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大型鋁電解槽的開(kāi)發(fā)——180kA試驗(yàn)槽
上世紀(jì)80年代中期，國(guó)際上以美鋁Aloca697及P225電解槽工業(yè)化應(yīng)用，Pechiney在F系列采用AP18槽型之后，180kA～200kA級(jí)容量電解槽成為國(guó)際先進(jìn)鋁電解技術(shù)的典型代表，并被其他西方國(guó)家所效仿（如瑞士鋁業(yè)、加拿大鋁業(yè)、挪威海德魯?shù)龋?。與此同時(shí)，280kA～300kA級(jí)的特大型電解槽也逐步開(kāi)始了其工業(yè)化的進(jìn)程。物理場(chǎng)（“三場(chǎng)”）研究的成果，也將中國(guó)鋁電解技術(shù)發(fā)展推向了一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在行業(yè)內(nèi)逐步建立了走自主開(kāi)發(fā)道路和打造我國(guó)鋁電解技術(shù)創(chuàng)新體系的信心。
因此，為了積極追趕國(guó)際鋁電解技術(shù)發(fā)展前沿，貴陽(yáng)院聯(lián)合貴州鋁廠向國(guó)家經(jīng)委、有色總公司申請(qǐng)?jiān)谫F州鋁廠建設(shè)試驗(yàn)工廠，廠長(zhǎng)孫生軍果斷決策投資1800萬(wàn)元，開(kāi)發(fā)4臺(tái)180kA級(jí)鋁電解試驗(yàn)槽（實(shí)際電流186kA）。1987年2月獲得批準(zhǔn)，項(xiàng)目被國(guó)家經(jīng)委和有色總公司列為“七五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，試驗(yàn)廠建設(shè)期間，第一任廠長(zhǎng)為吳偉成（后擔(dān)任中鋁領(lǐng)導(dǎo)），后合并至第一電解鋁廠，廠長(zhǎng)為李鴻鵬高工。貴陽(yáng)院項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師為楊洪儒和胡慶軒高工。
試驗(yàn)的主要方案。作為我國(guó)第一個(gè)自主開(kāi)發(fā)的大型預(yù)焙槽技術(shù)，所遇到的技術(shù)問(wèn)題和選擇是多方面的，在當(dāng)時(shí)的條件下，具有很大的挑戰(zhàn)性，電解槽設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方案確定過(guò)程中，多次召開(kāi)專家論證會(huì)，聽(tīng)取多方面的意見(jiàn)。幾經(jīng)反復(fù)，最終確定的設(shè)計(jì)方案如下：
①設(shè)計(jì)電流強(qiáng)度186kA，安裝4臺(tái)試驗(yàn)槽。
②母線配置設(shè)計(jì)為四點(diǎn)進(jìn)電，為“兩端+大面中間兩點(diǎn)”，保留160kA電解槽槽底有中間往端部引出的補(bǔ)償母線，增加了中間短路母線。
③陽(yáng)極尺寸1450×660×540，陽(yáng)極組數(shù)28組，陽(yáng)極電流密度0.7A/cm2。
④3臺(tái)槽陽(yáng)極提升機(jī)構(gòu)渦輪蝸桿式，采用四點(diǎn)提升；1#槽參考日本酒田鋁廠（白銀鋁廠引進(jìn)155kA）的絲杠外置形式的渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。
⑤采用中間下料方式，四點(diǎn)下料，下料器容量4.5kg，最初的方案采用風(fēng)動(dòng)下料器（溜槽控制），設(shè)有5噸壁料箱，采用風(fēng)動(dòng)溜槽供料（早期的超濃相技術(shù)）。
⑥首次采用了小加工面設(shè)計(jì)：大面375，小面450，陽(yáng)極中縫200。
⑦槽內(nèi)襯結(jié)構(gòu)在底部保溫與側(cè)下部的保溫與防滲漏結(jié)構(gòu)上，依據(jù)電熱模擬仿真的等溫線圖和熱流分布（及爐幫形狀），采取了特殊的設(shè)計(jì)。
⑧試驗(yàn)廠房采用兩層樓式結(jié)構(gòu)，操作平臺(tái)為+2.6m，廠房跨度為22.5m。
⑨整流供電采用了從已投產(chǎn)的第二個(gè)8萬(wàn)噸引入160kA，再新建一個(gè)30kA機(jī)組，向試驗(yàn)槽提供26kA電流。
⑩為適應(yīng)母線“四點(diǎn)進(jìn)點(diǎn)”后大面立柱母線對(duì)操作的影響，多功能機(jī)組駕駛室必須采用高位操作模式。
