作者簡介：梁學民，鄭州大學特聘教授，鋁冶金學科帶頭人，中國有色金屬學會常務(wù)理事。

一、前言——什么是電解鋁？

說到“電解鋁”，可能今天知道的人不少；但什么是電解鋁？恐怕了解的人不多，能說清楚的人更少。

鋁是一種金屬。由于鋁的質(zhì)量輕、導(dǎo)電性好、加工性能優(yōu)越，并具有特殊的抗氧化性，廣泛應(yīng)用于電力、交通、建筑、包裝、國防以及航空航天和人民生活等各個領(lǐng)域，從建筑家居到高鐵、飛機，從食品、汽車到消費電子產(chǎn)品，有人統(tǒng)計鋁的應(yīng)用大約涉及112個產(chǎn)業(yè)。這里我們所說的鋁也叫原鋁，也就是純鋁。由于鋁的原始制造一直是以熔鹽電解法生產(chǎn)為主，因此，通常稱之為“電解鋁”。

電解鋁——年輕的金屬。人類最早發(fā)現(xiàn)和掌握冶煉銅的工藝，大約在3000～4000年以前；而人類煉鐵的歷史也有3000多年，早在漢朝時期我國煉鐵技術(shù)就得到了很大的發(fā)展。然而，人類煉鋁技術(shù)的誕生才僅僅130多年。著名冶金科學家、鋼鐵冶金專家殷瑞鈺院士說：“因為銅的熔點比鐵低，因此人們首先學會了煉銅，而后才學會煉鐵；煉鐵需要打開分子鍵，而采用還原法煉鋁的溫度更高，則需要采用電解法打開離子鍵，因此人類直到有了直流電最晚才掌握了煉鋁的技術(shù)”。

1886年，美國一個叫霍爾(Charles M.Hall)的年輕人發(fā)明了一種冶煉鋁的工藝，稱之為“氟化物熔鹽中氧化鋁的電解”。但是當他到美國專利局提出專利申請時候，才得知一個叫埃魯特（Paul L.T.Héroult）法國人已經(jīng)向美國專利局提出了一個申請，同樣是為了得到鋁把大致相同的元素組合在一起，跟霍爾的發(fā)明幾乎一模一樣。而且，埃魯特幾個月前已經(jīng)在歐洲申請了專利。從此，兩人進入了一場曠日持久的專利之爭，據(jù)說這場官司持續(xù)了15年。

霍爾和埃魯特專利申請之爭經(jīng)過漫長的交涉，美國專利局最終裁定霍爾勝訴，因為埃魯特沒有提交所需的“原始報告”。這一裁決的結(jié)果，使霍爾和埃魯特成為分別在美洲和歐洲同時擁有同一項專利的發(fā)明人，后人稱之為“霍爾-埃魯特鋁電解工藝”。然而，霍爾和埃魯特之間的緣分遠不止此，在霍爾和埃魯特的技術(shù)支持下，兩人分別作為創(chuàng)始人創(chuàng)辦了兩個鋁冶金公司，就是今天世界著名的兩大鋁業(yè)公司美國鋁業(yè)公司（Alcoa，前身為匹茲堡冶金公司）和法國鋁業(yè)公司（Pechiney，前身為法蘭西電力冶金公司(SEMF)）?；魻柡桶ｔ斕刈⒍ㄊ菫殇X而生的，他們于同一年出生（1863年），同一年去世（1914年），同一年（1886年）申報了同一項專利。即使在當時以財富暴漲和大量積累為標志的時代，霍爾的故事還是成為了美國傳奇，他贏得了美國專利有史以來最大的財富?；魻?914年去世時持有的美鋁股份，價值近3000萬美元。

新中國的驕子。我國電解鋁發(fā)展較晚，第一個電解鋁廠（撫順鋁廠）于1954年建成投產(chǎn)。直到80年代以前，電解鋁作為一個工業(yè)行業(yè)或者一種產(chǎn)品，其生產(chǎn)工藝及產(chǎn)業(yè)特點還很少為社會公眾所了解。隨著電解鋁技術(shù)的發(fā)展和電解鋁生產(chǎn)規(guī)模的擴大，更由于電解鋁“電老虎”的名聲在外，特別是2005年以來無論是國家出臺的“鋼鐵、水泥、電解鋁、汽車、房地產(chǎn)”五大行業(yè)，還是“鋼鐵、水泥、電解鋁”三大行業(yè)的宏觀調(diào)控，以及“兩高一資”的限制類產(chǎn)業(yè)，電解鋁都榜上有名，社會公眾從此也逐漸熟知和認識了電解鋁。應(yīng)該說，無論是“三大行業(yè)”還是“五大行業(yè)”的提法，都是對電解鋁行業(yè)實實在在的“抬舉”，因為，僅憑當年電解鋁全國幾百萬噸的產(chǎn)能，不足千億的總產(chǎn)值，幾百億的總資產(chǎn)，怎么說跟大行業(yè)也沾不上邊。不信跟其他幾個行業(yè)比比：2005年全國粗鋼產(chǎn)量3.5億噸、水泥產(chǎn)量10.7億噸，電解鋁只有區(qū)區(qū)779萬噸，至于跟汽車房地產(chǎn)相比，更別提了，產(chǎn)業(yè)規(guī)模何止相差一個數(shù)量級？無論如何，電解鋁雖小，名氣很大。但“高耗能、高污染”也同時成了電解鋁揮之不去的名片和標簽。

建國以后乃至改革開放初期，我國電解鋁一直都屬于短缺產(chǎn)品，更是被列為戰(zhàn)略性物資，長期依賴進口，我國早期的電解鋁廠和與電解鋁配套的氧化鋁廠都有自己的番號，比如撫順鋁廠也叫301廠，貴州鋁廠是302廠。從這種類似于軍工企業(yè)的保密性質(zhì)，足以看出當年其所處的戰(zhàn)略地位。1983年4月中國色金屬工業(yè)總公司成立之初，首先就向國家提出并確定了“優(yōu)先發(fā)展鋁”的方針，從中也可以看出國家對“鋁”的迫切需求和對鋁產(chǎn)業(yè)的重視。

茁壯成長——始料未及。改革開放40年來，特別是從上世紀末開始，我國電解鋁工業(yè)得到快速發(fā)展。2003年以后，伴隨著國家宏觀調(diào)控政策的出臺，電解鋁產(chǎn)業(yè)不但沒有得到遏制，更是呈爆發(fā)式增長。1998年我國電解鋁產(chǎn)能只有256萬噸/年，產(chǎn)量243萬噸/年。一個并不為人所知的“大”行業(yè)，從此不斷刷新著其歷史紀錄：發(fā)電企業(yè)、煤炭企業(yè)開始投資電解鋁，紡織行業(yè)、養(yǎng)殖行業(yè)也紛紛趕來投資分享電解鋁的盛宴，其中有民企、也有國企，還有大型央企。涉鋁的民營企業(yè)中有的曾位列中國首富，不少成為某省首富，位列富豪榜的更是大有人在。人們不明白，電解鋁究竟有怎樣的魔力，能不斷吸引眾多的企業(yè)跨行投資，而且樂此不疲，掀起一輪接一輪的投資熱潮？從1998年到2018年二十年間，我國電解鋁產(chǎn)能和產(chǎn)量已分別突破4397萬噸和3648萬噸，鋁產(chǎn)量增長了近20倍，占世界總產(chǎn)量的56.7%，連續(xù)17年居世界第一位。

在我國有色金屬的家族中，鋁的快速增長使“銅鋁鉛鋅...”的排名改寫為“鋁銅鉛鋅...”，電解鋁成功“逆襲”成為當然的老大，成為第二大金屬材料。今天，已經(jīng)沒有人質(zhì)疑電解鋁“大行業(yè)”的頭銜了。

