我国铝电解技术40年发展回顾(一)

什么是电解铝?

说到“电解铝”,可能今天知道的人不少;但什么是电解铝?恐怕普通的消费者了解的不多,能说清楚的人更少。

铝是一种金属。由于铝的质量轻、导电性好、加工性能优越,并具有特殊的抗氧化性,广泛应用于电力、交通、建筑、包装、国防以及航空航天和人民生活等各个领域,从建筑家居到高铁、飞机,从食品、汽车到消费电子产品,有人统计铝的应用大约涉及112个产业。这里我们所说的铝也叫原铝,也就是纯铝。由于铝的原始生产一直是以熔盐电解法生产为主,因此,通常称之为“电解铝”。

电解铝——年轻的金属。人类最早发现和掌握冶炼铜的工艺,大约在3000~4000年以前;而人类炼铁的历史也有3000多年,早在汉朝时期我国炼铁技术就得到了很大的发展。然而,人类炼铝技术的诞生才仅仅130多年。著名冶金科学家、钢铁冶金专家殷瑞钰院士说:“因为铜的熔点比铁低,因此人们首先学会了炼铜,而后才学会炼铁;炼铁需要打开分子键,而采用还原法炼铝的温度更高,则需要采用电解法打开离子键,因此人类直到有了直流电之后才掌握了炼铝技术。”

1886年,美国一个叫霍尔(Charles M.Hall)的年轻人发明了一种冶炼铝的工艺,称之为“氟化物熔盐中氧化铝的电解”。但是当他到美国专利局提出专利申请的时候,才得知一个叫埃鲁特(Paul L.T.Héroult)的法国人已经向美国专利局提出了申请,同样是为了得到铝把大致相同的元素组合在一起,跟霍尔的发明几乎一模一样。同时,埃鲁特几个月前已经在欧洲申请了专利。自此,两人进入了一场旷日持久的专利之争,据说这场官司持续了15年。

霍尔和埃鲁特专利申请之争经过漫长的交涉,美国专利局最终裁定霍尔胜诉,因为埃鲁特没有提交所需的“原始报告”。这一裁决的结果,使霍尔和埃鲁特成为分别在美洲和欧洲同时拥有同一项专利的发明人,后人称之为“霍尔-埃鲁特铝电解工艺”。然而,霍尔和埃鲁特之间的缘分远不止于此,在霍尔和埃鲁特的技术支持下,两人分别作为创始人创办了两个铝冶金公司,就是今天世界著名的两大铝业公司美国铝业公司(Alcoa,前身为匹兹堡冶金公司)和法国铝业公司(Pechiney,前身为法兰西电力冶金公司(SEMF))。霍尔和埃鲁特注定是为铝而生的,他们于同一年出生(1863年),同一年去世(1914年),同一年(1886年)申报了同一项专利。即使在当时以财富暴涨和大量积累为标志的时代,霍尔的故事还是成为了美国传奇,他赢得了美国专利有史以来最大的财富。霍尔1914年去世时持有的美铝股份,价值近3000万美元。

新中国的骄子。我国电解铝发展较晚,第一个电解铝厂(抚顺铝厂)于1954年建成投产。直到上世纪80年代以前,电解铝作为一个工业行业或者一种产品,其生产工艺及产业特点还很少为社会公众所了解。随着电解铝技术的发展和电解铝生产规模的扩大,加之电解铝“电老虎”的名声在外,特别是2005年以来无论是国家出台的“钢铁、水泥、电解铝、汽车、房地产”五大行业,还是“钢铁、水泥、电解铝”三大行业的宏观调控政策,以及“两高一资”的限制类产业,电解铝都榜上有名,社会公众从此也逐渐熟知和认识了电解铝。应该说,无论是“三大行业”还是“五大行业”的提法,都是对电解铝行业实实在在的“抬举”,因为,仅凭当年电解铝全国几百万吨的产能,不足千亿元的总产值,几百亿元的总资产,怎么说跟大行业也沾不上边。与其他几个行业相比:2005年全国粗钢产量3.5亿吨,水泥产量10.7亿吨,而电解铝只有区区779万吨,至于跟汽车房地产相比,就更不是一个数量级了。无论如何,电解铝虽小,名气很大。但同时“高耗能、高污染”也成了电解铝挥之不去的标签。

