280kA試驗槽攻關(guān)——方案初定

1988年，我國電解鋁工業(yè)還處在鮮為人知的年代，但一場必定要載入史冊的技術(shù)變革正悄悄向我們走來。這一年，我國大型鋁電解試驗基地攻關(guān)項目正式啟動，此后三十多年的事實證明，這個項目的啟動，改寫了中國電解鋁工業(yè)發(fā)展的歷史。
老一輩的報國之心。關(guān)于這個項目的來歷，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、楊萬志等在為國家辛勤奮斗幾十年后，將離開工作崗位。而我國鋁工業(yè)正處在一個新老交替和歷史上百年不遇的換檔期，他們懷著對鋁工業(yè)的深厚感情和為我國鋁工業(yè)科技發(fā)展作貢獻的歷史責任感，深知我國鋁電解技術(shù)的開發(fā)創(chuàng)新須臾不可松懈，需要抓住機遇奮起直追，趕超世界先進水平。在他們的積極建議下，1984年7月，“中國有色金屬工業(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)計研究總院和鄭州輕金屬研究所（簡稱“輕研所”）抽調(diào)了一批專家，辦公地點就設(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)計部，來自貴陽院的電解專家郭振圖高工擔任設(shè)計部主任，這便是輕研院和其設(shè)計部的由來。
“中心”撤了，但老專家們?yōu)殇X工業(yè)科技創(chuàng)新作貢獻的初衷不改。1986年，法國Pechiney位于圣·讓·D·莫里因工廠的G系列120臺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；同一時間，美國Alcoa在澳大利亞Poltland鋁廠的Aloca-817也投入運行，運行電流均達到275～300kA，國際鋁電解技術(shù)大型化發(fā)展的步伐進一步加快。
攻關(guān)項目啟動。1987年9月，在貴鋁180kA試驗槽技術(shù)方案順利通過專家評審的背景下，老專家們高瞻遠矚，從趕超國際先進水平的戰(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“國家大型鋁電解試驗基地”，開發(fā)試驗我國自己的280kA以上特大型鋁電解槽，直接瞄準國際最先進技術(shù)。之所以由輕研院牽頭實施，也包含了為研究院發(fā)展實體產(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。項目得到了中國有色金屬工業(yè)總公司科技局領(lǐng)導(dǎo)的大力支持，并在1988年初得到國家計委批示立項，列為國家計委、有色總公司“七五”“八五”重大攻關(guān)項目，項目初期總投資預(yù)算2800萬元，后為了維持工廠運行、增加生產(chǎn)設(shè)施，調(diào)整為5300萬元（實際投資更高）。作為當時的科技開發(fā)項目投資規(guī)模之大、參與人數(shù)之多、規(guī)格之高、開發(fā)周期之長，可以說是空前絕后，當時就被稱之為“鋁電解科技的奧林匹克”。
作者在1995年陪同程宗浩老院長前往廣西平果鋁參加全國第三屆輕金屬冶金學(xué)術(shù)會議路途中，老院長一路上暢談他對鋁工業(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。作為一個已經(jīng)離休10余年的老領(lǐng)導(dǎo)，對鋁工業(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精神，就不會有我國鋁工業(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鋁電解試驗項目工作正式啟動。鄭州輕研院派出了強大陣容：第一任項目指揮長由輕研院副院長劉全樸教授擔任，盧光裕、黃志高等任副指揮長，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，項目參加單位的設(shè)計分工為：貴陽院負責電解車間及4臺電解槽設(shè)計、凈化系統(tǒng)和氧化鋁輸送等，總設(shè)計師為土建專家、技術(shù)處處長于家謀、電解設(shè)計負責人是武威高工和作者，同時負責物理場仿真設(shè)計；工藝及槽結(jié)構(gòu)設(shè)計還有高振玉、易小兵、劉光聲、王愚等；沈陽院負責整流所設(shè)計，總設(shè)計師霍慶發(fā)、電氣負責人李明賢，工藝負責人王汝良、張萬福等，鄭州輕研院設(shè)計部負責其他配套部份的設(shè)計（包括總平面、鑄造車間、陽極組裝等），設(shè)計負責人是郭振圖高工。他們?yōu)榍捌诘捻椖繘Q策、方案設(shè)計、項目建設(shè)作出了重大貢獻。