主要設(shè)計(jì)人員有易小兵、席燦明等，作者最初負(fù)責(zé)電熱解析仿真及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，后承擔(dān)了電磁場(chǎng)及母線設(shè)計(jì)方案和測(cè)試工作等，陳廷貴負(fù)責(zé)流場(chǎng)的仿真；電解槽力學(xué)結(jié)構(gòu)與上部傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在當(dāng)時(shí)也得到了高度的重視，傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)了兩種渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)：一種是現(xiàn)在常用的這種渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蝸桿升降，另一種是渦輪與蝸桿固定在一起轉(zhuǎn)動(dòng)、帶動(dòng)固定在母線上的絲母升降（參考了日本酒田式），劉光聲高工、吳有威、郭海龍等非常成功地完成了這方面的工作；采用了貴陽(yáng)院研制設(shè)計(jì)、大連起重機(jī)廠生產(chǎn)的首臺(tái)國(guó)產(chǎn)高位操作的多功能機(jī)組，主任設(shè)計(jì)師為劉宗俊高工。
車間系列母線影響——首次非對(duì)稱配置。作為一個(gè)單獨(dú)的試驗(yàn)槽系列，由于槽數(shù)少，試驗(yàn)槽內(nèi)磁場(chǎng)受到回路大母線磁場(chǎng)的干擾嚴(yán)重。為了削弱這種影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，將由老系列（貴鋁三電解）引入的160kA電流返回母線布置在試驗(yàn)廠房的一側(cè)，而將另外增加的26kA小機(jī)組電流由另一側(cè)返回。利用磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流成正比，與距離平方成反比的關(guān)系，通過(guò)仿真調(diào)整兩側(cè)母線與槽中心的距離使其能夠最大限度地相互抵消。設(shè)計(jì)結(jié)果160kA大母線距槽中心51.2m，26kA母線距槽中心11.7m。當(dāng)然這樣仍然不能完全消除其對(duì)試驗(yàn)槽磁場(chǎng)的不利影響，而且這部分磁場(chǎng)對(duì)試驗(yàn)槽影響仍然是非對(duì)稱的。為此，電解槽周圍母線也設(shè)計(jì)成非對(duì)稱形式，進(jìn)一步改善了試驗(yàn)槽的磁場(chǎng)分布。
設(shè)計(jì)方案通過(guò)審查。1987年7月，有色總公司在貴州鋁廠組織全國(guó)專家召開(kāi)了試驗(yàn)槽設(shè)計(jì)方案審查會(huì)，參加會(huì)議的有中南大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)、鄭州輕金屬研究院、貴陽(yáng)和沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院、貴州鋁廠、有色總公司貴陽(yáng)分公司劉業(yè)翔、姚世煥、梅榮淳、梅熾、潘學(xué)榮、韓佩川、干益人、武威、楊洪儒、李潤(rùn)東、蔡其風(fēng)等業(yè)內(nèi)著名專家和方瑛、孫良佳等總公司領(lǐng)導(dǎo)。除了研究討論試驗(yàn)槽的配置、陰陽(yáng)極、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面審查以外，會(huì)議關(guān)注的焦點(diǎn)自然是試驗(yàn)槽的電磁場(chǎng)和母線的設(shè)計(jì)問(wèn)題。專家評(píng)審會(huì)議認(rèn)為，試驗(yàn)車間在設(shè)計(jì)上對(duì)技術(shù)問(wèn)題的考慮是全面的，采用的工藝技術(shù)先進(jìn)，物理場(chǎng)設(shè)計(jì)可靠，首次設(shè)計(jì)的外部大母線和槽周母線非對(duì)稱設(shè)計(jì)得到與會(huì)專家的肯定。
母線設(shè)計(jì)一波三折。母線系統(tǒng)設(shè)計(jì)是鋁電解槽成敗的關(guān)鍵，這一點(diǎn)今天已為鋁電解人所熟知，而電解槽周圍母線的設(shè)計(jì)是決定的因素。判斷母線設(shè)計(jì)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是其磁流體力學(xué)特性，槽內(nèi)熔體流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力主要是電流與磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的電磁力。電流場(chǎng)除了受到槽子結(jié)構(gòu)影響外，主要由熱場(chǎng)的設(shè)計(jì)結(jié)果決定；電磁場(chǎng)的計(jì)算則需要考慮電解槽周圍復(fù)雜導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的綜合效果，如相鄰系列的影響，系列大母線的影響及鐵磁性物質(zhì)的復(fù)雜影響。
