九、從320kA到400kA——面向全球的跨越

國(guó)家大型鋁試驗(yàn)電解試驗(yàn)基地280kA特大型鋁電解槽試驗(yàn)的成功，使我國(guó)成為世界上繼美鋁、法鋁之后擁有280kA以上特大型鋁電解槽技術(shù)的國(guó)家。它的誕生，被稱為我國(guó)鋁電解技術(shù)發(fā)展的里程碑，為中國(guó)鋁電解工業(yè)的快速發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)保障。

焦作萬(wàn)方鋁業(yè)股份有限公司董事長(zhǎng)金保慶，敏銳地覺察到280kA電解槽技術(shù)對(duì)電解鋁行業(yè)發(fā)展的重大意義。這位軍人出身、敢于第一個(gè)吃螃蟹的企業(yè)家，幾乎在試驗(yàn)槽成功啟動(dòng)已開始，借助天時(shí)地利的有利條件，率先與有色總公司達(dá)成協(xié)議，以技術(shù)使用費(fèi)500萬(wàn)元獲得第一家技術(shù)使用權(quán)。遺憾的是，這也是唯一一家以試驗(yàn)槽280kA電流容量進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的電解系列，也是唯一一家提供技術(shù)使用費(fèi)的企業(yè)。1998年“焦作萬(wàn)方6.8萬(wàn)噸/年280kA鋁電解示范工程”，列入國(guó)家經(jīng)貿(mào)委重點(diǎn)工程，由貴陽(yáng)院承擔(dān)工程設(shè)計(jì)并成功建設(shè)投產(chǎn)。“焦作萬(wàn)方”——從此成為行業(yè)的新標(biāo)桿！

然而，電解鋁的技術(shù)進(jìn)步，并沒有就此止步，“焦作萬(wàn)方”的新紀(jì)錄在短短幾年內(nèi)，不斷被刷新......。

平果鋁320的經(jīng)驗(yàn)。盡管280kA試驗(yàn)槽已經(jīng)取得了成功，并已經(jīng)推向工業(yè)應(yīng)用，但是當(dāng)時(shí)國(guó)際上電解槽大型化的速度還在加快。法鋁的AP28已經(jīng)發(fā)展為AP30，實(shí)際運(yùn)行電流超過了300kA。

一定要超越國(guó)際水平！這是老一輩鋁業(yè)專家的一種情結(jié)。

80年代末，時(shí)任青銅峽鋁廠廠長(zhǎng)的康義和貴州鋁廠副廠長(zhǎng)楊世杰隨團(tuán)去西方某鋁工業(yè)大國(guó)參加培訓(xùn)學(xué)習(xí)。期間，康義等學(xué)員請(qǐng)示參觀該國(guó)最新開發(fā)的最先進(jìn)的320kA電解試驗(yàn)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(xué)員領(lǐng)到一個(gè)車間的一頭，再領(lǐng)到一臺(tái)天車上，指著朦朧的遠(yuǎn)處說：“OK，在那兒!”。名為參觀，實(shí)為封鎖，這一舉動(dòng)像一把利劍深深地刺進(jìn)康義和楊世杰的心口。沉思良久，康義對(duì)楊世杰說“老楊啊，咱一定要爭(zhēng)這口氣！超過他們！”楊世杰默默地點(diǎn)點(diǎn)頭。開發(fā)300kA級(jí)以上的電解槽，攀登世界鋁電解高峰的責(zé)任始終壓在那一代“電解人”的心頭。

1997年，平果鋁成功實(shí)現(xiàn)兩年達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)的目標(biāo)，280kA特大型槽開發(fā)已經(jīng)取得成功。時(shí)任平果鋁總經(jīng)理的楊世杰和副總經(jīng)理殷恩生認(rèn)為開發(fā)300kA以上鋁電解槽的條件已經(jīng)成熟。7月，楊世杰前往北京向已擔(dān)任有色總公司副總經(jīng)理的康義教授（1998年4月轉(zhuǎn)任國(guó)家有色金屬工業(yè)局副局長(zhǎng)）作了專題匯報(bào)，得到康義首肯。

1998年9月，由康義副局長(zhǎng)親自推動(dòng)的國(guó)家經(jīng)貿(mào)委國(guó)家重點(diǎn)技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目“平果鋁320kA超大型鋁電解槽技術(shù)示范項(xiàng)目”開始實(shí)施，初期方案確定的容量為300kA，后來(lái)調(diào)整為320kA，項(xiàng)目由平果鋁業(yè)公司和貴陽(yáng)院聯(lián)合承擔(dān)。母線設(shè)計(jì)采用六點(diǎn)進(jìn)電方式，同時(shí)槽況診斷、工藝參數(shù)調(diào)控配有專家決策智能支持系統(tǒng)，氧化鋁濃度分布采用模糊控制技術(shù)。1999年6月30臺(tái)電解槽全部建成并開始啟動(dòng)，從設(shè)計(jì)到建成僅僅用了9個(gè)月。

試驗(yàn)意外遇險(xiǎn)。然而，320kA電解槽設(shè)計(jì)并不是280kA電解槽簡(jiǎn)單的幾何放大，最大的難題還是電磁場(chǎng)的仿真模擬。首批投產(chǎn)的10臺(tái)電解槽電壓擺動(dòng)劇烈、鋁液波動(dòng)頻繁且幅度大，情況很不穩(wěn)定。怎么辦？繼續(xù)還是中止？同時(shí)畢業(yè)于貴州工學(xué)院楊世杰和殷恩生兩位老同學(xué)、好朋友、好搭檔之間，發(fā)生了嚴(yán)重分歧。作為總經(jīng)理的楊世杰認(rèn)為，必須如期全線投產(chǎn)，否則無(wú)法給國(guó)家交待！但作為資深鋁電解專家的殷恩生則堅(jiān)決反對(duì)：磁場(chǎng)問題是電解槽的先天基因，一旦投產(chǎn)將無(wú)法再改變，必須探明原因，徹底解決！

這件事震動(dòng)了貴陽(yáng)院，設(shè)計(jì)總負(fù)責(zé)人，貴陽(yáng)院原總工程師翁文成，積極向院領(lǐng)導(dǎo)建議：請(qǐng)作者牽頭組織攻關(guān)組，抓緊拿出解決方案。院領(lǐng)導(dǎo)班子進(jìn)行了認(rèn)真研究，當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)院科研工作的副院長(zhǎng)代表院班子找到作者：此事關(guān)系重大，請(qǐng)你務(wù)必出馬，大家信任你。不然，貴陽(yáng)院對(duì)人不住??！

但是，木已成舟，如何解決？確實(shí)沒有把握。

為了確保問題解決，平果鋁同時(shí)組織了考察組由殷恩生帶隊(duì)前往美鋁（Alcoa）考察。五天過后，考察組也有了回音：類似情況國(guó)外也出現(xiàn)過，曾導(dǎo)致大型槽開發(fā)中斷，但不便提供技術(shù)細(xì)節(jié)。后來(lái)，根據(jù)公開資料顯示，美鋁280kA槽在80年代建成兩個(gè)系列后，因電磁場(chǎng)問題無(wú)法解決，從未再使用過。

成功化解。經(jīng)過仔仔細(xì)細(xì)把電解槽的模擬數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了檢查，8天后找到了問題的原因：試驗(yàn)車間兩棟廠房之間距離只有21m，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其影響和鐵磁性物質(zhì)影響的補(bǔ)償不足；同時(shí)由于320kA電解槽采用44塊陽(yáng)極方案，缺乏一定的模數(shù)和規(guī)律，導(dǎo)致電磁特性先天不足。改造方案當(dāng)天提交給院技術(shù)委員會(huì)討論，獲一致通過。

施工現(xiàn)場(chǎng)所有人員嚴(yán)陣以待，同時(shí)派出了醫(yī)療救護(hù)小組。在不停產(chǎn)的條件下，經(jīng)過施工單位十一冶和七冶施工人員艱苦奮戰(zhàn)，改造成功了！應(yīng)該說，我們是幸運(yùn)的。

