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【我國鋁電解技術40年發展回顧】(下)電解鋁——科技創新的輝煌之路

2021-01-08 08:58:01 來源:

  九、從320kA到400kA——面向全球的跨越

  國家大型鋁試驗電解試驗基地280kA特大型鋁電解槽試驗的成功,使我國成為世界上繼美鋁、法鋁之後擁有280kA以上特大型鋁電解槽技術的國家。它的誕生,被稱為我國鋁電解技術發展的媯{碑,為中國鋁電解工業的快速發展提供了強大的技術保障。

  焦作萬方鋁業股份有限公司董事長金保慶,敏銳地覺察到280kA電解槽技術對電解鋁行業發展的重大意義。這位軍人出身、敢於第一個吃螃蟹的企業家,幾乎在試驗槽成功啟動已開始,借助天時地利的有利條件,率先與有色總公司達成協議,以技術使用費500萬元獲得第一家技術使用權。遺憾的是,這也是一家以試驗槽280kA電流容量進行工業化生產的電解係列,也是一家提供技術使用費的企業。1998年“焦作萬方6.8萬噸/年280kA鋁電解示範工程”,列入國家經貿委重點工程,由貴陽院承擔工程設計並成功建設投產。“焦作萬方”——從此成為行業的新標桿!

  然而,電解鋁的技術進步,並沒有就此止步,“焦作萬方”的新紀錄在短短幾年內,不斷被刷新......。

  平果鋁320的經驗。盡管280kA試驗槽已經取得了成功,並已經推向工業應用,但是當時國際上電解槽大型化的速度還在加快。法鋁的AP28已經發展為AP30,實際運行電流超過了300kA。

  一定要超越國際水平!這是老一輩鋁業專家的一種情結。

  80年代末,時任青銅峽鋁廠廠長的康義和貴州鋁廠副廠長楊世傑隨團去西方某鋁工業大國參加培訓學習。期間,康義等學員請示參觀該國最新開發的進的320kA電解試驗槽。東道主露出神秘地一笑,同意最多五人可以參觀,他們把學員領到一個車間的一頭,再領到一臺天車上,指著朦朧的遠處說:“OK,在那兒!”。名為參觀,實為封鎖,這一舉動像一把利劍深深地刺進康義和楊世傑的心口。沉思良久,康義對楊世傑說“老楊啊,咱一定要爭這口氣!超過他們!”楊世傑默默地點點頭。開發300kA級以上的電解槽,攀登世界鋁電解高峰的責任始終壓在那一代“電解人”的心頭。

  1997年,平果鋁成功實現兩年達產達標的目標,280kA特大型槽開發已經取得成功。時任平果鋁總經理的楊世傑和副總經理殷恩生認為開發300kA以上鋁電解槽的條件已經成熟。7月,楊世傑前往北京向已擔任有色總公司副總經理的康義教授(1998年4月轉任國家有色金屬工業局副局長)作了專題匯報,得到康義首肯。

  1998年9月,由康義副局長親自推動的國家經貿委國家重點技術創新項目“平果鋁320kA超大型鋁電解槽技術示範項目”開始實施,初期方案確定的容量為300kA,後來調整為320kA,項目由平果鋁業公司和貴陽院聯合承擔。母線設計採用六點進電方式,同時槽況診斷、工藝參數調控配有專家決策智能支持係統,氧化鋁濃度分布採用模糊控制技術。1999年6月30臺電解槽全部建成並開始啟動,從設計到建成僅僅用了9個月。

  試驗意外遇險。然而,320kA電解槽設計並不是280kA電解槽簡單的幾何放大,的難題還是電磁場的倣真模擬。首批投產的10臺電解槽電壓擺動劇烈、鋁液波動頻繁且幅度大,情況很不穩定。怎麼辦?繼續還是中止?同時畢業於貴州工學院楊世傑和殷恩生兩位老同學、好朋友、好搭檔之間,發生了嚴重分歧。作為總經理的楊世傑認為,必須如期全線投產,否則無法給國家交待!但作為資深鋁電解專家的殷恩生則堅決反對:磁場問題是電解槽的先天基因,一旦投產將無法再改變,必須探明原因,徹底解決!

  這件事震動了貴陽院,設計總負責人,貴陽院原總工程師翁文成,積極向院領導建議:請作者牽頭組織攻關組,抓緊拿出解決方案。院領導班子進行了認真研究,當時負責院科研工作的副院長代表院班子找到作者:此事關係重大,請你務必出馬,大家信任你。不然,貴陽院對人不住啊!

  但是,木已成舟,如何解決?確實沒有把握。

  為了確保問題解決,平果鋁同時組織了考察組由殷恩生帶隊前往美鋁(Alcoa)考察。五天過後,考察組也有了回音:類似情況國外也出現過,曾導致大型槽開發中斷,但不便提供技術細節。後來,根據公開資料顯示,美鋁280kA槽在80年代建成兩個係列後,因電磁場問題無法解決,從未再使用過。

  成功化解。經過仔仔細細把電解槽的模擬數據和設計方案進行了檢查,8天後找到了問題的原因:試驗車間兩棟廠房之間距離只有21m,設計時對其影響和鐵磁性物質影響的補償不足;同時由於320kA電解槽採用44塊陽極方案,缺乏一定的模數和規律,導致電磁特性先天不足。改造方案當天提交給院技術委員會討論,獲一致通過。

  施工現場所有人員嚴陣以待,同時派出了醫療救護小組。在不停產的條件下,經過施工單位十一冶和七冶施工人員艱苦奮戰,改造成功了!應該說,我們是幸運的。

  事實上,貴陽院技術委員會在討論320kA方案的時候,就曾經發生了嚴重的分歧。一部分意見認為:電磁場問題我們已經解決了,無需擔心,我們改造160kA開始,到180kA、280kA都沒出現問題就是證明。然而,不該出現的問題還是出人意外地出現了。

  從2000年4月到8月,分別對其中8臺試驗槽和30臺槽進行試驗考核,取得的主要技術指標為:電流強度322.456kA,電流效率95.04%(30臺平均94.43%),直流電耗13191kWh/tAl (30臺平均13323kWh/tAl),整體達到國際先進水平。

  鑒定會上,專家組長劉業翔院士說:“320kA特大型鋁電解槽技術的成功開發和應用,標志著我國鋁電解槽技術已具備完整的科學體係,使我國鋁電解技術躍上了一個新臺階”。國家有色金屬工業局副局長康義教授百感交集地說:“320kA電解槽是現代鋁電解發展的方向,它的開發成功,為我國鋁電解工業迎戰新世紀搶得先機,振奮人心,大漲中國人志氣!”

