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【我国铝电解技术40年发展回顾】(中)电解铝——科技创新的辉煌之路
时间:2021-01-15 10:57    来源:    点击:

五、大型铝电解槽的开发——180kA试验槽

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,180~200kA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,280~300kA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的确定过程中,多次召开专家论证会,听取多方面的的意见。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。

④ 3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八万吨引入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,如图所示。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。

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设计方案通过审查。1987年7月,有色总公司在贵州铝厂组织了全国专家召开了试验槽设计方案审查会,参加会议的有来自中南大学、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。

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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的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。

在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)方案审查的杨洪儒先生发现,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高工的强烈建议下,在工程即将进入按装的情况下,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。

这是最终模拟的电磁及磁流体力学特性模拟结果:

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的太大,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。在这个时候,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电流来自于后八万吨系列,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加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八万吨生产的正常运转。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!看不见摸不着。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,此时方瑛处长流出了激动的眼泪……

上下齐心——中国大型槽开发首获成功。为这个项目做出过重要贡献的还有时任贵州铝厂领导副厂长刘治平、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。

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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,完成了它的历史是使命,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。

六、280kA试验槽攻关——方案初定

1988年,我国电解铝工业还处在鲜为人知的年代,但一场必定要载入史册的技术变革正悄悄向我们走来。这一年,我国大型铝电解试验基地攻关项目正式启动,此后三十多年的事实证明,这个项目的启动,改写了中国电解铝工业发展的历史。

老一辈的报国之心。关于这个项目的来历,或许今天知道的人已经不多。但它之所以发生,背后有着深厚的背景和许许多多老一辈铝业人的不懈努力和追求,也是历史的必然。我们也不得不从老一代铝工业专家们说起。1984年一批老一辈铝工业专家包括程宗浩、杨万志等在为国家辛勤奋斗几十年后,将离开工作岗位。而我国铝工业正处在一个新老交替和历史上百年不遇的换档期,他们怀着对铝工业深厚感情和为我国铝工业科技发展做贡献的历史责任感,深知我国铝电解技术的开发创新须臾不可松懈,需要抓住机遇奋起直追,赶超世界先进水平。在他们的积极建议下,1984年7月,“中国有色金属工业铝冶炼技术开发中心”在郑州成立,贵阳院老院长程宗浩任中心主任。“中心”成立之初,就从贵阳院、沈阳院、北京有色冶金设计研究总院和郑州轻金属研究所(简称轻研所)抽调了一批专家,办公地点就设在位于郑州上街区的轻研所。1988年10月,由于一些原因,技术开发中心被撤销,合并至郑州轻研所,郑州轻金属研究所也由此改名为郑州轻金属研究院(简称轻研院),原来从贵阳院、沈阳院一部分人员回原单位,另有一部分留了下来,还创办了郑州轻研院设计部,来自贵阳院的电解专家郭振图高工担任设计部主任,这便是轻研院和其设计部的由来。

“中心”撤了,但老专家们为铝工业科技创新做贡献的初衷不改。1986年,法国Pechiney位于圣·让·D·莫里因工厂的G系列120台AP28(后发展为AP30)特大型槽开始工业化生产,成为世界瞩目的焦点;同一时间,美国Alcoa在澳大利亚Poltland铝厂的Aloca-817也投入运行,运行电流均达到275~300kA,国际铝电解技术大型化发展的步伐进一步加快。

攻关项目启动。1987年9月,在贵铝180kA试验槽技术方案顺利通过专家评审的背景下,老专家们高瞻远瞩,从赶超国际先进水平的战略角度出发积极建议:由轻研院牵头,联合贵阳院、沈阳院在河南省内建立“国家大型铝电解试验基地”,开发试验我国自己的280kA以上特大型铝电解槽,直接瞄准国际最先进技术。之所以由轻研院牵头实施,也包含了为研究院发展实体产业的另一层意义,之前轻研院的氧化铝中试厂建设取得了很好的效果。项目得到了中国有色金属工业总公司科技局领导的大力支持,并在1988年初得到国家计委批示立项,列为国家计委、有色总公司“七五”、“八五”重大攻关项目,项目初期总投资预算2800万,后为了维持工厂运行、增加生产设施,调整为5300万(实际投资更高)。作为当时的科技开发项目投资规模之大、参与人数之多、规格之高、开发周期之长,可以说是空前绝后,当时就被称之为“铝电解科技的奥林匹克”。

