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【我國鋁電解技術40年發展回顧】(中)電解鋁——科技創新的輝煌之路

2021-01-04 09:22:47 來源:

  五

  大型鋁電解槽的開發——180kA試驗槽

  80年代中期,國際上以美鋁Aloca697及P225電解槽工業化應用,Pechiney在F係列採用AP18槽型之後,180∼200kA級容量電解槽成為國際先進鋁電解技術的典型代表,並被其他西方國家所效倣(如瑞士鋁業、加拿大鋁業、挪威海德魯等)。與此同時,280∼300kA級的特大型電解槽也逐步開始了其工業化的進程。物理場(“三場”)研究的成果,也將中國鋁電解技術發展推向了一個重要的轉折點,在行業內逐步建立了走自主開發道路和打造我國鋁電解技術創新體係的信心。

  因此,為了積極追趕國際鋁電解技術發展前沿,貴陽院聯合貴州鋁廠向國家經委、有色總公司申請在貴州鋁廠建設試驗工廠,廠長孫生軍果斷決策投資1800萬元,開發4臺180kA級鋁電解試驗槽(實際電流186kA)。1987年2月獲得批準,項目被國家經委和有色總公司列為“七五”重點攻關項目。試驗廠建設期間第一任廠長為吳偉成(後擔任中鋁領導),後合並至第一電解鋁廠,廠長為李鴻鵬高工。貴陽院項目總設計師為楊洪儒和胡慶軒高工。

  試驗的主要方案。作為我國第一個自主開發的大型預焙槽技術,所遇到的技術問題和選擇是多方面的,在當時的條件下,具有很大的挑戰性,電解槽設計和試驗方案的確定過程中,多次召開專家論證會,聽取多方面的的意見。幾經反復,最終確定的設計方案如下:

   設計電流強度186kA,安裝4臺試驗槽。

   母線配置設計為四點進電,為“兩端+大面中間兩點”,保留160kA電解槽槽底有中間往端部引出的補償母線,增加了中間短路母線。

   陽極尺寸1450×660×540,陽極組數28組,陽極電流密度0.7A/cm2。

   3臺槽陽極提升機構渦輪蝸桿式,採用四點提升;1#槽參考日本酒田鋁廠(白銀鋁廠引進155kA)的絲杠外置形式的渦輪蝸桿結構進行試驗。

   採用中間下料方式,四點下料,下料器容量4.5kg,最初的方案採用風動下料器(溜槽控制),設有5噸壁料箱,採用風動溜槽供料(早期的超濃相技術)。

   首次採用了小加工面設計:大面375,小面450,陽極中縫200。

   槽內襯結構在底部保溫、與側下部的保溫與防滲漏結構上,依據電熱模擬倣真的等溫線圖和熱流分布(及爐幫形狀),採取了特殊的設計。

   試驗廠房採用兩層樓式結構,操作平臺為+2.6m,廠房跨度為22.5m。

   整流供電採用了從已投產的第二個八萬噸引入160kA,再新建一個30kA機組,向試驗槽提供26kA電流。

   為適應母線“四點進點”後大面立柱母線對操作的影響,多功能機組駕駛室必須採用高位操作模式。

  主要設計人員有易小兵、席燦明等,作者最初負責電熱解析倣真及內襯結構設計方案,後承擔了電磁場及母線設計方案和測試工作等,陳廷貴負責流場的倣真;電解槽力學結構與上部傳動係統的設計在當時也得到了高度的重視,傳動裝置設計了兩種渦輪蝸桿機構:一種是現在常用的這種渦輪轉動帶動蝸桿升降,另一種是渦輪與蝸桿固定在一起轉動、帶動固定在母線上的絲母升降(參考了日本酒田式),劉光聲高工、吳有威、郭海龍等非常成功地完成了這方面的工作;採用了貴陽院研制設計、大連起重機廠生產的首臺國產高位操作的多功能機組,主任設計師為劉宗俊高工。

  車間係列母線影響——首次非對稱配置。作為一個單獨的試驗槽係列,由於槽數少,試驗槽內磁場受到回路大母線磁場的幹擾嚴重。為了削弱這種影響,根據現場條件,將由老係列(貴鋁三電解)引入的160kA電流返回母線布置在試驗廠房的一側,而將另外增加的26kA小機組電流由另一側返回,如圖所示。利用磁感應強度與電流成正比、與距離平方成反比的關係,通過倣真調整兩側母線與槽中心的距離使其能夠限度地相互抵消。設計結果160kA大母線距槽中心51.2m,26kA母線距槽中心11.7m。當然這樣仍然不能完全消除其對試驗槽磁場的不利影響,而且這部分磁場對試驗槽影響仍然是非對稱的。為此,電解槽周圍母線也設計成非對稱形式,進一步改善了試驗槽的磁場分布。