  總結320試驗成功的經驗,陽極“模數”的問題被首次提了出來,貴陽院技術委員會大部分專家認為:必須要重新認識電解槽陽極模數優化和電磁場模擬問題的重要性,經姚世煥大師後來一再明確強調,使後來的320kA電解槽首先在河南中孚實業股份有限公司(簡稱中孚實業)應用得到了進一步優化完善,成為我國鋁電解工業的主力槽型。

  沈陽院快速發展。從九十年代中期開始,沈陽院率先引進了國際知名的數值分析軟件ANSYS,由楊曉東等領銜在1996年完成了河南鑫旺160kA四點進電電解槽的倣真設計,取得了很好的效果,引起了全國關注,接著,各大設計院相繼購買了ANSYS。這一強大的倣真計算工具的引進,使得電解槽的物理場倣真工作進一步加強,同時,也印證了我國自行開發的倣真軟件的可靠性,結合我們二十多年研究,已經掌握了大量可靠的邊界條件。通過在設計工作中兩種軟件的交叉運用、相互驗證,加快了大型鋁電解槽開發的步伐。不斷更新改進的新型電解槽直接應用於係列化生產。

  特大型電解槽的開發成功,使得鋁電解工業發展的面貌發生了根本的變化。2001年,伊川電力集團由沈陽院設計的20萬噸/年300kA電解係列,僅用一年時間建成,開創了電解鋁工程建設達產的歷史紀錄;2002年,河南中孚實業股份有限公司啟動年產25萬噸/年,由貴陽院改進設計的320kA電解係列開工建設;同年貴陽院在賀志輝副院長的主導下320kA電解槽技術出口印度,簽訂了有史以來的電解鋁技術出口訂單。這兩種槽型基本結構均沿襲了280kA的模式,到後來鋁電解技術開始大規模輸出國際市場。與此同時中國電解鋁技術大型化的腳步還在向前邁進。

  350kA大型槽工業化。2002年4月,由沈陽鋁鎂設計研究院、河南神火集團有限公司等單位在共同考察、調研的基礎上,採用156臺350kA特大型鋁電解係列新技術,建設年產14萬大型鋁電解工程項目獲得批準建設。由總工程師楊曉東等領銜設計,首期於2004年8月16日正式通電啟動。電解槽運行正常、生產穩定,電流效率達到94.15%,直流電耗每噸鋁13474kWh,綜合技術達到國際先進水平,標志著我國電解鋁技術具備了參與世界競爭的實力,對提高我國鋁工業整體水平具有重要的示範意義和推廣價值。為沈陽院SY係列電解槽技術形成奠定了基礎。

  與此同時,貴陽院在青銅峽鋁廠設計建設了350kA鋁電解係列。350kA鋁電解槽的工業化應用,使中國電解鋁大型化技術提升到了一個新高度。楊曉東、李夢臻等完成的“350kA特大型預焙陽極鋁電解槽槽研制”獲得2007年國家科技進步二等獎。

  鑒定委員會指出,350kA鋁電解槽具有如下特點與創新:一是採用非對稱6端進電母線,進行了磁場優化設計,使電解槽運行平穩;二是運用電解槽本體熱平衡倣真與廠房通風模擬相結合的“係統熱平衡”設計新方法,獲得了良好的電解槽熱平衡和廠房通風設計效果;三是採用了窄加工面、槽殼增設散熱片、大間距搖籃架結構,獲得了電解槽材料用量省、結構緊湊、槽殼變形小、熱工況穩定的良好效果;四是開發出3段式排煙技術,有利於提高集氣效率和改善環境。

  電流首破400kA。之後,沈陽院成功將350kA電解槽技術應用於蘭州鋁廠新建係列。並在16臺電解槽上進行了強化電流試驗,採用30%石墨質陰極炭塊,在陽極電流密度0.82A/cm2條件下首次將電流提升到403kA,2007年5月開始啟動,經過10個月的運行,電流效率達到94.16%,噸鋁直流電耗13263kWh/tAl。並於2008年3月21日通過了科技成果鑒定。

  首條400kA係列生產線誕生——東大院崛起。2007年3月起,中孚實業技術中心與東北大學設計研究院(東大院)開展聯合設計,在對320kA電解槽進行改進試驗的基礎上,開始設計建設產能24萬噸/年400kA鋁電解生產線。經過了七個月的技術攻關與設計,成功開發了400kA原型電解槽,於 2008年8月18日建成並順利啟動。新的生產線採用了多項新技術:採用了與 320kA 電解槽相同的陽極尺寸,陽極的數量為48組;並經過精確的物理場倣真設計,採用了6點進電母線配置模式,並首創了“端部強補償,底部非對稱弱補償”電磁場補償母線結構,使電解槽獲得了優越的磁流體穩定性;內襯結構在精確的電熱特性模擬基礎上,設計了“可壓縮結構”,有效延長了槽壽命;設計了一種全新的槽上部管桁架式承重梁結構,不但滿足了大跨度結構的強度與剛度要求 ,而且鋼材用量降低了30%;新的槽上部集氣結構,對電解槽在更換陽極、打殼或出鋁等操作時,設有雙排煙收集係統,確保泄漏的氣體能夠程度地減少,集氣效率提高到99%以上。是世界首條400kA級的鋁電解工業生產線。

