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【我国铝电解技术40年发展回顾】(下)电解铝——科技创新的辉煌之路
时间:2021-01-15 10:59    来源:    点击:

 

九、从320kA到400kA——面向全球的跨越

 

 

国家大型铝试验电解试验基地280kA特大型铝电解槽试验的成功,使我国成为世界上继美铝、法铝之后拥有280kA以上特大型铝电解槽技术的国家。它的诞生,被称为我国铝电解技术发展的里程碑,为中国铝电解工业的快速发展提供了强大的技术保障。

 

 

焦作万方铝业股份有限公司董事长金保庆,敏锐地觉察到280kA电解槽技术对电解铝行业发展的重大意义。这位军人出身、敢于第一个吃螃蟹的企业家,几乎在试验槽成功启动已开始,借助天时地利的有利条件,率先与有色总公司达成协议,以技术使用费500万元获得第一家技术使用权。遗憾的是,这也是唯一一家以试验槽280kA电流容量进行工业化生产的电解系列,也是唯一一家提供技术使用费的企业。1998年“焦作万方6.8万吨/年280kA铝电解示范工程”,列入国家经贸委重点工程,由贵阳院承担工程设计并成功建设投产。“焦作万方”——从此成为行业的新标杆!

 

 

然而,电解铝的技术进步,并没有就此止步,“焦作万方”的新纪录在短短几年内,不断被刷新......。

 

 

平果铝320的经验。尽管280kA试验槽已经取得了成功,并已经推向工业应用,但是当时国际上电解槽大型化的速度还在加快。法铝的AP28已经发展为AP30,实际运行电流超过了300kA。

 

 

一定要超越国际水平!这是老一辈铝业专家的一种情结。

 

 

80年代末,时任青铜峡铝厂厂长的康义和贵州铝厂副厂长杨世杰随团去西方某铝工业大国参加培训学习。期间,康义等学员请示参观该国最新开发的最先进的320kA电解试验槽。东道主露出神秘地一笑,同意最多五人可以参观,他们把学员领到一个车间的一头,再领到一台天车上,指着朦胧的远处说:“OK,在那儿!”。名为参观,实为封锁,这一举动像一把利剑深深地刺进康义和杨世杰的心口。沉思良久,康义对杨世杰说“老杨啊,咱一定要争这口气!超过他们!”杨世杰默默地点点头。开发300kA级以上的电解槽,攀登世界铝电解高峰的责任始终压在那一代“电解人”的心头。

 

 

1997年,平果铝成功实现两年达产达标的目标,280kA特大型槽开发已经取得成功。时任平果铝总经理的杨世杰和副总经理殷恩生认为开发300kA以上铝电解槽的条件已经成熟。7月,杨世杰前往北京向已担任有色总公司副总经理的康义教授(1998年4月转任国家有色金属工业局副局长)作了专题汇报,得到康义首肯。

 

 

1998年9月,由康义副局长亲自推动的国家经贸委国家重点技术创新项目“平果铝320kA超大型铝电解槽技术示范项目”开始实施,初期方案确定的容量为300kA,后来调整为320kA,项目由平果铝业公司和贵阳院联合承担。母线设计采用六点进电方式,同时槽况诊断、工艺参数调控配有专家决策智能支持系统,氧化铝浓度分布采用模糊控制技术。1999年6月30台电解槽全部建成并开始启动,从设计到建成仅仅用了9个月。

 

 

试验意外遇险。然而,320kA电解槽设计并不是280kA电解槽简单的几何放大,最大的难题还是电磁场的仿真模拟。首批投产的10台电解槽电压摆动剧烈、铝液波动频繁且幅度大,情况很不稳定。怎么办?继续还是中止?同时毕业于贵州工学院杨世杰和殷恩生两位老同学、好朋友、好搭档之间,发生了严重分歧。作为总经理的杨世杰认为,必须如期全线投产,否则无法给国家交待!但作为资深铝电解专家的殷恩生则坚决反对:磁场问题是电解槽的先天基因,一旦投产将无法再改变,必须探明原因,彻底解决!

 

 

这件事震动了贵阳院,设计总负责人,贵阳院原总工程师翁文成,积极向院领导建议:请作者牵头组织攻关组,抓紧拿出解决方案。院领导班子进行了认真研究,当时负责院科研工作的副院长代表院班子找到作者:此事关系重大,请你务必出马,大家信任你。不然,贵阳院对人不住啊!

 

 

但是,木已成舟,如何解决?确实没有把握。

 

 

为了确保问题解决,平果铝同时组织了考察组由殷恩生带队前往美铝(Alcoa)考察。五天过后,考察组也有了回音:类似情况国外也出现过,曾导致大型槽开发中断,但不便提供技术细节。后来,根据公开资料显示,美铝280kA槽在80年代建成两个系列后,因电磁场问题无法解决,从未再使用过。

 

 

成功化解。经过仔仔细细把电解槽的模拟数据和设计方案进行了检查,8天后找到了问题的原因:试验车间两栋厂房之间距离只有21m,设计时对其影响和铁磁性物质影响的补偿不足;同时由于320kA电解槽采用44块阳极方案,缺乏一定的模数和规律,导致电磁特性先天不足。改造方案当天提交给院技术委员会讨论,获一致通过。

 

 

施工现场所有人员严阵以待,同时派出了医疗救护小组。在不停产的条件下,经过施工单位十一冶和七冶施工人员艰苦奋战,改造成功了!应该说,我们是幸运的。

 

 

事实上,贵阳院技术委员会在讨论320kA方案的时候,就曾经发生了严重的分歧。一部分意见认为:电磁场问题我们已经解决了,无需担心,我们改造160kA开始,到180kA、280kA都没出现问题就是证明。然而,不该出现的问题还是出人意外地出现了。

 

 

从2000年4月到8月,分别对其中8台试验槽和30台槽进行试验考核,取得的主要技术指标为:电流强度322.456kA,电流效率95.04%(30台平均94.43%),直流电耗13191kWh/tAl (30台平均13323kWh/tAl),整体达到国际先进水平。

 

 

鉴定会上,专家组长刘业翔院士说:“320kA特大型铝电解槽技术的成功开发和应用,标志着我国铝电解槽技术已具备完整的科学体系,使我国铝电解技术跃上了一个新台阶”。国家有色金属工业局副局长康义教授百感交集地说:“320kA电解槽是现代铝电解发展的方向,它的开发成功,为我国铝电解工业迎战新世纪抢得先机,振奋人心,大涨中国人志气!”