事實(shí)上，貴陽(yáng)院技術(shù)委員會(huì)在討論320kA方案的時(shí)候，就曾經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的分歧。一部分意見認(rèn)為：電磁場(chǎng)問題我們已經(jīng)解決了，無(wú)需擔(dān)心，我們改造160kA開始，到180kA、280kA都沒出現(xiàn)問題就是證明。然而，不該出現(xiàn)的問題還是出人意外地出現(xiàn)了。

從2000年4月到8月，分別對(duì)其中8臺(tái)試驗(yàn)槽和30臺(tái)槽進(jìn)行試驗(yàn)考核，取得的主要技術(shù)指標(biāo)為：電流強(qiáng)度322.456kA，電流效率95.04%（30臺(tái)平均94.43%），直流電耗13191kWh/tAl （30臺(tái)平均13323kWh/tAl），整體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

鑒定會(huì)上，專家組長(zhǎng)劉業(yè)翔院士說：“320kA特大型鋁電解槽技術(shù)的成功開發(fā)和應(yīng)用，標(biāo)志著我國(guó)鋁電解槽技術(shù)已具備完整的科學(xué)體系，使我國(guó)鋁電解技術(shù)躍上了一個(gè)新臺(tái)階”。國(guó)家有色金屬工業(yè)局副局長(zhǎng)康義教授百感交集地說：“320kA電解槽是現(xiàn)代鋁電解發(fā)展的方向，它的開發(fā)成功，為我國(guó)鋁電解工業(yè)迎戰(zhàn)新世紀(jì)搶得先機(jī)，振奮人心，大漲中國(guó)人志氣！”

總結(jié)320試驗(yàn)成功的經(jīng)驗(yàn)，陽(yáng)極“模數(shù)”的問題被首次提了出來(lái)，貴陽(yáng)院技術(shù)委員會(huì)大部分專家認(rèn)為：必須要重新認(rèn)識(shí)電解槽陽(yáng)極模數(shù)優(yōu)化和電磁場(chǎng)模擬問題的重要性，經(jīng)姚世煥大師后來(lái)一再明確強(qiáng)調(diào)，使后來(lái)的320kA電解槽首先在河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司（簡(jiǎn)稱中孚實(shí)業(yè)）應(yīng)用得到了進(jìn)一步優(yōu)化完善，成為我國(guó)鋁電解工業(yè)的主力槽型。

沈陽(yáng)院快速發(fā)展。從九十年代中期開始，沈陽(yáng)院率先引進(jìn)了國(guó)際知名的數(shù)值分析軟件ANSYS，由楊曉東等領(lǐng)銜在1996年完成了河南鑫旺160kA四點(diǎn)進(jìn)電電解槽的仿真設(shè)計(jì)，取得了很好的效果，引起了全國(guó)關(guān)注，接著，各大設(shè)計(jì)院相繼購(gòu)買了ANSYS。這一強(qiáng)大的仿真計(jì)算工具的引進(jìn)，使得電解槽的物理場(chǎng)仿真工作進(jìn)一步加強(qiáng)，同時(shí)，也印證了我國(guó)自行開發(fā)的仿真軟件的可靠性，結(jié)合我們二十多年研究，已經(jīng)掌握了大量可靠的邊界條件。通過在設(shè)計(jì)工作中兩種軟件的交叉運(yùn)用、相互驗(yàn)證，加快了大型鋁電解槽開發(fā)的步伐。不斷更新改進(jìn)的新型電解槽直接應(yīng)用于系列化生產(chǎn)。

特大型電解槽的開發(fā)成功，使得鋁電解工業(yè)發(fā)展的面貌發(fā)生了根本的變化。2001年，伊川電力集團(tuán)由沈陽(yáng)院設(shè)計(jì)的20萬(wàn)噸/年300kA電解系列，僅用一年時(shí)間建成，開創(chuàng)了電解鋁工程建設(shè)達(dá)產(chǎn)的歷史紀(jì)錄；2002年，河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司啟動(dòng)年產(chǎn)25萬(wàn)噸/年，由貴陽(yáng)院改進(jìn)設(shè)計(jì)的320kA電解系列開工建設(shè)；同年貴陽(yáng)院在賀志輝副院長(zhǎng)的主導(dǎo)下320kA電解槽技術(shù)出口印度，簽訂了有史以來(lái)最大的電解鋁技術(shù)出口訂單。這兩種槽型基本結(jié)構(gòu)均沿襲了280kA的模式，到后來(lái)鋁電解技術(shù)開始大規(guī)模輸出國(guó)際市場(chǎng)。與此同時(shí)中國(guó)電解鋁技術(shù)大型化的腳步還在向前邁進(jìn)。

350kA大型槽工業(yè)化。2002年4月，由沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院、河南神火集團(tuán)有限公司等單位在共同考察、調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用156臺(tái)350kA特大型鋁電解系列新技術(shù)，建設(shè)年產(chǎn)14萬(wàn)大型鋁電解工程項(xiàng)目獲得批準(zhǔn)建設(shè)。由總工程師楊曉東等領(lǐng)銜設(shè)計(jì)，首期于2004年8月16日正式通電啟動(dòng)。電解槽運(yùn)行正常、生產(chǎn)穩(wěn)定，電流效率達(dá)到94.15％，直流電耗每噸鋁13474kWh，綜合技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，標(biāo)志著我國(guó)電解鋁技術(shù)具備了參與世界競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力，對(duì)提高我國(guó)鋁工業(yè)整體水平具有重要的示范意義和推廣價(jià)值。為沈陽(yáng)院SY系列電解槽技術(shù)形成奠定了基礎(chǔ)。

與此同時(shí)，貴陽(yáng)院在青銅峽鋁廠設(shè)計(jì)建設(shè)了350kA鋁電解系列。350kA鋁電解槽的工業(yè)化應(yīng)用，使中國(guó)電解鋁大型化技術(shù)提升到了一個(gè)新高度。楊曉東、李夢(mèng)臻等完成的“350kA特大型預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽槽研制”獲得2007年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

鑒定委員會(huì)指出，350kA鋁電解槽具有如下特點(diǎn)與創(chuàng)新：一是采用非對(duì)稱6端進(jìn)電母線，進(jìn)行了磁場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使電解槽運(yùn)行平穩(wěn)；二是運(yùn)用電解槽本體熱平衡仿真與廠房通風(fēng)模擬相結(jié)合的“系統(tǒng)熱平衡”設(shè)計(jì)新方法，獲得了良好的電解槽熱平衡和廠房通風(fēng)設(shè)計(jì)效果；三是采用了窄加工面、槽殼增設(shè)散熱片、大間距搖籃架結(jié)構(gòu)，獲得了電解槽材料用量省、結(jié)構(gòu)緊湊、槽殼變形小、熱工況穩(wěn)定的良好效果；四是開發(fā)出3段式排煙技術(shù)，有利于提高集氣效率和改善環(huán)境。

電流首破400kA。之后，沈陽(yáng)院成功將350kA電解槽技術(shù)應(yīng)用于蘭州鋁廠新建系列。并在16臺(tái)電解槽上進(jìn)行了強(qiáng)化電流試驗(yàn)，采用30%石墨質(zhì)陰極炭塊，在陽(yáng)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(dòng)，經(jīng)過10個(gè)月的運(yùn)行，電流效率達(dá)到94.16%，噸鋁直流電耗13263kWh/tAl。并于2008年3月21日通過了科技成果鑒定。