  採用400kA建設世界首條電解鋁生產線,在當時是一項非常大膽的決策。由於中孚實業的控股大股東是俄羅斯投資人控制的Vimetco公司(總部位於荷蘭阿姆斯特丹,倫敦上市企業),該公司特別聘請了原美國Kaiser鋁業公司鋁電解專家薩姆.馬拉塔納和原Pechiney技術經理皮爾作為技術顧問和公司CEO。由於當時世界上還沒有一條400kA工業上產線的成功經驗,Vimetco聘請的國際專家團隊在電解槽選型上提出了反對意見,不同意中方提出的採用400kA電解槽的技術方案。中方團隊在進行了大量的科學研究和精心設計的基礎上,一邊推進項目實施,一邊不停地說服大股東及其專家團隊。2008年初,作者與張洪恩董事長親赴阿姆斯特丹向Vimetco董事會進行匯報,介紹了大量的科學依據和中國已經取得的實踐經驗。最終,在張洪恩董事長以榮譽擔保,並同意其董事會選派國際專家進行設計方案審查的前提下,董事會有條件地批準了這一方案。

  Urata的故事。2008年6月,在生產線即將建成的情況下,Vimetco公司經薩姆先生推薦聘請了美國專家N.Urata教授,對中方的技術方案進行審查。Urata是世界著名的物理場倣真專家,早在70年代曾提出著名的鋁電解槽電磁穩定性方程——Urata方程,被廣泛認可和引用。作者受中方團隊的委托,在中孚實業建設指揮部接待了Urata先生。Urata開門見山:“我受大股東委托,對貴公司400kA電解槽的物理場進行分析與評價,請您提供全部的計算資料和圖紙”。面對這位威望極高的鋁業前輩,這是一個兩難的局面:如果給,意味著我們的全部技術成果將無償被人家掌握;如果不給,將意味著一旦將來工程有任何問題,我們面對大股東必須承擔全部的責任,也將失去一次與國際大家的學習機會。董事長只說了一句話:我知道你能應付!作者不無遺憾地對Urata先生說:“我知道您是電解鋁物理場倣真的泰鬥,我和我的同事們都十分仰慕您,但由於技術保密的原因,我不能按您的要求提供您想要的資料”。Urata先生很不高興地說:“梁先生,我了解了你們在這方面的成就。但是,您不覺得公司的利益和這個項目的風險,比您個人的榮譽要重要得多嗎?”。我明白老先生的心情,也感覺愧對他的誠意。為了不辜負老先生的心意,我說:“我相信您,雖然我無法提供您要的詳細資料和圖紙,但可以給您提供進行倣真所需要的原理圖,也希望您給予真誠的指導”。老先生不無遺憾地說:“也好,這樣我也能夠完成我的任務了”。

  兩個月後,雖然作者沒有看到Urata先生的詳細報告,但得到了Vimetco總部的一個答復:Urata先生沒有異議,工程可以按期投產!

  400kA電解槽投產後生產運行狀況良好,槽工作電壓保持在 3.93V~3.95V,經過技術條件的調整,噸鋁直流電耗低於12800kWh,陽極效應係數低於0.05 ,電流效率達到93%以上,環保效果也進一步得到改善。該項目獲得了中國有色金屬科學技術一等獎。

  2009年,在亞太七國APP組織實施的電解鋁技術和環保項目中,新西蘭奧克蘭大學輕金屬研究中心對該槽穩定性進行了測試:即使在工作電壓3.6V的情況下,仍能保持高度的穩定性,證明了該槽電磁場設計的可靠性超乎想象,為低電壓運行創造了條件。

  創新聯盟成立。2008年9年,由中孚實業牽頭,中南大學、東北大學、中國科學院過程所、電工所和長春應化所以及國內大型鋁企業等15家單位聯合組建,科技部“鋁電解高效節能技術創新戰略聯盟”在鄭州成立,河南豫聯集團董事長張洪恩擔任理事長,雲南鋁業總經理丁吉林擔任副理事長,劉業翔院士、邱定蕃院士、張國成院士、張懿院士等擔任顧問委員會委員。

  此後,以聯盟名義申報並承擔“十一五”國家科技支撐計劃“低溫低電壓鋁電解新技術開發”,在林豐鋁電公司400kA生產線成功實施。

  緊接著,2011年初沈陽院與青銅峽鋁廠開發成功的400kA生產線順利投入運行。此後的幾年內,400kA特大型電解槽迅速在行業推廣了20餘條生產線,成為我國電解鋁工業的骨幹槽型。

  一年後,Vimetco集團董事長馬切斯基先生在鄭州裕達國貿酒店舉行的慶功宴上,對他的英國合夥人說:中國團隊以後要做800kA電解槽,我們都相信他們!但他不知道的是,我們已經初步制定了600kA電解槽的開發方案......

  十、多項重大技術突破——實現內涵式提升

  提到電解鋁,可能很多人馬上會想到傻大黑粗的重工業畫面,那就錯了。經過130多年的不斷發展,電解鋁技術從最初的小作坊生產,已經發展成為具有高度規模化、集約化、自動化和高效率的現代流程工業。行內的人有一句很流行的話:“電解鋁三天能入門,三十年學不透”,電解鋁技術絕對不簡單,它是常用金屬中最難冶煉的一種,迄今也只有一種工業生產方法。由於鋁電解過程涉及的學科和理論十分龐雜,各種技術難題也交織在一起,除了融鹽電化學反應的熱力學、動力學過程、電解質組分與物化特性等基礎性領域,電、熱、磁、結構力學及磁流體動力學特性也是最近幾十年研究的核心領域,還涉及陽極、陰極材料、結構材料,抗腐蝕、耐高溫、抗滲透材料等方面諸多材料領域的難題,還有大量工業和工程領域的問題。電解槽既是電解鋁工業的核心設備,又是大批量的規模化生產為特徵,電力能源密集、投資密集和技術密集,可謂牽一發而動全身,即便是錯了一顆螺絲,也會造成幾百上千個廢品。我國電解鋁在大型化的過程中,從沒有忽視質的提升,大量的科技創新成果,一直穩固地支撐著我國電解鋁今天的輝煌發展。尤其是在電解工藝過程控制、連續穩定運行工藝與裝備、環保技術以及新型陰極結構的創新和研究領域,成效卓著,讓世界側目。