隨著電解鋁產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，加上上、下游與其配套的的礦山、氧化鋁、鋁加工、碳素以及發(fā)電等相關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)，其規(guī)模和體量已經(jīng)到了相當大的程度，電解鋁名副其實已經(jīng)成為我國重要的基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)。然而，越是基礎(chǔ)的東西越是人們須臾不可或缺的，成為大行業(yè)的電解鋁工業(yè)對我國國民經(jīng)濟建設(shè)的影響也是不容忽視的。其健康、穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展也同樣需要引起我們的高度重視。

那么，新世紀以來，在國家三令五申，各種政令的嚴格限制之下，導(dǎo)致電解鋁如此瘋狂發(fā)展的真相究竟是什么呢？

電解鋁是高耗能產(chǎn)業(yè)？這一點毋容置疑，目前每生產(chǎn)一噸電解鋁大約耗電能13000～14000kWh，加上主要原材料及生產(chǎn)過程耗能每生產(chǎn)一噸電解鋁要消耗6～8噸標準煤。然而截止目前，電解法仍然是全世界工業(yè)生產(chǎn)原鋁的唯一方法。美國鋁業(yè)公司等國際巨頭從六十年代開始探索電解法煉鋁的替代技術(shù)，至今未獲得成功。

電解鋁之所以能夠快速發(fā)展，作者認為有這樣幾個原因：一是因為電解鋁是整個鋁產(chǎn)業(yè)鏈條上的一個耗能環(huán)節(jié)，在鋁產(chǎn)品的后續(xù)應(yīng)用加工過程中，則更多體現(xiàn)的是高科技和精細化加工的產(chǎn)業(yè)特點，不但具有其他材料不可替代的作用，而且，在很多領(lǐng)域更顯示出其顯著的節(jié)能效果（如電力、航空航天、交通運輸?shù)龋?；二是由于鋁極易氧化形成堅固的保護膜使其在使用過程中不再被侵蝕這一自然特性，使應(yīng)用過程中鋁產(chǎn)品的氧化損失極少，且極易回收?；厥章士蛇_到95%以上，因而鋁可以循環(huán)往復(fù)地回收應(yīng)用，因此有“儲能產(chǎn)品”和“能源銀行”的美譽，鋁的再生和回收使其在今后的循環(huán)使用中的能耗大大降低；三是我國生產(chǎn)鋁的技術(shù)裝備水平世界一流，其能耗達到或已經(jīng)低于多數(shù)發(fā)達國家生產(chǎn)鋁所消耗的電能，也就是說在國內(nèi)鋁企業(yè)生產(chǎn)鋁的能耗甚至低于美國的鋁廠。

盡管電解鋁耗能已占全國總用電量的7.9%以上，但與我國目前已擁有上億輛的家用汽車的耗能相比，整個電解鋁工業(yè)的耗能甚至還不足其幾十分之一。

電解鋁是高污染行業(yè)? 準確地講這種說法并不確切，也有失公允。電解鋁生產(chǎn)過程中所排放的主要污染物氟化物同時就是電解鋁生產(chǎn)所需要的原材料，而以煙氣形式排放出來的氟化物與電解鋁生產(chǎn)的另一種主要原料氧化鋁有著天然的親和力，它們在反應(yīng)器中相遇后瞬間即可發(fā)生吸附反應(yīng)，反應(yīng)的效率達到99%以上。以此原理開發(fā)的“干法凈化”系統(tǒng)被全世界的鋁廠廣泛采用。排除管理因素，電解鋁污染問題的早在上世紀80年代初，就已經(jīng)不是技術(shù)上的問題了。更重要的是，現(xiàn)代電解鋁廠的生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計中早已把煙氣的處理系統(tǒng)和原料的供給系統(tǒng)融為一個整體，全年365天全天候連續(xù)運轉(zhuǎn)，須臾不可中斷。

對于電解槽大修產(chǎn)生的少量的固體污染物，一直都有嚴格的環(huán)保處理措施。近年來，國家對電解鋁的環(huán)保治理提出了更為嚴格的標準和要求。一方面增加了電解鋁煙氣中SO2等排放的限制；另一方面，2016年新的《環(huán)保法》將電解過程排放的固體廢棄物大部分列為危險污染物。經(jīng)過長期的技術(shù)積累和近幾年的研發(fā)應(yīng)用，相應(yīng)的處理技術(shù)已經(jīng)開始走向工業(yè)化，特別是電解鋁煙氣脫硫技術(shù)和電解鋁大修廢渣的處理與綜合利用技術(shù)已逐漸成熟，并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。目前，電解鋁固廢資源化技術(shù)的研究開發(fā)也已經(jīng)取得積極進展。

作為從事電解鋁的設(shè)計、研究、管理三十多年的行業(yè)科技工作者，作者親歷了整個電解鋁技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程，深知導(dǎo)致電解鋁產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展甚至“投資過熱”或者“產(chǎn)能過剩”，絕不僅僅因為電解鋁屬于“兩高一資”、勞動密集或是“高投入、高產(chǎn)出”的行業(yè)。盡管也有不少人認為電解鋁存在這樣或那樣的問題，但深度分析發(fā)現(xiàn)其背后有著極其深遠的產(chǎn)業(yè)背景和深層次的經(jīng)濟技術(shù)原因，才有了今天電解鋁工業(yè)的蓬勃發(fā)展。

探索真相——電解鋁到底有多牛？改革開放以來，我國經(jīng)濟處于歷史上千年不遇的發(fā)展時期，給原鋁的生產(chǎn)提供了廣闊的發(fā)展空間。然而，許多人不了解的是，我國電解鋁行業(yè)幾代科技人員的辛勤耕耘和不懈探索結(jié)出的累累碩果和驚人的科技成就，才是我國電解鋁產(chǎn)業(yè)雄居世界領(lǐng)先地位背后真正的內(nèi)在原因！特別是在電解鋁大型化技術(shù)領(lǐng)域，從無到有、從消化吸收到自主創(chuàng)新、從理論領(lǐng)域到試驗開發(fā)，再到大規(guī)模的應(yīng)用推廣，鋁電解設(shè)計與生產(chǎn)技術(shù)日臻完善，形成了自己的設(shè)計和技術(shù)體系。如今，全球范圍內(nèi)，有電解鋁增長的地區(qū)，就有中國的身影，電解鋁工業(yè)已經(jīng)成為我國在全世界制造業(yè)乃至工業(yè)領(lǐng)域中少有的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，在“一帶一路”戰(zhàn)略指引下，昂首走向世界。

我國鋁電解科技創(chuàng)新的四十年，是幾代科技工作者共同創(chuàng)造奇跡的四十年。回頭看四十年的歷程，一幅幅波瀾壯闊的科技創(chuàng)新的畫卷展歷歷在目，昔日前輩們振聾發(fā)聵的攻關(guān)號令和破解難題時的諄諄教誨依然回蕩在腦海中……

二、“日輕”技術(shù)的引進

說起電解鋁廠，行業(yè)內(nèi)的老同志這么形容：進到電解車間不到10米遠，就看不到人了；電解工從電解車間出來，就像煤礦工人，整個臉上就能看見一雙眼睛，工作環(huán)境惡劣，無法想象的，這也是電解鋁最早留給人們的印象。七十年代以前，我國電解鋁廠基本上以前蘇聯(lián)引進的自焙陽極電解槽技術(shù)為主，單系列規(guī)模一般不超過1萬噸/年。年產(chǎn)超過3萬噸的鋁廠都是國家骨干企業(yè)。