作者在1995年陪同程宗浩老院长前往广西平果铝参加全国第三届轻金属冶金学术会议路途中,老院长一路上畅谈他对铝工业科技开发工作的宏伟设想,希望有一天真正建立中国在世界上有影响力的铝工业技术开发中心。作为一个已经离休10余年的老领导,对铝工业科技发展所倾注的关切和情怀,作为晚辈我感慨万千,他的谆谆教诲至今铭记。没有老一辈开疆拓土的雄才伟略和呕心沥血的奉献精神,就不会有我国铝工业今天的辉煌。

联合攻关——群英荟萃。1988年7月,骄阳似火,280kA铝电解试验项目工作正式启动。郑州轻研院派出了强大阵容:第一任项目指挥长由轻研院副院长刘全朴教授担任,卢光裕、黄志高等任副指挥长,干益人任总工程师,郭超然、赵无畏等专家任副总工程师。按照有色总公司科技局组织安排,项目参加单位的设计分工为:贵阳院负责电解车间及4台电解槽设计、净化系统和氧化铝输送等,总设计师为土建专家、技术处处长于家谋、电解设计负责人是武威高工和作者,同时负责物理场仿真设计;工艺及槽结构设计还有高振玉、易小兵、刘光声、王愚等;沈阳院负责整流所设计,总设计师霍庆发、电气负责人李明贤,工艺负责人王汝良、张万福等,郑州轻研院设计部负责其他配套部份的设计(包括总平面、铸造车间、阳极组装等),设计负责人是郭振图高工。他们为前期的项目决策、方案设计、项目建设作出了重大贡献。

厂址选择最初有两个方案:一个是开封,一个是焦作市下辖的沁阳市。由于开封的电力条件不能满足要求,最后落实在沁阳市,距离刚刚扩建完成又有富余电力负荷的沁阳电厂不到一公里的校尉营村——太行山脚下一个名不见经传的小村庄。距离轻研院所在地郑州上街区150公里,坐班车要走4、5个小时。在建设规划上,为了使试验基地具备一定的生产规模,投产后能够独立运营,轻研院领导在试验槽建设的同时,原考虑建设一个1万吨规模的60kA自焙槽系列(当时小电解铝厂的起步规模),以能够使试验厂投产后产生一定的经济效益,维持基地运转。

专家组阵容强大。为了确保攻关万无一失,总公司组织成立了一个由行业内权威专家组成的“常设专家组”,专家组成员有:韦涵光、邱竹贤、程宗浩、杨瑞祥、姚世焕、徐树田、张大有等七人组成,老院长程宗浩任专家组长,轻研院老专家张大有任副组长。经过可行性研究、初步设计、施工图设计,每往前一步,都要经过专家组进行方案讨论和论证。

80年代中后期,法国Pechiney开发的280kA(AP28-30)和美铝300kA (Alcoa817)刚刚实现工业化生产,而我国280kA铝电解试验槽的设计,是在贵阳院“三场”研究成果得到初步验证,对160kA电解槽技术改造、186kA试验槽仅完成设计工作的基础上进行的。但当时186kA试验项目尚未启动,直接跨越到当时国际上最大容量级的280kA电解槽,设计和试验的风险可想而知。有色总公司安排国外考察,只要是考察团,到人家的铝厂也只能在几十米开外远远地看上一眼,当然技术考察是一律不接待的,大型槽技术秘密在当时是严格封锁的。当然,作为国际各大铝业公司刚刚开发成功的最新技术,严格的技术保密也是可以理解的。在作者和大多数专家的心里,AP28、Alcoa-817就是神一样的存在,所有的资料就只有论文和几张照片,物理场——更是看不见摸不着,告诉你结果和指标,你也不知道怎么做。

在这种情况下,项目建设单位和设计单位包括专家组全体参试人员,尽管都安排组成了最强的团队,但面临的压力仍是巨大的。电解槽设计和试验方案的确定过程中,多次召开专家论证会,广泛调研,听取多方面的的意见。作者在每次的专家评审会其间,都能够听到前辈专家们说的最多的一句话,是一句近似安慰的鼓励:大胆设计,不用怕,总能出铝吧?一方面这么大的槽子,大家心里没底,不敢有太大的奢望,也做好了最不利的准备;另一方面,也期待着成功的一天。当时那种责任感、使命感和压力陡然剧增。