  工藝與控制——高效運行關鍵技術。我國鋁電解工藝與控制技術從“日輕”技術的引進開始,得到了大力的提升,這也是我國在該領域研究的起點。基於當時對鋁電解工藝過程的研究和認識基礎,當時的“日輕”技術是相對落後的。從後來的研究證明,早期引進工程出現的大量生產問題與其落後的工藝技術不無關係。其主要表現在:一是加料制度不合理,加料間隔時間長(30分鐘),加料量大(每次加料量4×15=60kg/次),就是人們常說的“暴飲暴食”,而且當時採用的是一種風動加料器(實際上是靠小型風動溜槽吹送),精確度很低,造成的波動很大;二是電解質中氧化鋁含量的控制模式,在當時還是一種“黑箱”模型,被稱為“效應控制”的模型。

  對電解槽而言,用計算機實現正常的作業控制,從技術上來說雖然復雜,但不存在理論上的難點。輸入係統的是電壓、電流兩個信息,輸出的打殼加料和提升陽極兩個變量。自控專家、鄭州輕金屬研究院原副院長趙慶雲曾經給電解鋁的控制技術下了個定義:如果不考慮工藝過程的優化運行,電解槽的控制與一般工業過程無異,並非難事!但是鋁電解的工藝復雜在於要實現工藝過程的優化運行是非常困難的。

  “低溫、低電壓、低分子比、低氧化鋁濃度和高效率”工藝(“四低一高”)是國際鋁電解工藝發展的趨勢,其核心難點在於氧化鋁濃度的控制,而這一難題的攻克經歷了長期艱難的過程。在80年代,新的電解槽主要指標已經明顯提高,控制技術的應用有一定的貢獻,這是控制技術發展的第一個階段。但實際上,這一階段除了電解槽的設計和電磁場改進的貢獻佔主要因素以外,控制係統的貢獻主要來源於新的加料器和加料制度的改進。即“勤加工、少加料”工藝使氧化鋁濃度波動大大減少了,1.8kg以下容量的筒式加料器的研制成功是關鍵所在。“陽極效應”是電解槽內氧化鋁濃度達到極低限值時係統中發出的警示性信號,較高的陽極效應係數說明氧化鋁濃度控制問題在這一階段還沒有真正得到解決。

  我國這一領域經過不斷地研究開發,最終取得了重大的進展,使我國電解鋁運行技術指標跨上一個新臺階。代表性成果有很多,評價的主要依據就是“槽電阻—氧化鋁”濃度曲線的研究和控制模型的建立,突破了氧化鋁濃度黑箱模型的限制,使陽極效應係數從1次/槽·日降低至0.05次/槽·日以下。

  中南大學李劼、丁風其等完成的“鋁電解過程智能控制係統及推廣應用”;貴陽院田慶紅等完成的“鋁電解三度尋優控制技術”;貴陽院席燦明和北方工業大學李晉宏等完成的“鋁電解智能模糊控制技術”;沈陽院研制完成的“鋁電解全息智能操作控制技術”。多項成果達到國際先進水平,也標志著我國鋁電解技術全面進入世界先進行列。2005年,這一領域的研究成果獲得了國家科技進步二等獎。

  係列連續運行工藝與裝備——破解制約規模化發展瓶頸。對於300臺以上電解槽組成的電解係列,如果一臺槽的停或者開都必須全係列停電,一年就要停電100到200次,30-40分鐘的停電不僅減少產鋁量,而且破壞了電解槽的各種技術條件,電解槽物理特性被改變,電化學過程受到嚴重幹擾,電解槽效率下降、能耗升高,一個係列每年的損失達到數千萬元。而且大大增加陽極效應的發生,溫室氣體排放大幅度增加(陽極效應時產生的過氟化碳溫室效應是CO2的6600多倍),尤其嚴重的是頻繁的大負荷短時停/開衝擊,對鋁廠的供電設備乃至電網的安全造成了嚴重威脅。

  連續性工藝是流程工業的一項重大課題,頻繁斷電對電解鋁生產的危害更是不言而喻的。這是一項長期困擾電解鋁發展的世界技術難題,必然成為制約電解鋁大型化的瓶頸。

  從1995年1月起,作者尋遍全國電力專家,找不到可行的解決辦法。直到1997年,一個歐然的機會,在火車上巧遇湖北超高壓局總工程師李國興教授,“三峽電力外輸都是我負責,這事能幹”。李教授認為實現不停電停開電解槽有可能的,因為這次巧遇,作者下決心要開發這項技術,並約定共同開發。直到2004年,來到河南中孚實業擔任總工程師的作者,大膽向國家提出了立項申請,得到了國家重大產業技術開發專項支持,該項目的攻關正式啟動。然而,在與德國某知名企業合作一年後,技術攻關宣告失敗。實現陷入困境......

