鄧文強(qiáng)

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院，沈陽 110166）

在有色金屬中，鋁居首位，2017年占有色金屬總產(chǎn)量的57%，是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可或缺的基礎(chǔ)原材料。我國原鋁產(chǎn)量已連續(xù)多年位居世界第一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2017年占全球鋁產(chǎn)量的55%以上，特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來，年均增速超過12%，鋁產(chǎn)量的快速增長離不開核心裝備大型化技術(shù)的支撐。眾所周知，在工業(yè)生產(chǎn)中，主體裝備大型化有利于節(jié)能、降耗、減排，更為重要的是可帶來項(xiàng)目建設(shè)投資和運(yùn)行成本的大幅降低。因此，裝備大型化一直引領(lǐng)著制造行業(yè)的發(fā)展方向。對(duì)于電解鋁行業(yè)而言，其裝備大型化主要體現(xiàn)在鋁電解槽容量的提升上。

我國自20世紀(jì)70年代開始鋁電解槽大型化技術(shù)開發(fā)，相繼開發(fā)了200kA、300kA、400kA和500kA級(jí)大型鋁電解槽技術(shù)。槽容量的歷次大型化都有力推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，提高了效益，加速了產(chǎn)能提升，奠定了我國鋁工業(yè)大國地位。為實(shí)現(xiàn)鋁工業(yè)強(qiáng)國目標(biāo)，引領(lǐng)世界鋁電解技術(shù)發(fā)展方向，有必要開發(fā)更大容量的600kA級(jí)鋁電解槽技術(shù)，這對(duì)我國鋁工業(yè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展具有重大意義。

1 技術(shù)瓶頸與突破

然而，隨著鋁電解槽容量的進(jìn)一步大型化所帶來的磁流體穩(wěn)定性、熱平衡、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和環(huán)保關(guān)鍵技術(shù)問題越來越突出，是一個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院采用的“數(shù)值模擬+”鋁電解槽大型化技術(shù)開發(fā)方式，與傳統(tǒng)的“1：1工業(yè)試驗(yàn)”方式相比，開發(fā)周期短，開發(fā)成本低，并且提高了技術(shù)開發(fā)的準(zhǔn)確性。采用該開發(fā)方式，攻克了容量超大型化所帶來的磁流體穩(wěn)定區(qū)間大幅降低、比表面積散熱負(fù)荷急劇增加等磁流體穩(wěn)定性和熱平衡方面的關(guān)鍵技術(shù)難題，形成如下技術(shù)創(chuàng)新成果：

（1）超大容量鋁電解槽磁流體穩(wěn)定性技術(shù)：通過優(yōu)化控制鋁液中垂直磁場(chǎng)和水平電流兩個(gè)關(guān)鍵要素，突破了600kA級(jí)超大容量鋁電解槽磁流體穩(wěn)定性技術(shù)瓶頸，將磁流體穩(wěn)定性所需的垂直磁場(chǎng)絕對(duì)值平均值的臨界值由3.75Gs提高至6.69Gs，大幅度拓寬了磁流體穩(wěn)定性區(qū)間，為鋁電解槽高效、穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)；

（2）超大容量高產(chǎn)率鋁電解槽熱平衡耦合控制技術(shù)：通過對(duì)影響鋁電解槽熱平衡全要素的耦合優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)了鋁電解槽預(yù)期的熱平衡狀態(tài)；

（3）多階柔性分體式管桁架梁結(jié)構(gòu)技術(shù)：解決了鋁電解槽大跨度上部支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，同時(shí)降低了工程造價(jià)，其中鋼材節(jié)約10%，廠房投資節(jié)約5%；

（4）鋁電解槽高位分區(qū)集氣結(jié)構(gòu)技術(shù)：提高了槽罩內(nèi)負(fù)壓分布的均勻性，集氣效率達(dá)到99.6%，污染物總量控制實(shí)現(xiàn)了超低排放，超過了國標(biāo)、歐標(biāo)排放要求。