总体方案。经过项目组艰苦努力,在全面研究并充分结合国内现有试验基础,最终向专家组提出的设计方案如下:

① 设计电流强度280kA,安装4台试验槽;选择4台槽基本是工业化试验的惯例。按照磁场的特点,一般端部槽很难获得理想效果,中间槽至少2台以作为试验对比样本,这也是最少的配置了;

② 最初考虑两个方案,采用郑州铝厂65kA小预焙槽阳极,36组阳极阳极(双极组)的方案被否决;最后采用了贵铝的改进阳极尺寸1450×660×540,阳极组数40组,阳极电流密度0.7314A/cm2;受到原有阳极尺寸的限制,只有少许的改变;阳极电流密度也有增加;

③ 阴极炭块尺寸515×450×3150,阴极组数28组;阴极的尺寸当时可以选择的只有贵州铝厂的模式;

④ 母线配置设计为全大面五点进电;理论研究的成果,特大型槽获得最佳磁流体力动力学效果的配置形式,即电解槽横向排列和大面多点进电;

⑤ 阳极提升机构涡轮蜗杆式,采用8点提升;最初的设计,稳妥可靠;

⑥ 采用中间下料方式,六点下料,下料器容量1.8kg,采用筒式(机械式)下料器;符合国际最新工艺技术发展;

⑦ 计算机控制系统采用氧化铝浓度自适应控制系统;已经在前期的研究中获得一定基础;

⑧ 加工面为:大面375,小面450,阳极中缝200;参考了186kA槽,也是国际发展趋势;

⑨ 试验厂房采用两层楼式结构,操作平台为+2.8m,厂房跨度为24m;基于车间散热需要,这种厂房结构形式为大型槽普遍采用,也与引进项目一样;

⑩ 氧化铝输送采用了超浓相输送;当时可选择的是浓相和超浓相技术,但浓相技术国内尚未掌握;

? 多功能机组驾驶室采用高位操作,跟186kA试验槽一样,采用了大连起重机厂高位操作的多功能操作机组。

从以上方案,内行专家们都可以看出,280kA电解槽的所有技术选择,都具备了现代大型铝电解槽的基本特征,即使今天来评价依然是先进的。

七、核心难题破解

280kA试验厂的设计方案,完全比照了和吸收了国际最新先进技术基本理念和研究成果。然而,真正的难题是在没有先例的情况下,能不能真正掌握特大型槽的仿真设计技术,即设计出先进的280kA槽并获得真正优良的效果。事实上,欧美国家大型化技术发展也并非一帆风顺。

前车之鉴。铝电解磁流体动力学(MHD)影响是现代铝电解槽特有的核心技术问题,也是成败的关键。到国外考察,我们最想看、但人家绝对不让看的就是用于电磁场补偿的母线配置是怎么设计的。美国铝业公司(Alcoa)早在上世纪60年代就开始采用横向配置和大面进电母线配置解决磁流体问题,Alcoa和Pechiney(法铝)是现代铝电解技术的先驱。多年以后,从多个渠道查阅到的有关资料报道,当年曾让我们神一样膜拜的美铝280kA槽(Alcoa-817)仅仅在澳大利亚波特兰铝厂建立两个系列,后由于电磁场设计原因不能稳定运行,因而至今没有在任何地方再使用。回想起来,真是让人难以置信。

事实上,由于电磁场仿真出现问题上导致工业试验和系列生产失败的惨痛教训并不鲜见。美国凯撒(Kaiser)铝业曾进行过两个190-200kA槽的工业试验,但均因磁场问题宣告失败;由前苏联全苏铝镁设计院80年代设计的塔吉克铝厂(255kA)电解系列,建成后由于电磁不稳定无法正常生产,当年曾受到前苏联领导人戈尔巴乔夫的点名批评。