上世紀八十年代初期，伴隨改革開放的春風，國民經(jīng)濟各條戰(zhàn)線迎來了一個劃時代的變化，我國工業(yè)各領(lǐng)域更如陽春三月，百花爭艷。同時我們也迎來了科技的春天。從促進國民經(jīng)濟發(fā)展的戰(zhàn)略出發(fā)，國家決定從發(fā)達國家引進技術(shù)建設(shè)一批重大工程建設(shè)項目。最為典型的就是上海寶鋼一期工程的建設(shè)，從1977年醞釀到1978年12月十一屆三中全會結(jié)束后的第一天舉行開工典禮。黨中央國務(wù)院決定建設(shè)現(xiàn)代化鋼鐵聯(lián)合企業(yè)——寶鋼，從日本新日鐵公司引進全套設(shè)備，建成了我國第一個具有八十年代世界水平的現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)。這也是歷史上第一個由全國人大表決的大型工程建設(shè)項目（另一個是著名的三峽工程）。大概很多人都清楚，寶鋼的建設(shè)為我國后來鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展并達到世界先進水平奠定了基礎(chǔ)。

為什么選擇“日輕”技術(shù)？與鋼鐵工業(yè)一樣，在鋁業(yè)前輩包括程宗浩、姚世煥等在內(nèi)的老一輩專家積極建議和原冶金部領(lǐng)導(dǎo)的努力和支持下，改革開放后的第一年，一批大型鋁廠建設(shè)被列入國家計劃，但是采用什么電解槽技術(shù)成為決策者面對的難題。70年代末，以美鋁、法鋁等國際鋁業(yè)公司已經(jīng)開發(fā)成功160~180kA以上的大型預(yù)焙槽技術(shù)，鋁電解技術(shù)開始出現(xiàn)以大型化、預(yù)焙化為主導(dǎo)的發(fā)展趨勢。按照姚世煥老師等前輩的回憶，根據(jù)當時的電解鋁技術(shù)發(fā)展，專家組將世界上先進的電解槽型分為三種模式并進行了比較：

第一種是北美型電解槽。當時美國鋁業(yè)公司（Alcoa）是世界上最大的跨國鋁業(yè)公司，美國鋁業(yè)公司(Alcoa)和加拿大鋁業(yè)公司（Alcan）在加拿大、巴西等鋁廠使用的是150～220kA大型預(yù)焙陽極電解槽(簡稱預(yù)焙槽)，該槽型的優(yōu)點是中間加氧化鋁，密閉性好，98%以上的有害煙氣經(jīng)過回收處理后達到環(huán)保要求。但這種槽型走的是高效率、高槽電壓路線，噸鋁電耗也相對較高，適用于北美水電豐富和電價便宜的地區(qū)。

第二種是歐洲型電解槽。是法國鋁業(yè)公司（Pechiney）等為代表針對高電價地區(qū)而研發(fā)的一種低電耗的槽型。由于其180kA預(yù)焙槽技術(shù)（AP18）尚處于試驗階段（僅有四臺試驗槽剛剛投入運行，盡管1977年中期已開始準備籌建F系列），而且作為法鋁剛剛開發(fā)的最先進的180kA技術(shù)，轉(zhuǎn)讓的可能性不大。Pechiney向中方推薦了當時已經(jīng)成熟應(yīng)用的最大電流只有135kA的預(yù)焙槽，采用邊部添加氧化鋁，有30%的有害氣體無組織排放，這種槽型嚴重污染環(huán)境，在有些地區(qū)不得不采取天窗洗滌進行處理，費用昂貴，很明顯這種技術(shù)不符合中國國情。

第三種槽型是日本型電解槽。20世紀60～70年代日本鋁工業(yè)迅速發(fā)展，日本各家公司引進了美國、法國和瑞士的各種槽型，經(jīng)過消化與改進后，由三家公司綜合了美國的環(huán)保性好和法國的能耗低的優(yōu)點，開發(fā)了一種低電耗和密閉性好的預(yù)焙槽，容量達到160～170kA，這種槽型經(jīng)過改進非常適合中國使用。以日本輕金屬公司為首的日本幾家鋁業(yè)公司從1976年就開始進入中國，積極推薦其自主研發(fā)的大型預(yù)焙槽技術(shù)。而且由于在當時的中日友好的大環(huán)境下，采用日本技術(shù)可以獲得日本政府的長期貸款的支持。

此后，冶金部派出了以黨組成員王哲為團長、程宗浩為秘書長的代表團，考察了日本6大鋁業(yè)公司13個鋁廠中的10個電解鋁廠、碳素廠和鋁加工廠。最終，根據(jù)考察建議決定采用日本輕金屬株式會社160kA大型中間加料、密閉型預(yù)焙槽技術(shù)。

1978年2月21日，原國家計委批準了貴州鋁廠8萬噸鋁電解工程（簡稱貴鋁二電解或貴鋁前八萬噸工程），1979年1月7日貴州鋁廠與日本輕金屬公司簽訂8萬噸/年鋁電解工廠建設(shè)引進合同。以日本輕金屬公司當時最新試驗的4臺電解槽為原型，成套引進技術(shù)和設(shè)備，在貴州鋁廠建設(shè)了中國第一個低電耗和密閉性好的160kA中間下料預(yù)焙槽系列——貴州鋁廠第二電解鋁廠，由貴陽鋁鎂設(shè)計研究院（貴陽院）負責配合引進工程的設(shè)計，中國第七冶金建設(shè)公司承擔建設(shè)安裝任務(wù)。系列共安裝電解槽208臺，年產(chǎn)能8萬噸，包含配套的碳素預(yù)焙陽極制造和陽極組裝系統(tǒng)。1981年12月18日，這個當時國內(nèi)單系列產(chǎn)能最大裝備最先進的鋁電解工程正式試車投產(chǎn)。

如何評價“日輕”技術(shù)？“日輕”160kA電解系列的引進和建設(shè)，是當時我國第一個大型預(yù)焙槽系列，在國際上屬于70年代先進水平。為了讓大家看得清楚，將其設(shè)計特點和主要指標參數(shù)描述如下：

① 設(shè)計電流強度160kA，槽工作電壓4.05V，電流效率87.5%，直流電耗13600kWh/tAl，陽極效應(yīng)次數(shù)1次/槽日；這個指標今天看來并不是很先進，但與當時國內(nèi)自焙槽電流效率84～86%，直流電耗15000kWh/tAl以上相比，確是先進了很多；

② 母線配置設(shè)計為兩端進電，槽底有中間往端部引出的補償母線；兩端進電的設(shè)計模式當時不是最先進的，但考慮了磁場的影響，進行了合理的槽底補償；

③ 采用中間下料方式，兩點下料，下料器容量15kg， 加料20分鐘一次，每小時下料量90kg，采用風動下料器（溜槽控制），每臺槽端頭設(shè)有一臺專用風機；控制系統(tǒng)采用效應(yīng)控制方式來控制氧化鋁濃度；下料器結(jié)構(gòu)和下料量的設(shè)計，是日方技術(shù)的最大的短板，也是造成電解槽沉淀多，槽況波動大等許多問題的主要原因；

④ 陽極尺寸1400×660×540，陽極組數(shù)24，陽極電流密度0.72A/cm2；陽極的選擇證明是合理的，我國后來的發(fā)展基本是在這個基礎(chǔ)上改進的；

⑤ 陽極提升機構(gòu)采用四點提升，為渦輪蝸桿式機構(gòu)，運行穩(wěn)定可靠。

⑥ 加工面為：大面525，小面595，陽極中縫250。這也是其設(shè)計落后的表現(xiàn)之一，是由于受到歐洲技術(shù)邊部加工（加料）的影響，加工面較大。

