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大型鋁電解槽的開發(fā)——180kA試驗槽
上世紀(jì)80年代中期，國際上以美鋁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級容量電解槽成為國際先進(jìn)鋁電解技術(shù)的典型代表，并被其他西方國家所效仿（如瑞士鋁業(yè)、加拿大鋁業(yè)、挪威海德魯?shù)龋?。與此同時，280kA～300kA級的特大型電解槽也逐步開始了其工業(yè)化的進(jìn)程。物理場（“三場”）研究的成果，也將中國鋁電解技術(shù)發(fā)展推向了一個重要的轉(zhuǎn)折點，在行業(yè)內(nèi)逐步建立了走自主開發(fā)道路和打造我國鋁電解技術(shù)創(chuàng)新體系的信心。
因此，為了積極追趕國際鋁電解技術(shù)發(fā)展前沿，貴陽院聯(lián)合貴州鋁廠向國家經(jīng)委、有色總公司申請在貴州鋁廠建設(shè)試驗工廠，廠長孫生軍果斷決策投資1800萬元，開發(fā)4臺180kA級鋁電解試驗槽（實際電流186kA）。1987年2月獲得批準(zhǔn)，項目被國家經(jīng)委和有色總公司列為“七五”重點攻關(guān)項目，試驗廠建設(shè)期間，第一任廠長為吳偉成（后擔(dān)任中鋁領(lǐng)導(dǎo)），后合并至第一電解鋁廠，廠長為李鴻鵬高工。貴陽院項目總設(shè)計師為楊洪儒和胡慶軒高工。
試驗的主要方案。作為我國第一個自主開發(fā)的大型預(yù)焙槽技術(shù)，所遇到的技術(shù)問題和選擇是多方面的，在當(dāng)時的條件下，具有很大的挑戰(zhàn)性，電解槽設(shè)計和試驗方案確定過程中，多次召開專家論證會，聽取多方面的意見。幾經(jīng)反復(fù)，最終確定的設(shè)計方案如下：
①設(shè)計電流強(qiáng)度186kA，安裝4臺試驗槽。
②母線配置設(shè)計為四點進(jìn)電，為“兩端+大面中間兩點”，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陽極尺寸1450×660×540，陽極組數(shù)28組，陽極電流密度0.7A/cm2。
④3臺槽陽極提升機(jī)構(gòu)渦輪蝸桿式，采用四點提升；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。
⑤采用中間下料方式，四點下料，下料器容量4.5kg，最初的方案采用風(fēng)動下料器（溜槽控制），設(shè)有5噸壁料箱，采用風(fēng)動溜槽供料（早期的超濃相技術(shù)）。
⑥首次采用了小加工面設(shè)計：大面375，小面450，陽極中縫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。
⑧試驗廠房采用兩層樓式結(jié)構(gòu)，操作平臺為+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8萬噸引入160kA，再新建一個30kA機(jī)組，向試驗槽提供26kA電流。
⑩為適應(yīng)母線“四點進(jìn)點”后大面立柱母線對操作的影響，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)計方案，后承擔(dān)了電磁場及母線設(shè)計方案和測試工作等，陳廷貴負(fù)責(zé)流場的仿真；電解槽力學(xué)結(jié)構(gòu)與上部傳動系統(tǒng)的設(shè)計在當(dāng)時也得到了高度的重視，傳動裝置設(shè)計了兩種渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)：一種是現(xiàn)在常用的這種渦輪轉(zhuǎn)動帶動蝸桿升降，另一種是渦輪與蝸桿固定在一起轉(zhuǎn)動、帶動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；采用了貴陽院研制設(shè)計、大連起重機(jī)廠生產(chǎn)的首臺國產(chǎn)高位操作的多功能機(jī)組，主任設(shè)計師為劉宗俊高工。
