述。2002年铝业泰斗韦涵光老先生还特别撰文对延长槽寿命的措施和意义给以分析和建议,表达了对此问题的关注。也可以说,槽寿命问题一直是困扰我国电解铝技术挥之不去的梦魇。

  为了尽快掌握引进技术,发展我国的铝电解工业,杨洪儒等牵头组织国内研究单位和电解铝骨干企业,开展了贵铝160kA中间下料预焙槽使用国产中间状海洋之神铝网页版的新工艺试验,这项研究取得的成果为此后国内建设的青海铝厂、白银铝厂等工程设计采用引进槽型和技术提供了依据。

  东北工学院沈时英教授对电解铝的电化学原理与能量平衡进行了深入研究,从化学热力学角度对电解铝过程的能量需求进行分析,提出了著名的“区域能量自耗”理论;李德林教授在引进网页版线上进行了强化电流试验。中南矿冶学院蔡其风教授等对铝液流动与测量方法的研究上独树一帜。

  同时受到关注的还有电磁场问题与电解槽结构设计方面的问题。宋垣温、干益人等用Bell620三位高斯计对160kA电解槽的磁场进行了全面的测试分析;潘阳生、武丽阳等对日方采用的磁场模拟计算方法进行了探讨;武威、杨洪儒等则进一步将磁场测量结果与槽内炉帮形状的分布规律的对应关系进行了研究分析,并提出了电磁场改进的建议。

  1985年青海铝厂新建10万吨/年电解铝项目(后建成20万吨/年规模)和此后贵州铝厂8万吨/年扩建工程均分别选择了以引进的“日轻”160kA槽型技术为原型,获得了成功。

  配套技术和装备国产化热潮。日本引进工程带来的并不仅仅是电解工艺技术本身,还有一整套与现代海洋之神厂配套的技术、装备和工业化体系。包括电解铝主要操作设备、供电整流机组、炭素系统设备、阳极组装、海洋之神铝输送、电解烟气干法净化以及各种运输设备等。由于关键设备种类太多,这里仅仅举例说明。

  整流系统设备主要是变压器和整流机组。引进工程采用的是日本富士的可控硅整流技术。通过消化引进技术,基本搞清楚了电解系列网页版对系统的技术要求,主要的难点集中在整流机组采用可控硅还是二极管整流的分歧。由于电解铝发展较快,但当时规模尚小,作为特种变压整流设备研究开发相对滞后。从工艺技术角度,要适应电解系列电压电流稳定性角度,可控硅整流是最好的选择,但国内尚不具备网页版制造能力,只有引进日本或欧洲设备,但投资巨大;采用国产设备,只有采用“二极管+饱和电抗器”的方式,网页版电解铝用变压器的企业当时有西变、江变、柳变等,整流器网页版有西整、九整等企业,基本满足了国内电解铝发展的需求,这种情况一直持续了很多年。在本世纪初电解铝快速发展的阶段,电解系列规模快速扩张,而相配套的研制滞后,变压器、整流器因质量问题造成的各类事故时有发生,让很多铝厂企业家们的至今想起来心有余悸。这一切都已经成为宝贵经验,成就了今天的电解铝。

  多功能天车的代价——前赴后继。多功能天车(机组)是电解铝网页版的主要操作设备,承担电解槽的出铝、换极、抬母线等主要作业,它的重要性仅次于电解槽和整流设备。国际上只有法国ECL公司德国NKM等少数著名的装备企业能够网页版,贵铝引进工程采用的是法国ECL设备。