  李國興——情係電解鋁的電力專家。2005年,已退休多年居住美國的李國興教授受邀回國再度出手,想要兌現他8年前共同開發此項技術的約定。但在了解了操作原理並考察了現場之後,李教授認為問題比他想象的要復雜,原有的方案行不通。由於自己已經退休力不從心,但他決定還是要支持到底,力薦剛剛從日本回國任教的華中科技大學電力學院副院長何俊佳博士。通過不斷地探索及與電力專家的深度交流與合作,逐漸理清了開發思路。

  類似於大壩截流,根據電解槽停/開過程,攻關組構思了這樣一個原理,即“先分流、後短路、再斷流(槽電流)”。獨創了一種可變電阻分流測試方法,來測試分流量、電壓及時間和溫度變化及相關安全參數,解決了超大電流試驗的難題。然後由小到大,由70kA電解槽,再擴大到320kA電解槽。經過120多臺320kA槽的連續全電流啟動開槽試驗後,所有問題被成功破解。2006年9月,經過十一年的曲折與探索,這一難題終被宣告徹底攻克!

  “大型鋁電解係列連續穩定運行工藝與裝備”終於研制成功。時任中國有色金屬工業協會會長康義親自主持了鑒定會,四位院士組成的專家組鑒定認為:其原理和方法為世界首創,成套技術和裝備達到國際水平,實現了鋁電解係列連續、高效和長周期穩定運行。該成果入選“2006年中國十大工程與技術進展”。CCTV《新聞聯播》、《人民日報》、《科技日報》等相繼給予報道;CCTV《經濟半小時》專題介紹了這一成果的研發過程。

  這一成果獲得2010年“中國專利金獎”,2012年獲得國家技術發明二等獎,這是我國在鋁電解技術領域獲得的一項國家技術發明獎。

  異型陰極與新型結構陰極技術——異曲同工的創新。由於傳統電解工藝逐步趨於完善,從上世紀60年代美國鋁業公司就開始探索新的替代煉鋁技術—氯化鋁電解工藝,到90年代,開始研究惰性陽極電解工藝。然而,東北大學馮乃祥教授在認真研究後認為惰性陽極並不能大幅度地節能降耗,材料問題也很難解決。在2007年在沈陽的一次會議期間,馮教授談了他的想法:另辟蹊徑,將目光投向了電解槽的陰極,決定沿著傳統電解鋁工藝,從改善生產過程的鋁液流動(改善磁流體動力學)入手,找到一種捷徑,提高電流效率、降低槽電壓。從90年代末,馮乃祥發明泄流式電解槽結構,開啟新型陰極結構鋁電解槽研究,歷經了十餘年的多次改進,通過改變陰極形狀,形成對電解槽內鋁液流動的“阻波”作用,以明顯降低鋁液磁流體流動的振幅,建立了高效節能新型陰極結構鋁電解槽的基礎理論。2007年7月到2008年9月,他聯合田應甫教授在重慶天泰鋁業3臺168 kA電解槽上進行試驗,終於取得意想不到的成果:噸鋁直流電耗從13393下降到12300kWh/tAl,噸鋁節能1000kWh以上。之後,在華東鋁業94臺200kA電解槽上進行了示範推廣。馮乃祥等完成的這一技術在國內外產生了很大的反響,引起了眾多企業的關注,並迅速在行業20多家鋁廠推廣和試用。這一技術在2010年美國TMS年發表,獲得了TMS協會鋁電解創新技術獎。2010年中國專利獎。

  2008年底,中國鋁業公司顧松青和劉風琴教授等在沁陽鋁電解試驗廠的2臺160kA電解槽上,試驗成功了國外多年研究未果的新型陰極結構導流槽技術,據報道電解槽槽電壓穩定控制在3.7~3.8V,同樣實現了噸鋁節能1000kWh的目標。之後在中鋁公司所屬貴州鋁廠、蘭州鋁業等企業推廣使用。中國鋁業公司專門舉行新聞發布會宣布這項重大成果。

  馮乃祥的異型陰極電解槽與中鋁新型結構導流電解槽的相同之處都是把創新焦點集中在了陰極結構的改變上,所不同的是異型陰極是在陰極表面按一定要求和規則設計了一組陰極“凸臺”,凸臺對鋁液的流動產生了物理阻擋的作用;而新型結構導流槽是在陰極表面開一組“凹槽”,使得陰極表面同樣形成了凹凸的結構,由於鋁液在凹槽內被約束,同樣減緩了鋁液的流動。一凸一凹,可謂異曲同之妙!

  “破波器”(Wave Breaker)。異型陰極技術在某些國外文獻中也被稱為“破波器”,盡管由於目前遇到以下兩個問題:一是陰極突出部分在電解槽運行一段時間後(半年左右)由於熱應力和鋁液的衝刷,會脫落或磨蝕掉,使得對鋁液流動的阻擋減弱或失去作用;而是凸臺或者凹槽的形狀、高度以及布置方式對不同的槽子效果不同,未來需要精確的倣真作為依據,以取得的效果。但無論如何,這項技術的誕生,給鋁電解生產大幅度節電指出了新的技術方向。

  由於技術原理的相似性,兩個團隊經過艱苦協商,最終共同申報了這項成果,馮乃祥、顧松青等獲得了2014年國家科技進步二等獎。

  槽壽命——1500天到3000天的碟變。“槽壽命”,無論誰聽到這個名詞都能感覺其中的分量,還有什麼比“壽命”更重要的嗎?自“日輕”引進技術以來,電解槽壽命問題就是一直困擾我國鋁電解生產的難題。電解槽一旦破損停槽,維修的成本是很高的,加上啟動費用在內,大修一次產生的費用相當於電解槽總投資的大約1/3以上。由於在鋁電解廠電解槽一般是成係列(一個電解係列有多達300臺以上的電解槽)安裝運行的,壽命問題就是電解鋁的重大經濟問題,直接關係到鋁廠的經濟效益。

  如何提高電解槽壽命?材料問題、設計問題、施工問題、焙燒啟動方法、生產工藝過程及管理多方面的問題交織在一起,其復雜程度可想而知,可以說任何一個環節都可能導致電解槽早期破損,從而槽壽命縮短;但任何一種技術和改進都很難保證電解槽壽命真正的延長。而且,理論研究的成果要在實際生產中得到驗證必須經過長時間的生產檢驗,短時間的研究試驗很難得出令人信服的成果。因此,相當長時間內沒有人敢於肯定1500天的設計目標真的能在工廠實現,也沒人知道究竟需要多少年我們才能達到國際上2700天的目標。然而,說不清是什麼時候開始,槽壽命問題就漸漸地就不再是人們議論的焦點。今天我們一些鋁廠的槽壽命甚至已經超過了3000天(中孚實業400kA槽超過10年的槽數佔到了30%以上)。如此大的技術進步簡直可以稱之為碟變!