  圖片

  貴州鋁廠180kA級鋁電解試驗槽車間大母線配置

  設計方案通過審查。1987年7月,有色總公司在貴州鋁廠組織了全國專家召開了試驗槽設計方案審查會,參加會議的有來自中南大學、北方工業大學、鄭州輕金屬研究院、貴陽和沈陽鋁鎂設計研究院、貴州鋁廠、有色總公司貴陽分公司劉業翔、姚世煥、梅榮淳、梅熾、潘學榮、韓佩川、幹益人、武威、楊洪儒、李潤東、蔡其風等業內著名專家和方瑛、孫良佳等總公司領導。除了研究討論試驗槽的配置、陰陽極、內襯結構進行全面審查以外,會議關注的焦點自然是試驗槽的電磁場和母線的設計問題。專家評審會議認為試驗車間在設計上對技術問題的考慮是全面的,採用的工藝技術先進,物理場設計可靠,首次設計的外部大母線和槽周母線非對稱設計得到與會專家的肯定。

  母線設計一波三折。母線係統設計是鋁電解槽成敗的關鍵,這一點今天已為鋁電解人所熟知,而電解槽周圍母線的設計是決定的因素。判斷母線設計優劣的標準是其磁流體力學特性,槽內熔體流動的驅動力主要是電流與磁場作用產生的電磁力。電流場除了受到槽子結構影響外,主要由熱場的設計結果決定;電磁場的計算則需要考慮電解槽周圍復雜的導體產生的磁場的綜合效果,如相鄰係列的影響,係列大母線的影響及鐵磁性物質的復雜影響。

  在1990年2月,試驗槽已經進入緊張地施工安裝階段的時候。剛剛參加完280kA試驗槽(另一項國家重大攻關項目)方案審查的楊洪儒先生發現,186kA電解槽原母線設計由於受到軟件本身的限制在對復雜電磁場倣真計算考慮不足,這可能導致試驗槽在電磁模擬精度上出現偏差,並且受日本引進技術影響母線設計偏於保守。

  調整方案——中斷施工。於是在總設計師楊洪儒高工的強烈建議下,在工程即將進入按裝的情況下,中斷施工。採用了最新開發的第二代磁場模擬程序(LMAG)和母線優化軟件(LBUS)。在對不同類型的母線分別進行磁影響處理,重新計算設計完成最終的母線設計方案。試驗槽新的磁場模擬結果將四點進電方案的進電比由原來的9:5:5:9修改設計為1:1:1:1,即四個立母線等電流進電,方案最終得到了順利實施。

  從1986年項目啟動到1993年試驗槽鑒定驗收7年間,設計方案和現場試驗反反復復,貴陽院和貴州鋁廠項目組的同志,唯恐出現任何問題,留下遺憾。試驗組的同志克服重重困難,經歷了無數次的調整和完善,解決了一係列的技術難題。

  這是最終模擬的電磁及磁流體力學特性模擬結果:

  槽內垂直磁場值12.72高斯(1Gs=10-4T);平均4.87高斯;

  橫向水平磁場值102.5高斯;平均35.5高斯;

  鋁液層流速值17.19cm/s;平均3. 96cm/s;

  鋁液面隆起高度1.51cm。

  LBUS設計的母線係統在滿足電流分布誤差不大於3%的情況下,係統總壓降當量值為175mv,鋁母線用量(包括陽極母線)僅為27.1t/槽,經過全面的試驗測試,在試驗槽上的運行效果得到了驗證。

  但是,鋁電解專業的同志可能都看得出來,當時由於步子還不敢邁的太大,母線的設計還帶有日本技術(兩端進電)的一些痕跡。

  認識的衝突——試驗槽啟動再遇阻力。試驗項目得到了有色總公司領導和總公司科技部的高度重視,在各方努力下終於在1990年下半年建成,並具備了啟動運行的條件。在這個時候,貴州鋁廠老廠長孫生軍退休,新廠長楊光上任,試驗工作進程出現了逆轉。在投產前的啟動方案論證會上,部分專家提出了反對意見,擔心試驗槽啟動後會存在三個方面的技術風險:一是因為試驗槽有160kA電流來自於後八萬噸係列,試驗槽投產後會造成其剩餘電壓不足給生產帶來風險;二是從電力技術上擔心兩個不同電壓等級的機組合並提供186kA(160kA加26kA)也存在風險;三是擔心試驗槽和為試驗槽所設的大母線產生的磁場會影響後八萬噸生產的正常運轉。而反復爭論的結果,第三點無論如何也沒辦法說服所有的人。磁場!還是磁場問題!看不見摸不著。正因為知道磁場問題是關鍵所在,有些專家就武斷地認為中國人沒有這個能力,任憑試驗組有再充分的科學依據也無濟於事。在當時大背景下,一項前所未有的試驗項目要求所有專家理解也是不可能的。

  方瑛的執著。由於存在不同意見,試驗槽的啟動被一再推遲。在這個過程中,有色總公司科技部負責項目協調的處長方瑛教授等積極奔走、多方協調。組織專題討論會,向各方面領導匯報溝通,展示充分的科學依據和對試驗工作的信心,強調試驗工作對我國鋁電解技術發展的重要意義。終於,在通過專家論證的基礎上,獲得了各方面的一致支持,此時方瑛處長流出了激動的眼淚……

  上下齊心——中國大型槽開發首獲成功。為這個項目做出過重要貢獻的還有時任貴州鋁廠領導副廠長劉治平、總工程師馮紹忠,他們是項目的組織者和決策者;電解鋁廠總工程師冷正旭、車間主任黎計武等技術專家,他們在試驗過程中發揮了重要作用。