建国以后乃至改革开放初期,我国电解铝一直都属于短缺产品,更是被列为战略性物资,长期依赖进口。我国早期的电解铝厂和与电解铝配套的氧化铝厂都有自己的番号,比如抚顺铝厂命名为301厂,贵州铝厂命名为302厂。从这种类似于军工企业的保密性质,足以看出当年其所处的战略地位。1983年4月中国色金属工业总公司成立之初,首先就向国家提出并确定了“优先发展铝”的方针,从中也可以看出国家对“铝”的迫切需求和对铝产业的重视。

茁壮成长——始料未及。改革开放40年来,特别是从上世纪末开始,我国电解铝工业得到快速发展。2003年以后,伴随着国家宏观调控政策的出台,电解铝产业不但没有得到遏制,更是呈暴发式增长。1998年我国电解铝产能只有256万吨/年,产量243万吨/年。一个并不为人所知的“大”行业,从此不断刷新着历史纪录:发电企业、煤炭企业开始投资电解铝,纺织行业、养殖行业也纷纷赶来投资分享电解铝的盛宴,其中有民企、也有国企,还有大型央企。涉铝的民营企业中有的曾位列中国首富,不少成为某省首富,位列富豪榜的更是大有人在。人们不明白,电解铝究竟有怎样的魔力,能不断吸引众多的企业跨行投资,掀起一轮接一轮的投资热潮?从1998年到2018年的20年间,我国电解铝产能和产量已分别突破4397万吨和3648万吨,铝产量增长了近20倍,占世界总产量的56.7%,连续17年居世界第一位。

在我国有色金属的家族中,铝的快速增长使“铜铝铅锌……”的排名改写为“铝铜铅锌……”,电解铝成功“逆袭”成为有色行业的老大,成为第二大金属材料。今天,已经没有人质疑电解铝“大行业”的头衔了。

随着电解铝产业的不断发展,加之上、下游与其配套的矿山、氧化铝、铝加工、碳素以及发电等相关联产业,其规模和体量已经到了相当大的程度,电解铝名副其实已经成为我国重要的基础原材料产业,对我国国民经济建设的影响更加不容忽视,其健康、稳定和可持续发展也同样需要引起我们的高度重视。

那么,新世纪以来,在国家三令五申,各种政令的严格限制之下,导致电解铝如此疯狂发展的真相究竟是什么呢?

电解铝是高耗能产业?这一点毋容置疑,目前每生产一吨电解铝大约耗电能13000kWh~14000kWh,加上主要原材料及生产过程耗能每生产一吨电解铝要消耗6~8吨标准煤。然而截止到目前,电解法仍然是全世界工业生产原铝的唯一方法。美国铝业公司等国际巨头从上世纪60年代开始探索电解法炼铝的替代技术,至今未获得成功。

电解铝之所以能够快速发展,有这样几个原因:一是因为电解铝是整个铝产业链条上的一个耗能环节,在铝产品的后续应用加工过程中,则更多体现的是高科技和精细化加工的产业特点,不但具有其它材料不可替代的作用,而且在很多领域更显示出其显著的节能效果(如电力、航空航天、交通运输等)。二是由于铝极易氧化形成坚固的保护膜使其在使用过程中不再被侵蚀这一自然特性,使应用过程中铝产品的氧化损失极少,且极易回收。回收率可达到95%以上,因而铝可以循环往复地回收应用,因此有“储能产品”和“能源银行”的美誉。铝的再生和回收使其在今后的循环使用中的能耗大大降低。三是我国生产铝的技术装备水平世界一流,其能耗达到或已经低于多数发达国家生产铝所消耗的电能,也就是说在国内铝企业生产铝的能耗甚至低于美国的铝厂。

