今年以來(lái)，國(guó)家連續(xù)出臺(tái)了一系列政策，遏制鋼鐵、
電解鋁、水泥等行業(yè)基本建設(shè)投資過(guò)熱勢(shì)頭。加上
氧化鋁供應(yīng)短缺價(jià)格居高不下，近期爆發(fā)的能源危機(jī)導(dǎo)致電價(jià)上漲，及出口退稅率降低等因素的影響，電解
鋁企業(yè)四面受敵，這對(duì)于正處于發(fā)展巔峰的電解鋁工業(yè)來(lái)說(shuō)不亞于一場(chǎng)風(fēng)暴。工程建設(shè)急劇降溫，企業(yè)生產(chǎn)成本大幅增加，利潤(rùn)縮水，相當(dāng)一部分企業(yè)出現(xiàn)虧損，據(jù)報(bào)道目前全國(guó)己有六十家鋁廠處于停產(chǎn)或部分停產(chǎn)狀態(tài)，電解鋁企業(yè)陷入前所未有困境。
我國(guó)電解鋁工業(yè)自建國(guó)以來(lái)經(jīng)歷了50多年的發(fā)展，已逐步由電解鋁的純進(jìn)口國(guó)變?yōu)槭澜绲谝淮螽a(chǎn)鋁國(guó)。但是，由于我國(guó)鋁工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理，
氧化鋁供應(yīng)嚴(yán)重不足，并且氧化鋁這一電解鋁生產(chǎn)最主要的原料控制在少數(shù)企業(yè)的手中，加上受到電力體制的限制，我國(guó)電解鋁生產(chǎn)用電問(wèn)題一直是困擾電解鋁企業(yè)的難題，近年來(lái)雖然一些企業(yè)實(shí)現(xiàn)了鋁電聯(lián)營(yíng)，但對(duì)大多數(shù)企業(yè)用電問(wèn)題并未能很好解決，因此電解鋁企業(yè)在這場(chǎng)風(fēng)暴面前顯得異常脆弱。
20世紀(jì)80年代以來(lái)，在跟蹤國(guó)際超大型預(yù)焙鋁電解技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，我國(guó)在容量鋁
電解槽開發(fā)取得了一系列成果，使我國(guó)大容量鋁電解槽技術(shù)領(lǐng)域總體技術(shù)水平跨入世界先進(jìn)行列，行業(yè)內(nèi)對(duì)鋁電解技術(shù)今后的發(fā)展己沒(méi)有太大的信心，也讓許多鋁電解技術(shù)工作者感到迷茫。作者認(rèn)為：雖然我國(guó)開發(fā)成功了300KA級(jí)特大容量電解槽技術(shù)，并迅速推廣應(yīng)用，但由于我們?cè)诟檱?guó)際電解鋁技術(shù)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展這一特點(diǎn)，大型槽技術(shù)尚未經(jīng)過(guò)生產(chǎn)過(guò)程的逐步完善的過(guò)程，在生產(chǎn)實(shí)用技術(shù)領(lǐng)域缺乏應(yīng)有的技術(shù)積累和支撐，因此仍存在許多突出的技術(shù)問(wèn)題，與國(guó)際水平仍有較大差距。
十六大提出了“實(shí)現(xiàn)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展”的科學(xué)發(fā)展觀，要求企業(yè)依靠科技進(jìn)步，走新型工業(yè)化道路。高耗能電解鋁企業(yè)屬于資源依賴性的產(chǎn)業(yè)，更是目前國(guó)家宏觀調(diào)控的重點(diǎn)，只有不斷采用新裝備，開展以節(jié)能為中心的技術(shù)開發(fā)和創(chuàng)新，提升企業(yè)的技術(shù)裝備水平，才能使企業(yè)得到長(zhǎng)久地生存和發(fā)展。
