280kA試驗(yàn)槽攻關(guān)——方案初定

1988年，我國(guó)電解鋁工業(yè)還處在鮮為人知的年代，但一場(chǎng)必定要載入史冊(cè)的技術(shù)變革正悄悄向我們走來。這一年，我國(guó)大型鋁電解試驗(yàn)基地攻關(guān)項(xiàng)目正式啟動(dòng)，此后三十多年的事實(shí)證明，這個(gè)項(xiàng)目的啟動(dòng)，改寫了中國(guó)電解鋁工業(yè)發(fā)展的歷史。
老一輩的報(bào)國(guó)之心。關(guān)于這個(gè)項(xiàng)目的來歷，或許今天知道的人已經(jīng)不多。但它之所以發(fā)生，背后有著深厚的背景和許許多多老一輩鋁業(yè)人的不懈努力和追求，也是歷史的必然。我們也不得不從老一代鋁工業(yè)專家們說起。1984年，一批老一輩鋁工業(yè)專家包括程宗浩、楊萬志等在為國(guó)家辛勤奮斗幾十年后，將離開工作崗位。而我國(guó)鋁工業(yè)正處在一個(gè)新老交替和歷史上百年不遇的換檔期，他們懷著對(duì)鋁工業(yè)的深厚感情和為我國(guó)鋁工業(yè)科技發(fā)展作貢獻(xiàn)的歷史責(zé)任感，深知我國(guó)鋁電解技術(shù)的開發(fā)創(chuàng)新須臾不可松懈，需要抓住機(jī)遇奮起直追，趕超世界先進(jìn)水平。在他們的積極建議下，1984年7月，“中國(guó)有色金屬工業(yè)鋁冶煉技術(shù)開發(fā)中心”在鄭州成立，貴陽院老院長(zhǎng)程宗浩任中心主任。“中心”成立之初，就從貴陽院、沈陽院、北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院和鄭州輕金屬研究所（簡(jiǎn)稱“輕研所”）抽調(diào)了一批專家，辦公地點(diǎn)就設(shè)在位于鄭州上街區(qū)的輕研所。1988年10月，由于一些原因，技術(shù)開發(fā)中心被撤銷，合并至鄭州輕研所，鄭州輕金屬研究所也由此改名為鄭州輕金屬研究院（簡(jiǎn)稱“輕研院”），原來從貴陽院、沈陽院一部分人員回原單位，另有一部分留了下來，還創(chuàng)辦了鄭州輕研院設(shè)計(jì)部，來自貴陽院的電解專家郭振圖高工擔(dān)任設(shè)計(jì)部主任，這便是輕研院和其設(shè)計(jì)部的由來。
“中心”撤了，但老專家們?yōu)殇X工業(yè)科技創(chuàng)新作貢獻(xiàn)的初衷不改。1986年，法國(guó)Pechiney位于圣·讓·D·莫里因工廠的G系列120臺(tái)AP28（后發(fā)展為AP30）特大型槽開始工業(yè)化生產(chǎn)，成為世界矚目的焦點(diǎn)；同一時(shí)間，美國(guó)Alcoa在澳大利亞Poltland鋁廠的Aloca-817也投入運(yùn)行，運(yùn)行電流均達(dá)到275～300kA，國(guó)際鋁電解技術(shù)大型化發(fā)展的步伐進(jìn)一步加快。
攻關(guān)項(xiàng)目啟動(dòng)。1987年9月，在貴鋁180kA試驗(yàn)槽技術(shù)方案順利通過專家評(píng)審的背景下，老專家們高瞻遠(yuǎn)矚，從趕超國(guó)際先進(jìn)水平的戰(zhàn)略角度出發(fā)積極建議：由輕研院牽頭，聯(lián)合貴陽院、沈陽院在河南省內(nèi)建立“國(guó)家大型鋁電解試驗(yàn)基地”，開發(fā)試驗(yàn)我國(guó)自己的280kA以上特大型鋁電解槽，直接瞄準(zhǔn)國(guó)際最先進(jìn)技術(shù)。之所以由輕研院牽頭實(shí)施，也包含了為研究院發(fā)展實(shí)體產(chǎn)業(yè)的另一層意義，之前輕研院的氧化鋁中試廠建設(shè)取得了很好的效果。項(xiàng)目得到了中國(guó)有色金屬工業(yè)總公司科技局領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，并在1988年初得到國(guó)家計(jì)委批示立項(xiàng)，列為國(guó)家計(jì)委、有色總公司“七五”“八五”重大攻關(guān)項(xiàng)目，項(xiàng)目初期總投資預(yù)算2800萬元，后為了維持工廠運(yùn)行、增加生產(chǎn)設(shè)施，調(diào)整為5300萬元（實(shí)際投資更高）。作為當(dāng)時(shí)的科技開發(fā)項(xiàng)目投資規(guī)模之大、參與人數(shù)之多、規(guī)格之高、開發(fā)周期之長(zhǎng)，可以說是空前絕后，當(dāng)時(shí)就被稱之為“鋁電解科技的奧林匹克”。