 

 

总结320试验成功的经验,阳极“模数”的问题被首次提了出来,贵阳院技术委员会大部分专家认为:必须要重新认识电解槽阳极模数优化和电磁场模拟问题的重要性,经姚世焕大师后来一再明确强调,使后来的320kA电解槽首先在河南中孚实业股份有限公司(简称中孚实业)应用得到了进一步优化完善,成为我国铝电解工业的主力槽型。

 

 

 

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沈阳院快速发展。从九十年代中期开始,沈阳院率先引进了国际知名的数值分析软件ANSYS,由杨晓东等领衔在1996年完成了河南鑫旺160kA四点进电电解槽的仿真设计,取得了很好的效果,引起了全国关注,接着,各大设计院相继购买了ANSYS。这一强大的仿真计算工具的引进,使得电解槽的物理场仿真工作进一步加强,同时,也印证了我国自行开发的仿真软件的可靠性,结合我们二十多年研究,已经掌握了大量可靠的边界条件。通过在设计工作中两种软件的交叉运用、相互验证,加快了大型铝电解槽开发的步伐。不断更新改进的新型电解槽直接应用于系列化生产。

 

 

特大型电解槽的开发成功,使得铝电解工业发展的面貌发生了根本的变化。2001年,伊川电力集团由沈阳院设计的20万吨/年300kA电解系列,仅用一年时间建成,开创了电解铝工程建设达产的历史纪录;2002年,河南中孚实业股份有限公司启动年产25万吨/年,由贵阳院改进设计的320kA电解系列开工建设;同年贵阳院在贺志辉副院长的主导下320kA电解槽技术出口印度,签订了有史以来最大的电解铝技术出口订单。这两种槽型基本结构均沿袭了280kA的模式,到后来铝电解技术开始大规模输出国际市场。与此同时中国电解铝技术大型化的脚步还在向前迈进。

 

 

350kA大型槽工业化。2002年4月,由沈阳铝镁设计研究院、河南神火集团有限公司等单位在共同考察、调研的基础上,采用156台350kA特大型铝电解系列新技术,建设年产14万大型铝电解工程项目获得批准建设。由总工程师杨晓东等领衔设计,首期于2004年8月16日正式通电启动。电解槽运行正常、生产稳定,电流效率达到94.15%,直流电耗每吨铝13474kWh,综合技术达到国际先进水平,标志着我国电解铝技术具备了参与世界竞争的实力,对提高我国铝工业整体水平具有重要的示范意义和推广价值。为沈阳院SY系列电解槽技术形成奠定了基础。

 

 

与此同时,贵阳院在青铜峡铝厂设计建设了350kA铝电解系列。350kA铝电解槽的工业化应用,使中国电解铝大型化技术提升到了一个新高度。杨晓东、李梦臻等完成的“350kA特大型预焙阳极铝电解槽槽研制”获得2007年国家科技进步二等奖。

 

 

鉴定委员会指出,350kA铝电解槽具有如下特点与创新:一是采用非对称6端进电母线,进行了磁场优化设计,使电解槽运行平稳;二是运用电解槽本体热平衡仿真与厂房通风模拟相结合的“系统热平衡”设计新方法,获得了良好的电解槽热平衡和厂房通风设计效果;三是采用了窄加工面、槽壳增设散热片、大间距摇篮架结构,获得了电解槽材料用量省、结构紧凑、槽壳变形小、热工况稳定的良好效果;四是开发出3段式排烟技术,有利于提高集气效率和改善环境。

 

 

电流首破400kA。之后,沈阳院成功将350kA电解槽技术应用于兰州铝厂新建系列。并在16台电解槽上进行了强化电流试验,采用30%石墨质阴极炭块,在阳极电流密度0.82A/cm2条件下首次将电流提升到403kA,2007年5月开始启动,经过10个月的运行,电流效率达到94.16%,吨铝直流电耗13263kWh/tAl。并于2008年3月21日通过了科技成果鉴定。

 

 

首条400kA系列生产线诞生——东大院崛起。2007年3月起,中孚实业技术中心与东北大学设计研究院(东大院)开展联合设计,在对320kA电解槽进行改进试验的基础上,开始设计建设产能24万吨/年400kA铝电解生产线。经过了七个月的技术攻关与设计,成功开发了400kA原型电解槽,于 2008年8月18日建成并顺利启动。新的生产线采用了多项新技术:采用了与 320kA 电解槽相同的阳极尺寸,阳极的数量为48组;并经过精确的物理场仿真设计,采用了6点进电母线配置模式,并首创了“端部强补偿,底部非对称弱补偿”电磁场补偿母线结构,使电解槽获得了优越的磁流体稳定性;内衬结构在精确的电热特性模拟基础上,设计了“可压缩结构”,有效延长了槽寿命;设计了一种全新的槽上部管桁架式承重梁结构,不但满足了大跨度结构的强度与刚度要求 ,而且钢材用量降低了30%;新的槽上部集气结构,对电解槽在更换阳极、打壳或出铝等操作时,设有双排烟收集系统,确保泄漏的气体能够最大程度地减少,集气效率提高到99%以上。是世界首条400kA级的铝电解工业生产线。