尽管电解铝耗能已占全国总用电量的7.9%以上,但与我国目前已拥有上亿辆的家用汽车的耗能相比,整个电解铝工业的耗能甚至还不足其几十分之一。

电解铝是高污染行业?准确地讲这种说法并不确切,也有失公允。电解铝生产过程中所排放的主要污染物氟化物同时就是电解铝生产所需要的原材料,而以烟气形式排放出来的氟化物与电解铝生产的另一种主要原料氧化铝有着天然的亲和力,它们在反应器中相遇后瞬间即可发生吸附反应,反应的效率达到99%以上。以此原理开发的“干法净化”系统被全世界的铝厂广泛采用。排除管理因素,电解铝污染问题早在上世纪80年代初,就已经不是技术上的问题了。更重要的是,现代电解铝厂的生产系统设计中早已把烟气的处理系统和原料的供给系统融为一个整体,全年365天全天候连续运转,须臾不可中断。

对于电解槽大修产生的少量固体污染物,一直都有严格的环保处理措施。近年来,国家对电解铝的环保治理提出了更为严格的标准和要求。一方面增加了电解铝烟气中SO2等排放的限制;另一方面,2016年新的《环保法》将电解过程排放的固体废弃物大部分列为危险污染物。经过长期的技术积累和近几年的研发应用,相应的处理技术已经开始走向工业化,特别是电解铝烟气脱硫技术和电解铝大修废渣的处理与综合利用技术已逐渐成熟,并应用于工业生产。目前,电解铝固废资源化技术的研究开发也已经取得积极进展。

作为从事电解铝的设计、研究、管理30多年的行业科技工作者,笔者亲历了整个电解铝技术创新和产业发展的过程,深知影响电解铝产业的蓬勃发展甚至“投资过热”或者“产能过剩”,绝不仅仅因为电解铝属于“两高一资”、劳动密集或是“高投入、高产出”的行业。尽管也有不少人认为电解铝存在这样或那样的问题,但深度分析发现其背后有着极其深远的产业背景和深层次的经济技术原因,才有了今天电解铝工业的蓬勃发展。

探索真相——电解铝到底有多牛?改革开放以来,我国经济处于历史上千年不遇的发展时期,给原铝的生产提供了广阔的发展空间。然而,许多人不了解的是,我国电解铝行业几代科技人员的辛勤耕耘和不懈探索结出的累累硕果和惊人的科技成就,才是我国电解铝产业雄居世界领先地位背后真正的内在原因。特别是在电解铝大型化技术领域,从无到有、从消化吸收到自主创新、从理论领域到试验开发,再到大规模的应用推广,铝电解设计与生产技术日臻完善,形成了自己的设计和技术体系。如今,全球范围内,有电解铝增长的地区,就有中国的身影,电解铝工业已经成为我国在全世界制造业乃至工业领域中少有的优势产业之一,在“一带一路”倡仪引领下,昂首走向世界。

我国铝电解科技创新的四十年,是几代科技工作者共同创造奇迹的40年。回头看40年的历程,一幅幅波澜壮阔的科技创新画卷历历在目,昔日前辈们振聋发聩的攻关号令和破解难题时的谆谆教诲依然回荡在脑海中……
“日轻”技术的引进

说起电解铝厂,行业内的老同志这么形容:走进电解车间不到10米远,就看不到人了;电解工从电解车间出来,就像煤矿工人,整个脸上就能看见一双眼睛,工作环境恶劣,无法想象的,这也是电解铝生产现场最早留给人们的印象。上世纪70年代以前,我国电解铝厂基本上以前苏联引进的自焙阳极电解槽技术为主,单系列规模一般不超过1万吨/年。年产超过3万吨的铝厂都是国家骨干企业。