  材料技術的研究和改進。炭素陰極塊的生產制作技術改善了陰極導電性和對電解質和鈉離子的滲透;底部防滲材料的研制與應用有效地當了電解質滲透對保溫層的腐蝕與破壞;電解槽高強防滲澆注料(主要用於電解槽側下部)有效改善了陰極周圍的防滲漏效果和溫度分布;側部碳氮化硅材料的應用大大改善了側部散熱、促進了槽內爐幫的形成,可以有效保護電解槽內襯被侵蝕。

  設計理論的完善。最基礎的影響是在設計理論的建立和完善上,首先是熱電模型和倣真技術的開發,為電解槽獲得合理優化熱設計奠定了基礎,槽體內的溫度分布、能量平衡可以精確預測;其次研究明確了電解槽底部等溫線特徵值的區域位置,即電解質凝固等溫線位於陰極炭塊以下位置,有利於削弱會延緩電解質滲透對陰極的破壞作用,而鈉離子的析出溫度當處於保溫層與耐火層之間;第三是設計了能夠有效吸收電解槽陰極膨脹變形,減少陰極結構因溫度和吸鈉膨脹造成的陰極破損的“可壓縮結構”(又稱“柔性”結構);第四是通過側部散熱結構設計界定了理想爐幫和實現理想爐幫形狀的方法,即鋁液-電解質界面和鋁液層水平電流分布為判定標準。

  施工工藝和技術的提高是材料研究和設計成果工程化的關鍵。無論有多麼完善的施工規程,有時候也很難獲得好的效果,電解鋁優良的施工質量就是在不斷的實踐和探索中建立起來的,對關鍵環節施工工藝的理解和嚴格地按標準操作才是技術的核心。

  工藝技術不斷完善。經過40年的發展,從焙燒啟動到生產操作技術得到了極大的提升和轉變。從學習和膜拜日本引進技術,到徹底放棄鋁液焙燒啟動技術;從280kA試驗開始使用,到焦粒焙燒技術的逐步完善和推廣應用;從“效應”控制、大加料量工藝到“四低一高”、點式加料穩定操作,電解鋁的生產工藝與操作管理有了質的飛躍。

  技術進步——依靠全行業的持續創新。不可否認槽壽命的提高確實是我國鋁電解技術的一項重大成果,一項了不起的成就,凝聚了電解人的集體智慧和四十年不懈探索的結果。電解鋁技術許許多多的改進和創新,類似於槽壽命這樣的創新成果還有很多,正因為有太多人的心血和貢獻,也不太容易由某個單位和個人獲得相應的獎勵,每一項進步都是由許許多多的科技人員同時在不同單位完成的,導致很多的科技成果沒辦法說清楚,但電解鋁工業在實實在在地大步前進。

  十一、500~600kA超大型化——引領世界

  一係列難題的攻克,推動了電解鋁的工業規模化發展的進程。從2008年起,電解鋁產能的發展如泄閘的洪水一發而不可收。400kA電解槽迅速開始了大規模的推廣,與此同時,500kA、600kA超大型電解槽的開發也提上了日程。

  國際鋁工業——在探索中前進。法國Pichiney公司早在1989年到1999年用了十年的時間,將其位於法國的聖·讓·莫埵]的試驗基地(LRF)的三臺試驗槽電流由400kA提升到500kA(AP50),然而時至今日,該技術仍然沒有實現工業化應用。

  500kA——中鋁開先河。2011年9月,由沈陽院設計的世界首條500kA鋁電解生產線在中鋁連城分公司落戶投產。冬日的連鋁,寒風料峭,電解一廠500kA電解槽旁,幾名電解工人正在換極作業,火紅的陽極塊被多功能天車從槽子中夾出來,首批500kA電解槽經過現場人員艱苦努力正式投入運行。為確保啟動工作順利進行,在二區電解槽啟動中,認真總結500kA電解係列一區啟動經驗,不斷焙燒啟動方案:充分應用不停電停開槽技術,大大縮減短路口拆卸時間;優化生產組織,嚴格工藝制度,加強技術培訓,制定應急預案並組織演練;嚴格控制啟動所需原材物料的消耗,降低啟動成本,為保證係列安全平穩運行創造了條件。比首批(一區)過程更加順利。

  到2011年10月12日,500kA二區92臺電解槽全部順利啟動完成,開槽188臺,完成65%。三區按計劃於11月中旬通電啟動,至年底前完成全係列288臺電解槽啟動工作。盡管過程法雜而又曲折,最終取得一次性工業化的成功,從而開啟了電解槽的500kA時代,為向600kA邁進奠定了基礎。

  快速工業化。2011年中大冶金設計院在新疆設計了520kA電解係列,共安裝320臺電解槽,年產能45萬噸,前80臺於2012年8月順利啟動。在此期間,經過持續地設計優化,後240臺電解槽得到進一步完善,成為當時世界上單係列產能的電解係列。主要應用了如下技術:優化母線配置,此補償效果進一步改善,並且單槽鋁母線用量降低了3.2噸;改進完善了陰極多鋼棒技術,由每塊陰極炭塊4個陰極棒改為3個,進一步改進了陰極結構防滲漏設計;優化了上部橫母線和加料點布置;過道大母線設計充分考慮了安全操作的結構布置。投產後,電解槽運行穩定,尤其是改進後的240臺槽。