⑦ 電解車間安裝160kA電解槽208臺，配置在四棟廠房內(nèi)，共分8個區(qū)，每區(qū)26臺槽。廠房采用兩層樓式結(jié)構(gòu)，操作平臺為+2.4m，全鋼結(jié)構(gòu)廠房。廠房跨度為20.5m， 兩棟廠房之間間距為25m；電解槽間距6.575m，這是由電解槽操作需求和母線配置設(shè)計決定的；陽極托盤有專用車輛運輸至電解槽短頭擺放；5t出鋁臺包由天車調(diào)運到電解槽短頭完成出鋁操作；這種設(shè)計方案有其合理性；

⑧ 采用了日本富士公司可控硅整流和干法凈化煙氣處理技術(shù)。整流所和煙氣凈化系統(tǒng)分別配置在電解車間的兩個端頭，跟我們今天的配置形式不一樣。這樣配置的好處是電解槽排與排之間的距離可以小一些，每兩棟廠房（兩排槽）對應(yīng)一套凈化系統(tǒng)。由于廠房長度比較短，煙氣管道的距離也短。這種平面配置方案在當時有一定合理性，在貴鋁第三電解和青海鋁廠的設(shè)計中復(fù)制了這種模式。隨著系列規(guī)模的增大，我們后來的設(shè)計方案都是采用了將凈化系統(tǒng)布置在電解廠房之間的模式；

貴州鋁廠引進的“日輕”年產(chǎn)8萬噸160kA中間下料預(yù)焙電解槽

① 氧化鋁物料的輸送，采用了兩種形式，來自氧化鋁廠的新鮮氧化鋁送入8000t料倉（鋼結(jié)構(gòu)圓形料倉），經(jīng)過氣力輸送（溜槽）和斗式提升機送入400t日耗倉；85%的新鮮氧化鋁加入凈化系統(tǒng)中吸附煙氣中的氟化物，從凈化回收回來的載氟氧化鋁通過溜槽和提升機送入300t載氟倉公電解槽加料，自動控制的電動小車定時將載氟氧化鋁送至每臺電解槽設(shè)置的容量為5t槽壁料箱內(nèi)，供每臺電解槽使用；另外15%的新鮮氧化鋁通過天車加料加入電解槽，作為陽極保溫覆蓋料。

② 車間內(nèi)配備了8臺法國ECL生產(chǎn)的多功能操作機組，完成電解槽出鋁、換極和抬母線等主要作業(yè)。

我們今天的大型槽技術(shù)已經(jīng)有了很大的改變，主體的核心技術(shù)已經(jīng)今非昔比，但在很多工程化細節(jié)方面，內(nèi)行還是能夠看到當年“日輕”技術(shù)的痕跡。

始料不及——投產(chǎn)暴露問題。“日輕”技術(shù)出問題了！很多人至今記憶猶新。事物的發(fā)展往往出乎人們的預(yù)料，由于技術(shù)本身和施工質(zhì)量、操作水平、管理因素等等各方面的原因，在投產(chǎn)初期的長達3、4年的時間里，引進的“日輕”電解槽生產(chǎn)運行出現(xiàn)了各種各樣問題：槽溫高、爐幫形成不好、伸腿過長、槽底沉淀多，各種問題頻發(fā)，效率低，能耗高。尤其突出的是電解槽早期破損嚴重，大部分槽壽命不足1000天（設(shè)計槽壽命1500天）。

作為國家引進的重大工程，出現(xiàn)了重大問題也必然地引起了很大的反應(yīng)，甚至引起國家領(lǐng)導(dǎo)人重視。作為全國最大的鋁廠，行業(yè)標桿，更是貴州企業(yè)中的名牌，國家領(lǐng)導(dǎo)人來貴州必到貴鋁視察，今天你知道貴州有茅臺酒，不知道80年代貴鋁比茅臺關(guān)注度更高。因此，對于工程投產(chǎn)后的出現(xiàn)的問題，各方面壓力都很大。從貴陽院調(diào)任的首任廠長韓沛川被免職（被委以重任的杰出電解鋁專家，用今天的話說叫“背鍋”），有關(guān)設(shè)計、施工及建設(shè)方都非常緊張。那么這些問題究竟是什么原因造成的呢？

一方面，當然是積極與日方交涉，認為對方工藝技術(shù)不成熟（據(jù)老同志介紹，“日輕”賣給中國的技術(shù)確實是最新的，但也只有4臺工業(yè)試驗槽），從履行合同的法律角度要求對方承擔責任。日方也感覺很委屈，雖然很積極配合，但對中方對其技術(shù)的懷疑還是不予認可，認為是中方的施工質(zhì)量、生產(chǎn)管理出了問題。事實上，在項目建設(shè)和投產(chǎn)過程中的確也發(fā)生過因為對工程監(jiān)管不嚴，導(dǎo)致雙方人員發(fā)生沖突的事情：一名中方人員不按章作業(yè)，引起日方人員不滿，動手打了中方人員，因為這件事還引發(fā)了外交糾紛，這些都成了人家的“證據(jù)”。還有一些各種沖突被當時很多人當作奇聞異事傳播。改革開放初期的這些事兒，今天的人們很難想象。也于是，雙方展開了長時間拉鋸式的研究、分析、查證、談判...。另一方面，基于當時的國內(nèi)環(huán)境，這些問題也引起了行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和專家們的重視，也激發(fā)了全國高校、各大設(shè)計、研究院所研究探討的熱情，也取得了許多的研究成果結(jié)論，然而各種觀點和看法也不盡相同，今天看來當然也未必都正確?；叵肫饋恚捎谑艿绞晡母锏挠绊?，國內(nèi)當時的技術(shù)基礎(chǔ)相對薄弱，這種探討和研究本身就是非常有意義的。

貴州鋁廠日輕引進電解系列外貌

影響深遠。事實上，貴鋁第二電解系列的引進，受到了鋁行業(yè)上下和全社會的高度關(guān)注。從八十年代初到九十年代的相當長的一段時間內(nèi)，它都代表了中國電解鋁工業(yè)的最高水平，也是國內(nèi)眾多電解鋁企業(yè)學習和效仿的模板。盡管存在著這樣那樣的問題，但廣大的鋁工業(yè)科技工作者還是對其保持著一種謙虛和實事求是的態(tài)度，從中學習和了解了大量的現(xiàn)代鋁電解新技術(shù)理念和技術(shù)成果。

采用日本引進技術(shù)建設(shè)貴鋁第二電解系列這一重大決策，使得我國電解鋁工業(yè)與改革開放的步伐保持了同步快速發(fā)展，揭開了我國現(xiàn)代大型鋁電解技術(shù)發(fā)展的序幕，對我國電解鋁工業(yè)的此后四十年的發(fā)展產(chǎn)生了極其深遠的影響，今天看來，這個決策是十分英明的。在我們?yōu)殡娊怃X今天的發(fā)展而驕傲自豪的同時，應(yīng)當感謝老一輩鋁工業(yè)科學家們高瞻遠矚，為電解鋁工業(yè)做出的這一了不起的歷史性貢獻。

三、全行業(yè)對引進技術(shù)的消化吸收

從國家戰(zhàn)略的角度，貴州鋁廠引進工程的決策，并不僅僅是為了建設(shè)一個鋁廠，而是為了改變和提升一個產(chǎn)業(yè)。

從60kA小預(yù)焙槽到135kA。在貴鋁引進日本技術(shù)之前，我國在預(yù)焙電解槽技術(shù)開發(fā)方面開展過一些研究工作。根據(jù)《新中國有色金屬60年》記載，我國最早的預(yù)焙陽極電解槽是1964年在鄭州鋁廠建成的。由于從前蘇聯(lián)引進的75kA側(cè)插自焙槽槽陽極過寬（3600×2500），造成電壓過高、且針擺嚴重，必須進行改造。在這種情況下，第一次設(shè)計了邊部加工無槽罩的80kA預(yù)焙槽。