首條400kA系列生產(chǎn)線誕生——東大院崛起。2007年3月起，中孚實(shí)業(yè)技術(shù)中心與東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（東大院）開展聯(lián)合設(shè)計(jì)，在對(duì)320kA電解槽進(jìn)行改進(jìn)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開始設(shè)計(jì)建設(shè)產(chǎn)能24萬(wàn)噸/年400kA鋁電解生產(chǎn)線。經(jīng)過了七個(gè)月的技術(shù)攻關(guān)與設(shè)計(jì)，成功開發(fā)了400kA原型電解槽，于 2008年8月18日建成并順利啟動(dòng)。新的生產(chǎn)線采用了多項(xiàng)新技術(shù)：采用了與 320kA 電解槽相同的陽(yáng)極尺寸，陽(yáng)極的數(shù)量為48組；并經(jīng)過精確的物理場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)，采用了6點(diǎn)進(jìn)電母線配置模式，并首創(chuàng)了“端部強(qiáng)補(bǔ)償，底部非對(duì)稱弱補(bǔ)償”電磁場(chǎng)補(bǔ)償母線結(jié)構(gòu)，使電解槽獲得了優(yōu)越的磁流體穩(wěn)定性；內(nèi)襯結(jié)構(gòu)在精確的電熱特性模擬基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了“可壓縮結(jié)構(gòu)”，有效延長(zhǎng)了槽壽命；設(shè)計(jì)了一種全新的槽上部管桁架式承重梁結(jié)構(gòu)，不但滿足了大跨度結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度要求 ，而且鋼材用量降低了30%；新的槽上部集氣結(jié)構(gòu)，對(duì)電解槽在更換陽(yáng)極、打殼或出鋁等操作時(shí)，設(shè)有雙排煙收集系統(tǒng)，確保泄漏的氣體能夠最大程度地減少，集氣效率提高到99%以上。是世界首條400kA級(jí)的鋁電解工業(yè)生產(chǎn)線。

采用400kA建設(shè)世界首條電解鋁生產(chǎn)線，在當(dāng)時(shí)是一項(xiàng)非常大膽的決策。由于中孚實(shí)業(yè)的控股大股東是俄羅斯投資人控制的Vimetco公司（總部位于荷蘭阿姆斯特丹，倫敦上市企業(yè)），該公司特別聘請(qǐng)了原美國(guó)Kaiser鋁業(yè)公司鋁電解專家薩姆.馬拉塔納和原Pechiney技術(shù)經(jīng)理皮爾作為技術(shù)顧問和公司CEO。由于當(dāng)時(shí)世界上還沒有一條400kA工業(yè)上產(chǎn)線的成功經(jīng)驗(yàn)，Vimetco聘請(qǐng)的國(guó)際專家團(tuán)隊(duì)在電解槽選型上提出了反對(duì)意見，不同意中方提出的采用400kA電解槽的技術(shù)方案。中方團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行了大量的科學(xué)研究和精心設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，一邊推進(jìn)項(xiàng)目實(shí)施，一邊不停地說服大股東及其專家團(tuán)隊(duì)。2008年初，作者與張洪恩董事長(zhǎng)親赴阿姆斯特丹向Vimetco董事會(huì)進(jìn)行匯報(bào)，介紹了大量的科學(xué)依據(jù)和中國(guó)已經(jīng)取得的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。最終，在張洪恩董事長(zhǎng)以榮譽(yù)擔(dān)保，并同意其董事會(huì)選派國(guó)際專家進(jìn)行設(shè)計(jì)方案審查的前提下，董事會(huì)有條件地批準(zhǔn)了這一方案。

Urata的故事。2008年6月，在生產(chǎn)線即將建成的情況下，Vimetco公司經(jīng)薩姆先生推薦聘請(qǐng)了美國(guó)專家N.Urata教授，對(duì)中方的技術(shù)方案進(jìn)行審查。Urata是世界著名的物理場(chǎng)仿真專家，早在70年代曾提出著名的鋁電解槽電磁穩(wěn)定性方程——Urata方程，被廣泛認(rèn)可和引用。作者受中方團(tuán)隊(duì)的委托，在中孚實(shí)業(yè)建設(shè)指揮部接待了Urata先生。Urata開門見山：“我受大股東委托，對(duì)貴公司400kA電解槽的物理場(chǎng)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，請(qǐng)您提供全部的計(jì)算資料和圖紙”。面對(duì)這位威望極高的鋁業(yè)前輩，這是一個(gè)兩難的局面：如果給，意味著我們的全部技術(shù)成果將無(wú)償被人家掌握；如果不給，將意味著一旦將來(lái)工程有任何問題，我們面對(duì)大股東必須承擔(dān)全部的責(zé)任，也將失去一次與國(guó)際大家的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。董事長(zhǎng)只說了一句話：我知道你能應(yīng)付！作者不無(wú)遺憾地對(duì)Urata先生說：“我知道您是電解鋁物理場(chǎng)仿真世界級(jí)的泰斗，我和我的同事們都十分仰慕您，但由于技術(shù)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?cè)谶@方面的成就。但是，您不覺得公司的利益和這個(gè)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)，比您個(gè)人的榮譽(yù)要重要得多嗎？”。我明白老先生的心情，也感覺愧對(duì)他的誠(chéng)意。為了不辜負(fù)老先生的心意，我說：“我相信您，雖然我無(wú)法提供您要的詳細(xì)資料和圖紙，但可以給您提供進(jìn)行仿真所需要的原理圖，也希望您給予真誠(chéng)的指導(dǎo)”。老先生不無(wú)遺憾地說：“也好，這樣我也能夠完成我的任務(wù)了”。

兩個(gè)月后，雖然作者沒有看到Urata先生的詳細(xì)報(bào)告，但得到了Vimetco總部的一個(gè)答復(fù)：Urata先生沒有異議，工程可以按期投產(chǎn)！

400kA電解槽投產(chǎn)后生產(chǎn)運(yùn)行狀況良好，槽工作電壓保持在 3.93V~3.95V，經(jīng)過技術(shù)條件的調(diào)整，噸鋁直流電耗低于12800kWh，陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)低于0.05 ，電流效率達(dá)到93%以上，環(huán)保效果也進(jìn)一步得到改善。該項(xiàng)目獲得了中國(guó)有色金屬科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。

2009年，在亞太七國(guó)APP組織實(shí)施的電解鋁技術(shù)和環(huán)保項(xiàng)目中，新西蘭奧克蘭大學(xué)輕金屬研究中心對(duì)該槽穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試：即使在工作電壓3.6V的情況下，仍能保持高度的穩(wěn)定性，證明了該槽電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)的可靠性超乎想象，為低電壓運(yùn)行創(chuàng)造了條件。

創(chuàng)新聯(lián)盟成立。2008年9年，由中孚實(shí)業(yè)牽頭，中南大學(xué)、東北大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院過程所、電工所和長(zhǎng)春應(yīng)化所以及國(guó)內(nèi)大型鋁企業(yè)等15家單位聯(lián)合組建，科技部“鋁電解高效節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”在鄭州成立，河南豫聯(lián)集團(tuán)董事長(zhǎng)張洪恩擔(dān)任理事長(zhǎng)，云南鋁業(yè)總經(jīng)理丁吉林擔(dān)任副理事長(zhǎng)，劉業(yè)翔院士、邱定蕃院士、張國(guó)成院士、張懿院士等擔(dān)任顧問委員會(huì)委員。

此后，以聯(lián)盟名義申報(bào)并承擔(dān)“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃“低溫低電壓鋁電解新技術(shù)開發(fā)”，在林豐鋁電公司400kA生產(chǎn)線成功實(shí)施。

緊接著，2011年初沈陽(yáng)院與青銅峽鋁廠開發(fā)成功的400kA生產(chǎn)線順利投入運(yùn)行。此后的幾年內(nèi)，400kA特大型電解槽迅速在行業(yè)推廣了20余條生產(chǎn)線，成為我國(guó)電解鋁工業(yè)的骨干槽型。

一年后，Vimetco集團(tuán)董事長(zhǎng)馬切斯基先生在鄭州裕達(dá)國(guó)貿(mào)酒店舉行的慶功宴上，對(duì)他的英國(guó)合伙人說：中國(guó)團(tuán)隊(duì)以后要做800kA電解槽，我們都相信他們！但他不知道的是，我們已經(jīng)初步制定了600kA電解槽的開發(fā)方案......