2014年在山東魏橋鋁電有限公司成功投運(yùn)了全球第一個(gè)600kA級(jí)鋁電解槽系列[1]，整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。項(xiàng)目的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，目前該技術(shù)已推廣應(yīng)用了10條生產(chǎn)系列，產(chǎn)能達(dá)400萬噸/年以上，已成為國內(nèi)外電解鋁增量項(xiàng)目的首選技術(shù)，在俄羅斯、印度、伊朗等多個(gè)“一帶一路”國家的項(xiàng)目建設(shè)中被積極采用，為我國開展國際鋁產(chǎn)能合作提供了重要支撐。

2 主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）創(chuàng)新點(diǎn)一。鋁電解槽磁流體穩(wěn)定性“雙補(bǔ)償”技術(shù)及其母線裝置，突破了600kA級(jí)超大容量鋁電解槽磁流體穩(wěn)定性技術(shù)瓶頸，同時(shí)大幅節(jié)約了母線用量。

①該創(chuàng)新攻克了600kA級(jí)超大容量鋁電解槽磁流體穩(wěn)定性技術(shù)難題，以往鋁電解槽容量大型化技術(shù)開發(fā)過程中，磁流體穩(wěn)定性是依據(jù)業(yè)內(nèi)公認(rèn)的挪威專家Sele發(fā)明的鋁電解槽磁流體穩(wěn)定性公式判定的。各容量級(jí)別鋁電解槽磁流體穩(wěn)定性要求的垂直磁場(chǎng)臨界值和實(shí)際設(shè)計(jì)值的對(duì)比詳見表1。

表1 各容量級(jí)別鋁電解槽磁流體穩(wěn)定性要求的垂直磁場(chǎng)臨界值和磁場(chǎng)實(shí)際設(shè)計(jì)值對(duì)照表

②該創(chuàng)新還大幅節(jié)約了母線用量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，超大容量鋁電解槽磁流體穩(wěn)定性“雙補(bǔ)償”技術(shù)及其母線裝置大幅節(jié)約了母線用量，克服了600kA級(jí)鋁電解槽母線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性瓶頸，與傳統(tǒng)的“自補(bǔ)償”相比，母線用量降低12.1%，當(dāng)量鋁耗與400kA級(jí)鋁電解槽相當(dāng)。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)二。超大容量高產(chǎn)率鋁電解槽熱平衡耦合控制技術(shù)，使600kA超大容量高產(chǎn)率鋁電解槽實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的電熱平衡狀態(tài)。對(duì)影響鋁電解槽熱平衡的全要素進(jìn)行了耦合優(yōu)化控制，解決了鋁電解槽單位面積產(chǎn)能提高和容量超大型化雙重因素帶來的熱平衡難題，集成開發(fā)和應(yīng)用了低壓降陽極結(jié)構(gòu)、低壓降陰極結(jié)構(gòu)、一體化焊接槽殼（見圖1）和車間導(dǎo)流式高效通風(fēng)建筑結(jié)構(gòu)（見圖2）等創(chuàng)新技術(shù)。

（3）創(chuàng)新點(diǎn)三。大跨度多階柔性分體式管桁架梁結(jié)構(gòu)技術(shù)，解決了超大容量鋁電解槽大跨度上部支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，同時(shí)顯著節(jié)約了工程造價(jià)。

（4）創(chuàng)新點(diǎn)四。鋁電解槽高位分區(qū)集氣結(jié)構(gòu)技術(shù)，受鋁電解生產(chǎn)系列工藝配置限制，鋁電解槽排煙口處于長方向的一端，隨著600kA級(jí)鋁電解槽長度的劇增，需要解決槽罩內(nèi)負(fù)壓分布均勻性以提高集氣效率的技術(shù)難題。為此，該項(xiàng)目開發(fā)了高位分區(qū)集氣結(jié)構(gòu)技術(shù)。利用ANSYS軟件進(jìn)行了模擬計(jì)算分析，計(jì)算模型和計(jì)算結(jié)果見圖3和圖4。

