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我国铝电解技术40年发展回顾

时间：2021-01-21 星期四来源：中国铝加工网作者：管理员 http://www.alu365.com

大型铝电解槽的开发——180kA试验槽
上世纪80年代中期，国际上以美铝Aloca697及P225电解槽工业化应用，Pechiney在F系列采用AP18槽型之后，180kA～200kA级容量电解槽成为国际先进铝电解技术的典型代表，并被其他西方国家所效仿（如瑞士铝业、加拿大铝业、挪威海德鲁等）。与此同时，280kA～300kA级的特大型电解槽也逐步开始了其工业化的进程。物理场（“三场”）研究的成果，也将中国铝电解技术发展推向了一个重要的转折点，在行业内逐步建立了走自主开发道路和打造我国铝电解技术创新体系的信心。
因此，为了积极追赶国际铝电解技术发展前沿，贵阳院联合贵州铝厂向国家经委、有色总公司申请在贵州铝厂建设试验工厂，厂长孙生军果断决策投资1800万元，开发4台180kA级铝电解试验槽（实际电流186kA）。1987年2月获得批准，项目被国家经委和有色总公司列为“七五”重点攻关项目，试验厂建设期间，第一任厂长为吴伟成（后担任中铝领导），后合并至第一电解铝厂，厂长为李鸿鹏高工。贵阳院项目总设计师为杨洪儒和胡庆轩高工。
试验的主要方案。作为我国第一个自主开发的大型预焙槽技术，所遇到的技术问题和选择是多方面的，在当时的条件下，具有很大的挑战性，电解槽设计和试验方案确定过程中，多次召开专家论证会，听取多方面的意见。几经反复，最终确定的设计方案如下：
①设计电流强度186kA，安装4台试验槽。
②母线配置设计为四点进电，为“两端+大面中间两点”，保留160kA电解槽槽底有中间往端部引出的补偿母线，增加了中间短路母线。
③阳极尺寸1450×660×540，阳极组数28组，阳极电流密度0.7A/cm2。
④3台槽阳极提升机构涡轮蜗杆式，采用四点提升；1#槽参考日本酒田铝厂（白银铝厂引进155kA）的丝杠外置形式的涡轮蜗杆结构进行试验。
⑤采用中间下料方式，四点下料，下料器容量4.5kg，最初的方案采用风动下料器（溜槽控制），设有5吨壁料箱，采用风动溜槽供料（早期的超浓相技术）。
⑥首次采用了小加工面设计：大面375，小面450，阳极中缝200。
⑦槽内衬结构在底部保温与侧下部的保温与防渗漏结构上，依据电热模拟仿真的等温线图和热流分布（及炉帮形状），采取了特殊的设计。
⑧试验厂房采用两层楼式结构，操作平台为+2.6m，厂房跨度为22.5m。
⑨整流供电采用了从已投产的第二个8万吨引入160kA，再新建一个30kA机组，向试验槽提供26kA电流。
⑩为适应母线“四点进点”后大面立柱母线对操作的影响，多功能机组驾驶室必须采用高位操作模式。
主要设计人员有易小兵、席灿明等，作者最初负责电热解析仿真及内衬结构设计方案，后承担了电磁场及母线设计方案和测试工作等，陈廷贵负责流场的仿真；电解槽力学结构与上部传动系统的设计在当时也得到了高度的重视，传动装置设计了两种涡轮蜗杆机构：一种是现在常用的这种涡轮转动带动蜗杆升降，另一种是涡轮与蜗杆固定在一起转动、带动固定在母线上的丝母升降（参考了日本酒田式），刘光声高工、吴有威、郭海龙等非常成功地完成了这方面的工作；采用了贵阳院研制设计、大连起重机厂生产的首台国产高位操作的多功能机组，主任设计师为刘宗俊高工。
车间系列母线影响——首次非对称配置。作为一个单独的试验槽系列，由于槽数少，试验槽内磁场受到回路大母线磁场的干扰严重。为了削弱这种影响，根据现场条件，将由老系列（贵铝三电解）引入的160kA电流返回母线布置在试验厂房的一侧，而将另外增加的26kA小机组电流由另一侧返回。利用磁感应强度与电流成正比，与距离平方成反比的关系，通过仿真调整两侧母线与槽中心的距离使其能够最大限度地相互抵消。设计结果160kA大母线距槽中心51.2m，26kA母线距槽中心11.7m。当然这样仍然不能完全消除其对试验槽磁场的不利影响，而且这部分磁场对试验槽影响仍然是非对称的。为此，电解槽周围母线也设计成非对称形式，进一步改善了试验槽的磁场分布。
设计方案通过审查。1987年7月，有色总公司在贵州铝厂组织全国专家召开了试验槽设计方案审查会，参加会议的有中南大学、北方工业大学、郑州轻金属研究院、贵阳和沈阳铝镁设计研究院、贵州铝厂、有色总公司贵阳分公司刘业翔、姚世焕、梅荣淳、梅炽、潘学荣、韩佩川、干益人、武威、杨洪儒、李润东、蔡其风等业内著名专家和方瑛、孙良佳等总公司领导。除了研究讨论试验槽的配置、阴阳极、内衬结构进行全面审查以外，会议关注的焦点自然是试验槽的电磁场和母线的设计问题。专家评审会议认为，试验车间在设计上对技术问题的考虑是全面的，采用的工艺技术先进，物理场设计可靠，首次设计的外部大母线和槽周母线非对称设计得到与会专家的肯定。
母线设计一波三折。母线系统设计是铝电解槽成败的关键，这一点今天已为铝电解人所熟知，而电解槽周围母线的设计是决定的因素。判断母线设计优劣的标准是其磁流体力学特性，槽内熔体流动的驱动力主要是电流与磁场作用产生的电磁力。电流场除了受到槽子结构影响外，主要由热场的设计结果决定；电磁场的计算则需要考虑电解槽周围复杂导体产生的磁场的综合效果，如相邻系列的影响，系列大母线的影响及铁磁性物质的复杂影响。