1978年撫順鋁廠與沈陽鋁鎂設(shè)計院(沈陽院)等單位合作，在設(shè)計大師楊瑞祥和韓復(fù)業(yè)等專家主導(dǎo)下將第四系列部分電解槽改建為23臺135kA邊部加料預(yù)焙槽，進行了預(yù)焙槽擴大試驗，1979年11月投產(chǎn)，在大型化道路上首開先河。該槽型后來在包頭鋁廠建設(shè)中得到應(yīng)用，并獲得1987年國家科技進步二等獎。

然而直到貴鋁160kA預(yù)焙槽的引進，迅速吸引了整個鋁行業(yè)的目光，改變了電解鋁科技進步的進程，才真正開啟了我國大型預(yù)焙槽技術(shù)發(fā)展的大幕。

怎么評價“日輕”引進工程？幾十年過后，關(guān)于“日輕”技術(shù)問題的爭論已漸漸平息，然而這些問題到底屬于什么樣的問題最后也沒有形成統(tǒng)一的定論。當時國內(nèi)一批專家也理性地認識到，日本的技術(shù)整體上應(yīng)該說是先進的，出現(xiàn)各種問題某種程度上說是由于我們短時間內(nèi)沒有吃透和缺乏經(jīng)驗有一定的關(guān)系，加上國內(nèi)當時的工業(yè)基礎(chǔ)、施工和生產(chǎn)管理水平的確與現(xiàn)代化水平有一定差距。當年直接參與引進工程的第一批專家殷恩生（杰出的鋁專家，后擔任廣西平果鋁總經(jīng)理）認為，當時國內(nèi)在大型預(yù)焙槽技術(shù)和管理上可以說還是“白帽子”。

冷靜地分析和評價“日輕”技術(shù)優(yōu)劣后，人們逐漸發(fā)現(xiàn)：第一，日方技術(shù)在當時來說的確是先進的，稱之為70年代國際先進水平并非言過其實；第二，在當時的總體技術(shù)背景下，日方提供的設(shè)計方案基本上無可挑剔，甚至可以說完善的；第三，日方當年提供的技術(shù)是完整而詳實的，這在我們后來的引進工程和國內(nèi)任何工程設(shè)計中是沒有的。

在貴州鋁廠引進“日輕”工程的過程中，許多人都注意到一個這樣的事實，就是這項工程由日方提供的技術(shù)資料、圖紙非常詳細，包括項目可行性研究報告、項目基本設(shè)計文件（初步設(shè)計）和施工圖紙。在貴陽院的檔案室里，這個工程的技術(shù)文件資料用成噸來形容一點兒都不過分。除了正常的工程技術(shù)圖紙資料，日方提供的技術(shù)資料還包括了整個工廠各個工序確定、各種技術(shù)方案、各種技術(shù)問題研究和討論等，都有詳細的計算和詳實的數(shù)據(jù)及分析依據(jù)，還提供了一些計算方法和計算程序。比如“電解槽加工面的選擇”、“電解槽爐膛深度的計算確定”、“電解槽覆蓋料厚度的計算確定”等等，都有專門的資料提供。而且還包括了一些“三場”計算資料和程序、計算機控制模型和軟件資料等等。

應(yīng)該說對當年的技術(shù)轉(zhuǎn)讓，日方的態(tài)度是真誠的。至于為什么日方能夠如此慷慨？作者了解有幾種解釋：一是當時中日友好的大背景有關(guān)；二是七十年代日本面臨嚴重的能源危機，高耗能的電解鋁行業(yè)在日本已經(jīng)沒有了生存的條件，已經(jīng)面臨全面關(guān)停的局面，這些技術(shù)對他們已經(jīng)沒有前景，技術(shù)轉(zhuǎn)讓或許是唯一出路；還有一種可能，因為當時該工程屬于成套引進，除了配套工程設(shè)計和施工，幾乎所有的材料、設(shè)備都是來自于日本或者由日方采購，而且合同內(nèi)容還包括了技術(shù)轉(zhuǎn)讓，那就是說日方按合同操作符合國際慣例。根據(jù)有關(guān)資料，這種情況與當年寶鋼的引進情況非常相似。真實原因或許還有其他的解釋，但無論如何，有人認為當年的引進是花了巨資（約兩億美金）買了一堆破爛，還有人甚至認為我們被日本人欺騙了。這些都是不了解內(nèi)情的嚴重誤解。

消化吸收和研究工作全面展開。引進工程讓我國電解鋁行業(yè)專家們耳目一新，從此打開了新技術(shù)探索的大門。在積極研究探討引進技術(shù)存在問題的同時，行業(yè)專家們的達成了共識（當然這也是國家的要求）：必須盡快組織力量消化吸收，掌握引進技術(shù)，為我國電解鋁工業(yè)下一步發(fā)展做好準備。在國家有關(guān)行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的組織安排下，由貴陽院、沈陽院、貴州鋁廠、鄭州輕金屬研究所、青海鋁廠、白銀鋁廠（國家計劃重點建設(shè)的大型電解鋁廠）等組織了若干個引進技術(shù)的消化吸收研究小組，中南礦冶學院、東北工學院等也開展了一系列的研究工作，全國掀起了一場曠日持久消化吸收引進技術(shù)的高潮。

雖然“日輕”提供的電解槽技術(shù)在今天來看是落后了，但就當時的鋁電解技術(shù)發(fā)展總體水平而言，給我們帶來了全新的技術(shù)和設(shè)計理念。同時由于日方提供了非常詳細的技術(shù)資料，對于我們學習掌握現(xiàn)代化電解鋁廠的基本設(shè)計方法和操作標準起到了重要作用，對于快速研究開發(fā)自己的大型電解槽技術(shù)大有脾益，大大縮短了我們研究開發(fā)現(xiàn)代鋁電解技術(shù)的進程。

大量對160kA電解槽的研究一開始首先是集中在槽壽命問題的研究方面。邱竹賢、姚世煥、江獻鑌、姚廣春、于宗耀及趙無畏等發(fā)表了多篇文章，著重研究了電解槽的破損機理和生產(chǎn)條件下造成內(nèi)襯破損的原因分析；王立若、孫效增、干益人、宋垣溫等的研究則更多關(guān)注到影響槽壽命的原因和如何延長電解槽的壽命；賀志輝、梁學民、廖賢安等則在針對造成電解槽早期破損機理研究的基礎(chǔ)上，提出了電解槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計原則和設(shè)計方法，以延長電解槽的壽命。由于引進技術(shù)早期我國大型電解槽破損的問題非常突出，這一領(lǐng)域的研究一直受到行業(yè)內(nèi)專家們的高度重視。研究的范圍不僅廣泛，而且一直持續(xù)了很多年，取得了許多的研究成果，在此不一一詳述。2002年鋁業(yè)泰斗韋涵光老先生還特別撰文對延長槽壽命的措施和意義給以分析和建議，表達了對此問題的關(guān)注。也可以說，槽壽命問題一直是困擾我國電解鋁技術(shù)揮之不去的夢魘。

為了盡快掌握引進技術(shù)，發(fā)展我國的鋁電解工業(yè)，楊洪儒等牽頭組織國內(nèi)研究單位和電解鋁骨干企業(yè)，開展了貴鋁160kA中間下料預(yù)焙槽使用國產(chǎn)中間狀氧化鋁生產(chǎn)的新工藝試驗，這項研究取得的成果為此后國內(nèi)建設(shè)的青海鋁廠、白銀鋁廠等工程設(shè)計采用引進槽型和技術(shù)提供了依據(jù)。

東北工學院沈時英教授對電解鋁的電化學原理與能量平衡進行了深入研究，從化學熱力學角度對電解鋁過程的能量需求進行分析，提出了著名的“區(qū)域能量自耗”理論；李德林教授在引進生產(chǎn)線上進行了強化電流試驗。中南礦冶學院蔡其風教授等對鋁液流動與測量方法的研究上獨樹一幟。