模擬結(jié)果表明：600kA級(jí)超大容量鋁電解槽槽罩內(nèi)壓力分布均勻，罩板間縫隙呈負(fù)壓狀態(tài)。生產(chǎn)實(shí)踐表明，在工區(qū)末端槽罩板打開的情況下仍無煙氣外溢，集氣效率高達(dá)99.6%，顯著減少了煙氣的無組織排放，使污染物總量控制實(shí)現(xiàn)了超低排放的目標(biāo)，并滿足國標(biāo)和歐排標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 一體化焊接槽殼

圖2 槽間鋼格板導(dǎo)流式通風(fēng)結(jié)構(gòu)

圖3 集氣結(jié)構(gòu)模型

圖4 集氣罩內(nèi)部壓力場(chǎng)云圖

表2 該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與國內(nèi)外同類技術(shù)的對(duì)比

3 與同類技術(shù)主要參數(shù)、效益、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的比較

NEUI600kA級(jí)鋁電解槽技術(shù)于2014年投運(yùn)了全球第一個(gè)600kA級(jí)鋁電解槽系列以來已平穩(wěn)、高效運(yùn)行近4年。國際上僅力拓加鋁開發(fā)了AP60（600kA級(jí)鋁電解槽）技術(shù)，但目前仍停留于工業(yè)試驗(yàn)階段，未見進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用報(bào)道。國內(nèi)也有其他單位開發(fā)了同類技術(shù)，但其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用時(shí)間比該項(xiàng)目滯后2年多，未見其產(chǎn)業(yè)化運(yùn)行方面的報(bào)道，目前公開的僅是其12臺(tái)工業(yè)試驗(yàn)槽的指標(biāo)。

由表2可知，NEUI600kA級(jí)鋁電解槽技術(shù)實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用指標(biāo)優(yōu)于力拓加鋁AP60技術(shù)試驗(yàn)槽指標(biāo)，與國內(nèi)同類技術(shù)公布的試驗(yàn)槽指標(biāo)相近。該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了鋁電解槽容量超大型化的預(yù)期目標(biāo)。以年產(chǎn)2×30萬噸示范工程為例，采用該技術(shù)與400kA相比，噸鋁投資降低13.2%，占地減少26.5%，電解槽單位面積產(chǎn)能提高10%，全員勞動(dòng)生產(chǎn)率提高25%，噸鋁成本降低約8%。如果該技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)能規(guī)模達(dá)1000萬噸/年，則可節(jié)約投資70.65億元，節(jié)約用地2400畝，減少用工5500人，節(jié)約成本112億元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

截止2017年底，該項(xiàng)目開發(fā)的600kA級(jí)超大容量鋁電解槽技術(shù)已應(yīng)用于10個(gè)鋁電解槽系列的建設(shè)，產(chǎn)能達(dá)400萬噸/年。該技術(shù)顯著的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，已成為全球鋁行業(yè)先進(jìn)技術(shù)的代表，為我國鋁電解技術(shù)升級(jí)和開展國際鋁產(chǎn)能合作提供了重要支撐。

4 社會(huì)效益

NEUI600kA級(jí)鋁電解槽技術(shù)的成功開發(fā)和投運(yùn)，誕生了全球第一條600kA級(jí)超大容量鋁電解生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了鋁電解槽技術(shù)與裝備的跨越式發(fā)展。與國內(nèi)一流技術(shù)相比，電解槽單位面積產(chǎn)能提高10%，預(yù)期槽壽命提高約500天，全員勞動(dòng)生產(chǎn)率提高25%，噸鋁投資降低約13.2%，噸鋁成本降低約8%，有力地推動(dòng)了鋁行業(yè)科技進(jìn)步，顯著提升了我國鋁電解工業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

由于600kA級(jí)高效鋁電解槽具有顯著的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，已成為行業(yè)先進(jìn)裝備的代表，成為國內(nèi)外電解鋁增量項(xiàng)目的首先技術(shù)，為促進(jìn)我國鋁電解技術(shù)升級(jí)提供了重要支撐，并已成為我國鋁工業(yè)開展國際鋁產(chǎn)能合作的一張靚麗名片。

[1]邱芹，朱興芳，黃平義.全球首條全系列600kA鋁電解槽在魏橋鋁電成功運(yùn)行，《濱州日?qǐng)?bào)》， 2015.6.8