  回憶這段歷史,仍然能夠感受到大型槽開發過程的艱難,但在當時的歷史背景下,試驗過程出現這樣的插曲也是很正常的。在我國大多數鋁廠還在使用80kA以下自焙槽的情況下,對180kA大型電解槽這樣的新鮮事物一時不能或不敢接受,是可以理解的。即使在1994年試驗槽已經通過鑒定以後,某大型鋁企業考察團在為其擴建工程選擇電解槽技術,第一次考察180kA試驗廠的時候,廠長當著作者的面發出感嘆:這麼大的家夥,我們敢不敢搞?而今天看來是不是有些好笑,600kA我們都嫌小了,這就是我們認識事物的過程。

  經過多方努力,四臺試驗槽在推遲一年多以後終於1991年9月順利啟動投產。經過一年半的運行,取得了電流效率93.5%,直流電耗13450kWh/tAl的運行指標。1993年3月通過國家科技成果鑒定。這是我國依靠自己的研究成果,自主開發成功的第一代現代大型預焙陽極鋁電解槽,達到了當時的國際先進水平。

  1998年,該項成果獲得了國家科技進步二等獎,為我國鋁電解工業發展提供了重要的核心技術和成套裝備,標志著我國鋁電解技術發展跨上了一個新臺階,獲得了大型槽工業化開發的寶貴經驗。

  在國際鋁電解技術發展的歷史上,這一容量的槽型是具有典型意義的現代鋁電解槽技術的代表,正如美鋁A-697和法鋁AP18一樣。無論如何,我國180kA試驗槽的開發終於成功地邁出了第一步,完成了它的歷史是使命,為此後的280kA、320kA、350kA、400kA級以上電解槽的開發及工業化奠定了基礎,具有重要的歷史意義。

  六

  280kA試驗槽攻關——方案初定

  1988年,我國電解鋁工業還處在鮮為人知的年代,但一場必定要載入史冊的技術變革正悄悄向我們走來。這一年,我國大型鋁電解試驗基地攻關項目正式啟動,此後三十多年的事實證明,這個項目的啟動,改寫了中國電解鋁工業發展的歷史。

  老一輩的報國之心。關於這個項目的來歷,或許今天知道的人已經不多。但它之所以發生,背後有著深厚的背景和許許多多老一輩鋁業人的不懈努力和追求,也是歷史的必然。我們也不得不從老一代鋁工業專家們說起。1984年一批老一輩鋁工業專家包括程宗浩、楊萬志等在為國家辛勤奮鬥幾十年後,將離開工作崗位。而我國鋁工業正處在一個新老交替和歷史上百年不遇的換檔期,他們懷著對鋁工業深厚感情和為我國鋁工業科技發展做貢獻的歷史責任感,深知我國鋁電解技術的開發創新須臾不可松懈,需要抓住機遇奮起直追,趕超世界先進水平。在他們的積極建議下,1984年7月,“中國有色金屬工業鋁冶煉技術開發中心”在鄭州成立,貴陽院老院長程宗浩任中心主任。“中心”成立之初,就從貴陽院、沈陽院、北京有色冶金設計研究總院和鄭州輕金屬研究所(簡稱輕研所)抽調了一批專家,辦公地點就設在位於鄭州上街區的輕研所。1988年10月,由於一些原因,技術開發中心被撤銷,合並至鄭州輕研所,鄭州輕金屬研究所也由此改名為鄭州輕金屬研究院(簡稱輕研院),原來從貴陽院、沈陽院一部分人員回原單位,另有一部分留了下來,還創辦了鄭州輕研院設計部,來自貴陽院的電解專家郭振圖高工擔任設計部主任,這便是輕研院和其設計部的由來。

  “中心”撤了,但老專家們為鋁工業科技創新做貢獻的初衷不改。1986年,法國Pechiney位於聖·讓·D·莫埵]工廠的G係列120臺AP28(後發展為AP30)特大型槽開始工業化生產,成為世界矚目的焦點;同一時間,美國Alcoa在澳大利亞Poltland鋁廠的Aloca-817也投入運行,運行電流均達到275∼300kA,國際鋁電解技術大型化發展的步伐進一步加快。

  攻關項目啟動。1987年9月,在貴鋁180kA試驗槽技術方案順利通過專家評審的背景下,老專家們高瞻遠矚,從趕超國際先進水平的戰略角度出發積極建議:由輕研院牽頭,聯合貴陽院、沈陽院在河南省內建立“國家大型鋁電解試驗基地”,開發試驗我國自己的280kA以上特大型鋁電解槽,直接瞄準國際進技術。之所以由輕研院牽頭實施,也包含了為研究院發展實體產業的另一層意義,之前輕研院的氧化鋁中試廠建設取得了很好的效果。項目得到了中國有色金屬工業總公司科技局領導的大力支持,並在1988年初得到國家計委批示立項,列為國家計委、有色總公司“七五”、“八五”重大攻關項目,項目初期總投資預算2800萬,後為了維持工廠運行、增加生產設施,調整為5300萬(實際投資更高)。作為當時的科技開發項目投資規模之大、參與人數之多、規格之高、開發周期之長,可以說是空前絕後,當時就被稱之為“鋁電解科技的奧林匹克”。