廠址選擇最初有兩個方案：一個是開封，一個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，最后落實在沁陽市，距離剛剛擴建完成又有富余電力負荷的沁陽電廠不到一公里的校尉營村——太行山腳下一個名不見經(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個小時。在建設(shè)規(guī)劃上，為了使試驗基地具備一定的生產(chǎn)規(guī)模，投產(chǎn)后能夠獨立運營，輕研院領(lǐng)導(dǎo)在試驗槽建設(shè)的同時，原考慮建設(shè)一個1萬噸規(guī)模的60kA自焙槽系列（當時小電解鋁廠的起步規(guī)模），以能夠使試驗廠投產(chǎn)后產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，維持基地運轉(zhuǎn)。
專家組陣容強大。為了確保攻關(guān)萬無一失，總公司組織成立了一個由行業(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，老院長程宗浩任專家組長，輕研院老專家張大有任副組長。經(jīng)過可行性研究、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計，每往前一步，都要經(jīng)過專家組進行方案討論和論證。
上世紀80年代中后期，法國Pechiney開發(fā)的280kA(AP28-30)和美鋁300kA(Alcoa817)剛剛實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，而我國280kA鋁電解試驗槽的設(shè)計，是在貴陽院“三場”研究成果得到初步驗證，對160kA電解槽技術(shù)改造、186kA試驗槽僅完成設(shè)計工作的基礎(chǔ)上進行的。但當時186kA試驗項目尚未啟動，直接跨越到當時國際上最大容量級的280kA電解槽，設(shè)計和試驗的風險可想而知。有色總公司安排國外考察，只要是考察團，到人家的鋁廠也只能在幾十米開外遠遠地看上一眼，當然技術(shù)考察是一律不接待的，大型槽技術(shù)秘密在當時是嚴格封鎖的。作為國際各大鋁業(yè)公司剛剛開發(fā)成功的最新技術(shù)，嚴格的技術(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——更是看不見摸不著，告訴你結(jié)果和指標，你也不知道怎么做。
在這種情況下，項目建設(shè)單位和設(shè)計單位包括專家組全體參試人員，盡管都安排組成了最強的團隊，但面臨的壓力仍是巨大的。電解槽設(shè)計和試驗方案的確定過程中，多次召開專家論證會，廣泛調(diào)研，聽取多方面的意見。作者在每次專家評審會其間，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：大膽設(shè)計，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備；另一方面，也期待著成功的一天。當時那種責任感、使命感和壓力陡然劇增。
總體方案。經(jīng)過項目組艱苦努力，在全面研究并充分結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有試驗基礎(chǔ)，最終向?qū)＜医M提出的設(shè)計方案如下：
① 設(shè)計電流強度280kA，安裝4臺試驗槽；選擇4臺槽基本是工業(yè)化試驗的慣例。按照磁場的特點，一般端部槽很難獲得理想效果，中間槽至少2臺以作為試驗對比樣本，這也是最少的配置了。
② 最初考慮兩個方案，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；陰極的尺寸當時可以選擇的只有貴州鋁廠的模式。
④ 母線配置設(shè)計為全大面五點進電；理論研究的成果，特大型槽獲得最佳磁流體力動力學(xué)效果的配置形式，即電解槽橫向排列和大面多點進電。
⑤ 陽極提升機構(gòu)渦輪蝸桿式，采用8點提升；最初的設(shè)計，穩(wěn)妥可靠。
⑥ 采用中間下料方式，六點下料，下料器容量1.8kg，采用筒式（機械式）下料器；符合國際最新工藝技術(shù)發(fā)展。
⑦ 計算機控制系統(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，也是國際發(fā)展趨勢。
⑨ 試驗廠房采用兩層樓式結(jié)構(gòu)，操作平臺為+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，也與引進項目一樣。
⑩ 氧化鋁輸送采用了超濃相輸送；當時可選擇的是濃相和超濃相技術(shù)，但濃相技術(shù)國內(nèi)尚未掌握。
多功能機組駕駛室采用高位操作，與186kA試驗槽一樣，采用了大連起重機廠高位操作的多功能操作機組。
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，即使今天來評價依然是先進的。