 

 

采用400kA建设世界首条电解铝生产线,在当时是一项非常大胆的决策。由于中孚实业的控股大股东是俄罗斯投资人控制的Vimetco公司(总部位于荷兰阿姆斯特丹,伦敦上市企业),该公司特别聘请了原美国Kaiser铝业公司铝电解专家萨姆.马拉塔纳和原Pechiney技术经理皮尔作为技术顾问和公司CEO。由于当时世界上还没有一条400kA工业上产线的成功经验,Vimetco聘请的国际专家团队在电解槽选型上提出了反对意见,不同意中方提出的采用400kA电解槽的技术方案。中方团队在进行了大量的科学研究和精心设计的基础上,一边推进项目实施,一边不停地说服大股东及其专家团队。2008年初,作者与张洪恩董事长亲赴阿姆斯特丹向Vimetco董事会进行汇报,介绍了大量的科学依据和中国已经取得的实践经验。最终,在张洪恩董事长以荣誉担保,并同意其董事会选派国际专家进行设计方案审查的前提下,董事会有条件地批准了这一方案。

 

 

Urata的故事。2008年6月,在生产线即将建成的情况下,Vimetco公司经萨姆先生推荐聘请了美国专家N.Urata教授,对中方的技术方案进行审查。Urata是世界著名的物理场仿真专家,早在70年代曾提出著名的铝电解槽电磁稳定性方程——Urata方程,被广泛认可和引用。作者受中方团队的委托,在中孚实业建设指挥部接待了Urata先生。Urata开门见山:“我受大股东委托,对贵公司400kA电解槽的物理场进行分析与评价,请您提供全部的计算资料和图纸”。面对这位威望极高的铝业前辈,这是一个两难的局面:如果给,意味着我们的全部技术成果将无偿被人家掌握;如果不给,将意味着一旦将来工程有任何问题,我们面对大股东必须承担全部的责任,也将失去一次与国际大家的学习机会。董事长只说了一句话:我知道你能应付!作者不无遗憾地对Urata先生说:“我知道您是电解铝物理场仿真世界级的泰斗,我和我的同事们都十分仰慕您,但由于技术保密的原因,我不能按您的要求提供您想要的资料”。Urata先生很不高兴地说:“梁先生,我了解了你们在这方面的成就。但是,您不觉得公司的利益和这个项目的风险,比您个人的荣誉要重要得多吗?”。我明白老先生的心情,也感觉愧对他的诚意。为了不辜负老先生的心意,我说:“我相信您,虽然我无法提供您要的详细资料和图纸,但可以给您提供进行仿真所需要的原理图,也希望您给予真诚的指导”。老先生不无遗憾地说:“也好,这样我也能够完成我的任务了”。

 

 

两个月后,虽然作者没有看到Urata先生的详细报告,但得到了Vimetco总部的一个答复:Urata先生没有异议,工程可以按期投产!

 

 

400kA电解槽投产后生产运行状况良好,槽工作电压保持在 3.93V~3.95V,经过技术条件的调整,吨铝直流电耗低于12800kWh,阳极效应系数低于0.05 ,电流效率达到93%以上,环保效果也进一步得到改善。该项目获得了中国有色金属科学技术一等奖。

 

 

2009年,在亚太七国APP组织实施的电解铝技术和环保项目中,新西兰奥克兰大学轻金属研究中心对该槽稳定性进行了测试:即使在工作电压3.6V的情况下,仍能保持高度的稳定性,证明了该槽电磁场设计的可靠性超乎想象,为低电压运行创造了条件。

 

 

 

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创新联盟成立。2008年9年,由中孚实业牵头,中南大学、东北大学、中国科学院过程所、电工所和长春应化所以及国内大型铝企业等15家单位联合组建,科技部“铝电解高效节能技术创新战略联盟”在郑州成立,河南豫联集团董事长张洪恩担任理事长,云南铝业总经理丁吉林担任副理事长,刘业翔院士、邱定蕃院士、张国成院士、张懿院士等担任顾问委员会委员。

 

 

此后,以联盟名义申报并承担“十一五”国家科技支撑计划“低温低电压铝电解新技术开发”,在林丰铝电公司400kA生产线成功实施。

 

 

紧接着,2011年初沈阳院与青铜峡铝厂开发成功的400kA生产线顺利投入运行。此后的几年内,400kA特大型电解槽迅速在行业推广了20余条生产线,成为我国电解铝工业的骨干槽型。

 

 

一年后,Vimetco集团董事长马切斯基先生在郑州裕达国贸酒店举行的庆功宴上,对他的英国合伙人说:中国团队以后要做800kA电解槽,我们都相信他们!但他不知道的是,我们已经初步制定了600kA电解槽的开发方案......