磁场仿真再完善——LMAG的开发。磁流体动力学(MHD)影响研究,是现代大型铝电解核心技术,其中电磁场仿真研究是基础。电流的通过在电解槽内产生磁场,并与槽内电流相互作用引起铝液流动、波动,导致电流效率降低。由于电解厂房内槽壳、上部结构等铁磁性物质的存在,磁场仿真计算的精度受到很大干扰,加上电解车间钢结构等分布复杂,并且一定的磁感应强度下存在磁饱和现象,对槽内电磁场的精确仿真也更加困难。

由于容量的大幅度增加,280kA试验槽的车间布置方式母线配置发生了本质变化,导致数据处理工作量巨大,受复杂的母线电流源和铁磁物质的影响更是难以解决。因此,必须研究完善仿真技术,满足完成280kA特大型槽电磁特性的分析和全大面“多点进电”的母线配置设计的需要。

在对特大型工业铝电解槽电磁特性研究的基础上,试验组提出了针对三类铁磁物质不同影响特性的电流源分别处理的技术路线,总结出了“内磁场加强、外磁场减弱、复合磁场弱化”的铁磁性物质影响的基本规律,结合对现有生产槽和试验槽的系统测试研究后,建立了的“综合屏蔽因子”模型和数据库,对三类母线磁感应强度受铁磁性物质的不同影响进行分别处理;并通过多维空间变换实现了物理模型的无限扩展,以更全面准确考察系列电解槽的磁影响范围和铁磁物质的影响,从而在当时计算机发展水平还不能满足三维大空间数值计算需求的条件下,大大提高了电磁场模拟的精确度。以此为基础,开发了LMAG磁场计算软件。

通过采用LMAG设计完成了280kA试验槽全大面“五点进电”母线配置方案,使磁场设计取得了优良的效果,模型方法和模拟结果得到了专家组的高度评价和认可。优化的结果垂直磁场平均值均小于4高斯,而且Y向的水平磁场平均值|By|ave减少了将约50%。试验结果证明了模拟计算的精度是可靠的。

多点进电母线优化——再下一城。母线系统的设计是实现铝电解槽电磁场及磁流体动力学特性理论工程化实施的关键,是现代大型铝电解槽的核心技术。

一般来说,母线系统首先要满足电解槽阴、阳极电流分布及母线系统电流分布,这是实现电磁特性模拟结果的基础;同时还应当使母线系统的投资费用与电耗费用的总和最低,由于母线的投资在电解槽投资中占有很高的比例(30~40%),因此母线的优化直接影响电解铝的投资;再其次,母线系统对于施工安装、生产操作、安全性以及母线规格的工程要求,使得母线的设计异常复杂。对以往的单端或双端进电电解槽而言,传统的方法是采用求母线经济电流密度的方法确定母线断面。由于大型槽母线配置设计采用了“多点进电”和补偿母线等结构,使母线系统十分复杂,无法用传统的单一矩形或锲型母线计算方法来定义。因而这项研究也成为现代铝电解技术在电磁场理论的工程化难题。

“当量优化法”——LBUS。试验组研究分析发现,传统物理模型用于多点进电系统分析时,带来的分析误差可以达到30%以上。因此,1988年,试验组在提出母线断面综合优化的概念的基础上,首先将研究的物理模型扩展到电解槽所有的导电区域,即确定了以先进的“铝液—铝液”网络模型建立的物理模型;首次从理论上确定了母线系统各段母线截面之间的优化关系,即以网络节点所遵循的基尔霍夫定律为基础,将复杂的母线系统分解为具有普遍意义的“树形网络”,通过“当量母线”确定母线段之间的优化约束条件,从而建立了以母线系统总费用为目标函数的母线断面“当量优化法”模型,破解了多点进电母线网络多级串并联的“K值理论解”的问题,并据此开发成功母线系统优化软件(LBUS)。此外,LBUS的强大功能还包括规格化、现场安装、操作因素、安全参数等引入作为附加约束条件,同时考虑了温度变化对电阻率的影响,实现了工程条件下“多点进电”母线断面的优化。

也就是说,LBUS不仅使母线系统设计满足理论上的最优化,而且能够满足各种复杂的实际工程要求,即可以模拟母线系统在电流和电压分布特性、工程限制条件和经济性之间寻求最优的平衡。由于LBUS的开发应用,为试验槽多种方案的快速优化选择计算提供了可靠保证。