上世纪80年代初期,伴随改革开放的春风,国民经济各条战线迎来了一个划时代的变化,我国工业各领域更如阳春三月,百花争艳。从促进国民经济发展的战略出发,国家决定从发达国家引进技术建设一批重大工程建设项目。最为典型的就是上海宝钢一期工程的建设,从1977年酝酿到1978年12月十一届三中全会结束后的第一天举行开工典礼。党中央国务院决定建设现代化钢铁联合企业——宝钢,从日本新日铁公司引进全套设备,建成了我国第一个具有80年代世界水平的现代化钢铁企业。这也是历史上第一个由全国人大表决的大型工程建设项目。大概很多人都清楚,宝钢的建设为我国后来钢铁工业的快速发展并达到世界先进水平奠定了基础。

为什么选择“日轻”技术?与钢铁工业一样,在铝业前辈包括程宗浩、姚世焕等在内的老一辈专家积极建议和原冶金部领导的努力和支持下,改革开放的第一年,一批大型铝厂建设被列入国家计划,但是采用什么电解槽技术成为决策者面对的难题。上世纪70年代末,美铝、法铝等国际铝业公司已经开发成功160kA~180kA以上的大型预焙槽技术,铝电解技术开始出现以大型化、预焙化为主导的发展趋势。按照姚世焕等前辈的回忆,根据当时的电解铝技术发展,专家组将世界上先进的电解槽型分为三种模式并进行了比较:

第一种是北美型电解槽。当时美国铝业公司(Alcoa)是世界上最大的跨国铝业公司,美国铝业公司(Alcoa)和加拿大铝业公司(Alcan)在加拿大、巴西等铝厂使用的是150kA~220kA大型预焙阳极电解槽(简称“预焙槽”),该槽型的优点是中间加氧化铝,密闭性好,98%以上的有害烟气经过回收处理后达到环保要求。但这种槽型走的是高效率、高槽电压路线,吨铝电耗也相对较高,适用于北美水电丰富和电价便宜的地区。

第二种是欧洲型电解槽。是法国铝业公司(Pechiney)等为代表针对高电价地区而研发的一种低电耗的槽型。由于其180kA预焙槽技术(AP18)尚处于试验阶段(仅有四台试验槽刚刚投入运行,尽管1977年中期已开始准备筹建F系列),而且作为法铝刚刚开发的最先进的180kA技术,转让的可能性不大。Pechiney向中方推荐了当时已经成熟应用的最大电流只有135kA的预焙槽,采用边部添加氧化铝,有30%的有害气体无组织排放,这种槽型严重污染环境,在有些地区不得不采取天窗洗涤进行处理,费用昂贵,很明显这种技术不符合我国国情。

第三种槽型是日本型电解槽。20世纪60~70年代,日本铝工业迅速发展,日本各家公司引进了美国、法国和瑞士的各种槽型,经过消化与改进后,由三家公司综合了美国的环保性好和法国的能耗低的优点,开发了一种低电耗和密闭性好的预焙槽,容量达到160kA~170kA,这种槽型经过改进非常适合我国使用。以日本轻金属公司为首的日本几家铝业公司从1976年就开始向我国积极推荐其自主研发的大型预焙槽技术。而且由于在当时中日友好的大环境下,采用日本技术可以获得日本政府长期贷款的支持。

此后,原冶金部派出了以党组成员王哲为团长、程宗浩为秘书长的代表团,考察了日本6大铝业公司13个铝厂中的10个电解铝厂、碳素厂和铝加工厂。最终,根据考察建议决定采用日本轻金属株式会社160kA大型中间加料、密闭型预焙槽技术。