1、我國(guó)鋁電解技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)鋁電解技術(shù)自70年代末引進(jìn)160KA中間下料預(yù)焙槽技術(shù)之后，從消化國(guó)外技術(shù)開始，揭開了我國(guó)現(xiàn)代鋁電解技術(shù)發(fā)展的序幕，以鋁電解槽熱電磁力特性及磁流體數(shù)學(xué)模型研究為核心，在工藝、材料、過(guò)程控制及配套技術(shù)等方面展開了廣泛深入的研究工作。九十年代以來(lái)，在基礎(chǔ)理論、大型鋁電解槽開發(fā)以及工程應(yīng)用取得了一系列成果，開發(fā)成功了280、320KA以上的特大型電解槽技術(shù)，使鋁工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步令人注目。大容量電解槽的開發(fā)，使我國(guó)鋁電解技術(shù)總體上達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，電解鋁工業(yè)的面貌發(fā)生了根本的改變。
——實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)差。
由于開發(fā)時(shí)間短，對(duì)我國(guó)大型鋁電解槽在生產(chǎn)領(lǐng)域的深層次開發(fā)明顯不足，致使實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)的生產(chǎn)指標(biāo)與國(guó)際先進(jìn)水平還有較大差距。見(jiàn)表1。
表1:我國(guó)300KA級(jí)鋁電解槽技術(shù)指標(biāo)與國(guó)際先進(jìn)水平對(duì)比
項(xiàng)目 國(guó)內(nèi) 國(guó)際
電流效率（%） 92-93 94-96
電耗（Kwh/t-Al） 13500-13800 13000-13200
炭素凈耗（kg/t-Al） ＞450 400
陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)（次/日.槽） ≥0.3 ＜0.1
槽壽命（天） 1500 2500
——多數(shù)在大負(fù)荷、小電網(wǎng)環(huán)境下運(yùn)行，安全隱患多。
鋁電聯(lián)營(yíng)是我國(guó)電解鋁企業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一，但同時(shí)在技術(shù)上也存在相應(yīng)的問(wèn)題。由于大容量電解槽一般系列規(guī)模較大（一個(gè)系列產(chǎn)能可達(dá)20萬(wàn)噸以上），巨大的用電負(fù)荷集中在一個(gè)生產(chǎn)系列上（一般達(dá)40萬(wàn)KW以上），電解系列生產(chǎn)的任何波動(dòng)都會(huì)造成電網(wǎng)或自備電廠較大的影響，甚至威脅供電安全。
——缺乏建立在對(duì)
陰極破損機(jī)理與規(guī)律透徹掌握基礎(chǔ)上的“精細(xì)設(shè)計(jì)”技術(shù)和提高槽壽命的綜合技術(shù)措施，電解槽難以達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，早期破損率高。
影響我國(guó)大型槽槽壽命的問(wèn)題除了我國(guó)普遍認(rèn)為的陰極炭素材料質(zhì)量方面的原因外，電解槽的設(shè)計(jì)、筑爐材料、筑爐質(zhì)量、
焙燒啟動(dòng)、正常生產(chǎn)操作及生產(chǎn)管理等方面均存在一些問(wèn)題。導(dǎo)致這些問(wèn)題的深層次原因是，我國(guó)尚缺乏對(duì)鋁電解槽破損（常稱為陰極破損）機(jī)理與規(guī)律的深入掌握及在此基礎(chǔ)上的“精細(xì)設(shè)計(jì)”技術(shù)和提高槽壽命的綜合技術(shù)措施。隨著電解槽容量的不斷擴(kuò)大，槽壽命問(wèn)題就更加突出。
——缺乏先進(jìn)的生產(chǎn)操作技術(shù)，作業(yè)成本高。
我國(guó)300KA級(jí)的特大型預(yù)焙鋁電解槽投入工業(yè)應(yīng)用的時(shí)間短。又不能完全照搬以前在大型預(yù)焙槽上的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)（這些經(jīng)驗(yàn)也有很大局限性）。焙燒啟動(dòng)過(guò)程中電流分布不均的問(wèn)題更突出且焙燒啟動(dòng)過(guò)程中的能耗大；投入運(yùn)行后電解槽的物理場(chǎng)（電場(chǎng)、磁場(chǎng)、流場(chǎng)）容易波動(dòng)，熱平衡的維持較困難；槽電阻極易受外界的干擾而波動(dòng)，陽(yáng)極效應(yīng)發(fā)生后熄滅困難，且由于電解槽的慣性大，一旦出現(xiàn)槽況波動(dòng)或槽況異常現(xiàn)象，很難快速恢復(fù)正常。