  作者在1995年陪同程宗浩老院長前往廣西平果鋁參加全國第三屆輕金屬冶金學術會議路途中,老院長一路上暢談他對鋁工業科技開發工作的宏偉設想,希望有一天真正建立中國在世界上有影響力的鋁工業技術開發中心。作為一個已經離休10餘年的老領導,對鋁工業科技發展所傾注的關切和情懷,作為晚輩我感慨萬千,他的諄諄教誨至今銘記。沒有老一輩開疆拓土的雄才偉略和嘔心瀝血的奉獻精神,就不會有我國鋁工業今天的輝煌。

  聯合攻關——群英薈萃。1988年7月,驕陽似火,280kA鋁電解試驗項目工作正式啟動。鄭州輕研院派出了強大陣容:第一任項目指揮長由輕研院副院長劉全樸教授擔任,盧光裕、黃志高等任副指揮長,幹益人任總工程師,郭超然、趙無畏等專家任副總工程師。按照有色總公司科技局組織安排,項目參加單位的設計分工為:貴陽院負責電解車間及4臺電解槽設計、凈化係統和氧化鋁輸送等,總設計師為土建專家、技術處處長於家謀、電解設計負責人是武威高工和作者,同時負責物理場倣真設計;工藝及槽結構設計還有高振玉、易小兵、劉光聲、王愚等;沈陽院負責整流所設計,總設計師霍慶發、電氣負責人李明賢,工藝負責人王汝良、張萬福等,鄭州輕研院設計部負責其他配套部份的設計(包括總平面、鑄造車間、陽極組裝等),設計負責人是郭振圖高工。他們為前期的項目決策、方案設計、項目建設作出了重大貢獻。

  廠址選擇最初有兩個方案:一個是開封,一個是焦作市下轄的沁陽市。由於開封的電力條件不能滿足要求,最後落實在沁陽市,距離剛剛擴建完成又有富餘電力負荷的沁陽電廠不到一公堛漁梇L營村——太行山腳下一個名不見經傳的小村莊。距離輕研院所在地鄭州上街區150公堙A坐班車要走4、5個小時。在建設規劃上,為了使試驗基地具備一定的生產規模,投產後能夠獨立運營,輕研院領導在試驗槽建設的同時,原考慮建設一個1萬噸規模的60kA自焙槽係列(當時小電解鋁廠的起步規模),以能夠使試驗廠投產後產生一定的經濟效益,維持基地運轉。

  專家組陣容強大。為了確保攻關萬無一失,總公司組織成立了一個由行業內權威專家組成的“常設專家組”,專家組成員有:韋涵光、邱竹賢、程宗浩、楊瑞祥、姚世煥、徐樹田、張大有等七人組成,老院長程宗浩任專家組長,輕研院老專家張大有任副組長。經過可行性研究、初步設計、施工圖設計,每往前一步,都要經過專家組進行方案討論和論證。

  80年代中後期,法國Pechiney開發的280kA(AP28-30)和美鋁300kA (Alcoa817)剛剛實現工業化生產,而我國280kA鋁電解試驗槽的設計,是在貴陽院“三場”研究成果得到初步驗證,對160kA電解槽技術改造、186kA試驗槽僅完成設計工作的基礎上進行的。但當時186kA試驗項目尚未啟動,直接跨越到當時國際上容量級的280kA電解槽,設計和試驗的風險可想而知。有色總公司安排國外考察,只要是考察團,到人家的鋁廠也只能在幾十米開外遠遠地看上一眼,當然技術考察是一律不接待的,大型槽技術秘密在當時是嚴格封鎖的。當然,作為國際各大鋁業公司剛剛開發成功的最新技術,嚴格的技術保密也是可以理解的。在作者和大多數專家的心堙AAP28、Alcoa-817就是神一樣的存在,所有的資料就只有論文和幾張照片,物理場——更是看不見摸不著,告訴你結果和指標,你也不知道怎麼做。

  在這種情況下,項目建設單位和設計單位包括專家組全體參試人員,盡管都安排組成了最強的團隊,但面臨的壓力仍是巨大的。電解槽設計和試驗方案的確定過程中,多次召開專家論證會,廣泛調研,聽取多方面的的意見。作者在每次的專家評審會其間,都能夠聽到前輩專家們說的最多的一句話,是一句近似安慰的鼓勵:大膽設計,不用怕,總能出鋁吧?一方面這麼大的槽子,大家心堥S底,不敢有太大的奢望,也做好了最不利的準備;另一方面,也期待著成功的一天。當時那種責任感、使命感和壓力陡然劇增。

  總體方案。經過項目組艱苦努力,在全面研究並充分結合國內現有試驗基礎,最終向專家組提出的設計方案如下:

   設計電流強度280kA,安裝4臺試驗槽;選擇4臺槽基本是工業化試驗的慣例。按照磁場的特點,一般端部槽很難獲得理想效果,中間槽至少2臺以作為試驗對比樣本,這也是最少的配置了;

   最初考慮兩個方案,採用鄭州鋁廠65kA小預焙槽陽極,36組陽極陽極(雙極組)的方案被否決;最後採用了貴鋁的改進陽極尺寸1450×660×540,陽極組數40組,陽極電流密度0.7314A/cm2;受到原有陽極尺寸的限制,只有少許的改變;陽極電流密度也有增加;

   陰極炭塊尺寸515×450×3150,陰極組數28組;陰極的尺寸當時可以選擇的只有貴州鋁廠的模式;