作者在1995年陪同程宗浩老院長(zhǎng)前往廣西平果鋁參加全國(guó)第三屆輕金屬冶金學(xué)術(shù)會(huì)議路途中，老院長(zhǎng)一路上暢談他對(duì)鋁工業(yè)科技開發(fā)工作的宏偉設(shè)想，希望有一天真正建立中國(guó)在世界上有影響力的鋁工業(yè)技術(shù)開發(fā)中心。作為一個(gè)已經(jīng)離休10余年的老領(lǐng)導(dǎo)，對(duì)鋁工業(yè)科技發(fā)展所傾注的關(guān)切和情懷，作為晚輩的作者感慨萬千，他的諄諄教誨至今銘記。沒有老一輩開疆拓土的雄才偉略和嘔心瀝血的奉獻(xiàn)精神，就不會(huì)有我國(guó)鋁工業(yè)今天的輝煌。
聯(lián)合攻關(guān)——群英薈萃。1988年7月，驕陽似火，280kA鋁電解試驗(yàn)項(xiàng)目工作正式啟動(dòng)。鄭州輕研院派出了強(qiáng)大陣容：第一任項(xiàng)目指揮長(zhǎng)由輕研院副院長(zhǎng)劉全樸教授擔(dān)任，盧光裕、黃志高等任副指揮長(zhǎng)，干益人任總工程師，郭超然、趙無畏等專家任副總工程師。按照有色總公司科技局組織安排，項(xiàng)目參加單位的設(shè)計(jì)分工為：貴陽院負(fù)責(zé)電解車間及4臺(tái)電解槽設(shè)計(jì)、凈化系統(tǒng)和氧化鋁輸送等，總設(shè)計(jì)師為土建專家、技術(shù)處處長(zhǎng)于家謀、電解設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人是武威高工和作者，同時(shí)負(fù)責(zé)物理場(chǎng)仿真設(shè)計(jì)；工藝及槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還有高振玉、易小兵、劉光聲、王愚等；沈陽院負(fù)責(zé)整流所設(shè)計(jì)，總設(shè)計(jì)師霍慶發(fā)、電氣負(fù)責(zé)人李明賢，工藝負(fù)責(zé)人王汝良、張萬福等，鄭州輕研院設(shè)計(jì)部負(fù)責(zé)其他配套部份的設(shè)計(jì)（包括總平面、鑄造車間、陽極組裝等），設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人是郭振圖高工。他們?yōu)榍捌诘捻?xiàng)目決策、方案設(shè)計(jì)、項(xiàng)目建設(shè)作出了重大貢獻(xiàn)。
廠址選擇最初有兩個(gè)方案：一個(gè)是開封，一個(gè)是焦作市下轄的沁陽市。由于開封的電力條件不能滿足要求，最后落實(shí)在沁陽市，距離剛剛擴(kuò)建完成又有富余電力負(fù)荷的沁陽電廠不到一公里的校尉營(yíng)村——太行山腳下一個(gè)名不見經(jīng)傳的小村莊。距離輕研院所在地鄭州上街區(qū)150公里，坐班車要走4、5個(gè)小時(shí)。在建設(shè)規(guī)劃上，為了使試驗(yàn)基地具備一定的生產(chǎn)規(guī)模，投產(chǎn)后能夠獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，輕研院領(lǐng)導(dǎo)在試驗(yàn)槽建設(shè)的同時(shí)，原考慮建設(shè)一個(gè)1萬噸規(guī)模的60kA自焙槽系列（當(dāng)時(shí)小電解鋁廠的起步規(guī)模），以能夠使試驗(yàn)廠投產(chǎn)后產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，維持基地運(yùn)轉(zhuǎn)。
專家組陣容強(qiáng)大。為了確保攻關(guān)萬無一失，總公司組織成立了一個(gè)由行業(yè)內(nèi)權(quán)威專家組成的“常設(shè)專家組”，專家組成員由韋涵光、邱竹賢、程宗浩、楊瑞祥、姚世煥、徐樹田、張大有等七人組成，老院長(zhǎng)程宗浩任專家組長(zhǎng)，輕研院老專家張大有任副組長(zhǎng)。經(jīng)過可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)，每往前一步，都要經(jīng)過專家組進(jìn)行方案討論和論證。
上世紀(jì)80年代中后期，法國(guó)Pechiney開發(fā)的280kA(AP28-30)和美鋁300kA(Alcoa817)剛剛實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，而我國(guó)280kA鋁電解試驗(yàn)槽的設(shè)計(jì)，是在貴陽院“三場(chǎng)”研究成果得到初步驗(yàn)證，對(duì)160kA電解槽技術(shù)改造、186kA試驗(yàn)槽僅完成設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。