 

 

十、多项重大技术突破——实现内涵式提升

 

 

提到电解铝,可能很多人马上会想到傻大黑粗的重工业画面,那就错了。经过130多年的不断发展,电解铝技术从最初的小作坊生产,已经发展成为具有高度规模化、集约化、自动化和高效率的现代流程工业。行内的人有一句很流行的话:“电解铝三天能入门,三十年学不透”,电解铝技术绝对不简单,它是常用金属中最难冶炼的一种,迄今也只有唯一一种工业生产方法。由于铝电解过程涉及的学科和理论十分庞杂,各种技术难题也交织在一起,除了融盐电化学反应的热力学、动力学过程、电解质组分与物化特性等基础性领域,电、热、磁、结构力学及磁流体动力学特性也是最近几十年研究的核心领域,还涉及阳极、阴极材料、结构材料,抗腐蚀、耐高温、抗渗透材料等方面诸多材料领域的难题,还有大量工业和工程领域的问题。电解槽既是电解铝工业的核心设备,又是大批量的规模化生产为特征,电力能源密集、投资密集和技术密集,可谓牵一发而动全身,即便是错了一颗螺丝,也会造成几百上千个废品。我国电解铝在大型化的过程中,从没有忽视质的提升,大量的科技创新成果,一直稳固地支撑着我国电解铝今天的辉煌发展。尤其是在电解工艺过程控制、连续稳定运行工艺与装备、环保技术以及新型阴极结构的创新和研究领域,成效卓著,让世界侧目。

 

 

工艺与控制——高效运行关键技术。我国铝电解工艺与控制技术从“日轻”技术的引进开始,得到了大力的提升,这也是我国在该领域研究的起点。基于当时对铝电解工艺过程的研究和认识基础,当时的“日轻”技术是相对落后的。从后来的研究证明,早期引进工程出现的大量生产问题与其落后的工艺技术不无关系。其主要表现在:一是加料制度不合理,加料间隔时间长(30分钟),加料量大(每次加料量4×15=60kg/次),就是人们常说的“暴饮暴食”,而且当时采用的是一种风动加料器(实际上是靠小型风动溜槽吹送),精确度很低,造成的波动很大;二是电解质中氧化铝含量的控制模式,在当时还是一种“黑箱”模型,被称为“效应控制”的模型。

 

 

对电解槽而言,用计算机实现正常的作业控制,从技术上来说虽然复杂,但不存在理论上的难点。输入系统的是电压、电流两个信息,输出的打壳加料和提升阳极两个变量。自控专家、郑州轻金属研究院原副院长赵庆云曾经给电解铝的控制技术下了个定义:如果不考虑工艺过程的优化运行,电解槽的控制与一般工业过程无异,并非难事!但是铝电解的工艺复杂在于要实现工艺过程的优化运行是非常困难的。

 

 

“低温、低电压、低分子比、低氧化铝浓度和高效率”工艺(“四低一高”)是国际铝电解工艺发展的趋势,其核心难点在于氧化铝浓度的控制,而这一难题的攻克经历了长期艰难的过程。在80年代,新的电解槽主要指标已经明显提高,控制技术的应用有一定的贡献,这是控制技术发展的第一个阶段。但实际上,这一阶段除了电解槽的设计和电磁场改进的贡献占主要因素以外,控制系统的贡献主要来源于新的加料器和加料制度的改进。即“勤加工、少加料”工艺使氧化铝浓度波动大大减少了,1.8kg以下容量的筒式加料器的研制成功是关键所在。“阳极效应”是电解槽内氧化铝浓度达到极低限值时系统中发出的警示性信号,较高的阳极效应系数说明氧化铝浓度控制问题在这一阶段还没有真正得到解决。

 

 

我国这一领域经过不断地研究开发,最终取得了重大的进展,使我国电解铝运行技术指标跨上一个新台阶。代表性成果有很多,评价的主要依据就是“槽电阻—氧化铝”浓度曲线的研究和控制模型的建立,突破了氧化铝浓度黑箱模型的限制,使阳极效应系数从1次/槽·日降低至0.05次/槽·日以下。

 

 

中南大学李劼、丁风其等完成的“铝电解过程智能控制系统及推广应用”;贵阳院田庆红等完成的“铝电解三度寻优控制技术”;贵阳院席灿明和北方工业大学李晋宏等完成的“铝电解智能模糊控制技术”;沈阳院研制完成的“铝电解全息智能操作控制技术”。多项成果达到国际先进水平,也标志着我国铝电解技术全面进入世界先进行列。2005年,这一领域的研究成果获得了国家科技进步二等奖。

 

 

系列连续运行工艺与装备——破解制约规模化发展瓶颈。对于300台以上电解槽组成的电解系列,如果一台槽的停或者开都必须全系列停电,一年就要停电100到200次,30-40分钟的停电不仅减少产铝量,而且破坏了电解槽的各种技术条件,电解槽物理特性被改变,电化学过程受到严重干扰,电解槽效率下降、能耗升高,一个系列每年的损失达到数千万元。而且大大增加阳极效应的发生,温室气体排放大幅度增加(阳极效应时产生的过氟化碳温室效应是CO2的6600多倍),尤其严重的是频繁的大负荷短时停/开冲击,对铝厂的供电设备乃至电网的安全造成了严重威胁。

 

 

连续性工艺是流程工业的一项重大课题,频繁断电对电解铝生产的危害更是不言而喻的。这是一项长期困扰电解铝发展的世界技术难题,必然成为制约电解铝大型化的瓶颈。

 

 

从1995年1月起,作者寻遍全国电力专家,找不到可行的解决办法。直到1997年,一个欧然的机会,在火车上巧遇湖北超高压局总工程师李国兴教授,“三峡电力外输都是我负责,这事能干”。李教授认为实现不停电停开电解槽有可能的,因为这次巧遇,作者下决心要开发这项技术,并约定共同开发。直到2004年,来到河南中孚实业担任总工程师的作者,大胆向国家提出了立项申请,得到了国家重大产业技术开发专项支持,该项目的攻关正式启动。然而,在与德国某知名企业合作一年后,技术攻关宣告失败。实现陷入困境......