1989年10月,鉴于其对大型槽开发的重要作用,贵阳院专门提请由有色总公司组织专家对“当量优化法”模型和LBUS软件省部级专家鉴定:认为模型和软件均达到了国际先进水平,获得了省部级优秀软件奖和科技进步奖。

280kA母线设计——水到渠成。LBUS软件成功应用于280kA试验槽五点进电母线系统的设计,不但取得了预期的电磁场效果,母线系统的电压、电流分布以及投资费用都得到了最优化的设计结果。LBUS在母线系统的电压175mV(一般<180mV)的情况下,使用最少的铝母线用量,单位母线用量仅为0.10t/kA。模拟的精度一般控制在2%以内,实际测量结果局部最大误差达到3~5%。优化取得的经济性指标至今无法超越。

LMAG和LBUS的开发,使原本280kA槽开发技术难题顺利化解,一切水到渠成。设计工作在专家指导下,进展非常顺利。

1990年3月,在专家组专门组织的物理场及母线设计方案评审会上,邱竹贤院士轻松地笑着说:非常好!模型计算考虑的非常严谨细致,没有问题,立母线是不是高了一点儿?

试验系列配置难题——专家组的决定。单独为了4台当试验槽建一个厂,这在全世界也是罕见的。存在一个突出的问题,4台槽正常的系列电压还不足20V,一旦发生效应(效应时单台槽电压会升高30V以上),系列电流将产生大幅度的波动,试验将很难维持正常的运行条件。

由于试验车间只有4台试验槽,最初的设计方案,电解车间返回母线呈对称布置,每侧各140kA电流,见下图中的临时母线。针对项目组提出的问题,专家组根据姚世焕大师的建议,并经过认真讨论提出:将试验厂拟建设的一万吨/年自焙槽系列改为26台140kA电解槽,分两列对成布置在280kA试验槽的两侧,替代280kA试验槽的返回母线,这样既可减弱返回母线对试验槽的磁场影响,又可以增加试验系列的总槽数,提高系列电压。

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专家的建议化解了试验系列的配置难题,项目组按照专家们的这一改进建议,以此为前提,应用LMAG、GY-MHD和LBUS仿真和模拟程序,完成了此后的所有电磁及磁流体动力学模拟和大母线配置设计与槽周围母线的设计。

八、280kA试验终获成功

经过三年多的研究、试验和仿真计算,攻关项目组终于完成了280kA试验槽的全部设计方案,试验即将转入实质性的实施阶段。

方案会审——规模空前。1991年元月19至23日,试验项目开工准备工作正紧锣密鼓地进行。为确保项目建设方案的科学合理性和万无一失,有色总公司科技局在北京平谷县亚运村水上运动中心宾馆召开了一次全国各大铝企业、大学、科研院所等35名专家参加的设计方案论证会,专家成员有中南工业大学、北京大学、贵阳院、沈阳院、轻研院等科研院所的专家和来自贵州、抚顺、青海、包头、兰州、连城等各大铝厂的著名专家,这些专家有从事理论研究工作的学者教授、有电解工艺的老专家、还有从事电解铝设备、筑炉等一线工作的专家(如贵州铝厂的于宗耀、青海铝徐忠良教授等),项目组成员34人参加了会议。

会议决定由七位德高望重的280kA试验项目“常设专家组”成员组成“核心专家组”,在听取大专家组意见的基础上,形成最终决议,足见有关部门对于此次会议的高度重视。说到底主管单位的领导还是对试验项目的成功心里没有底,邀请全国的专家们把把脉。作者作为三场仿真和电解槽设计方案的主要汇报人之一,对这次会议的印象非常之深刻,令人难忘。钮因键局长作为项目的总协调和主管领导,自始至终倾注了大量的心血,不辞劳苦,几乎亲自组织、参加了每一次的讨论会。邱竹贤院士说:多年来我们在铝电解电化学领域研究取得了很多的成果,但在物理场研究方面很薄弱,这是现代工业电解槽的核心,贵阳院在这方面的研究开发走在了前边,能够设计出这样的大槽子让我感到很欣慰,第一步总是要迈出去。

高度肯定——谨慎建议。基于当时技术发展历史背景和专家们的经验,专家们一方面对280kA试验充满期待,又对这些年我们在160kA电解槽生产方面的一些问题心有余悸,会议经过了热烈(近乎激烈)地讨论,最后经过核心专家组的研究,做出了以下几点结论:

① 对项目组在现有条件下所做的试验槽、试验车间工艺设计方案,采用的各项技术与当前国际上的发展水平相比是先进的;

② 电解槽三场仿真、槽内衬设计方案、五点进电母线配置方案的计算依据是可靠的,设计的电热特性、电磁特性设计方法和各项指标先进、技术方案可行;

③ 阳极中缝设计200mm,改为250mm(186kA试验槽采用200mm,引进160kA为250mm);

④ 阴极钢棒由通长钢棒改为中间断开方式,中间断开距离为250mm;

⑤ 参考当时国际上一些大型槽技术特点,建议1-3号槽结构采用原方案,即直角摇篮式槽壳和涡轮蜗杆提升机构,4号槽采用船型摇篮式槽壳和三角板滚珠丝杠式的提升机构,由沈阳院负责完成设计工作。

主要技术方案获得专家一致通过,大大鼓舞了试验组的信心。这次会议是历史性的,它的召开是试验工作的重点转入建设和工业试验阶段的一个转折点。

由沈阳院承担4号槽在结构上进行不同方案的试验,今天看来是非常正确的,这是此次会议的又一贡献,船型槽壳在后来的大型槽发展应用中充分得到了证明,也成为一种普遍的结构形式;而三角板滚珠丝杠式的提升机构也是后来市场上大家看到的沈阳院与贵阳院设计方案的标志性差别,这是沈阳院霍庆发教授和王汝良、张万福等专家的重要贡献。

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另外,从以上决议可以看出,阳极中缝由200mm加大到250mm今天看显然是保守了,随着点式下料技术的应用,已经不需要那么大了。但是万一造成下料不畅怎么办?能不冒险还是不要冒险;阴极钢棒采用通长还是中间断开,今天看结果已经不是什么问题,虽然意见分歧很大,但在当年引进的160kA槽大面积破损的阴影笼罩下,日方采用的通长阴极钢棒也有可能会是罪魁祸首之一,专家组们希望结合我国在小型槽上已有长期生产运行经验的断开式的阴极钢棒,也是可以理解的。从这次会议结果,也可以看出老专家们内心期待和纠结。是啊,至少能出铝吧,不放心也要干!关键的技术要突破,要大胆试;能试验的尽量试,多一些选择;该保守的还是保守点儿,我们不能输。中国铝电解技术,就是这样一点一滴,循环往复、进进退退中不断进步、不断完善、不断发展壮大的。在整个280kA试验槽开发长达8年的历程中,几乎天都面临这样那样的问题和挑战。

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只是模仿?多年以后的一次国际交流活动中,一位外国朋友说:中国的大型电解槽是模仿国外某公司的技术设计的。作者听了,当时就严肃地跟他说:您错了,您可能不了解情况,中国的大型电解槽或许有借鉴国外技术,但那只是公开的知识,我们既没有得到国外的任何帮助,也没有国外提供的资料,甚至连国外的槽子都没有看见过,完全是靠自己理论研究,一步步开发完成的,怎么能说模仿设计的?波音飞机你经常坐,它就在你面前,全世界有几家公司能够模仿?!

我们在引进日本技术的基础上,经历了将近20年的时间,从物理场研究到引进技术改造、180kA级电解槽的试验,再到280kA特大型试验槽的开发,这是模仿吗?应该说,到今天中国不但形成了自己的现代技术体系,而且与国际上最先进的铝业公司的代表性技术相比,不但有自己突出的特点,而且在某些主要性能指标上超过了国外水平,这是值得中国人自豪的。中国铝电解大型化技术在当今国际市场上的竞争优势决也不逊色于任何产业,而且成套技术和装备实现了完全的国产化。

项目建设——艰难曲折。由于是第一次承担这么大的电解槽的建设和试验,所有参建单位都派出了最强的技术力量。郑州轻金属研究院副院长刘全朴担任指挥长,后期项目启动运行前,由副院长王平甫教授担任厂长;鲁光裕、黄志高、吕定雄等先后担任副指挥长。为了确保电解槽钢结构焊接质量,承担建设任务的中国第六冶金建设公司施工人员。为了保障电解槽结构安全,尽管选拔了有丰富经验优秀焊工承担,还是不敢丝毫马虎,在设计人员现场指导下,按照不同部位焊接要求进行模拟焊接,经检验合格才正式上岗操作;电解槽内衬筑炉工作由青海铝厂修建公司承担,由该公司总经理徐忠良教授级高工亲自带队施工。全体试验人员认真负责,每一个技术问题、每一次变更都要进行认真的讨论,有时候为了一个变更几家单位吵得面红耳赤、不亦乐乎。