車間系列母線影響——首次非對稱配置。作為一個單獨的試驗槽系列，由于槽數(shù)少，試驗槽內(nèi)磁場受到回路大母線磁場的干擾嚴(yán)重。為了削弱這種影響，根據(jù)現(xiàn)場條件，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試驗槽磁場的不利影響，而且這部分磁場對試驗槽影響仍然是非對稱的。為此，電解槽周圍母線也設(shè)計成非對稱形式，進(jìn)一步改善了試驗槽的磁場分布。
設(shè)計方案通過審查。1987年7月，有色總公司在貴州鋁廠組織全國專家召開了試驗槽設(shè)計方案審查會，參加會議的有中南大學(xué)、北方工業(yè)大學(xué)、鄭州輕金屬研究院、貴陽和沈陽鋁鎂設(shè)計研究院、貴州鋁廠、有色總公司貴陽分公司劉業(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)。除了研究討論試驗槽的配置、陰陽極、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面審查以外，會議關(guān)注的焦點自然是試驗槽的電磁場和母線的設(shè)計問題。專家評審會議認(rèn)為，試驗車間在設(shè)計上對技術(shù)問題的考慮是全面的，采用的工藝技術(shù)先進(jìn)，物理場設(shè)計可靠，首次設(shè)計的外部大母線和槽周母線非對稱設(shè)計得到與會專家的肯定。
母線設(shè)計一波三折。母線系統(tǒng)設(shè)計是鋁電解槽成敗的關(guān)鍵，這一點今天已為鋁電解人所熟知，而電解槽周圍母線的設(shè)計是決定的因素。判斷母線設(shè)計優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是其磁流體力學(xué)特性，槽內(nèi)熔體流動的驅(qū)動力主要是電流與磁場作用產(chǎn)生的電磁力。電流場除了受到槽子結(jié)構(gòu)影響外，主要由熱場的設(shè)計結(jié)果決定；電磁場的計算則需要考慮電解槽周圍復(fù)雜導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場的綜合效果，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，試驗槽已經(jīng)進(jìn)入緊張地施工安裝階段的時候，剛剛參加完280kA試驗槽(另一項國家重大攻關(guān)項目)方案審查的楊洪儒發(fā)現(xiàn)，186kA電解槽原母線設(shè)計由于受到軟件本身的限制在對復(fù)雜電磁場仿真計算考慮不足，這可能導(dǎo)致試驗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)計偏于保守。
調(diào)整方案——中斷施工。于是在總設(shè)計師楊洪儒的強(qiáng)烈建議下，在工程即將進(jìn)入安裝的情況下，中斷施工。采用了最新開發(fā)的第二代磁場模擬程序（LMAG）和母線優(yōu)化軟件(LBUS)。在對不同類型的母線分別進(jìn)行磁影響處理，重新計算設(shè)計完成最終的母線設(shè)計方案。試驗槽新的磁場模擬結(jié)果將四點進(jìn)電方案的進(jìn)電比由原來的9∶5∶5∶9修改設(shè)計為1∶1∶1∶1，即四個立母線等電流進(jìn)電，方案最終得到了順利實施。
從1986年項目啟動到1993年試驗槽鑒定驗收7年間，設(shè)計方案和現(xiàn)場試驗反反復(fù)復(fù)，貴陽院和貴州鋁廠項目組的同志，唯恐出現(xiàn)任何問題，留下遺憾。試驗組的同志克服重重困難，經(jīng)歷了無數(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)垂直磁場最大值12.72高斯(1Gs=10-4T)，平均4.87高斯；橫向水平磁場最大值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（包括陽極母線）僅為27.1t/槽，經(jīng)過全面的試驗測試，在試驗槽上的運行效果得到了驗證。
但是，鋁電解專業(yè)的同志可能都看得出來，當(dāng)時由于步子還不敢邁得太大，母線的設(shè)計還帶有日本技術(shù)(兩端進(jìn)電)的一些痕跡。