1978年2月21日,原国家计委批准了贵州铝厂8万吨铝电解工程(简称贵铝二电解或贵铝前8万吨工程),1979年1月7日,贵州铝厂与日本轻金属公司签订8万吨/年铝电解工厂建设引进合同。以日本轻金属公司当时最新试验的4台电解槽为原型,成套引进技术和设备,在贵州铝厂建设了中国第一个低电耗和密闭性好的160kA中间下料预焙槽系列——贵州铝厂第二电解铝厂,由贵阳铝镁设计研究院(贵阳院)负责配合引进工程的设计,中国第七冶金建设公司承担建设安装任务,系列共安装电解槽208台,年产能8万吨,包含配套的碳素预焙阳极制造和阳极组装系统。1981年12月18日,这个当时国内单系列产能最大、装备最先进的铝电解工程正式试车投产。

如何评价“日轻”技术?“日轻”160kA电解系列的引进和建设,是当时我国第一个大型预焙槽系列,在国际上属于上世纪70年代先进水平。为了让大家看得清楚,将其设计特点和主要指标参数描述如下:

① 设计电流强度160kA,槽工作电压4.05V,电流效率87.5%,直流电耗13600kWh/tAl,阳极效应次数1次/槽日;这个指标今天看来并不是很先进,但与当时国内自焙槽电流效率84%~86%,直流电耗15000kWh/tAl以上相比,确是先进了很多。

② 母线配置设计为两端进电,槽底有中间往端部引出的补偿母线;两端进电的设计模式当时不是最先进的,但考虑了磁场的影响,进行了合理的槽底补偿。

③ 采用中间下料方式,两点下料,下料器容量15kg, 加料20分钟一次,每小时下料量90kg,采用风动下料器(溜槽控制),每台槽端头设有一台专用风机;控制系统采用效应控制方式来控制氧化铝浓度;下料器结构和下料量的设计,是日方技术的最大短板,也是造成电解槽沉淀多,槽况波动大等许多问题的主要原因。

④ 阳极尺寸1400×660×540,阳极组数24,阳极电流密度0.72A/cm2;阳极的选择证明是合理的,我国后来的发展基本是在这个基础上改进的;

⑤ 阳极提升机构采用四点提升,为涡轮蜗杆式机构,运行稳定可靠。

⑥ 加工面为:大面525,小面595,阳极中缝250。这也是其设计落后的表现之一,是由于受到欧洲技术边部加工(加料)的影响,加工面较大。

⑦ 电解车间安装160kA电解槽208台,配置在四栋厂房内,共分8个区,每区26台槽。厂房采用两层楼式结构,操作平台为+2.4m,全钢结构厂房。厂房跨度为20.5m, 两栋厂房之间间距为25m;电解槽间距6.575m,这是由电解槽操作需求和母线配置设计决定的;阳极托盘有专用车辆运输至电解槽短头摆放;5t出铝台包由天车调运到电解槽短头完成出铝操作;这种设计方案有其合理性。

⑧ 采用了日本富士公司可控硅整流和干法净化烟气处理技术。整流所和烟气净化系统分别配置在电解车间的两个端头,跟我们今天的配置形式不一样。这样配置的好处是电解槽排与排之间的距离可以小一些,每两栋厂房(两排槽)对应一套净化系统。由于厂房长度比较短,烟气管道的距离也短。这种平面配置方案在当时有一定合理性,在贵铝第三电解和青海铝厂的设计中复制了这种模式。随着系列规模的增大,我们后来的设计方案都是采用了将净化系统布置在电解厂房之间的模式。

⑨ 氧化铝物料的输送,采用了两种形式,来自氧化铝厂的新鲜氧化铝送入8000t料仓(钢结构圆形料仓),经过气力输送(溜槽)和斗式提升机送入400t日耗仓;85%的新鲜氧化铝加入净化系统中吸附烟气中的氟化物,从净化回收回来的载氟氧化铝通过溜槽和提升机送入300t载氟仓供电解槽加料,自动控制的电动小车定时将载氟氧化铝送至每台电解槽设置的容量为5t槽壁料箱内,供每台电解槽使用;另外15%的新鲜氧化铝通过天车加料加入电解槽,作为阳极保温覆盖料。