十、多項(xiàng)重大技術(shù)突破——實(shí)現(xiàn)內(nèi)涵式提升

提到電解鋁，可能很多人馬上會(huì)想到傻大黑粗的重工業(yè)畫面，那就錯(cuò)了。經(jīng)過130多年的不斷發(fā)展，電解鋁技術(shù)從最初的小作坊生產(chǎn)，已經(jīng)發(fā)展成為具有高度規(guī)?；?、集約化、自動(dòng)化和高效率的現(xiàn)代流程工業(yè)。行內(nèi)的人有一句很流行的話：“電解鋁三天能入門，三十年學(xué)不透”，電解鋁技術(shù)絕對(duì)不簡(jiǎn)單，它是常用金屬中最難冶煉的一種，迄今也只有唯一一種工業(yè)生產(chǎn)方法。由于鋁電解過程涉及的學(xué)科和理論十分龐雜，各種技術(shù)難題也交織在一起，除了融鹽電化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)過程、電解質(zhì)組分與物化特性等基礎(chǔ)性領(lǐng)域，電、熱、磁、結(jié)構(gòu)力學(xué)及磁流體動(dòng)力學(xué)特性也是最近幾十年研究的核心領(lǐng)域，還涉及陽(yáng)極、陰極材料、結(jié)構(gòu)材料，抗腐蝕、耐高溫、抗?jié)B透材料等方面諸多材料領(lǐng)域的難題，還有大量工業(yè)和工程領(lǐng)域的問題。電解槽既是電解鋁工業(yè)的核心設(shè)備，又是大批量的規(guī)?；a(chǎn)為特征，電力能源密集、投資密集和技術(shù)密集，可謂牽一發(fā)而動(dòng)全身，即便是錯(cuò)了一顆螺絲，也會(huì)造成幾百上千個(gè)廢品。我國(guó)電解鋁在大型化的過程中，從沒有忽視質(zhì)的提升，大量的科技創(chuàng)新成果，一直穩(wěn)固地支撐著我國(guó)電解鋁今天的輝煌發(fā)展。尤其是在電解工藝過程控制、連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行工藝與裝備、環(huán)保技術(shù)以及新型陰極結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新和研究領(lǐng)域，成效卓著，讓世界側(cè)目。

工藝與控制——高效運(yùn)行關(guān)鍵技術(shù)。我國(guó)鋁電解工藝與控制技術(shù)從“日輕”技術(shù)的引進(jìn)開始，得到了大力的提升，這也是我國(guó)在該領(lǐng)域研究的起點(diǎn)?；诋?dāng)時(shí)對(duì)鋁電解工藝過程的研究和認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)，當(dāng)時(shí)的“日輕”技術(shù)是相對(duì)落后的。從后來(lái)的研究證明，早期引進(jìn)工程出現(xiàn)的大量生產(chǎn)問題與其落后的工藝技術(shù)不無(wú)關(guān)系。其主要表現(xiàn)在：一是加料制度不合理，加料間隔時(shí)間長(zhǎng)（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(dāng)時(shí)采用的是一種風(fēng)動(dòng)加料器（實(shí)際上是靠小型風(fēng)動(dòng)溜槽吹送），精確度很低，造成的波動(dòng)很大；二是電解質(zhì)中氧化鋁含量的控制模式，在當(dāng)時(shí)還是一種“黑箱”模型，被稱為“效應(yīng)控制”的模型。

對(duì)電解槽而言，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)正常的作業(yè)控制，從技術(shù)上來(lái)說雖然復(fù)雜，但不存在理論上的難點(diǎn)。輸入系統(tǒng)的是電壓、電流兩個(gè)信息，輸出的打殼加料和提升陽(yáng)極兩個(gè)變量。自控專家、鄭州輕金屬研究院原副院長(zhǎng)趙慶云曾經(jīng)給電解鋁的控制技術(shù)下了個(gè)定義：如果不考慮工藝過程的優(yōu)化運(yùn)行，電解槽的控制與一般工業(yè)過程無(wú)異，并非難事！但是鋁電解的工藝復(fù)雜在于要實(shí)現(xiàn)工藝過程的優(yōu)化運(yùn)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(guó)際鋁電解工藝發(fā)展的趨勢(shì)，其核心難點(diǎn)在于氧化鋁濃度的控制，而這一難題的攻克經(jīng)歷了長(zhǎng)期艱難的過程。在80年代，新的電解槽主要指標(biāo)已經(jīng)明顯提高，控制技術(shù)的應(yīng)用有一定的貢獻(xiàn)，這是控制技術(shù)發(fā)展的第一個(gè)階段。但實(shí)際上，這一階段除了電解槽的設(shè)計(jì)和電磁場(chǎng)改進(jìn)的貢獻(xiàn)占主要因素以外，控制系統(tǒng)的貢獻(xiàn)主要來(lái)源于新的加料器和加料制度的改進(jìn)。即“勤加工、少加料”工藝使氧化鋁濃度波動(dòng)大大減少了，1.8kg以下容量的筒式加料器的研制成功是關(guān)鍵所在。“陽(yáng)極效應(yīng)”是電解槽內(nèi)氧化鋁濃度達(dá)到極低限值時(shí)系統(tǒng)中發(fā)出的警示性信號(hào)，較高的陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)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(guó)這一領(lǐng)域經(jīng)過不斷地研究開發(fā)，最終取得了重大的進(jìn)展，使我國(guó)電解鋁運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)跨上一個(gè)新臺(tái)階。代表性成果有很多，評(píng)價(jià)的主要依據(jù)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(yáng)極效應(yīng)系數(shù)從1次/槽·日降低至0.05次/槽·日以下。

中南大學(xué)李劼、丁風(fēng)其等完成的“鋁電解過程智能控制系統(tǒng)及推廣應(yīng)用”；貴陽(yáng)院田慶紅等完成的“鋁電解三度尋優(yōu)控制技術(shù)”；貴陽(yáng)院席燦明和北方工業(yè)大學(xué)李晉宏等完成的“鋁電解智能模糊控制技術(shù)”；沈陽(yáng)院研制完成的“鋁電解全息智能操作控制技術(shù)”。多項(xiàng)成果達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，也標(biāo)志著我國(guó)鋁電解技術(shù)全面進(jìn)入世界先進(jìn)行列。2005年，這一領(lǐng)域的研究成果獲得了國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

系列連續(xù)運(yùn)行工藝與裝備——破解制約規(guī)?；l(fā)展瓶頸。對(duì)于300臺(tái)以上電解槽組成的電解系列，如果一臺(tái)槽的?；蛘唛_都必須全系列停電，一年就要停電100到200次，30-40分鐘的停電不僅減少產(chǎn)鋁量，而且破壞了電解槽的各種技術(shù)條件，電解槽物理特性被改變，電化學(xué)過程受到嚴(yán)重干擾，電解槽效率下降、能耗升高，一個(gè)系列每年的損失達(dá)到數(shù)千萬(wàn)元。而且大大增加陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生，溫室氣體排放大幅度增加（陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的過氟化碳溫室效應(yīng)是CO2的6600多倍），尤其嚴(yán)重的是頻繁的大負(fù)荷短時(shí)停/開沖擊，對(duì)鋁廠的供電設(shè)備乃至電網(wǎng)的安全造成了嚴(yán)重威脅。

連續(xù)性工藝是流程工業(yè)的一項(xiàng)重大課題，頻繁斷電對(duì)電解鋁生產(chǎn)的危害更是不言而喻的。這是一項(xiàng)長(zhǎng)期困擾電解鋁發(fā)展的世界技術(shù)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(guó)電力專家，找不到可行的解決辦法。直到1997年，一個(gè)歐然的機(jī)會(huì)，在火車上巧遇湖北超高壓局總工程師李國(guó)興教授，“三峽電力外輸都是我負(fù)責(zé)，這事能干”。李教授認(rèn)為實(shí)現(xiàn)不停電停開電解槽有可能的，因?yàn)檫@次巧遇，作者下決心要開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，并約定共同開發(fā)。直到2004年，來(lái)到河南中孚實(shí)業(yè)擔(dān)任總工程師的作者，大膽向國(guó)家提出了立項(xiàng)申請(qǐng)，得到了國(guó)家重大產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)專項(xiàng)支持，該項(xiàng)目的攻關(guān)正式啟動(dòng)。然而，在與德國(guó)某知名企業(yè)合作一年后，技術(shù)攻關(guān)宣告失敗。實(shí)現(xiàn)陷入困境......