認(rèn)識的沖突——試驗槽啟動再遇阻力。試驗項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，并具備了啟動運行的條件。此時，貴州鋁廠老廠長孫生軍退休，新廠長楊光上任，試驗工作進(jìn)程出現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)。在投產(chǎn)前的啟動方案論證會上，部分專家提出了反對意見，擔(dān)心試驗槽啟動后會存在三個方面的技術(shù)風(fēng)險：一是因為試驗槽有160kA電流來自于后8萬噸系列，試驗槽投產(chǎn)后會造成其剩余電壓不足給生產(chǎn)帶來風(fēng)險；二是從電力技術(shù)上擔(dān)心兩個不同電壓等級的機(jī)組合并提供186kA（160kA+26kA）也存在風(fēng)險；三是擔(dān)心試驗槽和為試驗槽所設(shè)的大母線產(chǎn)生的磁場會影響后8萬噸生產(chǎn)的正常運轉(zhuǎn)。而反復(fù)爭論的結(jié)果，第三點無論如何也沒辦法說服所有的人：磁場，還是磁場問題，這個看不見摸不著的問題。正因為知道磁場問題是關(guān)鍵所在，有些專家就武斷地認(rèn)為中國人沒有這個能力，任憑試驗組有再充分的科學(xué)依據(jù)也無濟(jì)于事。在當(dāng)時大背景下，一項前所未有的試驗項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，試驗槽的啟動被一再推遲。在這個過程中，有色總公司科技部負(fù)責(zé)項目協(xié)調(diào)的處長方瑛教授等積極奔走、多方協(xié)調(diào)。組織專題討論會，向各方面領(lǐng)導(dǎo)匯報溝通，展示充分的科學(xué)依據(jù)和對試驗工作的信心，強(qiáng)調(diào)試驗工作對我國鋁電解技術(shù)發(fā)展的重要意義。終于，在通過專家論證的基礎(chǔ)上，獲得了各方面的一致支持，此時方瑛流出了激動的淚水。
上下齊心——中國大型槽開發(fā)首獲成功。為這個項目作出過重要貢獻(xiàn)的還有時任貴州鋁廠副廠長劉治平、總工程師馮紹忠，他們是項目的組織者和決策者；電解鋁廠總工程師冷正旭、車間主任黎計武等技術(shù)專家，他們在試驗過程中發(fā)揮了重要作用。
回憶這段歷史，仍然能夠感受到大型槽開發(fā)過程的艱難，但在當(dāng)時的歷史背景下，試驗過程出現(xiàn)這樣的插曲也是很正常的。在我國大多數(shù)鋁廠還在使用80kA以下自焙槽的情況下，對180kA大型電解槽這樣的新鮮事物一時不能或不敢接受，是可以理解的。即使在1994年試驗槽已經(jīng)通過鑒定以后，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試驗廠的時候，廠長當(dāng)著作者的面發(fā)出感嘆：這么大的家伙，我們敢不敢搞？而今天看來是不是有些好笑，600kA我們都嫌小了，這就是我們認(rèn)識事物的過程。
經(jīng)過多方努力，四臺試驗槽在推遲一年多以后終于在1991年9月順利啟動投產(chǎn)。經(jīng)過一年半的運行，取得了電流效率93.5%，直流電耗13450kWh/tAl的運行指標(biāo)。1993年3月，通過國家科技成果鑒定。這是我國依靠自己的研究成果，自主開發(fā)成功的第一代現(xiàn)代大型預(yù)焙陽極鋁電解槽，達(dá)到了當(dāng)時的國際先進(jìn)水平。
1998年，該項成果獲得了國家科技進(jìn)步二等獎，為我國鋁電解工業(yè)發(fā)展提供了重要的核心技術(shù)和成套裝備，標(biāo)志著我國鋁電解技術(shù)發(fā)展跨上了一個新臺階，獲得了大型槽工業(yè)化開發(fā)的寶貴經(jīng)驗。
在國際鋁電解技術(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。無論如何，我國180kA試驗槽的開發(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級以上電解槽的開發(fā)及工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)，具有重要的歷史意義。