作者简介：梁学民，郑州大学特聘教授，铝冶金学科带头人，中国有色金属学会常务理事。
第十节多项重大技术突破——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”；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。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，一年就要停电到次，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4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。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kA电解槽。经过多台kA槽的连续全电流启动开槽试验后，所有问题被成功破解。6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！“大型铝电解系列连续稳定运行工艺与装备”应用中(6年)“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“6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。这一成果获得年“中国专利金奖”，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7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。7年7月到8年9月，他联合田应甫教授在重庆天泰铝业3台kA电解槽上进行试验，终于取得意想不到的成果：吨铝直流电耗从下降到12kWh/tAl，吨铝节能0kWh以上。之后，在华东铝业94台kA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，引起了众多企业的转载请注明：http://www.baoshijiec.com/ylhx/8182.html