  再現拐點。從400kA到500kA,隨著容量的增大,盡管在設計理論和物理場倣真的方法上沒有本質變化,但經濟上和技術上的矛盾在這個階段逐步顯現,體現在兩個方面:

  1)體現在母線係統設計上,按為了補償電磁場,電解槽上遊側陰極出來的大部分電流(大約80%以上)須從端部繞過,增加了母線的長度和截面積,也增加了投資和母線的電壓消耗,而且大量的補償母線配置在電解槽之間需佔用用較大的空間,導致槽間距也必須增大,導致投資和運行費用有所增加;另一種可以選擇的方案是,適當減少電解槽周圍母線的補償量,採用專門設置的小機組用於補償(專用補償母線),被稱之為“外補償”。相對來講,外補償的方式簡單、投資和雲南行費用也略低一些。但無論採用哪一種補償方式,相對於400kA而言,母線的單位投資和運行費用仍然是增加的;

  2)體現電解槽的結構設計上,除了要適當改變長寬比、增加電解槽陽極長度,因而增加了上部的總重量以外,電解槽在長度方向的跨度也更大,上部結構也需要進一步加強。也有兩種做法:一種是增加大量的高度,加大大梁結構件斷面積,以滿足電解槽上部結構的強度和剛度需要,當然將實腹板梁改為管桁架梁可以大幅節省投資(如中孚400kA,後用於魏橋600kA);再有一種就是在實腹板梁基礎上在中間部位增加一個支撐柱(連城500kA,後用於連城600kA以上槽)。

  一方面,500kA以上超大型電解槽迅速受到行業青睞,眾多企業迅速採用,如甘肅東興、東方希望、神火集團等,新疆其亞更是直接將其一係列240臺改進型的設計直接應用於建設第二係列。但另一方面,大型預焙槽發展出現了第二個拐點,無論500kA電解槽有多麼,除了技術難度不斷增加以外,其優越性卻越來越無法體現:一是設計上母線、結構材料的增加不僅失去了自身的投資優勢,還會抵消規模化帶來的公共設施所節省的投資;二是生產技術指標停滯不前,從目前的運行情況看:電流效率低於93%、直流電耗12600kWh/tAl的先進指標即使500kA槽也很難超越。

  如果說,實現預焙槽從160kA到180kA以上的跨越歸功於磁流體動力學影響等技術理論研究上的突破,那麼解決500kA以上超大型化電解槽的經濟性問題同樣需要技術上的第二次突破。

  600kA——世界電解鋁新標桿。進入新世紀以來,國際鋁冶煉巨頭並沒有停止其在超大型電解槽領域研究開發的步伐。2010年LRF歸屬國際礦業巨頭力拓(RTA)所有,開始開發其突破性的APXe技術,並在2010年12月,開始啟動AP60(600kA槽型)冶煉廠的建設和開發。力拓批準了世界上第一次大規模部署AP60電解槽的計劃,首先建設的是38臺AP60(工業驗證AP60技術所必需的數量),作為其位於加拿大魁北克的Jonquiere冶煉廠現代化的一部分。原計劃第二階段即工業化係列示範線,根據建設場地條件將設計由272臺電解槽組成。

  AP60的開發模式復制了其開發“AP18和AP30的成功模式”。2013年完成調試和啟動,2014年9月完成全部性能測試:電流效率95.9%,工業試驗計算指標也僅僅達到噸鋁直流電耗13090 kWh/tA的水平,從這一指標的結果看,尚未達到其AP30槽取得的工業係列運行的12900kWh/tAl的水平,與我國400kA級電解槽的差距明顯。這一結果和AP50遲遲沒有工業化應用,以及其AP60第二階段工業化計劃至今未實施不無關聯,也與作者前述的“第二拐點說”相吻合。然而,我國600kA超大型電解槽的開發和應用卻繼續高歌猛進,異軍突起。

  SY600——中鋁再發力。沈陽院與中鋁連城鋁廠再度合作,承擔“十一五”國家863計劃重點項目、中鋁公司重大科技專項,“600kA超大容量鋁電解槽技術研發”。試驗過程中,原設計方案中,計劃採用“底部出電”模式(一種使陰極與陽極結構導電特性形成對稱式分布的設計,可以限度降低鋁液層電流),由於認為底部出電在結構上存在一定的風險,向科技部提出取消該計劃,留予今後繼續探索。科技部863項目專家組為此召開專門會議研究,調整了試驗驗收目標能耗指標(由12000調整為12200kWh/tAl)。

  2012年8月,12臺試驗槽全部順利啟動。電解槽採用56組單陽極,電流密度0.796A/cm2,陽極與陰極呈正對應,七點下料、大梁中間支撐結構、分段集氣雙煙管排氣係統、三段提升機構;採用內補償+外補償方案簡化了槽周圍母線設計,以減少槽間距增加;在控制垂直磁場均值 5.0 高斯,熔體流速減低40%(接近於400kA槽)。試驗結果12臺槽噸鋁直流電耗平均為 12136kWh,電流效率平均為 92.77%。

  2014年4月21日中國有色金屬工業協會組織科技成果鑒定,張國成院士擔任專家組長,作者和牛慶仁教授級高工任副組長,鑒定意見認為:技術成果達到國際水平。

  NEUI600——東大院與魏橋的合作。2013年的一天,東大院院長呂定雄推開了魏橋集團董事局主席張士平的門,一番陳述打動了這位千億企業的掌門人,下定決心要為鋁工業科技進步做出貢獻,經過論證和設計建設,全球第一條(186臺)600kA電解鋁生產線正式啟動建設。