 

 

李国兴——情系电解铝的电力专家。2005年,已退休多年居住美国的李国兴教授受邀回国再度出手,想要兑现他8年前共同开发此项技术的约定。但在了解了操作原理并考察了现场之后,李教授认为问题比他想象的要复杂,原有的方案行不通。由于自己已经退休力不从心,但他决定还是要支持到底,力荐刚刚从日本回国任教的华中科技大学电力学院副院长何俊佳博士。通过不断地探索及与电力专家的深度交流与合作,逐渐理清了开发思路。

 

 

类似于大坝截流,根据电解槽停/开过程,攻关组构思了这样一个原理,即“先分流、后短路、再断流(槽电流)”。独创了一种可变电阻分流测试方法,来测试分流量、电压及时间和温度变化及相关安全参数,解决了超大电流试验的难题。然后由小到大,由70kA电解槽,再扩大到320kA电解槽。经过120多台320kA槽的连续全电流启动开槽试验后,所有问题被成功破解。2006年9月,经过十一年的曲折与探索,这一难题终被宣告彻底攻克!

 

 

 

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“大型铝电解系列连续稳定运行工艺与装备”终于研制成功。时任中国有色金属工业协会会长康义亲自主持了鉴定会,四位院士组成的专家组鉴定认为:其原理和方法为世界首创,成套技术和装备达到国际领先水平,实现了铝电解系列连续、高效和长周期稳定运行。该成果入选“2006年中国十大工程与技术进展”。CCTV《新闻联播》、《人民日报》、《科技日报》等相继给予报道;CCTV《经济半小时》专题介绍了这一成果的研发过程。

 

 

这一成果获得2010年“中国专利金奖”,2012年获得国家技术发明二等奖,这是我国在铝电解技术领域获得的唯一一项国家技术发明奖。

 

 

异型阴极与新型结构阴极技术——异曲同工的创新。由于传统电解工艺逐步趋于完善,从上世纪60年代美国铝业公司就开始探索新的替代炼铝技术—氯化铝电解工艺,到90年代,开始研究惰性阳极电解工艺。然而,东北大学冯乃祥教授在认真研究后认为惰性阳极并不能大幅度地节能降耗,材料问题也很难解决。在2007年在沈阳的一次会议期间,冯教授谈了他的想法:另辟蹊径,将目光投向了电解槽的阴极,决定沿着传统电解铝工艺,从改善生产过程的铝液流动(改善磁流体动力学)入手,找到一种捷径,提高电流效率、降低槽电压。从90年代末,冯乃祥发明泄流式电解槽结构,开启新型阴极结构铝电解槽研究,历经了十余年的多次改进,通过改变阴极形状,形成对电解槽内铝液流动的“阻波”作用,以明显降低铝液磁流体流动的振幅,建立了高效节能新型阴极结构铝电解槽的基础理论。2007年7月到2008年9月,他联合田应甫教授在重庆天泰铝业3台168 kA电解槽上进行试验,终于取得意想不到的成果:吨铝直流电耗从13393下降到12300kWh/tAl,吨铝节能1000kWh以上。之后,在华东铝业94台200kA电解槽上进行了示范推广。冯乃祥等完成的这一技术在国内外产生了很大的反响,引起了众多企业的关注,并迅速在行业20多家铝厂推广和试用。这一技术在2010年美国TMS年发表,获得了TMS协会铝电解创新技术奖。2010年中国专利优秀奖。

 

 

2008年底,中国铝业公司顾松青和刘风琴教授等在沁阳铝电解试验厂的2台160kA电解槽上,试验成功了国外多年研究未果的新型阴极结构导流槽技术,据报道电解槽槽电压稳定控制在3.7~3.8V,同样实现了吨铝节能1000kWh的目标。之后在中铝公司所属贵州铝厂、兰州铝业等企业推广使用。中国铝业公司专门举行新闻发布会宣布这项重大成果。

 

 

冯乃祥的异型阴极电解槽与中铝新型结构导流电解槽的相同之处都是把创新焦点集中在了阴极结构的改变上,所不同的是异型阴极是在阴极表面按一定要求和规则设计了一组阴极“凸台”,凸台对铝液的流动产生了物理阻挡的作用;而新型结构导流槽是在阴极表面开一组“凹槽”,使得阴极表面同样形成了凹凸的结构,由于铝液在凹槽内被约束,同样减缓了铝液的流动。一凸一凹,可谓异曲同之妙!

 

 

“破波器”(Wave Breaker)。异型阴极技术在某些国外文献中也被称为“破波器”,尽管由于目前遇到以下两个问题:一是阴极突出部分在电解槽运行一段时间后(半年左右)由于热应力和铝液的冲刷,会脱落或磨蚀掉,使得对铝液流动的阻挡减弱或失去作用;而是凸台或者凹槽的形状、高度以及布置方式对不同的槽子效果不同,未来需要精确的仿真作为依据,以取得最佳的效果。但无论如何,这项技术的诞生,给铝电解生产大幅度节电指出了新的技术方向。

 

 

由于技术原理的相似性,两个团队经过艰苦协商,最终共同申报了这项成果,冯乃祥、顾松青等获得了2014年国家科技进步二等奖。

 

 

槽寿命——1500天到3000天的碟变。“槽寿命”,无论谁听到这个名词都能感觉其中的分量,还有什么比“寿命”更重要的吗?自“日轻”引进技术以来,电解槽寿命问题就是一直困扰我国铝电解生产的难题。电解槽一旦破损停槽,维修的成本是很高的,加上启动费用在内,大修一次产生的费用相当于电解槽总投资的大约1/3以上。由于在铝电解厂电解槽一般是成系列(一个电解系列有多达300台以上的电解槽)安装运行的,寿命问题就是电解铝的重大经济问题,直接关系到铝厂的经济效益。

 

 

如何提高电解槽寿命?材料问题、设计问题、施工问题、焙烧启动方法、生产工艺过程及管理多方面的问题交织在一起,其复杂程度可想而知,可以说任何一个环节都可能导致电解槽早期破损,从而槽寿命缩短;但任何一种技术和改进都很难保证电解槽寿命真正的延长。而且,理论研究的成果要在实际生产中得到验证必须经过长时间的生产检验,短时间的研究试验很难得出令人信服的成果。因此,相当长时间内没有人敢于肯定1500天的设计目标真的能在工厂实现,也没人知道究竟需要多少年我们才能达到国际上2700天的目标。然而,说不清是什么时候开始,槽寿命问题就渐渐地就不再是人们议论的焦点。今天我们一些铝厂的槽寿命甚至已经超过了3000天(中孚实业400kA槽超过10年的槽数占到了30%以上)。如此大的技术进步简直可以称之为碟变!