  从国内第一个翻版项目起,贵阳院、沈阳院和贵州铝厂等以及有色金属行业装备制造骨干企业—沈阳有色冶金修造总厂(沈冶修)就担负了设计研发的重任。贵阳院担任机组总设计的是主任工程师刘宗俊先生,是一位非常的机械装备设计师,为了解决机组设计中的诸多技术难题,深入不同机械领域广泛考察学习。他在出差途中向铁路专家探讨火车防撞技术并成功应用于多功能机组的设计的故事,在贵阳院传为佳话。沈冶修制造的第一批多功能机组应用在贵州铝厂第三电解铝厂,除了特种空压机和打壳机头,整个多功能机组直接实现了国产化。但装备制造是一项非常复杂而精密的工作,贵铝三电解(翻版引进)投产后,多功能天车出现了不少问题。刘宗俊先生带领技术人员长期坚持一线,终于弄清楚了问题的原因,得到了时任厂长杨光先生的高度赞扬,但刘宗俊先生终因积劳成疾,心脏病发作,倒在了贵铝工作现场。在今天我们大谈振兴装备制造业的背景下,对前辈们三十年前为振兴铝工业勇挑重担的责任意识和大无畏精神深感敬仰。

  全面国产化。为了解决国产化问题,当时许多装备都是首先考虑由国内最强的制造企业承担消化开发任务。除了多功机组和碳素阳极震动成型机由沈冶修制造以外,电解槽阳极提升机构、母线提升框架、出铝台包等都是委托了航空航天系统(如222厂、170厂)等制造;铝锭连续铸造机由昆明重型机器厂制造;特种运输车辆由柳州特种车辆厂制造。筒式下料器是在贵铝三电解工程以后,由170厂率先研制成功,是在分析日本引进技术的不足之后,贵阳院宋丽娟、刘长利等首先开发的一种欧洲型下料器。

  沉寂的加料小车。经历了四十年的发展,我们在各个方面的技术都已经远远超过了日本当年的引进水平,吨铝电耗大约降低了1000kWh。但有一个技术国内一直没有敢于尝试,就是在海洋之神铝输送系统中,从净化系统的载氟海洋之神铝料仓到电解槽,日方采用了“电动小车”的技术,由电动小车自动接料,然后按顺序每天自动送料到每台电解槽设置在厂房柱子之间排烟管上方的5t容量的料箱(称为“槽壁料箱”)内,上节中的图片上可以看到这个壁料箱。投产多年,系统运行非常稳定。多年来在历次大型工程设计中,只作为备选方案,但一般都得考虑引进,从没有人开发这个系统。作者在此只想介绍在这个项目中有这么一个有趣的技术存在,但至今无人尝试,或许代表了当时日本的自动化水平。

  坚实的基础。通过引进工程消化吸收,给我们带来的各种铝用技术和装备很多,这里不一一叙述。几十年来,大浪淘沙,配套网页版制造企业也不再是当初那几家,今天我们已经实现了电解铝全套装备的国产化。更重要的是贵州铝厂的引进工程,为我们建立现代铝电解工业体系打下了基础。

  在今天面对工业智能化时代的到来,电解铝装备制造业的升级和现代化发展仍然是首当其冲的重大命题。

  四、物理场(“三场”)的研究

  什么是物理场? 就是电解槽各种物理特性的数值计算和仿真技术研究的简称,行业俗称“三场”。行外的人不清楚,但电解铝圈里不知道“三场”,那是要被人笑话的。圈里人都称我们从事这方面研究的人叫“搞‘三场’的”,这个标签一直被用了很多年。曾经有位同仁,有一天见到作者,非常诧异地说:某某专家竟然不懂“三场”?!言外之意,懂“三场”那是必需的。可见“三场”当时对行业的意义。

  上世纪70年代以来,随着电子计算机技术的发展,采用数值计算方法,建立数学模型进行计算机仿真模拟解决各种工程科学问题成为可能。不仅可以减少实验室和工业试验的成本,而且缩短工业试验的周期,大大降低试验风险,当时已成为各个领域进行科学研究、实验的重要手段。无论水利大坝还是卫星上天,计算机建模技术都发挥着重要的作用。

  开辟“三场”课题——武威高工的远见。八十年代初,国际铝电解技术在这一时期正在发生着根本性的变化,铝电解槽数学模型与计算机仿真技术的研究成为铝电解技术研究的核心技术,世界各大铝业公司均以此为基础发展自己的大型预焙槽技术。法铝(Pechney)AP18(180kA)、美铝A-697(~190kA)等一批现代大型铝电解槽相继诞生,并投入工业化运行。