⑩ 车间内配备了8台法国ECL生产的多功能操作机组,完成电解槽出铝、换极和抬母线等主要作业。

今天的大型槽技术已经有了很大的改变,主体的核心技术已经今非昔比,但在很多工程化细节方面,内行还是能够看到当年“日轻”技术的痕迹。

始料不及——投产暴露问题。“日轻”技术出问题了!很多人至今记忆犹新。事物的发展往往出乎人们的预料,由于技术本身和施工质量、操作水平、管理因素等各方面的原因,在投产初期长达三四年的时间里,引进的“日轻”电解槽生产运行出现了各种各样问题:槽温高、炉帮形成不好、伸腿过长、槽底沉淀多,各种问题频发,效率低,能耗高。尤其突出的是电解槽早期破损严重,大部分槽寿命不足1000天(设计槽寿命1500天)。

作为国家引进的重大工程,出现了重大问题也必然引起了很大的反应,甚至引起国家领导人的重视。作为全国最大的铝厂,行业标杆,更是贵州企业中的名牌,国家领导人来贵州必到贵铝考察,今天你知道贵州有茅台酒,不知道上世纪80年代贵铝比茅台关注度更高。因此,对于工程投产后的出现的问题,各方面压力都很大。从贵阳院调任的首任厂长韩沛川被免职,有关设计、施工及建设方都非常紧张。那么这些问题究竟是什么原因造成的呢?

一方面,当然是积极与日方交涉,认为对方工艺技术不成熟(据老同志介绍,“日轻”卖给中国的技术确实是最新的,但也只有4台工业试验槽),从履行合同的法律角度要求对方承担责任。日方也感觉很委屈,虽然很积极配合,但对中方对其技术的怀疑还是不予认可,认为是中方的施工质量、生产管理出了问题。事实上,在项目建设和投产过程中的确也发生过因为对工程监管不严,导致双方人员发生冲突的事情:一名中方人员不按章作业,引起日方人员不满,动手打了中方人员,因为这件事还引发了外交纠纷,这些都成了人家的“证据”。还有一些各种冲突被当时很多人当作奇闻轶事传播。改革开放初期的这些事儿,今天的人们很难想象。也于是,双方展开了长时间拉锯式的研究、分析、查证、谈判……。另一方面,基于当时的国内环境,这些问题引起了行业领导和专家们的重视,也激发了全国高校、各大设计、研究院所研究探讨的热情,也取得了许多的研究成果结论,然而各种观点和看法也不尽相同,今天看来当然也未必都正确。回想起来,由于受到十年“文  革”的影响,国内当时的技术基础相对薄弱,这种探讨和研究本身就是非常有意义的。

影响深远。事实上,贵铝第二电解系列的引进,受到了铝行业上下和全社会的高度关注。从上世纪80年代初到90年代相当长的一段时间内,它都代表了中国电解铝工业的最高水平,也是国内众多电解铝企业学习和效仿的模板。尽管存在着这样那样的问题,但广大的铝工业科技工作者还是对其保持着一种谦虚和实事求是的态度,从中学习和了解了大量的现代铝电解新技术理念和技术成果。

采用日本引进技术建设贵铝第二电解系列这一重大决策,使得我国电解铝工业与改革开放的步伐保持了同步快速发展,揭开了我国现代大型铝电解技术发展的序幕,对我国电解铝工业此后40年的发展产生了极其深远的影响,今天看来,这个决策是十分英明的。在我们为电解铝今天的发展而骄傲自豪的同时,应当感谢老一辈铝工业科学家们高  瞻远瞩,为电解铝工业作出的这一了不起的历史性贡献。(未完待续)

(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。)

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