總的來(lái)說(shuō)，目前就我國(guó)電解鋁整體生產(chǎn)狀態(tài)而言，能源綜合利用效率要比國(guó)際先進(jìn)水平低15%左右，主要表現(xiàn)在：
--電流效率相差2-3個(gè)百分點(diǎn)；噸鋁電耗相差300-800Kwh;
--電解鋁用陽(yáng)極生產(chǎn)過(guò)程能耗相差3Gj/t左右；
--噸電解鋁陽(yáng)極消耗相差30-60Kg（折合標(biāo)準(zhǔn)煤約75-150Kg）；
--電槽槽壽命相差1000天左右；
--陽(yáng)極效應(yīng)系數(shù)國(guó)際先進(jìn)為0.1次/天.槽以下，我國(guó)目前最好水平在0.3次/天.槽左右。
2、鋁電解直流電流供電質(zhì)量的綜合技術(shù)開發(fā)
供電整流系統(tǒng)是整個(gè)鋁電解生產(chǎn)系統(tǒng)的核心。對(duì)鋁電解生產(chǎn)過(guò)程來(lái)說(shuō)，恒定的直流電流供給是非常重要的一環(huán)。目前，由于絕大多數(shù)電解鋁企業(yè)都采用硅二極管整流技術(shù)，很難按生產(chǎn)實(shí)際保證瞬時(shí)恒定直流的供給。由于鋁電解過(guò)程中的陽(yáng)極效應(yīng)及供電系統(tǒng)的電壓波動(dòng)是很難避免的，從而引起電解系列電流不同程度的波動(dòng)，通常其波動(dòng)范圍都在設(shè)定恒流值的±15%。在其它條件相同的情況下，這種電流波動(dòng)將使鋁廠的電能消耗增加3%左右，即噸鋁增加電耗400-500KWh。
采用智能控制等多種先進(jìn)控制技術(shù)，實(shí)時(shí)在線專家控制、浮動(dòng)
門技術(shù)等保證直流電流穩(wěn)定，大幅降低電流波動(dòng)造成的電能消耗；開發(fā)鋁電解供電整流系統(tǒng)整流效率實(shí)時(shí)在線檢測(cè)裝置及整流效率優(yōu)化技術(shù)，提高供電整流系統(tǒng)的整流效率，改善直流供電質(zhì)量；開發(fā)應(yīng)用諧波實(shí)時(shí)在線檢測(cè)裝置及諧波治理和功率因數(shù)補(bǔ)償技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綠色用電，降低諧波與無(wú)功損耗，確保安全供電。開發(fā)應(yīng)用鋁電解供電整流系統(tǒng)整流效率實(shí)時(shí)在線檢測(cè)裝置，提高整流效率，實(shí)現(xiàn)鋁電解供電整流效率檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化。
此外，針對(duì)目前大型鋁廠采用地方小電網(wǎng)以及自備電廠直供的供電方式，鋁廠與電廠運(yùn)行的安全穩(wěn)定的解決方案及技術(shù)措施也是目前亟待解決的重要課題。
3、提高鋁電解槽槽壽命的綜合技術(shù)
隨著電解槽向大容量（直流電流
強(qiáng)度200-500KA）發(fā)展，電解槽的使用壽命既是鋁業(yè)界愈來(lái)愈關(guān)注的一個(gè)反映生產(chǎn)技術(shù)水平高低的綜合性技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，又是擺在鋁業(yè)界面前的一項(xiàng)愈來(lái)愈突出的技術(shù)難題。在我國(guó)，大型預(yù)焙槽的使用壽命不足1500天（1300天左右），與國(guó)際先進(jìn)指標(biāo)（2000-2500天）的差距甚遠(yuǎn)。因此，槽壽命成為當(dāng)前困擾我國(guó)鋁業(yè)界的頭號(hào)問(wèn)題。
缺乏建立在對(duì)陰極破損機(jī)理與規(guī)律透徹掌握基礎(chǔ)上的“精細(xì)設(shè)計(jì)”技術(shù)和提高槽壽命的綜合技術(shù)措施是我國(guó)鋁電解槽槽壽命問(wèn)題難以解決的根本問(wèn)題。在以上工作基礎(chǔ)上，開發(fā)提高特大型電解槽槽壽命的綜合技術(shù)：