 

 

材料技术的研究和改进。炭素阴极块的生产制作技术改善了阴极导电性和对电解质和钠离子的渗透;底部防渗材料的研制与应用有效地当了电解质渗透对保温层的腐蚀与破坏;电解槽高强防渗浇注料(主要用于电解槽侧下部)有效改善了阴极周围的防渗漏效果和温度分布;侧部碳氮化硅材料的应用大大改善了侧部散热、促进了槽内炉帮的形成,可以有效保护电解槽内衬被侵蚀。

 

 

设计理论的完善。最基础的影响是在设计理论的建立和完善上,首先是热电模型和仿真技术的开发,为电解槽获得合理优化热设计奠定了基础,槽体内的温度分布、能量平衡可以精确预测;其次研究明确了电解槽底部等温线特征值的最佳区域位置,即电解质凝固等温线位于阴极炭块以下位置,有利于削弱会延缓电解质渗透对阴极的破坏作用,而钠离子的析出温度当处于保温层与耐火层之间;第三是设计了能够有效吸收电解槽阴极膨胀变形,减少阴极结构因温度和吸钠膨胀造成的阴极破损的“可压缩结构”(又称“柔性”结构);第四是通过侧部散热结构设计界定了理想炉帮和实现理想炉帮形状的方法,即铝液-电解质界面和铝液层水平电流分布为判定标准。

 

 

施工工艺和技术的提高是材料研究和设计成果工程化的关键。无论有多么完善的施工规程,有时候也很难获得好的效果,电解铝优良的施工质量就是在不断的实践和探索中建立起来的,对关键环节施工工艺的理解和严格地按标准操作才是技术的核心。

 

 

工艺技术不断完善。经过40年的发展,从焙烧启动到生产操作技术得到了极大的提升和转变。从学习和膜拜日本引进技术,到彻底放弃铝液焙烧启动技术;从280kA试验开始使用,到焦粒焙烧技术的逐步完善和推广应用;从“效应”控制、大加料量工艺到“四低一高”、点式加料稳定操作,电解铝的生产工艺与操作管理有了质的飞跃。

 

 

技术进步——依靠全行业的持续创新。不可否认槽寿命的提高确实是我国铝电解技术的一项重大成果,一项了不起的成就,凝聚了电解人的集体智慧和四十年不懈探索的结果。电解铝技术许许多多的改进和创新,类似于槽寿命这样的创新成果还有很多,正因为有太多人的心血和贡献,也不太容易由某个单位和个人获得相应的奖励,每一项进步都是由许许多多的科技人员同时在不同单位完成的,导致很多的科技成果没办法说清楚,但电解铝工业在实实在在地大步前进。

 

 

十一、500~600kA超大型化——引领世界

 

 

一系列难题的攻克,推动了电解铝的工业规模化发展的进程。从2008年起,电解铝产能的发展如泄闸的洪水一发而不可收。400kA电解槽迅速开始了大规模的推广,与此同时,500kA、600kA超大型电解槽的开发也提上了日程。

 

 

国际铝工业——在探索中前进。法国Pichiney公司早在1989年到1999年用了十年的时间,将其位于法国的圣·让·莫里因的试验基地(LRF)的三台试验槽电流由400kA提升到500kA(AP50),然而时至今日,该技术仍然没有实现工业化应用。

 

 

500kA——中铝开先河。2011年9月,由沈阳院设计的世界首条500kA铝电解生产线在中铝连城分公司落户投产。冬日的连铝,寒风料峭,电解一厂500kA电解槽旁,几名电解工人正在换极作业,火红的阳极块被多功能天车从槽子中夹出来,首批500kA电解槽经过现场人员艰苦努力正式投入运行。为确保启动工作顺利进行,在二区电解槽启动中,认真总结500kA电解系列一区启动经验,不断焙烧启动方案:充分应用不停电停开槽技术,大大缩减短路口拆卸时间;优化生产组织,严格工艺制度,加强技术培训,制定应急预案并组织演练;严格控制启动所需原材物料的消耗,降低启动成本,为保证系列安全平稳运行创造了条件。比首批(一区)过程更加顺利。

 

 

到2011年10月12日,500kA二区92台电解槽全部顺利启动完成,开槽188台,完成65%。三区按计划于11月中旬通电启动,至年底前完成全系列288台电解槽启动工作。尽管过程法杂而又曲折,最终取得一次性工业化的成功,从而开启了电解槽的500kA时代,为向600kA迈进奠定了基础。

 

 

快速工业化。2011年中大冶金设计院在新疆设计了520kA电解系列,共安装320台电解槽,年产能45万吨,前80台于2012年8月顺利启动。在此期间,经过持续地设计优化,后240台电解槽得到进一步完善,成为当时世界上单系列产能最大的电解系列。主要应用了如下技术:优化母线配置,此补偿效果进一步改善,并且单槽铝母线用量降低了3.2吨;改进完善了阴极多钢棒技术,由每块阴极炭块4个阴极棒改为3个,进一步改进了阴极结构防渗漏设计;优化了上部横母线和加料点布置;过道大母线设计充分考虑了安全操作的结构布置。投产后,电解槽运行稳定,尤其是改进后的240台槽。