  以武威、姚世焕、江献宾、宋垣温、干益人等为代表的部分老专家们清醒地认识到:要搞清和解决引进技术存在的问题,必须紧跟国际铝电解技术发展的趋势,从物理场基础研究开始,简单的消化吸收很难支撑我国电解铝技术的未来发展。也就是说必须系统地研究开发我国自己的现代大型铝电解槽的物理场数学模型和计算机仿真技术,才能为中国电解铝技术赶超国际先进水平夯实基础。

  在那个时期,计算机对大多数人来说还是新鲜事儿,对计算机还不以为然的人不在少数,认为它对实际工作没有什么价值。作者当年就经常听到围绕计算机到底有用没用这样的辩论,甚至一些老工程师也认为计算机比不过他手里的计算尺。即使在几年后的一次“三场”研讨会上,还有位老同志打趣地说:就那么在键盘上敲几下,“咕嘟咕嘟”出来一堆纸,那能有什么用?!可见当时武威们有这样的远见卓识是多么难得。

  “三场”研究项目启动。1983年9月,武威等向贵阳院申请成立“三场”研究小组开展“三场”研究工作,得到了时任总工程师的姚世焕大师的大力支持。老院长程宗浩先生,这位从解放战争中走过来的老同志,曾在试验中受伤失去左臂的老一辈科学家、老干部,以他特有的对科技前沿的嗅觉和雷厉风行的魄力,果断决策在申请政府立项的同时,由设计院自筹经费三万元先期启动该项目的研究,作为那个时代在没有政府立项启动的科研项目是的。因此,以武威为组长的三场研究小组成立,由院领导亲自协调分别抽调电气自动化专业的贺志辉、机械设备专业的吴有威和刚刚从大学热能工程专业毕业的作者组成研究小组,分别开展电磁特性、结构力学和电热场的研究工作。

  院校联合。电热场研究联合了与中南大学(当时的中南矿冶学院),小组成员梅炽、汤洪清、时章明、孟伯庭等;电磁场研究与华中科技大学(当时的华中工学院)电力系陈世玉、孙敏等组成;结构力学研究与华中工学院力学系联合进行,由刘烈全、邱崇光、秦庆华等负责。按照当时计算机发展的水平,由于受内存容量限制,最初工作是在中南矿冶学院计算站和贵州省计委计算中心的小型计算机上完成的。

  从1983年11月开始,电热解析研究在消化研究“日轻”有关铝电解槽阴极电热解析计算机仿真研究报告的基础上起步,半年多的时间便完全消化并重现了“日轻”的计算结果,并且很快开发成功阴、阳极电流场、温度场和热流场仿真模型和软件;电磁场研究从1984年上半年开始工作,下半年便取得了重要的进展,建立和重现了日方的电磁场的仿真计算结果;结构力学的研究工作也相继进入实质性阶段。研究工作的进展在整个项目组产生很大反响,让贵阳院领导备受鼓舞,也激发了全院上下对开展此项研究工作的热情。

  沈阳院裴尚奎高工、田廷辽,贵州铝厂武丽阳、潘阳生及郑州轻金属研究院(轻研院,当时的轻研所)宋垣温、干益人等也是国内最早的铝电解槽电热、电磁场研究者,为开启这一领域的研究作出了贡献。

  总公司支持。随着研究工作的深入,项目组对“三场”研究的核心技术问题有了清晰的认识。要建立精确可靠的物理场数学模型和计算机软件,必须在合理选择可靠的物理模型基础上,通过数值方法建立可靠的数学模型。而决定仿真技术可靠性的最关键的因素,取决于可靠的边界条件,这是一项长期而又重要的工作。为了更加深入开展“三场”的研究,贵阳院向当时刚刚从冶金部分离组建的原中国有色金属工业总公司(以下简称有色总公司或总公司)提出立项申请,1984年获得批复,作为“六五”重点攻关项目,获得国拨经费30万元。沈阳院、轻研院同期也成立了专题研究小组,并分别与有色总公司签订了研究合同任务书,开展研究工作。