◆從最佳運(yùn)轉(zhuǎn)效率和最佳槽壽命的雙重目標(biāo)出發(fā)，建立特大型鋁電解槽多物理場(chǎng)（電、磁、熱、流、力）的綜合仿真與優(yōu)化系統(tǒng)。
◆應(yīng)用該系統(tǒng)并結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，確定內(nèi)襯材料（包括陰極炭塊、硼化鈦涂層、搗固糊及其他筑爐材料）的功能設(shè)計(jì)與優(yōu)化配置原則、內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則、筑爐與焙燒啟動(dòng)的工藝規(guī)程、以及正常生產(chǎn)操作中的“內(nèi)襯保護(hù)”技術(shù)措施。
◆在內(nèi)襯材料及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則指導(dǎo)下，研究與不同類型的陰極炭塊相匹配的硼化鈦陰極涂層，進(jìn)行涂層的成分、功能與厚度設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在特大型電解槽上的工業(yè)應(yīng)用。
解決槽壽命問(wèn)題的難點(diǎn)在于多項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域的綜合研究與試驗(yàn)需要綜合考慮解決，任何單一的措施都很難取得效果，在目前的條件下，通過(guò)聯(lián)合攻關(guān)達(dá)到2000天的槽壽命是完全可能的。
4、降低電解槽無(wú)功能耗的綜合技術(shù)開發(fā)
預(yù)焙槽的電導(dǎo)部件及接觸點(diǎn)多，導(dǎo)致無(wú)功能耗的歐姆壓降很高，大型槽陽(yáng)極壓降、陰極壓降和母線壓降的設(shè)計(jì)值分別達(dá)400mV、360 mV、和200 mV，實(shí)際生產(chǎn)中這些部位的壓降是導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中電能消耗高的重要原因。降低無(wú)功能耗包括以下幾方面：
◆ 對(duì)槽周圍及陽(yáng)極母線達(dá)數(shù)百處之多的
焊接及壓接質(zhì)量進(jìn)行研究，開發(fā)新的施工方法和工藝，達(dá)到以降低母線壓接壓降的目的。
◆進(jìn)行陽(yáng)極
澆注材料（磷生鐵）的成分與澆注工藝的優(yōu)化研究，降低陽(yáng)極
導(dǎo)桿與陽(yáng)極炭塊接觸壓降的目的。目前，一種新型鋁鋼復(fù)合陽(yáng)極剛爪的研究已取得進(jìn)展，并已在一些鋁廠使用。
◆對(duì)筑爐材料及搗固工藝進(jìn)行研究試驗(yàn)，研究各陰極組件的槽外電阻檢測(cè)技術(shù)，探討最優(yōu)筑爐工藝技術(shù)，達(dá)到降低陰極壓降的目的。并研究新的陰極炭塊與鋼棒連接方式，降低電解槽的陰極接觸壓降。
◆ 研究新的適合于生產(chǎn)使用的工藝方法，將低陽(yáng)極導(dǎo)桿與陽(yáng)極母線的接觸壓降降低。
降低電解槽無(wú)功能耗隨著鋁電解技術(shù)的發(fā)展，大型槽技術(shù)逐漸完善，電解槽的無(wú)功能耗降低越來(lái)越困難，然而，每增加一毫伏壓降增加電耗3Kwh/tAl,因此，降低電解槽的無(wú)功能耗仍然是十分重要的，需要結(jié)合生產(chǎn)需要作細(xì)致的開發(fā)研究。
5、大型鋁電解槽焙燒、啟動(dòng)和正常生產(chǎn)工藝技術(shù)的綜合優(yōu)化
我國(guó)大型預(yù)焙鋁電解槽投入工業(yè)應(yīng)用的時(shí)間不長(zhǎng)，因此，其生產(chǎn)操作技術(shù)尚不十分成熟。生產(chǎn)實(shí)踐表明，特大型槽從焙燒啟動(dòng)到投入運(yùn)行不能完全照搬以前在大型預(yù)焙槽上的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。雖然國(guó)內(nèi)許多鋁廠在鋁電解槽生產(chǎn)系列上采用了焦粒焙燒啟動(dòng)技術(shù)，并已逐步轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行，針對(duì)大型槽所表現(xiàn)的上述特性，初步開展了生產(chǎn)工藝技術(shù)研究與控制技術(shù)應(yīng)用研究，取得了一定成效，但還有許多問(wèn)題尚未解決，綜合優(yōu)化的空間尚很大。因此在以上工作基礎(chǔ)上，開發(fā)焙燒、啟動(dòng)和正常生產(chǎn)工藝技術(shù)的綜合優(yōu)化技術(shù)仍然有很多工作要做：