李國(guó)興——情系電解鋁的電力專家。2005年，已退休多年居住美國(guó)的李國(guó)興教授受邀回國(guó)再度出手，想要兌現(xiàn)他8年前共同開發(fā)此項(xiàng)技術(shù)的約定。但在了解了操作原理并考察了現(xiàn)場(chǎng)之后，李教授認(rèn)為問題比他想象的要復(fù)雜，原有的方案行不通。由于自己已經(jīng)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(guó)任教的華中科技大學(xué)電力學(xué)院副院長(zhǎng)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(fā)思路。

類似于大壩截流，根據(jù)電解槽停/開過程，攻關(guān)組構(gòu)思了這樣一個(gè)原理，即“先分流、后短路、再斷流（槽電流）”。獨(dú)創(chuàng)了一種可變電阻分流測(cè)試方法，來(lái)測(cè)試分流量、電壓及時(shí)間和溫度變化及相關(guān)安全參數(shù)，解決了超大電流試驗(yàn)的難題。然后由小到大，由70kA電解槽，再擴(kuò)大到320kA電解槽。經(jīng)過120多臺(tái)320kA槽的連續(xù)全電流啟動(dòng)開槽試驗(yàn)后，所有問題被成功破解。2006年9月，經(jīng)過十一年的曲折與探索，這一難題終被宣告徹底攻克！

“大型鋁電解系列連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行工藝與裝備”終于研制成功。時(shí)任中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)康義親自主持了鑒定會(huì)，四位院士組成的專家組鑒定認(rèn)為：其原理和方法為世界首創(chuàng)，成套技術(shù)和裝備達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，實(shí)現(xiàn)了鋁電解系列連續(xù)、高效和長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。該成果入選“2006年中國(guó)十大工程與技術(shù)進(jìn)展”。CCTV《新聞聯(lián)播》、《人民日?qǐng)?bào)》、《科技日?qǐng)?bào)》等相繼給予報(bào)道；CCTV《經(jīng)濟(jì)半小時(shí)》專題介紹了這一成果的研發(fā)過程。

這一成果獲得2010年“中國(guó)專利金獎(jiǎng)”，2012年獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，這是我國(guó)在鋁電解技術(shù)領(lǐng)域獲得的唯一一項(xiàng)國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)。

異型陰極與新型結(jié)構(gòu)陰極技術(shù)——異曲同工的創(chuàng)新。由于傳統(tǒng)電解工藝逐步趨于完善，從上世紀(jì)60年代美國(guó)鋁業(yè)公司就開始探索新的替代煉鋁技術(shù)—氯化鋁電解工藝，到90年代，開始研究惰性陽(yáng)極電解工藝。然而，東北大學(xué)馮乃祥教授在認(rèn)真研究后認(rèn)為惰性陽(yáng)極并不能大幅度地節(jié)能降耗，材料問題也很難解決。在2007年在沈陽(yáng)的一次會(huì)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(tǒng)電解鋁工藝，從改善生產(chǎn)過程的鋁液流動(dòng)（改善磁流體動(dòng)力學(xué)）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(fā)明泄流式電解槽結(jié)構(gòu)，開啟新型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽研究，歷經(jīng)了十余年的多次改進(jìn)，通過改變陰極形狀，形成對(duì)電解槽內(nèi)鋁液流動(dòng)的“阻波”作用，以明顯降低鋁液磁流體流動(dòng)的振幅，建立了高效節(jié)能新型陰極結(jié)構(gòu)鋁電解槽的基礎(chǔ)理論。2007年7月到2008年9月，他聯(lián)合田應(yīng)甫教授在重慶天泰鋁業(yè)3臺(tái)168 kA電解槽上進(jìn)行試驗(yàn)，終于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(jié)能1000kWh以上。之后，在華東鋁業(yè)94臺(tái)200kA電解槽上進(jìn)行了示范推廣。馮乃祥等完成的這一技術(shù)在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了很大的反響，引起了眾多企業(yè)的關(guān)注，并迅速在行業(yè)20多家鋁廠推廣和試用。這一技術(shù)在2010年美國(guó)TMS年發(fā)表，獲得了TMS協(xié)會(huì)鋁電解創(chuàng)新技術(shù)獎(jiǎng)。2010年中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)。

2008年底，中國(guó)鋁業(yè)公司顧松青和劉風(fēng)琴教授等在沁陽(yáng)鋁電解試驗(yàn)廠的2臺(tái)160kA電解槽上，試驗(yàn)成功了國(guó)外多年研究未果的新型陰極結(jié)構(gòu)導(dǎo)流槽技術(shù)，據(jù)報(bào)道電解槽槽電壓穩(wěn)定控制在3.7~3.8V，同樣實(shí)現(xiàn)了噸鋁節(jié)能1000kWh的目標(biāo)。之后在中鋁公司所屬貴州鋁廠、蘭州鋁業(yè)等企業(yè)推廣使用。中國(guó)鋁業(yè)公司專門舉行新聞發(fā)布會(huì)宣布這項(xiàng)重大成果。

馮乃祥的異型陰極電解槽與中鋁新型結(jié)構(gòu)導(dǎo)流電解槽的相同之處都是把創(chuàng)新焦點(diǎn)集中在了陰極結(jié)構(gòu)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(guī)則設(shè)計(jì)了一組陰極“凸臺(tái)”，凸臺(tái)對(duì)鋁液的流動(dòng)產(chǎn)生了物理阻擋的作用；而新型結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(jié)構(gòu)，由于鋁液在凹槽內(nèi)被約束，同樣減緩了鋁液的流動(dòng)。一凸一凹，可謂異曲同之妙！

“破波器”（Wave Breaker）。異型陰極技術(shù)在某些國(guó)外文獻(xiàn)中也被稱為“破波器”，盡管由于目前遇到以下兩個(gè)問題：一是陰極突出部分在電解槽運(yùn)行一段時(shí)間后（半年左右）由于熱應(yīng)力和鋁液的沖刷，會(huì)脫落或磨蝕掉，使得對(duì)鋁液流動(dòng)的阻擋減弱或失去作用；而是凸臺(tái)或者凹槽的形狀、高度以及布置方式對(duì)不同的槽子效果不同，未來(lái)需要精確的仿真作為依據(jù)，以取得最佳的效果。但無(wú)論如何，這項(xiàng)技術(shù)的誕生，給鋁電解生產(chǎn)大幅度節(jié)電指出了新的技術(shù)方向。

由于技術(shù)原理的相似性，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過艱苦協(xié)商，最終共同申報(bào)了這項(xiàng)成果，馮乃祥、顧松青等獲得了2014年國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。

槽壽命——1500天到3000天的碟變。“槽壽命”，無(wú)論誰(shuí)聽到這個(gè)名詞都能感覺其中的分量，還有什么比“壽命”更重要的嗎？自“日輕”引進(jìn)技術(shù)以來(lái)，電解槽壽命問題就是一直困擾我國(guó)鋁電解生產(chǎn)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(dòng)費(fèi)用在內(nèi)，大修一次產(chǎn)生的費(fèi)用相當(dāng)于電解槽總投資的大約1/3以上。由于在鋁電解廠電解槽一般是成系列（一個(gè)電解系列有多達(dá)300臺(tái)以上的電解槽）安裝運(yùn)行的，壽命問題就是電解鋁的重大經(jīng)濟(jì)問題，直接關(guān)系到鋁廠的經(jīng)濟(jì)效益。

如何提高電解槽壽命？材料問題、設(shè)計(jì)問題、施工問題、焙燒啟動(dòng)方法、生產(chǎn)工藝過程及管理多方面的問題交織在一起，其復(fù)雜程度可想而知，可以說任何一個(gè)環(huán)節(jié)都可能導(dǎo)致電解槽早期破損，從而槽壽命縮短；但任何一種技術(shù)和改進(jìn)都很難保證電解槽壽命真正的延長(zhǎng)。而且，理論研究的成果要在實(shí)際生產(chǎn)中得到驗(yàn)證必須經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)檢驗(yàn)，短時(shí)間的研究試驗(yàn)很難得出令人信服的成果。因此，相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒有人敢于肯定1500天的設(shè)計(jì)目標(biāo)真的能在工廠實(shí)現(xiàn)，也沒人知道究竟需要多少年我們才能達(dá)到國(guó)際上2700天的目標(biāo)。然而，說不清是什么時(shí)候開始，槽壽命問題就漸漸地就不再是人們議論的焦點(diǎn)。今天我們一些鋁廠的槽壽命甚至已經(jīng)超過了3000天（中孚實(shí)業(yè)400kA槽超過10年的槽數(shù)占到了30%以上）。如此大的技術(shù)進(jìn)步簡(jiǎn)直可以稱之為碟變！