同時受到關(guān)注的還有電磁場問題與電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的問題。宋垣溫、干益人等用Bell620三位高斯計對160kA電解槽的磁場進行了全面的測試分析；潘陽生、武麗陽等對日方采用的磁場模擬計算方法進行了探討；武威、楊洪儒等則進一步將磁場測量結(jié)果與槽內(nèi)爐幫形狀的分布規(guī)律的對應(yīng)關(guān)系進行了研究分析，并提出了電磁場改進的建議。

1985年青海鋁廠新建10萬噸/年電解鋁項目（后建成20萬噸/年規(guī)模）和此后貴州鋁廠8萬噸/年擴建工程均分別選擇了以引進的“日輕”160kA槽型技術(shù)為原型，獲得了成功。

配套技術(shù)和裝備國產(chǎn)化熱潮。日本引進工程帶來的并不僅僅是電解工藝技術(shù)本身，還有一整套與現(xiàn)代化鋁廠配套的技術(shù)、裝備和工業(yè)化體系。包括電解鋁主要操作設(shè)備、供電整流機組、炭素系統(tǒng)設(shè)備、陽極組裝、氧化鋁輸送、電解煙氣干法凈化以及各種運輸設(shè)備等。由于關(guān)鍵設(shè)備種類太多，這里僅僅舉例說明。

整流系統(tǒng)設(shè)備主要是變壓器和整流機組。引進工程采用的是日本富士的可控硅整流技術(shù)。通過消化引進技術(shù)，基本搞清楚了電解系列生產(chǎn)對系統(tǒng)的技術(shù)要求，主要的難點集中在整流機組采用可控硅還是二極管整流的分歧。由于電解鋁發(fā)展較快，但當時規(guī)模尚小，作為特種變壓整流設(shè)備研究開發(fā)相對滯后。從工藝技術(shù)角度，要適應(yīng)電解系列電壓電流穩(wěn)定性角度，可控硅整流是最好的選擇，但國內(nèi)尚不具備生產(chǎn)制造能力，只有引進日本或歐洲設(shè)備，但投資巨大；采用國產(chǎn)設(shè)備，只有采用“二極管+飽和電抗器”的方式，生產(chǎn)電解鋁用變壓器的企業(yè)當時有西變、江變、柳變等，整流器生產(chǎn)有西整、九整等企業(yè)，基本滿足了國內(nèi)電解鋁發(fā)展的需求，這種情況一直持續(xù)了很多年。在本世紀初電解鋁快速發(fā)展的階段，電解系列規(guī)模快速擴張，而相配套的研制滯后，變壓器、整流器因質(zhì)量問題造成的各類事故時有發(fā)生，讓很多鋁廠企業(yè)家們的至今想起來心有余悸。這一切都已經(jīng)成為寶貴經(jīng)驗，成就了今天的電解鋁。

多功能天車的代價——前赴后繼。多功能天車（機組）是電解鋁生產(chǎn)的主要操作設(shè)備，承擔電解槽的出鋁、換極、抬母線等主要作業(yè)，它的重要性僅次于電解槽和整流設(shè)備。國際上只有法國ECL公司德國NKM等少數(shù)著名的裝備企業(yè)能夠生產(chǎn)，貴鋁引進工程采用的是法國ECL設(shè)備。

從國內(nèi)第一個翻版項目起，貴陽院、沈陽院和貴州鋁廠等以及有色金屬行業(yè)裝備制造骨干企業(yè)—沈陽有色冶金修造總廠（沈冶修）就擔負了設(shè)計研發(fā)的重任。貴陽院擔任機組總設(shè)計的是主任工程師劉宗俊先生，是一位非常優(yōu)秀的機械裝備設(shè)計師，為了解決機組設(shè)計中的諸多技術(shù)難題，深入不同機械領(lǐng)域廣泛考察學習。他在出差途中向鐵路專家探討火車防撞技術(shù)并成功應(yīng)用于多功能機組的設(shè)計的故事，在貴陽院傳為佳話。沈冶修制造的第一批多功能機組應(yīng)用在貴州鋁廠第三電解鋁廠，除了特種空壓機和打殼機頭，整個多功能機組直接實現(xiàn)了國產(chǎn)化。但裝備制造是一項非常復(fù)雜而精密的工作，貴鋁三電解（翻版引進）投產(chǎn)后，多功能天車出現(xiàn)了不少問題。劉宗俊先生帶領(lǐng)技術(shù)人員長期堅持一線，終于弄清楚了問題的原因，得到了時任廠長楊光先生的高度贊揚，但劉宗俊先生終因積勞成疾，心臟病發(fā)作，倒在了貴鋁工作現(xiàn)場。在今天我們大談?wù)衽d裝備制造業(yè)的背景下，對前輩們?nèi)昵盀檎衽d鋁工業(yè)勇挑重擔的責任意識和大無畏精神深感敬仰。

全面國產(chǎn)化。為了解決國產(chǎn)化問題，當時許多裝備都是首先考慮由國內(nèi)最強的制造企業(yè)承擔消化開發(fā)任務(wù)。除了多功機組和碳素陽極震動成型機由沈冶修制造以外，電解槽陽極提升機構(gòu)、母線提升框架、出鋁臺包等都是委托了航空航天系統(tǒng)（如222廠、170廠）等制造；鋁錠連續(xù)鑄造機由昆明重型機器廠制造；特種運輸車輛由柳州特種車輛廠制造。筒式下料器是在貴鋁三電解工程以后，由170廠率先研制成功，是在分析日本引進技術(shù)的不足之后，貴陽院宋麗娟、劉長利等首先開發(fā)的一種歐洲型下料器。

沉寂的加料小車。經(jīng)歷了四十年的發(fā)展，我們在各個方面的技術(shù)都已經(jīng)遠遠超過了日本當年的引進水平，噸鋁電耗大約降低了1000kWh。但有一個技術(shù)國內(nèi)一直沒有敢于嘗試，就是在氧化鋁輸送系統(tǒng)中，從凈化系統(tǒng)的載氟氧化鋁料倉到電解槽，日方采用了“電動小車”的技術(shù)，由電動小車自動接料，然后按順序每天自動送料到每臺電解槽設(shè)置在廠房柱子之間排煙管上方的5t容量的料箱（稱為“槽壁料箱”）內(nèi)，上節(jié)中的圖片上可以看到這個壁料箱。投產(chǎn)多年，系統(tǒng)運行非常穩(wěn)定。多年來在歷次大型工程設(shè)計中，只作為備選方案，但一般都得考慮引進，從沒有人開發(fā)這個系統(tǒng)。作者在此只想介紹在這個項目中有這么一個有趣的技術(shù)存在，但至今無人嘗試，或許代表了當時日本的自動化水平。

堅實的基礎(chǔ)。通過引進工程消化吸收，給我們帶來的各種鋁用技術(shù)和裝備很多，這里不一一敘述。幾十年來，大浪淘沙，配套生產(chǎn)制造企業(yè)也不再是當初那幾家，今天我們已經(jīng)實現(xiàn)了電解鋁全套裝備的國產(chǎn)化。更重要的是貴州鋁廠的引進工程，為我們建立現(xiàn)代鋁電解工業(yè)體系打下了基礎(chǔ)。

在今天面對工業(yè)智能化時代的到來，電解鋁裝備制造業(yè)的升級和現(xiàn)代化發(fā)展仍然是首當其沖的重大命題。

四、物理場（“三場”）的研究

什么是物理場? 就是電解槽各種物理特性的數(shù)值計算和仿真技術(shù)研究的簡稱，行業(yè)俗稱“三場”。行外的人不清楚，但電解鋁圈里不知道“三場”，那是要被人笑話的。圈里人都稱我們從事這方面研究的人叫“搞‘三場’的”，這個標簽一直被用了很多年。曾經(jīng)有位同仁，有一天見到作者，非常詫異地說：某某專家竟然不懂“三場”？！言外之意，懂“三場”那是必需的。可見“三場”當時對行業(yè)的意義。