由于资金投入远超过初期预算(后期有所调整),加上需要考虑整个试验厂运营增加的26台140kA电解槽和辅助系统,资金出现了较大的缺口。轻研院前后两任院长田庚有和顾松青为了获得资金支持,想方设法,四处奔走;王平甫副院长临危受命,关键时刻出任280kA试验厂厂长,克服重重困难,显示了知识分子领导的魄力与胆识。终于在1992年中期,试验项目280kA槽建设基本完成。

解决电力难题——高层施援。然而,由于当时河南的电力供应情况变化,出现了严重的缺电。而且,沁阳电力集团看到了铝工业发展的有利条件,也开始规划自己的电解铝产业,并在试验基地西侧不足一公里的地方,率先建成了1万吨/年的自焙槽铝厂(沁阳铝电集团华懋铝厂,沁奥铝业的前身),使得本来就紧张的电力供应更趋艰难,导致试验项目长时间不能启动运行。到1993年夏天,时任中国有色金属工业总公司总经理吴建常同志,亲自写信给河南省委书记李长春同志,阐明国家攻关项目的重要性,希望河南省给予支持。在度过夏季农业抗旱季电力高峰以后,试验场的电力情况很快得到改变,试验基地从140kA槽开始逐步启动运行。

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终获成功。1995年元月,4台280kA电解槽相继启动运行。试验组分为电气保障组、工艺试验组、测试组和资料组四个小组,全面投入试验过程。为了考虑到铝液焙烧可能对槽寿命产生影响,试验组放弃了当时国内普遍使用的日本铝液焙烧技术,总结了国内当时曾经使用过的厚焦粒焙烧技术的不足,首次制定并采用了薄焦粒焙烧的技术方案。由于经验不足,第一台槽通电后出现了8组阳极不导电的不利情况。试验组及时总结改进,使后三台槽焙烧启动顺利完成。

经过连续的运行和试验,在经过一年多的试验和三个月的性能测试后,试验组完成全部的试验任务,取得了令人满意的试验结果,280kA电解槽获得了巨大成功。

“280kA特大型铝电解槽工业试验”是国家计委“七五”、“八五”重点攻关项目,该项目由中国有色金属工业总公司组织实施,郑州轻研院、贵阳院和沈阳院共同承担了该项目的开发设计、施工建设及工业试验任务。从1988年开始筹建大型铝试验基地,经过8年的攻关,成功地开发了4台280kA特大型铝电解试验槽。经过一年半的运行,考核测试结果:试验槽取得了电流效率93.44%,直流电耗13114kWh/tAl。1996年11月通过了有色总公司组织的国家科技成果鉴定。

里程碑。280kA试验槽的开发成功,标志着我国大型铝电解槽技术已进入世界领先行列,其高效、低耗、运行可靠、投资省等优点,所完成的各项试验,成为我国更大容量电解槽的基础和模板。280kA试验槽的开发为我国铝电解生产的规模化提供了成套先进技术,被誉为我国铝电解技术发展的里程碑!也成为中国电解铝工业高速发展的转折点和强大引擎!并且孕育了此后又一个20年电解铝一波又一波发展浪潮!

为此做出重大贡献的既有程宗浩、张燕刚等老领导和邱竹贤、姚世焕、杨瑞祥、张大有等高瞻远瞩的老一辈领导和专家,有钮因键、顾松青、王平甫、刘全朴、于家谋、霍庆发等一代领导的精心领导和组织,还有众多新一代年轻科技精英长达8年的克难攻坚、昼夜奋战。他们与280kA试验槽技术一样,必将载入中国电解铝发展的光辉史册!

1998年,“280kA铝电解槽工业试验”项目,获得国家科技进步一等奖。这是有史以来我国电解铝技术领域唯一的国家科技进步一等奖。

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