◆應(yīng)用鋁電解槽物理場(chǎng)（電、磁、熱、流、力）的綜合仿真系統(tǒng)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用“多場(chǎng)”耦合仿真與瞬態(tài)仿真技術(shù)，對(duì)特大型鋁電解槽從焙燒、到啟動(dòng)到轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)過(guò)程中的物理場(chǎng)形成與演變規(guī)律進(jìn)行研究，揭示特大型鋁電解槽的運(yùn)行特性，為制訂焙燒啟動(dòng)與正常生產(chǎn)工藝技術(shù)規(guī)程提供指導(dǎo)。
◆針對(duì)特大型電解槽的特性，研究改進(jìn)“焦粒焙燒啟動(dòng)”工藝技術(shù)，重點(diǎn)解決“焦粒”的成分、鋪置厚度與方法、焙燒時(shí)間等參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題。
◆針對(duì)特大型鋁電解槽的特性，研究電解槽啟動(dòng)后期管理的工藝方法，使電解槽啟動(dòng)后能夠過(guò)渡到良好的正常生產(chǎn)狀態(tài)；著重研究工藝技術(shù)條件的調(diào)整方法、程序，為電解槽長(zhǎng)期穩(wěn)定高效運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。
◆針對(duì)特大型鋁電解槽的特性，研究電解槽高效、穩(wěn)定運(yùn)行的新型工藝技術(shù)條件；研究在新型工藝技術(shù)條件下的能量平衡與物料平衡的穩(wěn)定控制技術(shù)以及相適應(yīng)的操作維護(hù)技術(shù)；開發(fā)相應(yīng)的計(jì)算機(jī)控制算法與程序并對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。
在上述工作的基礎(chǔ)上，逐步實(shí)現(xiàn)電解槽穩(wěn)定、高效運(yùn)行，并總結(jié)出適宜我國(guó)特大型鋁電解槽的高效節(jié)能型電解生產(chǎn)工藝技術(shù)及操作規(guī)范。
6、結(jié)束語(yǔ)
我國(guó)鋁電解技術(shù)經(jīng)過(guò)近20年來(lái)的發(fā)展，總體水平達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。然而，由于是在跟蹤國(guó)外技術(shù)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，雖然在大型槽開發(fā)中成效顯著，然而，在生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)明顯不足。因此，作者針對(duì)我國(guó)大型預(yù)焙鋁電解槽生產(chǎn)技術(shù)存在的差距，瞄準(zhǔn)國(guó)際先進(jìn)水平，提出了涵蓋電解鋁技術(shù)的多項(xiàng)技術(shù)難題的研究開發(fā)方向。對(duì)于從整體上提高我國(guó)電解鋁生產(chǎn)技術(shù)水平，達(dá)到大幅度的節(jié)能降耗和進(jìn)一步有效降低環(huán)境污染的目的，實(shí)現(xiàn)電解鋁工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。對(duì)我國(guó)電解鋁工業(yè)技術(shù)水平全面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平具有十分重要的意義。
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