  NEUI600採用“數值模擬+經驗”的模式:開發了磁流體穩定性“雙補償”技術和母線裝置,電解槽母線用量與傳統的“單補償”技術相比降低12%;首創的多階分體式管桁架梁結構技術提高了NEUI600kA級鋁電解槽超大跨度上部鋼結構的安全性和穩定性,降低了電解車間軌頂標高約1米,降低了電解車間土建投資約5%;研發的高位分區集氣結構和相向流煙氣幹法凈化技術等成套環境總量控制技術,係列實現了99.6%的集氣效率和99.7%的凈化效率。經過半年多的運行測試:槽平均電壓3.95V;電流效率94.6%;直流電耗12443kWh/tAl;陽極效應係數0.01次/槽·日。

  2015年6月5日,中國有色金屬工業協會召開“魏橋鋁電NEUI600kA級鋁電解槽技術開發與產業化應用科技成果”評價會。陳全訓會長參加了評審會,副會長兼理事長賈明星教授擔任專家組長,邱定蕃院士、李劼教授擔任副組長,專家評價認為:項目整體技術達到了國際先水平。

  此後,沈陽院在山東信發建立的新的係列,將電流強度提高到了660kA......

  站在世界之巔。盡管業內對500kA以上的槽子成熟性和先進性時有爭論,但毫無疑問中國電解鋁技術已經站在了世界之巔。開創了美鋁和法鋁基業的霍爾和埃魯特恐怕無法想到,他們發明的這種神奇的鋁冶煉方法,今天能在中國大地真正開花結果,發揚光大,並造福世界!

  十二、電解鋁蓬勃發展之謎

  始於上世紀70年代的改革開放的春風,吹來了科技的春天。我國電解鋁行業科技工作者,以其飽滿的熱情和對祖國的愛,上演了一場電解鋁技術蓬勃崛起的大戲:我們在消化引進技術的基礎上,研究開發了“鋁電解槽數學模型和倣真軟件係統”,掌握了大型鋁電解槽開發的基礎理論和設計工具,相繼自主開發成功165kA、186kA、280kA以上的特大型鋁電解槽技術,以“國家大型鋁電解試驗基地280kA試驗槽”的成功開發為標志,我國在現代鋁電解技術領域已跨入世界行列,形成了我國自己的現代鋁電解技術體係。此後,320kA、400kA、500∼600 kA超大型預焙陽極鋁電解槽技術相繼誕生,各項技術指標已達到或超過了國際先進水平。

  有人說,電解鋁屬於“兩高一資”,應該限制!高耗能、高污染?看過本文相信您已經有了正確的答案:對!優勢產業,電解鋁是中國少有的優勢產業!這才是電解鋁工業不可思議的發展速度背後的真相!

  幹勇院士說:時至今日,鋼鐵工業仍然是國民經濟的“壓倉石”。那麼電解鋁呢?毫無疑問,電解鋁工業是國民經濟中的一顆璀璨的寶石!

  未來資源之解。電解鋁發展之快令世人驚嘆,也自然引發了人們對資源問題的擔憂。

  煉鋁的原料主要是氧化鋁,氧化鋁通過鋁土礦加工獲得,世界鋁土礦資源十分豐富,主要分布在澳大利亞、巴西、幾內亞等國,中國曾是鋁土礦主要生產國家,以山西河南貴州廣西四省為主,保有儲量不足20億噸(非權威數字,且不斷在調整變化),約佔世界鋁土礦儲量4%,居世界第7位。隨著中國電解鋁工業的快速發展,國內鋁土礦資源已明顯不能滿足需要,盡管已探明儲量近年來不斷有所增加,陸續有新的鋁土礦資源被發現,一些省份比如在雲南重慶等地也已建起了新的氧化鋁廠。但總的來說,鋁土礦資源的短缺形勢已不可避免,這也正是人們普遍擔心電解鋁發展的資源之憂。

  然而,正像許多業內人士預計的那樣,中國電解鋁工業的發展並沒有受到氧化鋁資源的制約,這是因為:第一,氧化鋁是國際化資源,世界範圍內的氧化鋁貿易十分活躍,世界上一些大的氧化鋁生產國家,並不具備相匹配電解鋁生產能力,這些國家(如澳大利亞)生產的氧化鋁主要用於向別國銷售;第二,氧化鋁是經過非常復雜的化工過程生產的,也是一種寶貴的資源,適當的進口有利於緩解國內資源短缺的矛盾。換一個角度思考,正因為我國有良好的電解鋁產業基礎,通過發展電解鋁獲取國外的鋁資源也不失為我國經濟良性發展一種模式。山東一些大型企業通過直接進口鋁土礦生產氧化鋁的做法,以及某些省份鋁工業“兩頭在外”的產業特點,印證了這一模式合理性。

  從另一方面看,今天的鋁工業走出去戰略也是歷史的必然。

  “一帶一路”——走向世界。採用中國電解鋁技術建設電解鋁廠的投資僅僅是發達國家的1/3~1/2,而且,由於電解鋁產品的質量標準是全球化的,美國生產的原鋁和中國生產的原鋁,可以達到同樣的質量標準。目前我國自主創新的電解鋁技術已實現了大規模的技術出口,印度、哈薩克斯坦、馬來西亞、伊朗,甚至輸出到歐洲發達國家,並通過工程總承包、工程設計、工程施工等方式帶動了國內相關裝備制造、材料以及勞務等出口,在國際上產生了很大影響。

  “一帶一路”,新時代電解鋁恰逢其時!

  當年曾向畫圖看。電解鋁過剩了?是的,電解鋁發展真得太快了,但過剩從另一個角度看是不是意味著這個產業“大了”?中國電解鋁低能耗、低投資,技術!是不是“強了”?換一個說法:就是說我國電解鋁真的“做大做強”了,難道不是嗎?一個做大作強了的電解鋁已經在我們眼前。

  “莫訝諸峰俱眼熟,當年曾向畫圖看”,王陽明的詩句正是今天電解鋁工業的真實寫照!老一輩的理想今天已經變成了現實!

  電解鋁——讓國人揚眉吐氣!(完)

  (作者:梁學民 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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