材料技術(shù)的研究和改進(jìn)。炭素陰極塊的生產(chǎn)制作技術(shù)改善了陰極導(dǎo)電性和對(duì)電解質(zhì)和鈉離子的滲透；底部防滲材料的研制與應(yīng)用有效地當(dāng)了電解質(zhì)滲透對(duì)保溫層的腐蝕與破壞；電解槽高強(qiáng)防滲澆注料（主要用于電解槽側(cè)下部）有效改善了陰極周圍的防滲漏效果和溫度分布；側(cè)部碳氮化硅材料的應(yīng)用大大改善了側(cè)部散熱、促進(jìn)了槽內(nèi)爐幫的形成，可以有效保護(hù)電解槽內(nèi)襯被侵蝕。

設(shè)計(jì)理論的完善。最基礎(chǔ)的影響是在設(shè)計(jì)理論的建立和完善上，首先是熱電模型和仿真技術(shù)的開發(fā)，為電解槽獲得合理優(yōu)化熱設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，槽體內(nèi)的溫度分布、能量平衡可以精確預(yù)測(cè)；其次研究明確了電解槽底部等溫線特征值的最佳區(qū)域位置，即電解質(zhì)凝固等溫線位于陰極炭塊以下位置，有利于削弱會(huì)延緩電解質(zhì)滲透對(duì)陰極的破壞作用，而鈉離子的析出溫度當(dāng)處于保溫層與耐火層之間；第三是設(shè)計(jì)了能夠有效吸收電解槽陰極膨脹變形，減少陰極結(jié)構(gòu)因溫度和吸鈉膨脹造成的陰極破損的“可壓縮結(jié)構(gòu)”（又稱“柔性”結(jié)構(gòu)）；第四是通過側(cè)部散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)界定了理想爐幫和實(shí)現(xiàn)理想爐幫形狀的方法，即鋁液-電解質(zhì)界面和鋁液層水平電流分布為判定標(biāo)準(zhǔn)。

施工工藝和技術(shù)的提高是材料研究和設(shè)計(jì)成果工程化的關(guān)鍵。無(wú)論有多么完善的施工規(guī)程，有時(shí)候也很難獲得好的效果，電解鋁優(yōu)良的施工質(zhì)量就是在不斷的實(shí)踐和探索中建立起來(lái)的，對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)施工工藝的理解和嚴(yán)格地按標(biāo)準(zhǔn)操作才是技術(shù)的核心。

工藝技術(shù)不斷完善。經(jīng)過40年的發(fā)展，從焙燒啟動(dòng)到生產(chǎn)操作技術(shù)得到了極大的提升和轉(zhuǎn)變。從學(xué)習(xí)和膜拜日本引進(jìn)技術(shù)，到徹底放棄鋁液焙燒啟動(dòng)技術(shù)；從280kA試驗(yàn)開始使用，到焦粒焙燒技術(shù)的逐步完善和推廣應(yīng)用；從“效應(yīng)”控制、大加料量工藝到“四低一高”、點(diǎn)式加料穩(wěn)定操作，電解鋁的生產(chǎn)工藝與操作管理有了質(zhì)的飛躍。

技術(shù)進(jìn)步——依靠全行業(yè)的持續(xù)創(chuàng)新。不可否認(rèn)槽壽命的提高確實(shí)是我國(guó)鋁電解技術(shù)的一項(xiàng)重大成果，一項(xiàng)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(jié)果。電解鋁技術(shù)許許多多的改進(jìn)和創(chuàng)新，類似于槽壽命這樣的創(chuàng)新成果還有很多，正因?yàn)橛刑嗳说男难拓暙I(xiàn)，也不太容易由某個(gè)單位和個(gè)人獲得相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)，每一項(xiàng)進(jìn)步都是由許許多多的科技人員同時(shí)在不同單位完成的，導(dǎo)致很多的科技成果沒辦法說清楚，但電解鋁工業(yè)在實(shí)實(shí)在在地大步前進(jìn)。

十一、500~600kA超大型化——引領(lǐng)世界

一系列難題的攻克，推動(dòng)了電解鋁的工業(yè)規(guī)?；l(fā)展的進(jìn)程。從2008年起，電解鋁產(chǎn)能的發(fā)展如泄閘的洪水一發(fā)而不可收。400kA電解槽迅速開始了大規(guī)模的推廣，與此同時(shí)，500kA、600kA超大型電解槽的開發(fā)也提上了日程。

國(guó)際鋁工業(yè)——在探索中前進(jìn)。法國(guó)Pichiney公司早在1989年到1999年用了十年的時(shí)間，將其位于法國(guó)的圣·讓·莫里因的試驗(yàn)基地(LRF)的三臺(tái)試驗(yàn)槽電流由400kA提升到500kA（AP50），然而時(shí)至今日，該技術(shù)仍然沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。

500kA——中鋁開先河。2011年9月，由沈陽(yáng)院設(shè)計(jì)的世界首條500kA鋁電解生產(chǎn)線在中鋁連城分公司落戶投產(chǎn)。冬日的連鋁，寒風(fēng)料峭，電解一廠500kA電解槽旁，幾名電解工人正在換極作業(yè)，火紅的陽(yáng)極塊被多功能天車從槽子中夾出來(lái)，首批500kA電解槽經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)人員艱苦努力正式投入運(yùn)行。為確保啟動(dòng)工作順利進(jìn)行，在二區(qū)電解槽啟動(dòng)中，認(rèn)真總結(jié)500kA電解系列一區(qū)啟動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，不斷焙燒啟動(dòng)方案：充分應(yīng)用不停電停開槽技術(shù)，大大縮減短路口拆卸時(shí)間；優(yōu)化生產(chǎn)組織，嚴(yán)格工藝制度，加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)，制定應(yīng)急預(yù)案并組織演練；嚴(yán)格控制啟動(dòng)所需原材物料的消耗，降低啟動(dòng)成本，為保證系列安全平穩(wěn)運(yùn)行創(chuàng)造了條件。比首批(一區(qū))過程更加順利。

到2011年10月12日，500kA二區(qū)92臺(tái)電解槽全部順利啟動(dòng)完成，開槽188臺(tái)，完成65%。三區(qū)按計(jì)劃于11月中旬通電啟動(dòng)，至年底前完成全系列288臺(tái)電解槽啟動(dòng)工作。盡管過程法雜而又曲折，最終取得一次性工業(yè)化的成功，從而開啟了電解槽的500kA時(shí)代，為向600kA邁進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

快速工業(yè)化。2011年中大冶金設(shè)計(jì)院在新疆設(shè)計(jì)了520kA電解系列，共安裝320臺(tái)電解槽，年產(chǎn)能45萬(wàn)噸，前80臺(tái)于2012年8月順利啟動(dòng)。在此期間，經(jīng)過持續(xù)地設(shè)計(jì)優(yōu)化，后240臺(tái)電解槽得到進(jìn)一步完善，成為當(dāng)時(shí)世界上單系列產(chǎn)能最大的電解系列。主要應(yīng)用了如下技術(shù)：優(yōu)化母線配置，此補(bǔ)償效果進(jìn)一步改善，并且單槽鋁母線用量降低了3.2噸；改進(jìn)完善了陰極多鋼棒技術(shù)，由每塊陰極炭塊4個(gè)陰極棒改為3個(gè)，進(jìn)一步改進(jìn)了陰極結(jié)構(gòu)防滲漏設(shè)計(jì)；優(yōu)化了上部橫母線和加料點(diǎn)布置；過道大母線設(shè)計(jì)充分考慮了安全操作的結(jié)構(gòu)布置。投產(chǎn)后，電解槽運(yùn)行穩(wěn)定，尤其是改進(jìn)后的240臺(tái)槽。