   母線配置設計為全大面五點進電;理論研究的成果,特大型槽獲得磁流體力動力學效果的配置形式,即電解槽橫向排列和大面多點進電;

   陽極提升機構渦輪蝸桿式,採用8點提升;最初的設計,穩妥可靠;

   採用中間下料方式,六點下料,下料器容量1.8kg,採用筒式(機械式)下料器;符合國際最新工藝技術發展;

   計算機控制係統採用氧化鋁濃度自適應控制係統;已經在前期的研究中獲得一定基礎;

   加工面為:大面375,小面450,陽極中縫200;參考了186kA槽,也是國際發展趨勢;

   試驗廠房採用兩層樓式結構,操作平臺為+2.8m,廠房跨度為24m;基於車間散熱需要,這種廠房結構形式為大型槽普遍採用,也與引進項目一樣;

   氧化鋁輸送採用了超濃相輸送;當時可選擇的是濃相和超濃相技術,但濃相技術國內尚未掌握;

  多功能機組駕駛室採用高位操作,跟186kA試驗槽一樣,採用了大連起重機廠高位操作的多功能操作機組。

  從以上方案,內行專家們都可以看出,280kA電解槽的所有技術選擇,都具備了現代大型鋁電解槽的基本特徵,即使今天來評價依然是先進的。

  七

  核心難題破解

  280kA試驗廠的設計方案,完全比照了和吸收了國際最新先進技術基本理念和研究成果。然而,真正的難題是在沒有先例的情況下,能不能真正掌握特大型槽的倣真設計技術,即設計出先進的280kA槽並獲得真正優良的效果。事實上,歐美國家大型化技術發展也並非一帆風順。

  前車之鑒。鋁電解磁流體動力學(MHD)影響是現代鋁電解槽特有的核心技術問題,也是成敗的關鍵。到國外考察,我們最想看、但人家絕對不讓看的就是用於電磁場補償的母線配置是怎麼設計的。美國鋁業公司(Alcoa)早在上世紀60年代就開始採用橫向配置和大面進電母線配置解決磁流體問題,Alcoa和Pechiney(法鋁)是現代鋁電解技術的先驅。多年以後,從多個渠道查閱到的有關資料報道,當年曾讓我們神一樣膜拜的美鋁280kA槽(Alcoa-817)僅僅在澳大利亞波特蘭鋁廠建立兩個係列,後由於電磁場設計原因不能穩定運行,因而至今沒有在任何地方再使用。回想起來,真是讓人難以置信。

  事實上,由於電磁場倣真出現問題上導致工業試驗和係列生產失敗的慘痛教訓並不鮮見。美國凱撒(Kaiser)鋁業曾進行過兩個190-200kA槽的工業試驗,但均因磁場問題宣告失敗;由前蘇聯全蘇鋁鎂設計院80年代設計的塔吉克鋁廠(255kA)電解係列,建成後由於電磁不穩定無法正常生產,當年曾受到前蘇聯領導人戈爾巴喬夫的點名批評。

  磁場倣真再完善——LMAG的開發。磁流體動力學(MHD)影響研究,是現代大型鋁電解核心技術,其中電磁場倣真研究是基礎。電流的通過在電解槽內產生磁場,並與槽內電流相互作用引起鋁液流動、波動,導致電流效率降低。由於電解廠房內槽殼、上部結構等鐵磁性物質的存在,磁場倣真計算的精度受到很大幹擾,加上電解車間鋼結構等分布復雜,並且一定的磁感應強度下存在磁飽和現象,對槽內電磁場的精確倣真也更加困難。

  由於容量的大幅度增加,280kA試驗槽的車間布置方式母線配置發生了本質變化,導致數據處理工作量巨大,受復雜的母線電流源和鐵磁物質的影響更是難以解決。因此,必須研究完善倣真技術,滿足完成280kA特大型槽電磁特性的分析和全大面“多點進電”的母線配置設計的需要。

  在對特大型工業鋁電解槽電磁特性研究的基礎上,試驗組提出了針對三類鐵磁物質不同影響特性的電流源分別處理的技術路線,總結出了“內磁場加強、外磁場減弱、復合磁場弱化”的鐵磁性物質影響的基本規律,結合對現有生產槽和試驗槽的係統測試研究後,建立了的“綜合屏蔽因子”模型和數據庫,對三類母線磁感應強度受鐵磁性物質的不同影響進行分別處理;並通過多維空間變換實現了物理模型的無限擴展,以更全面準確考察係列電解槽的磁影響範圍和鐵磁物質的影響,從而在當時計算機發展水平還不能滿足三維大空間數值計算需求的條件下,大大提高了電磁場模擬的精確度。以此為基礎,開發了LMAG磁場計算軟件。

  通過採用LMAG設計完成了280kA試驗槽全大面“五點進電”母線配置方案,使磁場設計取得了優良的效果,模型方法和模擬結果得到了專家組的高度評價和認可。優化的結果垂直磁場平均值均小於4高斯,而且Y向的水平磁場平均值|By|ave減少了將約50%。試驗結果證明了模擬計算的精度是可靠的。