  梅炽带队——对外交流。日本三菱轻金属研究所当年在国际铝电解技术领域有一定的优势和影响,拥有池内睛彦等世界知名铝电解专家,其位于直江津的铝厂106kA上插自焙槽曾经创造过12600kWh/tAl的世界最低能耗的记录。为了加快中国铝工业的发展步伐,推动国内网页版能力占主导地位的自焙槽铝厂的技术革新,国家决定以低廉的价格引进该网页版线。时任青铜峡铝厂厂长康义先生,一位有战略眼光的企业家(后长期担任中国有色金属工业协会会长)负责该项目的引进谈判工作。据康会长回忆,谈判工作进行地异常艰苦,在日本的整个项目谈判持续了半年多。在贵阳院新任院长梅荣淳先生的高度重视和副总工程师江献镔先生积极努力下,借助青铜峡铝厂引进日本三菱公司电解铝网页版线的机会,贵阳院提出运用自行开发的物理场仿真技术对三菱106kA电解槽进行仿真设计,并与日方进行技术交流与合作的要求。从铝工业技术发展大局出发,康义对这次交流合作非常重视,并将其纳入与三菱公司的合作谈判内容,最终成功地达成了双方对该专项技术交流的协议。

  1984年9月,受中国有色金属工业总公司派遣,由梅炽教授(后担任中南工业大学副校长)、武威和作者等3人组成访问小组,被选派前往日本新泻和横滨与三菱轻金属研究所专家进行了为期40天的学习交流。三菱公司由池内晴彦、池田祯介、有田阳二等铝电解专家系统,向中方介绍了三菱公司在物理场仿真领域,尤其是三菱公司在二维电热、电磁场模型研究和磁流体力学研究方面取得的处于国际先进水平的研究成果;同时双方交流了106kA槽的仿真结果和设计方案。交流过程中,中方完成的物理场仿真结果和设计方案深得日方专家高度评价,对中方在该领域的研究进展感到惊叹。

  通过这次学习交流,分享了三菱公司在该领域的研究成果和经验,拓展了研究小组视野,更进一步使研究小组认识到此项工作的意义和价值,也了解到了我们跟国际水平之间存在的差距,这对后来的研究工作起到了很大推动作用,成为该项研究的新起点;

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  各小组研究全面推进。之后物理场的研究工作取得了快速进展。不到两年的时间内,在阴、阳极整体准三维耦合电热模型研究、电磁场和铁磁物质影响研究、磁流体特性模拟、槽结构应力场仿真等方面取得了重要的成果。作者所在小组的梅炽教授、研究生汤洪清等对电热场的仿真工作做出了突出的成绩;陈世玉教授、孙敏副教授和贺志辉为电磁场的研究做出了重要的贡献;而刘烈全教授、邱崇光副教授和吴有威为电解槽结构力学模型的研究立下汗马功劳。研究成果形成了铝电解槽“三场”研究论文专集(部分论文发表于《华中工学院学报》(专刊)1987.2)。

  1985年初,项目组包括各承担单位向中国有色总公司科技局对下一步的研究进展和研究计划进行了汇报。这次会议,一方面高度肯定了项目研究组的工作成绩,另一方面提出要加快对研究成果的试验验证,为开展我国现代铝电解槽的技术开发做准备。

  为引进技术做手术——151、152#试验。或许业内没有有几个人听说过这项试验,但这个鲜为人知的工作却是中国铝电解技术在自我认知上的一个重要转折点。开发物理场数学模型和仿真软件,目的是要指导铝电解槽开发工作。为了验证数学模型可靠性,在工业电解槽上进行验证是必须的过程。但要对日本的电解槽做手术,那可是件大事儿!一旦失败……