 

 

 

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再现拐点。从400kA到500kA,随着容量的增大,尽管在设计理论和物理场仿真的方法上没有本质变化,但经济上和技术上的矛盾在这个阶段逐步显现,体现在两个方面:

 

 

1)体现在母线系统设计上,按为了补偿电磁场,电解槽上游侧阴极出来的大部分电流(大约80%以上)须从端部绕过,增加了母线的长度和截面积,也增加了投资和母线的电压消耗,而且大量的补偿母线配置在电解槽之间需占用用较大的空间,导致槽间距也必须增大,导致投资和运行费用有所增加;另一种可以选择的方案是,适当减少电解槽周围母线的补偿量,采用专门设置的小机组用于补偿(专用补偿母线),被称之为“外补偿”。相对来讲,外补偿的方式简单、投资和云南行费用也略低一些。但无论采用哪一种补偿方式,相对于400kA而言,母线的单位投资和运行费用仍然是增加的;

 

 

2)体现电解槽的结构设计上,除了要适当改变长宽比、增加电解槽阳极长度,因而增加了上部的总重量以外,电解槽在长度方向的跨度也更大,上部结构也需要进一步加强。也有两种做法:一种是增加大量的高度,加大大梁结构件断面积,以满足电解槽上部结构的强度和刚度需要,当然将实腹板梁改为管桁架梁可以大幅节省投资(如中孚400kA,后用于魏桥600kA);再有一种就是在实腹板梁基础上在中间部位增加一个支撑柱(连城500kA,后用于连城600kA以上槽)。

 

 

一方面,500kA以上超大型电解槽迅速受到行业青睐,众多企业迅速采用,如甘肃东兴、东方希望、神火集团等,新疆其亚更是直接将其一系列240台改进型的设计直接应用于建设第二系列。但另一方面,大型预焙槽发展出现了第二个拐点,无论500kA电解槽有多么优秀,除了技术难度不断增加以外,其优越性却越来越无法体现:一是设计上母线、结构材料的增加不仅失去了自身的投资优势,还会抵消规模化带来的公共设施所节省的投资;二是生产技术指标停滞不前,从目前的运行情况看:电流效率低于93%、直流电耗12600kWh/tAl的先进指标即使500kA槽也很难超越。

 

 

如果说,实现预焙槽从160kA到180kA以上的跨越归功于磁流体动力学影响等技术理论研究上的突破,那么解决500kA以上超大型化电解槽的经济性问题同样需要技术上的第二次突破。

 

 

600kA——世界电解铝新标杆。进入新世纪以来,国际铝冶炼巨头并没有停止其在超大型电解槽领域研究开发的步伐。2010年LRF归属国际矿业巨头力拓(RTA)所有,开始开发其突破性的APXe技术,并在2010年12月,开始启动AP60(600kA槽型)冶炼厂的建设和开发。力拓批准了世界上第一次大规模部署AP60电解槽的计划,首先建设的是38台AP60(工业验证AP60技术所必需的数量),作为其位于加拿大魁北克的Jonquiere冶炼厂现代化的一部分。原计划第二阶段即工业化系列示范线,根据建设场地条件将设计由272台电解槽组成。

 

 

AP60的开发模式复制了其开发“AP18和AP30的成功模式”。2013年完成调试和启动,2014年9月完成全部性能测试:电流效率95.9%,工业试验计算指标也仅仅达到吨铝直流电耗13090 kWh/tA的水平,从这一指标的结果看,尚未达到其AP30槽取得的工业系列运行的12900kWh/tAl的水平,与我国400kA级电解槽的差距明显。这一结果和AP50迟迟没有工业化应用,以及其AP60第二阶段工业化计划至今未实施不无关联,也与作者前述的“第二拐点说”相吻合。然而,我国600kA超大型电解槽的开发和应用却继续高歌猛进,异军突起。

 

 

SY600——中铝再发力。沈阳院与中铝连城铝厂再度合作,承担“十一五”国家863计划重点项目、中铝公司重大科技专项,“600kA超大容量铝电解槽技术研发”。试验过程中,原设计方案中,计划采用“底部出电”模式(一种使阴极与阳极结构导电特性形成对称式分布的设计,可以最大限度降低铝液层电流),由于认为底部出电在结构上存在一定的风险,向科技部提出取消该计划,留予今后继续探索。科技部863项目专家组为此召开专门会议研究,调整了试验验收目标能耗指标(由12000调整为12200kWh/tAl)。

 

 

2012年8月,12台试验槽全部顺利启动。电解槽采用56组单阳极,电流密度0.796A/cm2,阳极与阴极呈正对应,七点下料、大梁中间支撑结构、分段集气双烟管排气系统、三段提升机构;采用内补偿+外补偿方案简化了槽周围母线设计,以减少槽间距增加;在控制垂直磁场均值≤ 5.0 高斯,熔体流速减低40%(接近于400kA槽)。试验结果12台槽吨铝直流电耗平均为 12136kWh,电流效率平均为 92.77%。

 

 

 

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2014年4月21日中国有色金属工业协会组织科技成果鉴定,张国成院士担任专家组长,作者和牛庆仁教授级高工任副组长,鉴定意见认为:技术成果达到国际领先水平。

 

 

NEUI600——东大院与魏桥的合作。2013年的一天,东大院院长吕定雄推开了魏桥集团董事局主席张士平的门,一番陈述打动了这位千亿企业的掌门人,下定决心要为铝工业科技进步做出贡献,经过论证和设计建设,全球第一条(186台)600kA电解铝生产线正式启动建设。

 

 