再現(xiàn)拐點(diǎn)。從400kA到500kA，隨著容量的增大，盡管在設(shè)計(jì)理論和物理場(chǎng)仿真的方法上沒有本質(zhì)變化，但經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上的矛盾在這個(gè)階段逐步顯現(xiàn)，體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

1）體現(xiàn)在母線系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，按為了補(bǔ)償電磁場(chǎng)，電解槽上游側(cè)陰極出來(lái)的大部分電流（大約80%以上）須從端部繞過，增加了母線的長(zhǎng)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(bǔ)償母線配置在電解槽之間需占用用較大的空間，導(dǎo)致槽間距也必須增大，導(dǎo)致投資和運(yùn)行費(fèi)用有所增加；另一種可以選擇的方案是，適當(dāng)減少電解槽周圍母線的補(bǔ)償量，采用專門設(shè)置的小機(jī)組用于補(bǔ)償（專用補(bǔ)償母線），被稱之為“外補(bǔ)償”。相對(duì)來(lái)講，外補(bǔ)償?shù)姆绞胶?jiǎn)單、投資和云南行費(fèi)用也略低一些。但無(wú)論采用哪一種補(bǔ)償方式，相對(duì)于400kA而言，母線的單位投資和運(yùn)行費(fèi)用仍然是增加的；

2）體現(xiàn)電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，除了要適當(dāng)改變長(zhǎng)寬比、增加電解槽陽(yáng)極長(zhǎng)度，因而增加了上部的總重量以外，電解槽在長(zhǎng)度方向的跨度也更大，上部結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)一步加強(qiáng)。也有兩種做法：一種是增加大量的高度，加大大梁結(jié)構(gòu)件斷面積，以滿足電解槽上部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度需要，當(dāng)然將實(shí)腹板梁改為管桁架梁可以大幅節(jié)省投資(如中孚400kA，后用于魏橋600kA)；再有一種就是在實(shí)腹板梁基礎(chǔ)上在中間部位增加一個(gè)支撐柱（連城500kA，后用于連城600kA以上槽）。

一方面，500kA以上超大型電解槽迅速受到行業(yè)青睞，眾多企業(yè)迅速采用，如甘肅東興、東方希望、神火集團(tuán)等，新疆其亞更是直接將其一系列240臺(tái)改進(jìn)型的設(shè)計(jì)直接應(yīng)用于建設(shè)第二系列。但另一方面，大型預(yù)焙槽發(fā)展出現(xiàn)了第二個(gè)拐點(diǎn)，無(wú)論500kA電解槽有多么優(yōu)秀，除了技術(shù)難度不斷增加以外，其優(yōu)越性卻越來(lái)越無(wú)法體現(xiàn)：一是設(shè)計(jì)上母線、結(jié)構(gòu)材料的增加不僅失去了自身的投資優(yōu)勢(shì)，還會(huì)抵消規(guī)?；瘞?lái)的公共設(shè)施所節(jié)省的投資；二是生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)停滯不前，從目前的運(yùn)行情況看：電流效率低于93%、直流電耗12600kWh/tAl的先進(jìn)指標(biāo)即使500kA槽也很難超越。

如果說，實(shí)現(xiàn)預(yù)焙槽從160kA到180kA以上的跨越歸功于磁流體動(dòng)力學(xué)影響等技術(shù)理論研究上的突破，那么解決500kA以上超大型化電解槽的經(jīng)濟(jì)性問題同樣需要技術(shù)上的第二次突破。

600kA——世界電解鋁新標(biāo)桿。進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，國(guó)際鋁冶煉巨頭并沒有停止其在超大型電解槽領(lǐng)域研究開發(fā)的步伐。2010年LRF歸屬國(guó)際礦業(yè)巨頭力拓（RTA）所有，開始開發(fā)其突破性的APXe技術(shù)，并在2010年12月，開始啟動(dòng)AP60（600kA槽型）冶煉廠的建設(shè)和開發(fā)。力拓批準(zhǔn)了世界上第一次大規(guī)模部署AP60電解槽的計(jì)劃，首先建設(shè)的是38臺(tái)AP60(工業(yè)驗(yàn)證AP60技術(shù)所必需的數(shù)量)，作為其位于加拿大魁北克的Jonquiere冶煉廠現(xiàn)代化的一部分。原計(jì)劃第二階段即工業(yè)化系列示范線，根據(jù)建設(shè)場(chǎng)地條件將設(shè)計(jì)由272臺(tái)電解槽組成。

AP60的開發(fā)模式復(fù)制了其開發(fā)“AP18和AP30的成功模式”。2013年完成調(diào)試和啟動(dòng)，2014年9月完成全部性能測(cè)試：電流效率95.9%，工業(yè)試驗(yàn)計(jì)算指標(biāo)也僅僅達(dá)到噸鋁直流電耗13090 kWh/tA的水平，從這一指標(biāo)的結(jié)果看，尚未達(dá)到其AP30槽取得的工業(yè)系列運(yùn)行的12900kWh/tAl的水平，與我國(guó)400kA級(jí)電解槽的差距明顯。這一結(jié)果和AP50遲遲沒有工業(yè)化應(yīng)用，以及其AP60第二階段工業(yè)化計(jì)劃至今未實(shí)施不無(wú)關(guān)聯(lián)，也與作者前述的“第二拐點(diǎn)說”相吻合。然而，我國(guó)600kA超大型電解槽的開發(fā)和應(yīng)用卻繼續(xù)高歌猛進(jìn)，異軍突起。

SY600——中鋁再發(fā)力。沈陽(yáng)院與中鋁連城鋁廠再度合作，承擔(dān)“十一五”國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、中鋁公司重大科技專項(xiàng)，“600kA超大容量鋁電解槽技術(shù)研發(fā)”。試驗(yàn)過程中，原設(shè)計(jì)方案中，計(jì)劃采用“底部出電”模式（一種使陰極與陽(yáng)極結(jié)構(gòu)導(dǎo)電特性形成對(duì)稱式分布的設(shè)計(jì)，可以最大限度降低鋁液層電流），由于認(rèn)為底部出電在結(jié)構(gòu)上存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，向科技部提出取消該計(jì)劃，留予今后繼續(xù)探索?？萍疾?63項(xiàng)目專家組為此召開專門會(huì)議研究，調(diào)整了試驗(yàn)驗(yàn)收目標(biāo)能耗指標(biāo)（由12000調(diào)整為12200kWh/tAl）。

2012年8月，12臺(tái)試驗(yàn)槽全部順利啟動(dòng)。電解槽采用56組單陽(yáng)極，電流密度0.796A/cm2，陽(yáng)極與陰極呈正對(duì)應(yīng)，七點(diǎn)下料、大梁中間支撐結(jié)構(gòu)、分段集氣雙煙管排氣系統(tǒng)、三段提升機(jī)構(gòu)；采用內(nèi)補(bǔ)償+外補(bǔ)償方案簡(jiǎn)化了槽周圍母線設(shè)計(jì)，以減少槽間距增加；在控制垂直磁場(chǎng)均值≤ 5.0 高斯，熔體流速減低40%（接近于400kA槽）。試驗(yàn)結(jié)果12臺(tái)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(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)組織科技成果鑒定，張國(guó)成院士擔(dān)任專家組長(zhǎng)，作者和牛慶仁教授級(jí)高工任副組長(zhǎng)，鑒定意見認(rèn)為：技術(shù)成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

NEUI600——東大院與魏橋的合作。2013年的一天，東大院院長(zhǎng)呂定雄推開了魏橋集團(tuán)董事局主席張士平的門，一番陳述打動(dòng)了這位千億企業(yè)的掌門人，下定決心要為鋁工業(yè)科技進(jìn)步做出貢獻(xiàn)，經(jīng)過論證和設(shè)計(jì)建設(shè)，全球第一條（186臺(tái)）600kA電解鋁生產(chǎn)線正式啟動(dòng)建設(shè)。