1990年2月，試驗(yàn)槽已經(jīng)進(jìn)入緊張地施工安裝階段的時(shí)候，剛剛參加完280kA試驗(yàn)槽(另一項(xiàng)國(guó)家重大攻關(guān)項(xiàng)目)方案審查的楊洪儒發(fā)現(xiàn)，186kA電解槽原母線設(shè)計(jì)由于受到軟件本身的限制在對(duì)復(fù)雜電磁場(chǎng)仿真計(jì)算考慮不足，這可能導(dǎo)致試驗(yàn)槽在電磁模擬精度上出現(xiàn)偏差，并且受日本引進(jìn)技術(shù)影響母線設(shè)計(jì)偏于保守。
調(diào)整方案——中斷施工。于是在總設(shè)計(jì)師楊洪儒的強(qiáng)烈建議下，在工程即將進(jìn)入安裝的情況下，中斷施工。采用了最新開(kāi)發(fā)的第二代磁場(chǎng)模擬程序（LMAG）和母線優(yōu)化軟件(LBUS)。在對(duì)不同類型的母線分別進(jìn)行磁影響處理，重新計(jì)算設(shè)計(jì)完成最終的母線設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)槽新的磁場(chǎng)模擬結(jié)果將四點(diǎn)進(jìn)電方案的進(jìn)電比由原來(lái)的9∶5∶5∶9修改設(shè)計(jì)為1∶1∶1∶1，即四個(gè)立母線等電流進(jìn)電，方案最終得到了順利實(shí)施。
從1986年項(xiàng)目啟動(dòng)到1993年試驗(yàn)槽鑒定驗(yàn)收7年間，設(shè)計(jì)方案和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)反反復(fù)復(fù)，貴陽(yáng)院和貴州鋁廠項(xiàng)目組的同志，唯恐出現(xiàn)任何問(wèn)題，留下遺憾。試驗(yàn)組的同志克服重重困難，經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次的調(diào)整和完善，解決了一系列的技術(shù)難題。
最終模擬的電磁及磁流體力學(xué)特性結(jié)果：槽內(nèi)垂直磁場(chǎng)最大值12.72高斯(1Gs=10-4T)，平均4.87高斯；橫向水平磁場(chǎng)最大值102.5高斯，平均35.5高斯；鋁液層流速最大值17.19cm/s，平均3.96cm/s；鋁液面隆起最大高度1.51cm。
LBUS設(shè)計(jì)的母線系統(tǒng)在滿足電流分布誤差不大于3%的情況下，系統(tǒng)總壓降當(dāng)量值為175mv，鋁母線用量（包括陽(yáng)極母線）僅為27.1t/槽，經(jīng)過(guò)全面的試驗(yàn)測(cè)試，在試驗(yàn)槽上的運(yùn)行效果得到了驗(yàn)證。
但是，鋁電解專業(yè)的同志可能都看得出來(lái)，當(dāng)時(shí)由于步子還不敢邁得太大，母線的設(shè)計(jì)還帶有日本技術(shù)(兩端進(jìn)電)的一些痕跡。
認(rèn)識(shí)的沖突——試驗(yàn)槽啟動(dòng)再遇阻力。試驗(yàn)項(xiàng)目得到了有色總公司領(lǐng)導(dǎo)和總公司科技部的高度重視，在各方努力下終于在1990年下半年建成，并具備了啟動(dòng)運(yùn)行的條件。此時(shí)，貴州鋁廠老廠長(zhǎng)孫生軍退休，新廠長(zhǎng)楊光上任，試驗(yàn)工作進(jìn)程出現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)。在投產(chǎn)前的啟動(dòng)方案論證會(huì)上，部分專家提出了反對(duì)意見(jiàn)，擔(dān)心試驗(yàn)槽啟動(dòng)后會(huì)存在三個(gè)方面的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)：一是因?yàn)樵囼?yàn)槽有160kA電流來(lái)自于后8萬(wàn)噸系列，試驗(yàn)槽投產(chǎn)后會(huì)造成其剩余電壓不足給生產(chǎn)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)；二是從電力技術(shù)上擔(dān)心兩個(gè)不同電壓等級(jí)的機(jī)組合并提供186kA（160kA+26kA）也存在風(fēng)險(xiǎn)；三是擔(dān)心試驗(yàn)槽和為試驗(yàn)槽所設(shè)的大母線產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)影響后8萬(wàn)噸生產(chǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而反復(fù)爭(zhēng)論的結(jié)果，第三點(diǎn)無(wú)論如何也沒(méi)辦法說(shuō)服所有的人：磁場(chǎng)，還是磁場(chǎng)問(wèn)題，這個(gè)看不見(jiàn)摸不著的問(wèn)題。