1990年2月，试验槽已经进入紧张地施工安装阶段的时候，刚刚参加完280kA试验槽(另一项国家重大攻关项目)方案审查的杨洪儒发现，186kA电解槽原母线设计由于受到软件本身的限制在对复杂电磁场仿真计算考虑不足，这可能导致试验槽在电磁模拟精度上出现偏差，并且受日本引进技术影响母线设计偏于保守。
调整方案——中断施工。于是在总设计师杨洪儒的强烈建议下，在工程即将进入安装的情况下，中断施工。采用了最新开发的第二代磁场模拟程序（LMAG）和母线优化软件(LBUS)。在对不同类型的母线分别进行磁影响处理，重新计算设计完成最终的母线设计方案。试验槽新的磁场模拟结果将四点进电方案的进电比由原来的9∶5∶5∶9修改设计为1∶1∶1∶1，即四个立母线等电流进电，方案最终得到了顺利实施。
从1986年项目启动到1993年试验槽鉴定验收7年间，设计方案和现场试验反反复复，贵阳院和贵州铝厂项目组的同志，唯恐出现任何问题，留下遗憾。试验组的同志克服重重困难，经历了无数次的调整和完善，解决了一系列的技术难题。
最终模拟的电磁及磁流体力学特性结果：槽内垂直磁场最大值12.72高斯(1Gs=10-4T)，平均4.87高斯；横向水平磁场最大值102.5高斯，平均35.5高斯；铝液层流速最大值17.19cm/s，平均3.96cm/s；铝液面隆起最大高度1.51cm。
LBUS设计的母线系统在满足电流分布误差不大于3%的情况下，系统总压降当量值为175mv，铝母线用量（包括阳极母线）仅为27.1t/槽，经过全面的试验测试，在试验槽上的运行效果得到了验证。
但是，铝电解专业的同志可能都看得出来，当时由于步子还不敢迈得太大，母线的设计还带有日本技术(两端进电)的一些痕迹。
认识的冲突——试验槽启动再遇阻力。试验项目得到了有色总公司领导和总公司科技部的高度重视，在各方努力下终于在1990年下半年建成，并具备了启动运行的条件。此时，贵州铝厂老厂长孙生军退休，新厂长杨光上任，试验工作进程出现了逆转。在投产前的启动方案论证会上，部分专家提出了反对意见，担心试验槽启动后会存在三个方面的技术风险：一是因为试验槽有160kA电流来自于后8万吨系列，试验槽投产后会造成其剩余电压不足给生产带来风险；二是从电力技术上担心两个不同电压等级的机组合并提供186kA（160kA+26kA）也存在风险；三是担心试验槽和为试验槽所设的大母线产生的磁场会影响后8万吨生产的正常运转。而反复争论的结果，第三点无论如何也没办法说服所有的人：磁场，还是磁场问题，这个看不见摸不着的问题。正因为知道磁场问题是关键所在，有些专家就武断地认为中国人没有这个能力，任凭试验组有再充分的科学依据也无济于事。在当时大背景下，一项前所未有的试验项目要求所有专家理解也是不可能的。
方瑛的执着。由于存在不同意见，试验槽的启动被一再推迟。在这个过程中，有色总公司科技部负责项目协调的处长方瑛教授等积极奔走、多方协调。组织专题讨论会，向各方面领导汇报沟通，展示充分的科学依据和对试验工作的信心，强调试验工作对我国铝电解技术发展的重要意义。终于，在通过专家论证的基础上，获得了各方面的一致支持，此时方瑛流出了激动的泪水。
上下齐心——中国大型槽开发首获成功。为这个项目作出过重要贡献的还有时任贵州铝厂副厂长刘治平、总工程师冯绍忠，他们是项目的组织者和决策者；电解铝厂总工程师冷正旭、车间主任黎计武等技术专家，他们在试验过程中发挥了重要作用。
回忆这段历史，仍然能够感受到大型槽开发过程的艰难，但在当时的历史背景下，试验过程出现这样的插曲也是很正常的。在我国大多数铝厂还在使用80kA以下自焙槽的情况下，对180kA大型电解槽这样的新鲜事物一时不能或不敢接受，是可以理解的。即使在1994年试验槽已经通过鉴定以后，某大型铝企业考察团在为其扩建工程选择电解槽技术，第一次考察180kA试验厂的时候，厂长当着作者的面发出感叹：这么大的家伙，我们敢不敢搞？而今天看来是不是有些好笑，600kA我们都嫌小了，这就是我们认识事物的过程。
经过多方努力，四台试验槽在推迟一年多以后终于在1991年9月顺利启动投产。经过一年半的运行，取得了电流效率93.5%，直流电耗13450kWh/tAl的运行指标。1993年3月，通过国家科技成果鉴定。这是我国依靠自己的研究成果，自主开发成功的第一代现代大型预焙阳极铝电解槽，达到了当时的国际先进水平。
1998年，该项成果获得了国家科技进步二等奖，为我国铝电解工业发展提供了重要的核心技术和成套装备，标志着我国铝电解技术发展跨上了一个新台阶，获得了大型槽工业化开发的宝贵经验。
在国际铝电解技术发展的历史上，这一容量的槽型是具有典型意义的现代铝电解槽技术的代表，正如美铝A-697和法铝AP18一样。无论如何，我国180kA试验槽的开发终于成功地迈出了第一步，完成了它的历史使命，为此后的280kA、320kA、350kA、400kA级以上电解槽的开发及工业化奠定了基础，具有重要的历史意义。