但當(dāng)時(shí)186kA試驗(yàn)項(xiàng)目尚未啟動(dòng)，直接跨越到當(dāng)時(shí)國(guó)際上最大容量級(jí)的280kA電解槽，設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)可想而知。有色總公司安排國(guó)外考察，只要是考察團(tuán)，到人家的鋁廠也只能在幾十米開外遠(yuǎn)遠(yuǎn)地看上一眼，當(dāng)然技術(shù)考察是一律不接待的，大型槽技術(shù)秘密在當(dāng)時(shí)是嚴(yán)格封鎖的。作為國(guó)際各大鋁業(yè)公司剛剛開發(fā)成功的最新技術(shù)，嚴(yán)格的技術(shù)保密也是可以理解的。在作者和大多數(shù)專家的心里，AP28、Alcoa-817就像神一樣的存在，所有的資料就只有論文和幾張照片，物理場(chǎng)——更是看不見摸不著，告訴你結(jié)果和指標(biāo)，你也不知道怎么做。
在這種情況下，項(xiàng)目建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位包括專家組全體參試人員，盡管都安排組成了最強(qiáng)的團(tuán)隊(duì)，但面臨的壓力仍是巨大的。電解槽設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方案的確定過程中，多次召開專家論證會(huì)，廣泛調(diào)研，聽取多方面的意見。作者在每次專家評(píng)審會(huì)其間，都能夠聽到前輩專家們說的最多的一句話，是一句近似安慰的鼓勵(lì)：大膽設(shè)計(jì)，不用怕，總能出鋁吧？一方面這么大的槽子，大家心里沒底，不敢有太大的奢望，也做好了最不利的準(zhǔn)備；另一方面，也期待著成功的一天。當(dāng)時(shí)那種責(zé)任感、使命感和壓力陡然劇增。
總體方案。經(jīng)過項(xiàng)目組艱苦努力，在全面研究并充分結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有試驗(yàn)基礎(chǔ)，最終向?qū)＜医M提出的設(shè)計(jì)方案如下：
① 設(shè)計(jì)電流強(qiáng)度280kA，安裝4臺(tái)試驗(yàn)槽；選擇4臺(tái)槽基本是工業(yè)化試驗(yàn)的慣例。按照磁場(chǎng)的特點(diǎn)，一般端部槽很難獲得理想效果，中間槽至少2臺(tái)以作為試驗(yàn)對(duì)比樣本，這也是最少的配置了。
② 最初考慮兩個(gè)方案，采用鄭州鋁廠65kA小預(yù)焙槽陽極，36組陽極陽極（雙極組）的方案被否決；最后采用了貴鋁的改進(jìn)陽極尺寸1450×660×540，陽極組數(shù)40組，陽極電流密度0.7314A/cm2；受到原有陽極尺寸的限制，只有少許的改變；陽極電流密度也有增加。
③ 陰極炭塊尺寸515×450×3150，陰極組數(shù)28組；陰極的尺寸當(dāng)時(shí)可以選擇的只有貴州鋁廠的模式。
④ 母線配置設(shè)計(jì)為全大面五點(diǎn)進(jìn)電；理論研究的成果，特大型槽獲得最佳磁流體力動(dòng)力學(xué)效果的配置形式，即電解槽橫向排列和大面多點(diǎn)進(jìn)電。
⑤ 陽極提升機(jī)構(gòu)渦輪蝸桿式，采用8點(diǎn)提升；最初的設(shè)計(jì)，穩(wěn)妥可靠。
⑥ 采用中間下料方式，六點(diǎn)下料，下料器容量1.8kg，采用筒式（機(jī)械式）下料器；符合國(guó)際最新工藝技術(shù)發(fā)展。
⑦ 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用氧化鋁濃度自適應(yīng)控制系統(tǒng)；已經(jīng)在前期的研究中獲得一定基礎(chǔ)。
⑧ 加工面為：大面375，小面450，陽極中縫200；參考了186kA槽，也是國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)。
⑨ 試驗(yàn)廠房采用兩層樓式結(jié)構(gòu)，操作平臺(tái)為+2.8m，廠房跨度為24m；基于車間散熱需要，這種廠房結(jié)構(gòu)形式為大型槽普遍采用，也與引進(jìn)項(xiàng)目一樣。
⑩ 氧化鋁輸送采用了超濃相輸送；當(dāng)時(shí)可選擇的是濃相和超濃相技術(shù)，但濃相技術(shù)國(guó)內(nèi)尚未掌握。
多功能機(jī)組駕駛室采用高位操作，與186kA試驗(yàn)槽一樣，采用了大連起重機(jī)廠高位操作的多功能操作機(jī)組。
從以上方案，內(nèi)行專家們都可以看出，280kA電解槽的所有技術(shù)選擇，都具備了現(xiàn)代大型鋁電解槽的基本特征，即使今天來評(píng)價(jià)依然是先進(jìn)的。