正因?yàn)橹来艌?chǎng)問(wèn)題是關(guān)鍵所在，有些專家就武斷地認(rèn)為中國(guó)人沒(méi)有這個(gè)能力，任憑試驗(yàn)組有再充分的科學(xué)依據(jù)也無(wú)濟(jì)于事。在當(dāng)時(shí)大背景下，一項(xiàng)前所未有的試驗(yàn)項(xiàng)目要求所有專家理解也是不可能的。
方瑛的執(zhí)著。由于存在不同意見(jiàn)，試驗(yàn)槽的啟動(dòng)被一再推遲。在這個(gè)過(guò)程中，有色總公司科技部負(fù)責(zé)項(xiàng)目協(xié)調(diào)的處長(zhǎng)方瑛教授等積極奔走、多方協(xié)調(diào)。組織專題討論會(huì)，向各方面領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)溝通，展示充分的科學(xué)依據(jù)和對(duì)試驗(yàn)工作的信心，強(qiáng)調(diào)試驗(yàn)工作對(duì)我國(guó)鋁電解技術(shù)發(fā)展的重要意義。終于，在通過(guò)專家論證的基礎(chǔ)上，獲得了各方面的一致支持，此時(shí)方瑛流出了激動(dòng)的淚水。
上下齊心——中國(guó)大型槽開(kāi)發(fā)首獲成功。為這個(gè)項(xiàng)目作出過(guò)重要貢獻(xiàn)的還有時(shí)任貴州鋁廠副廠長(zhǎng)劉治平、總工程師馮紹忠，他們是項(xiàng)目的組織者和決策者；電解鋁廠總工程師冷正旭、車間主任黎計(jì)武等技術(shù)專家，他們?cè)谠囼?yàn)過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。
回憶這段歷史，仍然能夠感受到大型槽開(kāi)發(fā)過(guò)程的艱難，但在當(dāng)時(shí)的歷史背景下，試驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)這樣的插曲也是很正常的。在我國(guó)大多數(shù)鋁廠還在使用80kA以下自焙槽的情況下，對(duì)180kA大型電解槽這樣的新鮮事物一時(shí)不能或不敢接受，是可以理解的。即使在1994年試驗(yàn)槽已經(jīng)通過(guò)鑒定以后，某大型鋁企業(yè)考察團(tuán)在為其擴(kuò)建工程選擇電解槽技術(shù)，第一次考察180kA試驗(yàn)廠的時(shí)候，廠長(zhǎng)當(dāng)著作者的面發(fā)出感嘆：這么大的家伙，我們敢不敢搞？而今天看來(lái)是不是有些好笑，600kA我們都嫌小了，這就是我們認(rèn)識(shí)事物的過(guò)程。
經(jīng)過(guò)多方努力，四臺(tái)試驗(yàn)槽在推遲一年多以后終于在1991年9月順利啟動(dòng)投產(chǎn)。經(jīng)過(guò)一年半的運(yùn)行，取得了電流效率93.5%，直流電耗13450kWh/tAl的運(yùn)行指標(biāo)。1993年3月，通過(guò)國(guó)家科技成果鑒定。這是我國(guó)依靠自己的研究成果，自主開(kāi)發(fā)成功的第一代現(xiàn)代大型預(yù)焙陽(yáng)極鋁電解槽，達(dá)到了當(dāng)時(shí)的國(guó)際先進(jìn)水平。
1998年，該項(xiàng)成果獲得了國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，為我國(guó)鋁電解工業(yè)發(fā)展提供了重要的核心技術(shù)和成套裝備，標(biāo)志著我國(guó)鋁電解技術(shù)發(fā)展跨上了一個(gè)新臺(tái)階，獲得了大型槽工業(yè)化開(kāi)發(fā)的寶貴經(jīng)驗(yàn)。
在國(guó)際鋁電解技術(shù)發(fā)展的歷史上，這一容量的槽型是具有典型意義的現(xiàn)代鋁電解槽技術(shù)的代表，正如美鋁A-697和法鋁AP18一樣。無(wú)論如何，我國(guó)180kA試驗(yàn)槽的開(kāi)發(fā)終于成功地邁出了第一步，完成了它的歷史使命，為此后的280kA、320kA、350kA、400kA級(jí)以上電解槽的開(kāi)發(fā)及工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)，具有重要的歷史意義。