NEUI600采用“數(shù)值模擬+經(jīng)驗(yàn)”的模式：開發(fā)了磁流體穩(wěn)定性“雙補(bǔ)償”技術(shù)和母線裝置，電解槽母線用量與傳統(tǒng)的“單補(bǔ)償”技術(shù)相比降低12%；首創(chuàng)的多階分體式管桁架梁結(jié)構(gòu)技術(shù)提高了NEUI600kA級(jí)鋁電解槽超大跨度上部鋼結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，降低了電解車間軌頂標(biāo)高約1米，降低了電解車間土建投資約5%；研發(fā)的高位分區(qū)集氣結(jié)構(gòu)和相向流煙氣干法凈化技術(shù)等成套環(huán)境總量控制技術(shù)，系列實(shí)現(xiàn)了99.6%的集氣效率和99.7%的凈化效率。經(jīng)過半年多的運(yùn)行測(cè)試：槽平均電壓3.95V；電流效率94.6%；直流電耗12443kWh/tAl；陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)0.01次/槽·日。

2015年6月5日，中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)召開“魏橋鋁電NEUI600kA級(jí)鋁電解槽技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用科技成果”評(píng)價(jià)會(huì)。陳全訓(xùn)會(huì)長(zhǎng)參加了評(píng)審會(huì)，副會(huì)長(zhǎng)兼理事長(zhǎng)賈明星教授擔(dān)任專家組長(zhǎng)，邱定蕃院士、李劼教授擔(dān)任副組長(zhǎng)，專家評(píng)價(jià)認(rèn)為：項(xiàng)目整體技術(shù)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。

此后，沈陽(yáng)院在山東信發(fā)建立的新的系列，將電流強(qiáng)度提高到了660kA......

站在世界之巔。盡管業(yè)內(nèi)對(duì)500kA以上的槽子成熟性和先進(jìn)性時(shí)有爭(zhēng)論，但毫無(wú)疑問中國(guó)電解鋁技術(shù)已經(jīng)站在了世界之巔。開創(chuàng)了美鋁和法鋁基業(yè)的霍爾和埃魯特恐怕無(wú)法想到，他們發(fā)明的這種神奇的鋁冶煉方法，今天能在中國(guó)大地真正開花結(jié)果，發(fā)揚(yáng)光大，并造福世界！

十二、電解鋁蓬勃發(fā)展之謎

始于上世紀(jì)70年代的改革開放的春風(fēng)，吹來(lái)了科技的春天。我國(guó)電解鋁行業(yè)科技工作者，以其飽滿的熱情和對(duì)祖國(guó)的愛，上演了一場(chǎng)電解鋁技術(shù)蓬勃崛起的大戲：我們?cè)谙M(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了“鋁電解槽數(shù)學(xué)模型和仿真軟件系統(tǒng)”，掌握了大型鋁電解槽開發(fā)的基礎(chǔ)理論和設(shè)計(jì)工具，相繼自主開發(fā)成功165kA、186kA、280kA以上的特大型鋁電解槽技術(shù)，以“國(guó)家大型鋁電解試驗(yàn)基地280kA試驗(yàn)槽”的成功開發(fā)為標(biāo)志，我國(guó)在現(xiàn)代鋁電解技術(shù)領(lǐng)域已跨入世界領(lǐng)先行列，形成了我國(guó)自己的現(xiàn)代鋁電解技術(shù)體系。此后，320kA、400kA、500～600 kA超大型預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽技術(shù)相繼誕生，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到或超過了國(guó)際先進(jìn)水平。

有人說，電解鋁屬于“兩高一資”，應(yīng)該限制！高耗能、高污染？看過本文相信您已經(jīng)有了正確的答案：對(duì)！優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，電解鋁是中國(guó)少有的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)！這才是電解鋁工業(yè)不可思議的發(fā)展速度背后的真相！

干勇院士說：時(shí)至今日，鋼鐵工業(yè)仍然是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的“壓倉(cāng)石”。那么電解鋁呢？毫無(wú)疑問，電解鋁工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的一顆璀璨的寶石！

未來(lái)資源之解。電解鋁發(fā)展之快令世人驚嘆，也自然引發(fā)了人們對(duì)資源問題的擔(dān)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(nèi)亞等國(guó)，中國(guó)曾是鋁土礦主要生產(chǎn)國(guó)家，以山西河南貴州廣西四省為主，保有儲(chǔ)量不足20億噸（非權(quán)威數(shù)字，且不斷在調(diào)整變化），約占世界鋁土礦儲(chǔ)量4%，居世界第7位。隨著中國(guó)電解鋁工業(yè)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)鋁土礦資源已明顯不能滿足需要，盡管已探明儲(chǔ)量近年來(lái)不斷有所增加，陸續(xù)有新的鋁土礦資源被發(fā)現(xiàn)，一些省份比如在云南重慶等地也已建起了新的氧化鋁廠。但總的來(lái)說，鋁土礦資源的短缺形勢(shì)已不可避免，這也正是人們普遍擔(dān)心電解鋁發(fā)展的資源之憂。

然而，正像許多業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)的那樣，中國(guó)電解鋁工業(yè)的發(fā)展并沒有受到氧化鋁資源的制約，這是因?yàn)椋旱谝?，氧化鋁是國(guó)際化資源，世界范圍內(nèi)的氧化鋁貿(mào)易十分活躍，世界上一些大的氧化鋁生產(chǎn)國(guó)家，并不具備相匹配電解鋁生產(chǎn)能力，這些國(guó)家（如澳大利亞）生產(chǎn)的氧化鋁主要用于向別國(guó)銷售；第二，氧化鋁是經(jīng)過非常復(fù)雜的化工過程生產(chǎn)的，也是一種寶貴的資源，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)口有利于緩解國(guó)內(nèi)資源短缺的矛盾。換一個(gè)角度思考，正因?yàn)槲覈?guó)有良好的電解鋁產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，通過發(fā)展電解鋁獲取國(guó)外的鋁資源也不失為我國(guó)經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展一種模式。山東一些大型企業(yè)通過直接進(jìn)口鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁的做法，以及某些省份鋁工業(yè)“兩頭在外”的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)，印證了這一模式合理性。

從另一方面看，今天的鋁工業(yè)走出去戰(zhàn)略也是歷史的必然。

“一帶一路”——走向世界。采用中國(guó)電解鋁技術(shù)建設(shè)電解鋁廠的投資僅僅是發(fā)達(dá)國(guó)家的1/3~1/2，而且，由于電解鋁產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是全球化的，美國(guó)生產(chǎn)的原鋁和中國(guó)生產(chǎn)的原鋁，可以達(dá)到同樣的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。目前我國(guó)自主創(chuàng)新的電解鋁技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的技術(shù)出口，印度、哈薩克斯坦、馬來(lái)西亞、伊朗，甚至輸出到歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家，并通過工程總承包、工程設(shè)計(jì)、工程施工等方式帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)相關(guān)裝備制造、材料以及勞務(wù)等出口，在國(guó)際上產(chǎn)生了很大影響。

“一帶一路”，新時(shí)代電解鋁恰逢其時(shí)！

當(dāng)年曾向畫圖看。電解鋁過剩了？是的，電解鋁發(fā)展真得太快了，但過剩從另一個(gè)角度看是不是意味著這個(gè)產(chǎn)業(yè)“大了”？中國(guó)電解鋁低能耗、低投資，技術(shù)領(lǐng)先！是不是“強(qiáng)了”？換一個(gè)說法：就是說我國(guó)電解鋁真的“做大做強(qiáng)”了，難道不是嗎？一個(gè)做大作強(qiáng)了的電解鋁已經(jīng)在我們眼前。

“莫訝諸峰俱眼熟，當(dāng)年曾向畫圖看”，王陽(yáng)明的詩(shī)句正是今天電解鋁工業(yè)的真實(shí)寫照！老一輩的理想今天已經(jīng)變成了現(xiàn)實(shí)！

電解鋁——讓國(guó)人揚(yáng)眉吐氣?。ㄍ辏?/p>

（因作者知識(shí)有限，掌握信息資料不全，文章所述難免以偏概全，請(qǐng)大家批評(píng)指正?。?/p>