  多點進電母線優化——再下一城。母線係統的設計是實現鋁電解槽電磁場及磁流體動力學特性理論工程化實施的關鍵,是現代大型鋁電解槽的核心技術。

  一般來說,母線係統首先要滿足電解槽陰、陽極電流分布及母線係統電流分布,這是實現電磁特性模擬結果的基礎;同時還應當使母線係統的投資費用與電耗費用的總和最低,由於母線的投資在電解槽投資中佔有很高的比例(30~40%),因此母線的優化直接影響電解鋁的投資;再其次,母線係統對於施工安裝、生產操作、安全性以及母線規格的工程要求,使得母線的設計異常復雜。對以往的單端或雙端進電電解槽而言,傳統的方法是採用求母線經濟電流密度的方法確定母線斷面。由於大型槽母線配置設計採用了“多點進電”和補償母線等結構,使母線係統十分復雜,無法用傳統的單一矩形或鍥型母線計算方法來定義。因而這項研究也成為現代鋁電解技術在電磁場理論的工程化難題。

  “當量優化法”——LBUS。試驗組研究分析發現,傳統物理模型用於多點進電係統分析時,帶來的分析誤差可以達到30%以上。因此,1988年,試驗組在提出母線斷面綜合優化的概念的基礎上,首先將研究的物理模型擴展到電解槽所有的導電區域,即確定了以先進的“鋁液—鋁液”網絡模型建立的物理模型;首次從理論上確定了母線係統各段母線截面之間的優化關係,即以網絡節點所遵循的基爾霍夫定律為基礎,將復雜的母線係統分解為具有普遍意義的“樹形網絡”,通過“當量母線”確定母線段之間的優化約束條件,從而建立了以母線係統總費用為目標函數的母線斷面“當量優化法”模型,破解了多點進電母線網絡多級串並聯的“K值理論解”的問題,並據此開發成功母線係統優化軟件(LBUS)。此外,LBUS的強大功能還包括規格化、現場安裝、操作因素、安全參數等引入作為附加約束條件,同時考慮了溫度變化對電阻率的影響,實現了工程條件下“多點進電”母線斷面的優化。

  也就是說,LBUS不僅使母線係統設計滿足理論上的最優化,而且能夠滿足各種復雜的實際工程要求,即可以模擬母線係統在電流和電壓分布特性、工程限制條件和經濟性之間尋求最優的平衡。由於LBUS的開發應用,為試驗槽多種方案的快速優化選擇計算提供了可靠保證。

  1989年10月,鑒於其對大型槽開發的重要作用,貴陽院專門提請由有色總公司組織專家對“當量優化法”模型和LBUS軟件省部級專家鑒定:認為模型和軟件均達到了國際先進水平,獲得了省部級軟件獎和科技進步獎。

  280kA母線設計——水到渠成。LBUS軟件成功應用於280kA試驗槽五點進電母線係統的設計,不但取得了預期的電磁場效果,母線係統的電壓、電流分布以及投資費用都得到了最優化的設計結果。LBUS在母線係統的電壓175mV(一般<180mV)的情況下,使用最少的鋁母線用量,單位母線用量僅為0.10t/kA。模擬的精度一般控制在2%以內,實際測量結果局部誤差達到3∼5%。優化取得的經濟性指標至今無法超越。

  LMAG和LBUS的開發,使原本280kA槽開發技術難題順利化解,一切水到渠成。設計工作在專家指導下,進展非常順利。

  1990年3月,在專家組專門組織的物理場及母線設計方案評審會上,邱竹賢院士輕松地笑著說:非常好!模型計算考慮的非常嚴謹細致,沒有問題,立母線是不是高了一點兒?

  試驗係列配置難題——專家組的決定。單獨為了4臺當試驗槽建一個廠,這在全世界也是罕見的。存在一個突出的問題,4臺槽正常的係列電壓還不足20V,一旦發生效應(效應時單臺槽電壓會升高30V以上),係列電流將產生大幅度的波動,試驗將很難維持正常的運行條件。

  由於試驗車間只有4臺試驗槽,最初的設計方案,電解車間返回母線呈對稱布置,每側各140kA電流,見下圖中的臨時母線。針對項目組提出的問題,專家組根據姚世煥大師的建議,並經過認真討論提出:將試驗廠擬建設的一萬噸/年自焙槽係列改為26臺140kA電解槽,分兩列對成布置在280kA試驗槽的兩側,替代280kA試驗槽的返回母線,這樣既可減弱返回母線對試驗槽的磁場影響,又可以增加試驗係列的總槽數,提高係列電壓。

  專家的建議化解了試驗係列的配置難題,項目組按照專家們的這一改進建議,以此為前提,應用LMAG、GY-MHD和LBUS倣真和模擬程序,完成了此後的所有電磁及磁流體動力學模擬和大母線配置設計與槽周圍母線的設計。

  八

  280kA試驗終獲成功

  經過三年多的研究、試驗和倣真計算,攻關項目組終於完成了280kA試驗槽的全部設計方案,試驗即將轉入實質性的實施階段。

  方案會審——規模空前。1991年元月19至23日,試驗項目開工準備工作正緊鑼密鼓地進行。為確保項目建設方案的科學合理性和萬無一失,有色總公司科技局在北京平谷縣亞運村水上運動中心賓館召開了一次全國各大鋁企業、大學、科研院所等35名專家參加的設計方案論證會,專家成員有中南工業大學、北京大學、貴陽院、沈陽院、輕研院等科研院所的專家和來自貴州、撫順、青海、包頭、蘭州、連城等各大鋁廠的著名專家,這些專家有從事理論研究工作的學者教授、有電解工藝的老專家、還有從事電解鋁設備、築爐等一線工作的專家(如貴州鋁廠的於宗耀、青海鋁徐忠良教授等),項目組成員34人參加了會議。