上世紀70年代以來，隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值計算方法，建立數(shù)學模型進行計算機仿真模擬解決各種工程科學問題成為可能。不僅可以減少實驗室和工業(yè)試驗的成本，而且縮短工業(yè)試驗的周期，大大降低試驗風險，當時已成為各個領(lǐng)域進行科學研究、實驗的重要手段。無論水利大壩還是衛(wèi)星上天，計算機建模技術(shù)都發(fā)揮著重要的作用。

開辟“三場”課題——武威高工的遠見。八十年代初，國際鋁電解技術(shù)在這一時期正在發(fā)生著根本性的變化，鋁電解槽數(shù)學模型與計算機仿真技術(shù)的研究成為鋁電解技術(shù)研究的核心技術(shù)，世界各大鋁業(yè)公司均以此為基礎(chǔ)發(fā)展自己的大型預(yù)焙槽技術(shù)。法鋁（Pechney）AP18（180kA）、美鋁A-697(～190kA)等一批現(xiàn)代大型鋁電解槽相繼誕生，并投入工業(yè)化運行。

以武威、姚世煥、江獻賓、宋垣溫、干益人等為代表的部分老專家們清醒地認識到：要搞清和解決引進技術(shù)存在的問題，必須緊跟國際鋁電解技術(shù)發(fā)展的趨勢，從物理場基礎(chǔ)研究開始，簡單的消化吸收很難支撐我國電解鋁技術(shù)的未來發(fā)展。也就是說必須系統(tǒng)地研究開發(fā)我國自己的現(xiàn)代大型鋁電解槽的物理場數(shù)學模型和計算機仿真技術(shù)，才能為中國電解鋁技術(shù)趕超國際先進水平夯實基礎(chǔ)。

在那個時期，計算機對大多數(shù)人來說還是新鮮事兒，對計算機還不以為然的人不在少數(shù)，認為它對實際工作沒有什么價值。作者當年就經(jīng)常聽到圍繞計算機到底有用沒用這樣的辯論，甚至一些老工程師也認為計算機比不過他手里的計算尺。即使在幾年后的一次“三場”研討會上，還有位老同志打趣地說：就那么在鍵盤上敲幾下，“咕嘟咕嘟”出來一堆紙，那能有什么用？！可見當時武威們有這樣的遠見卓識是多么難得。

“三場”研究項目啟動。1983年9月，武威等向貴陽院申請成立“三場”研究小組開展“三場”研究工作，得到了時任總工程師的姚世煥大師的大力支持。老院長程宗浩先生，這位從解放戰(zhàn)爭中走過來的老同志，曾在試驗中受傷失去左臂的老一輩科學家、老干部，以他特有的對科技前沿的嗅覺和雷厲風行的魄力，果斷決策在申請政府立項的同時，由設(shè)計院自籌經(jīng)費三萬元先期啟動該項目的研究，作為那個時代在沒有政府立項啟動的科研項目是絕無僅有的。因此，以武威為組長的三場研究小組成立，由院領(lǐng)導(dǎo)親自協(xié)調(diào)分別抽調(diào)電氣自動化專業(yè)的賀志輝、機械設(shè)備專業(yè)的吳有威和剛剛從大學熱能工程專業(yè)畢業(yè)的作者組成研究小組，分別開展電磁特性、結(jié)構(gòu)力學和電熱場的研究工作。

院校聯(lián)合。電熱場研究聯(lián)合了與中南大學（當時的中南礦冶學院），小組成員梅熾、湯洪清、時章明、孟伯庭等；電磁場研究與華中科技大學（當時的華中工學院）電力系陳世玉、孫敏等組成；結(jié)構(gòu)力學研究與華中工學院力學系聯(lián)合進行，由劉烈全、邱崇光、秦慶華等負責。按照當時計算機發(fā)展的水平，由于受內(nèi)存容量限制，最初工作是在中南礦冶學院計算站和貴州省計委計算中心的小型計算機上完成的。

從1983年11月開始，電熱解析研究在消化研究“日輕”有關(guān)鋁電解槽陰極電熱解析計算機仿真研究報告的基礎(chǔ)上起步，半年多的時間便完全消化并重現(xiàn)了“日輕”的計算結(jié)果，并且很快開發(fā)成功陰、陽極電流場、溫度場和熱流場仿真模型和軟件；電磁場研究從1984年上半年開始工作，下半年便取得了重要的進展，建立和重現(xiàn)了日方的電磁場的仿真計算結(jié)果；結(jié)構(gòu)力學的研究工作也相繼進入實質(zhì)性階段。研究工作的進展在整個項目組產(chǎn)生很大反響，讓貴陽院領(lǐng)導(dǎo)備受鼓舞，也激發(fā)了全院上下對開展此項研究工作的熱情。

沈陽院裴尚奎高工、田廷遼，貴州鋁廠武麗陽、潘陽生及鄭州輕金屬研究院（輕研院，當時的輕研所）宋垣溫、干益人等也是國內(nèi)最早的鋁電解槽電熱、電磁場研究者，為開啟這一領(lǐng)域的研究作出了貢獻。

總公司支持。隨著研究工作的深入，項目組對“三場”研究的核心技術(shù)問題有了清晰的認識。要建立精確可靠的物理場數(shù)學模型和計算機軟件，必須在合理選擇可靠的物理模型基礎(chǔ)上，通過數(shù)值方法建立可靠的數(shù)學模型。而決定仿真技術(shù)可靠性的最關(guān)鍵的因素，取決于可靠的邊界條件，這是一項長期而又重要的工作。為了更加深入開展“三場”的研究，貴陽院向當時剛剛從冶金部分離組建的原中國有色金屬工業(yè)總公司（以下簡稱有色總公司或總公司）提出立項申請，1984年獲得批復(fù)，作為“六五”重點攻關(guān)項目，獲得國撥經(jīng)費30萬元。沈陽院、輕研院同期也成立了專題研究小組，并分別與有色總公司簽訂了研究合同任務(wù)書，開展研究工作。

梅熾帶隊——對外交流。日本三菱輕金屬研究所當年在國際鋁電解技術(shù)領(lǐng)域有一定的優(yōu)勢和影響，擁有池內(nèi)睛彥等世界知名鋁電解專家，其位于直江津的鋁廠106kA上插自焙槽曾經(jīng)創(chuàng)造過12600kWh/tAl的世界最低能耗的記錄。為了加快中國鋁工業(yè)的發(fā)展步伐，推動國內(nèi)生產(chǎn)能力占主導(dǎo)地位的自焙槽鋁廠的技術(shù)革新，國家決定以低廉的價格引進該生產(chǎn)線。時任青銅峽鋁廠廠長康義先生，一位有戰(zhàn)略眼光的企業(yè)家（后長期擔任中國有色金屬工業(yè)協(xié)會會長）負責該項目的引進談判工作。據(jù)康會長回憶，談判工作進行地異常艱苦，在日本的整個項目談判持續(xù)了半年多。在貴陽院新任院長梅榮淳先生的高度重視和副總工程師江獻鑌先生積極努力下，借助青銅峽鋁廠引進日本三菱公司電解鋁生產(chǎn)線的機會，貴陽院提出運用自行開發(fā)的物理場仿真技術(shù)對三菱106kA電解槽進行仿真設(shè)計,并與日方進行技術(shù)交流與合作的要求。從鋁工業(yè)技術(shù)發(fā)展大局出發(fā)，康義對這次交流合作非常重視，并將其納入與三菱公司的合作談判內(nèi)容，最終成功地達成了雙方對該專項技術(shù)交流的協(xié)議。