  1985年6月,在有色总公司的支持下,贵阳院联合贵州铝厂在贵铝引进的160kA系列中选择2台试验槽,利用我国自己的“三场”研究成果对引进的电解槽进行改造试验,这就是所谓“151、152#槽试验”。试验负责人是武威高工,电磁场计算是贺志辉同志完成的,电热场仿真和内衬结构设计由作者负责。参加试验的有贵州铝厂的武邵美、冷正旭、王有来等。具体试验内容为:

  ① 针对电解槽早期破损原因,自主开发的电热解析模拟软件对电解槽模拟,重新设计了槽内衬结构,在两台槽上进行了内衬的改造试验;

  ② 对下料机构及工艺制度等进行了改进,缩短了加料间隔;

  ③ 采用自主开发的电磁场计算软件,对152#电解槽进行了“四点进电”母线配置改造试验,在大面中间增加两根立柱母线,电流各为15000A。即进电比为:6.5:1.5:1.5:6.5。

  这次试验进行了一年半时间,尽管受到槽结构和许多先天条件限制,母线配置方案只作了小比例中间进电的尝试,加工面也没有改进的可能。但仍取得了很大的成功,试验的效果非常明显:试验槽内炉帮形状好转,伸腿明显缩短,尤其是152#槽磁场效果得到了很大的改善,证明了四点进电(特别是大面的进电,尽管电流不大)是可取的方向。

  经有色总公司组织专家鉴定,技术指标为:电流效率91.52%,电流效率提高了4%,吨铝直流电耗13112kWh/tA,下降约500kWh。同时试验结果还发现,虽然只有152#槽做了四点进电的母线改造,151#槽的磁场也有一定的改善,表明位于大面的两个立柱母线对相邻电解槽的磁场产生了积极的影响。

  151、152#槽试验的成功,打破了人们对日本技术的神秘感,也大大增加了项目组人员和领导们的信心。

  1986年1月,有色总公司科技局在北京召开了由全国各研究、设计院所参加的“三场”研究进展总结座谈会,会议对我国在铝电解“三场”研究领域的科技成果进行了全面的总结,取得的25项工作进展,其中贵阳院的成果占了绝大多数。这次总结也让有色总公司领导们对中国开发大型铝电解槽有了初步但全面的认识,成为后续制定大型槽开发计划的重要决策依据。

  设计理论成形——“三场”研究通过鉴定。1986年11月,“铝电解槽热、电、磁、力数学模型与计算机仿真程序研究”通过了有色总公司组织的科技成果鉴定,专家认为:

  ①项目开发的铝电解槽电热解析数学模型和计算机程序,采用了阳极三维模型与阴极“二+三维”切片模型,建立了准三维的铝电解槽电热解析整体耦合数学模型,能够精确模拟铝电解槽内的电流、电压分布,槽内等温线分布与热流分布图;②在采用“比奥-沙伐” 定律积分方程对电解槽内磁场分布进行模拟的基础上,采用“磁偶极子法”和“屏蔽因子法”,着重研究了铁磁物质对铝电解槽内磁场的影响,并采用有限元模型等建立了槽内熔体中的电流场进行精确模拟的数学模型和方法;③采用k-ε双方程模型,开发建立了在电磁力作用下的槽内熔体流动和界面隆起仿真计算模型和程序;④建立了槽壳有限元分析模型,并通过对电解槽变形的长期监测,对电解槽受力特点和各种载荷进行了一系列的研究,为电解槽结构优化提供了有效的设计工具。

  结论:此项研究形成了我国大型电解槽设计理论体系,超过了日本水平,达到了国际先进水平。别看现在日本电解铝水平落后了,在当时评价超过日本水平,其意义非同一般。

  1992年,研究成果获得了国家科学技术进步二等奖。这是我国在仿真设计软件领域首次也是获得国家奖励的科技成果。

  武威高工,梅炽、陈世玉和刘烈全教授,他们都是作者的老师,也是我国这一领域的领路人和先驱,是他们奠定了我国在这一领域的研究基础。


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【标题】电解铝——科技创新的辉煌之路(上)
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