  會議決定由七位德高望重的280kA試驗項目“常設專家組”成員組成“核心專家組”,在聽取大專家組意見的基礎上,形成最終決議,足見有關部門對於此次會議的高度重視。說到底主管單位的領導還是對試驗項目的成功心堥S有底,邀請全國的專家們把把脈。作者作為三場倣真和電解槽設計方案的主要匯報人之一,對這次會議的印象非常之深刻,令人難忘。鈕因鍵局長作為項目的總協調和主管領導,自始至終傾注了大量的心血,不辭勞苦,幾乎親自組織、參加了每一次的討論會。邱竹賢院士說:多年來我們在鋁電解電化學領域研究取得了很多的成果,但在物理場研究方面很薄弱,這是現代工業電解槽的核心,貴陽院在這方面的研究開發走在了前邊,能夠設計出這樣的大槽子讓我感到很欣慰,第一步總是要邁出去。

  高度肯定——謹慎建議。基於當時技術發展歷史背景和專家們的經驗,專家們一方面對280kA試驗充滿期待,又對這些年我們在160kA電解槽生產方面的一些問題心有餘悸,會議經過了熱烈(近乎激烈)地討論,最後經過核心專家組的研究,做出了以下幾點結論:

   對項目組在現有條件下所做的試驗槽、試驗車間工藝設計方案,採用的各項技術與當前國際上的發展水平相比是先進的;

   電解槽三場倣真、槽內襯設計方案、五點進電母線配置方案的計算依據是可靠的,設計的電熱特性、電磁特性設計方法和各項指標先進、技術方案可行;

   陽極中縫設計200mm,改為250mm(186kA試驗槽採用200mm,引進160kA為250mm);

   陰極鋼棒由通長鋼棒改為中間斷開方式,中間斷開距離為250mm;

   參考當時國際上一些大型槽技術特點,建議1-3號槽結構採用原方案,即直角搖籃式槽殼和渦輪蝸桿提升機構,4號槽採用船型搖籃式槽殼和三角板滾珠絲杠式的提升機構,由沈陽院負責完成設計工作。

  主要技術方案獲得專家一致通過,大大鼓舞了試驗組的信心。這次會議是歷史性的,它的召開是試驗工作的重點轉入建設和工業試驗階段的一個轉折點。

  由沈陽院承擔4號槽在結構上進行不同方案的試驗,今天看來是非常正確的,這是此次會議的又一貢獻,船型槽殼在後來的大型槽發展應用中充分得到了證明,也成為一種普遍的結構形式;而三角板滾珠絲杠式的提升機構也是後來市場上大家看到的沈陽院與貴陽院設計方案的標志性差別,這是沈陽院霍慶發教授和王汝良、張萬福等專家的重要貢獻。

  另外,從以上決議可以看出,陽極中縫由200mm加大到250mm今天看顯然是保守了,隨著點式下料技術的應用,已經不需要那麼大了。但是萬一造成下料不暢怎麼辦?能不冒險還是不要冒險;陰極鋼棒採用通長還是中間斷開,今天看結果已經不是什麼問題,雖然意見分歧很大,但在當年引進的160kA槽大面積破損的陰影籠罩下,日方採用的通長陰極鋼棒也有可能會是罪魁禍首之一,專家組們希望結合我國在小型槽上已有長期生產運行經驗的斷開式的陰極鋼棒,也是可以理解的。從這次會議結果,也可以看出老專家們內心期待和糾結。是啊,至少能出鋁吧,不放心也要幹!關鍵的技術要突破,要大膽試;能試驗的盡量試,多一些選擇;該保守的還是保守點兒,我們不能輸。中國鋁電解技術,就是這樣一點一滴,循環往復、進進退退中不斷進步、不斷完善、不斷發展壯大的。在整個280kA試驗槽開發長達8年的歷程中,幾乎天都面臨這樣那樣的問題和挑戰。

  只是模倣?多年以後的一次國際交流活動中,一位外國朋友說:中國的大型電解槽是模倣國外某公司的技術設計的。作者聽了,當時就嚴肅地跟他說:您錯了,您可能不了解情況,中國的大型電解槽或許有借鑒國外技術,但那只是公開的知識,我們既沒有得到國外的任何幫助,也沒有國外提供的資料,甚至連國外的槽子都沒有看見過,完全是靠自己理論研究,一步步開發完成的,怎麼能說模倣設計的?波音飛機你經常坐,它就在你面前,全世界有幾家公司能夠模倣?!