1984年9月，受中國有色金屬工業(yè)總公司派遣，由梅熾教授（后擔任中南工業(yè)大學副校長）、武威和作者等3人組成訪問小組，被選派前往日本新瀉和橫濱與三菱輕金屬研究所專家進行了為期40天的學習交流。三菱公司由池內(nèi)晴彥、池田禎介、有田陽二等鋁電解專家系統(tǒng)，向中方介紹了三菱公司在物理場仿真領(lǐng)域，尤其是三菱公司在二維電熱、電磁場模型研究和磁流體力學研究方面取得的處于國際先進水平的研究成果；同時雙方交流了106kA槽的仿真結(jié)果和設(shè)計方案。交流過程中，中方完成的物理場仿真結(jié)果和設(shè)計方案深得日方專家高度評價，對中方在該領(lǐng)域的研究進展感到驚嘆。

通過這次學習交流，分享了三菱公司在該領(lǐng)域的研究成果和經(jīng)驗，拓展了研究小組視野，更進一步使研究小組認識到此項工作的意義和價值，也了解到了我們跟國際水平之間存在的差距，這對后來的研究工作起到了很大推動作用，成為該項研究的新起點；

物理場訪日小組（左二：梅熾，左三：武威，左一為作者，右一為翻譯）

各小組研究全面推進。之后物理場的研究工作取得了快速進展。不到兩年的時間內(nèi)，在陰、陽極整體準三維耦合電熱模型研究、電磁場和鐵磁物質(zhì)影響研究、磁流體特性模擬、槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力場仿真等方面取得了重要的成果。作者所在小組的梅熾教授、研究生湯洪清等對電熱場的仿真工作做出了突出的成績；陳世玉教授、孫敏副教授和賀志輝為電磁場的研究做出了重要的貢獻；而劉烈全教授、邱崇光副教授和吳有威為電解槽結(jié)構(gòu)力學模型的研究立下汗馬功勞。研究成果形成了鋁電解槽“三場”研究論文專集（部分論文發(fā)表于《華中工學院學報》（專刊）1987.2）。

1985年初，項目組包括各承擔單位向中國有色總公司科技局對下一步的研究進展和研究計劃進行了匯報。這次會議，一方面高度肯定了項目研究組的工作成績，另一方面提出要加快對研究成果的試驗驗證，為開展我國現(xiàn)代鋁電解槽的技術(shù)開發(fā)做準備。

為引進技術(shù)做手術(shù)——151、152#試驗?；蛟S業(yè)內(nèi)沒有有幾個人聽說過這項試驗，但這個鮮為人知的工作卻是中國鋁電解技術(shù)在自我認知上的一個重要轉(zhuǎn)折點。開發(fā)物理場數(shù)學模型和仿真軟件，目的是要指導(dǎo)鋁電解槽開發(fā)工作。為了驗證數(shù)學模型可靠性，在工業(yè)電解槽上進行驗證是必須的過程。但要對日本的電解槽做手術(shù)，那可是件大事兒！一旦失敗……

1985年6月，在有色總公司的支持下，貴陽院聯(lián)合貴州鋁廠在貴鋁引進的160kA系列中選擇2臺試驗槽，利用我國自己的“三場”研究成果對引進的電解槽進行改造試驗，這就是所謂“151、152#槽試驗”。試驗負責人是武威高工，電磁場計算是賀志輝同志完成的，電熱場仿真和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計由作者負責。參加試驗的有貴州鋁廠的武邵美、冷正旭、王有來等。具體試驗內(nèi)容為：

① 針對電解槽早期破損原因，自主開發(fā)的電熱解析模擬軟件對電解槽模擬，重新設(shè)計了槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，在兩臺槽上進行了內(nèi)襯的改造試驗；

② 對下料機構(gòu)及工藝制度等進行了改進，縮短了加料間隔；

③ 采用自主開發(fā)的電磁場計算軟件，對152#電解槽進行了“四點進電”母線配置改造試驗，在大面中間增加兩根立柱母線，電流各為15000A。即進電比為：6.5:1.5:1.5:6.5。

這次試驗進行了一年半時間，盡管受到槽結(jié)構(gòu)和許多先天條件限制，母線配置方案只作了小比例中間進電的嘗試，加工面也沒有改進的可能。但仍取得了很大的成功，試驗的效果非常明顯：試驗槽內(nèi)爐幫形狀好轉(zhuǎn)，伸腿明顯縮短，尤其是152#槽磁場效果得到了很大的改善，證明了四點進電（特別是大面的進電，盡管電流不大）是可取的方向。

經(jīng)有色總公司組織專家鑒定，技術(shù)指標為：電流效率91.52%，電流效率提高了4%，噸鋁直流電耗13112kWh/tA，下降約500kWh。同時試驗結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，雖然只有152#槽做了四點進電的母線改造，151#槽的磁場也有一定的改善，表明位于大面的兩個立柱母線對相鄰電解槽的磁場產(chǎn)生了積極的影響。

151、152#槽試驗的成功，打破了人們對日本技術(shù)的神秘感，也大大增加了項目組人員和領(lǐng)導(dǎo)們的信心。

1986年1月，有色總公司科技局在北京召開了由全國各研究、設(shè)計院所參加的“三場”研究進展總結(jié)座談會，會議對我國在鋁電解“三場”研究領(lǐng)域的科技成果進行了全面的總結(jié)，取得的25項工作進展，其中貴陽院的成果占了絕大多數(shù)。這次總結(jié)也讓有色總公司領(lǐng)導(dǎo)們對中國開發(fā)大型鋁電解槽有了初步但全面的認識，成為后續(xù)制定大型槽開發(fā)計劃的重要決策依據(jù)。

設(shè)計理論成形——“三場”研究通過鑒定。1986年11月，“鋁電解槽熱、電、磁、力數(shù)學模型與計算機仿真程序研究”通過了有色總公司組織的科技成果鑒定，專家認為：

①項目開發(fā)的鋁電解槽電熱解析數(shù)學模型和計算機程序，采用了陽極三維模型與陰極“二+三維”切片模型，建立了準三維的鋁電解槽電熱解析整體耦合數(shù)學模型，能夠精確模擬鋁電解槽內(nèi)的電流、電壓分布，槽內(nèi)等溫線分布與熱流分布圖；②在采用“比奧-沙伐” 定律積分方程對電解槽內(nèi)磁場分布進行模擬的基礎(chǔ)上，采用“磁偶極子法”和“屏蔽因子法”，著重研究了鐵磁物質(zhì)對鋁電解槽內(nèi)磁場的影響，并采用有限元模型等建立了槽內(nèi)熔體中的電流場進行精確模擬的數(shù)學模型和方法；③采用k-ε雙方程模型，開發(fā)建立了在電磁力作用下的槽內(nèi)熔體流動和界面隆起仿真計算模型和程序；④建立了槽殼有限元分析模型，并通過對電解槽變形的長期監(jiān)測，對電解槽受力特點和各種載荷進行了一系列的研究，為電解槽結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有效的設(shè)計工具。

結(jié)論：此項研究形成了我國大型電解槽設(shè)計理論體系，超過了日本水平，達到了國際先進水平。別看現(xiàn)在日本電解鋁水平落后了，在當時評價超過日本水平，其意義非同一般。

1992年，研究成果獲得了國家科學技術(shù)進步二等獎。這是我國在仿真設(shè)計軟件領(lǐng)域首次也是唯一獲得國家獎勵的科技成果。

武威高工，梅熾、陳世玉和劉烈全教授，他們都是作者的老師，也是我國這一領(lǐng)域的領(lǐng)路人和先驅(qū)，是他們奠定了我國在這一領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)。