NEUI600采用“数值模拟+经验”的模式:开发了磁流体稳定性“双补偿”技术和母线装置,电解槽母线用量与传统的“单补偿”技术相比降低12%;首创的多阶分体式管桁架梁结构技术提高了NEUI600kA级铝电解槽超大跨度上部钢结构的安全性和稳定性,降低了电解车间轨顶标高约1米,降低了电解车间土建投资约5%;研发的高位分区集气结构和相向流烟气干法净化技术等成套环境总量控制技术,系列实现了99.6%的集气效率和99.7%的净化效率。经过半年多的运行测试:槽平均电压3.95V;电流效率94.6%;直流电耗12443kWh/tAl;阳极效应系数0.01次/槽·日。

 

 

 

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2015年6月5日,中国有色金属工业协会召开“魏桥铝电NEUI600kA级铝电解槽技术开发与产业化应用科技成果”评价会。陈全训会长参加了评审会,副会长兼理事长贾明星教授担任专家组长,邱定蕃院士、李劼教授担任副组长,专家评价认为:项目整体技术达到了国际领先水平。

 

 

此后,沈阳院在山东信发建立的新的系列,将电流强度提高到了660kA......

 

 

站在世界之巅。尽管业内对500kA以上的槽子成熟性和先进性时有争论,但毫无疑问中国电解铝技术已经站在了世界之巅。开创了美铝和法铝基业的霍尔和埃鲁特恐怕无法想到,他们发明的这种神奇的铝冶炼方法,今天能在中国大地真正开花结果,发扬光大,并造福世界!

 

 

 

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十二、电解铝蓬勃发展之谜

 

 

始于上世纪70年代的改革开放的春风,吹来了科技的春天。我国电解铝行业科技工作者,以其饱满的热情和对祖国的爱,上演了一场电解铝技术蓬勃崛起的大戏:我们在消化引进技术的基础上,研究开发了“铝电解槽数学模型和仿真软件系统”,掌握了大型铝电解槽开发的基础理论和设计工具,相继自主开发成功165kA、186kA、280kA以上的特大型铝电解槽技术,以“国家大型铝电解试验基地280kA试验槽”的成功开发为标志,我国在现代铝电解技术领域已跨入世界领先行列,形成了我国自己的现代铝电解技术体系。此后,320kA、400kA、500~600 kA超大型预焙阳极铝电解槽技术相继诞生,各项技术指标已达到或超过了国际先进水平。

 

 

有人说,电解铝属于“两高一资”,应该限制!高耗能、高污染?看过本文相信您已经有了正确的答案:对!优势产业,电解铝是中国少有的优势产业!这才是电解铝工业不可思议的发展速度背后的真相!

 

 

干勇院士说:时至今日,钢铁工业仍然是国民经济的“压仓石”。那么电解铝呢?毫无疑问,电解铝工业是国民经济中的一颗璀璨的宝石!

 

 

未来资源之解。电解铝发展之快令世人惊叹,也自然引发了人们对资源问题的担忧。

 

 

炼铝的原料主要是氧化铝,氧化铝通过铝土矿加工获得,世界铝土矿资源十分丰富,主要分布在澳大利亚、巴西、几内亚等国,中国曾是铝土矿主要生产国家,以山西河南贵州广西四省为主,保有储量不足20亿吨(非权威数字,且不断在调整变化),约占世界铝土矿储量4%,居世界第7位。随着中国电解铝工业的快速发展,国内铝土矿资源已明显不能满足需要,尽管已探明储量近年来不断有所增加,陆续有新的铝土矿资源被发现,一些省份比如在云南重庆等地也已建起了新的氧化铝厂。但总的来说,铝土矿资源的短缺形势已不可避免,这也正是人们普遍担心电解铝发展的资源之忧。

 

 

然而,正像许多业内人士预计的那样,中国电解铝工业的发展并没有受到氧化铝资源的制约,这是因为:第一,氧化铝是国际化资源,世界范围内的氧化铝贸易十分活跃,世界上一些大的氧化铝生产国家,并不具备相匹配电解铝生产能力,这些国家(如澳大利亚)生产的氧化铝主要用于向别国销售;第二,氧化铝是经过非常复杂的化工过程生产的,也是一种宝贵的资源,适当的进口有利于缓解国内资源短缺的矛盾。换一个角度思考,正因为我国有良好的电解铝产业基础,通过发展电解铝获取国外的铝资源也不失为我国经济良性发展一种模式。山东一些大型企业通过直接进口铝土矿生产氧化铝的做法,以及某些省份铝工业“两头在外”的产业特点,印证了这一模式合理性。

 

 

从另一方面看,今天的铝工业走出去战略也是历史的必然。

 

 

“一带一路”——走向世界。采用中国电解铝技术建设电解铝厂的投资仅仅是发达国家的1/3~1/2,而且,由于电解铝产品的质量标准是全球化的,美国生产的原铝和中国生产的原铝,可以达到同样的质量标准。目前我国自主创新的电解铝技术已实现了大规模的技术出口,印度、哈萨克斯坦、马来西亚、伊朗,甚至输出到欧洲发达国家,并通过工程总承包、工程设计、工程施工等方式带动了国内相关装备制造、材料以及劳务等出口,在国际上产生了很大影响。

 

 

“一带一路”,新时代电解铝恰逢其时!

 

 

当年曾向画图看。电解铝过剩了?是的,电解铝发展真得太快了,但过剩从另一个角度看是不是意味着这个产业“大了”?中国电解铝低能耗、低投资,技术领先!是不是“强了”?换一个说法:就是说我国电解铝真的“做大做强”了,难道不是吗?一个做大作强了的电解铝已经在我们眼前。

 

 

“莫讶诸峰俱眼熟,当年曾向画图看”,王阳明的诗句正是今天电解铝工业的真实写照!老一辈的理想今天已经变成了现实!

 

 

电解铝——让国人扬眉吐气!(完)

 

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