  我們在引進日本技術的基礎上,經歷了將近20年的時間,從物理場研究到引進技術改造、180kA級電解槽的試驗,再到280kA特大型試驗槽的開發,這是模倣嗎?應該說,到今天中國不但形成了自己的現代技術體係,而且與國際上進的鋁業公司的代表性技術相比,不但有自己突出的特點,而且在某些主要性能指標上超過了國外水平,這是值得中國人自豪的。中國鋁電解大型化技術在當今國際市場上的競爭優勢決也不遜色於任何產業,而且成套技術和裝備實現了完全的國產化。

  項目建設——艱難曲折。由於是第一次承擔這麼大的電解槽的建設和試驗,所有參建單位都派出了最強的技術力量。鄭州輕金屬研究院副院長劉全樸擔任指揮長,後期項目啟動運行前,由副院長王平甫教授擔任廠長;魯光裕、黃志高、呂定雄等先後擔任副指揮長。為了確保電解槽鋼結構焊接質量,承擔建設任務的中國第六冶金建設公司施工人員。為了保障電解槽結構安全,盡管選拔了有豐富經驗焊工承擔,還是不敢絲毫馬虎,在設計人員現場指導下,按照不同部位焊接要求進行模擬焊接,經檢驗合格才正式上崗操作;電解槽內襯築爐工作由青海鋁廠修建公司承擔,由該公司總經理徐忠良教授級高工親自帶隊施工。全體試驗人員認真負責,每一個技術問題、每一次變更都要進行認真的討論,有時候為了一個變更幾家單位吵得面紅耳赤、不亦樂乎。

  由於資金投入遠超過初期預算(後期有所調整),加上需要考慮整個試驗廠運營增加的26臺140kA電解槽和輔助係統,資金出現了較大的缺口。輕研院前後兩任院長田庚有和顧松青為了獲得資金支持,想方設法,四處奔走;王平甫副院長臨危受命,關鍵時刻出任280kA試驗廠廠長,克服重重困難,顯示了知識分子領導的魄力與膽識。終於在1992年中期,試驗項目280kA槽建設基本完成。

  解決電力難題——高層施援。然而,由於當時河南的電力供應情況變化,出現了嚴重的缺電。而且,沁陽電力集團看到了鋁工業發展的有利條件,也開始規劃自己的電解鋁產業,並在試驗基地西側不足一公堛漲a方,率先建成了1萬噸/年的自焙槽鋁廠(沁陽鋁電集團華懋鋁廠,沁奧鋁業的前身),使得本來就緊張的電力供應更趨艱難,導致試驗項目長時間不能啟動運行。到1993年夏天,時任中國有色金屬工業總公司總經理吳建常同志,親自寫信給河南省委書記李長春同志,闡明國家攻關項目的重要性,希望河南省給予支持。在度過夏季農業抗旱季電力高峰以後,試驗場的電力情況很快得到改變,試驗基地從140kA槽開始逐步啟動運行。

  終獲成功。1995年元月,4臺280kA電解槽相繼啟動運行。試驗組分為電氣保障組、工藝試驗組、測試組和資料組四個小組,全面投入試驗過程。為了考慮到鋁液焙燒可能對槽壽命產生影響,試驗組放棄了當時國內普遍使用的日本鋁液焙燒技術,總結了國內當時曾經使用過的厚焦粒焙燒技術的不足,首次制定並採用了薄焦粒焙燒的技術方案。由於經驗不足,第一臺槽通電後出現了8組陽極不導電的不利情況。試驗組及時總結改進,使後三臺槽焙燒啟動順利完成。

  經過連續的運行和試驗,在經過一年多的試驗和三個月的性能測試後,試驗組完成全部的試驗任務,取得了令人滿意的試驗結果,280kA電解槽獲得了巨大成功。

  “280kA特大型鋁電解槽工業試驗”是國家計委“七五”、“八五”重點攻關項目,該項目由中國有色金屬工業總公司組織實施,鄭州輕研院、貴陽院和沈陽院共同承擔了該項目的開發設計、施工建設及工業試驗任務。從1988年開始籌建大型鋁試驗基地,經過8年的攻關,成功地開發了4臺280kA特大型鋁電解試驗槽。經過一年半的運行,考核測試結果:試驗槽取得了電流效率93.44%,直流電耗13114kWh/tAl。1996年11月通過了有色總公司組織的國家科技成果鑒定。

  媯{碑。280kA試驗槽的開發成功,標志著我國大型鋁電解槽技術已進入世界先行列,其高效、低耗、運行可靠、投資省等優點,所完成的各項試驗,成為我國更大容量電解槽的基礎和模板。280kA試驗槽的開發為我國鋁電解生產的規模化提供了成套先進技術,被譽為我國鋁電解技術發展的媯{碑!也成為中國電解鋁工業高速發展的轉折點和強大引擎!並且孕育了此後又一個20年電解鋁一波又一波發展浪潮!

  為此做出重大貢獻的既有程宗浩、張燕剛等老領導和邱竹賢、姚世煥、楊瑞祥、張大有等高瞻遠矚的老一輩領導和專家,有鈕因鍵、顧松青、王平甫、劉全樸、於家謀、霍慶發等一代領導的精心領導和組織,還有眾多新一代年輕科技精英長達8年的克難攻堅、晝夜奮戰。他們與280kA試驗槽技術一樣,必將載入中國電解鋁發展的光輝史冊!

  1998年,“280kA鋁電解槽工業試驗”項目,獲得國家科技進步一等獎。這是有史以來我國電解鋁技術領域的國家科技進步一等獎。

  (因作者知識有限,掌握信息資料不全,文章所述難免以偏概全,請大家批評指正!)

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(責任編輯:靜水)