中國電解鋁工業的技術追趕之路

-從落后到登頂

【資料圖】

2022年，中國的電解鋁產量是4030萬噸（IAI數據），占全球總產量的59.0%。

中國不僅是全球最大的電解鋁生產國，中國也是全球電解鋁生產技術水平最高的國家。

中國生產每噸電解鋁的耗電量水平是全球最低的！

電解鋁工業現在被認為是高耗能、高污染，應當受到限制發展的行業。

可是如果我們回到建國之初，改革開放之初，甚至是2000年，全國上下對電解鋁工業的看法截然不同！

在很長一段時間內，電解鋁被國家列為戰略性物資——鋁是制造戰斗機的主要材料。

建國初期的電解鋁廠和與電解鋁廠配套的氧化鋁廠都有自己的番號，比如撫順鋁廠也叫301廠，貴州鋁廠是302廠。

從這種類似于軍工企業的保密性質，足以看出當年電解鋁的戰略地位。

建國以后一直到上世紀八十年代，電解鋁一直都屬于短缺產品，長期依賴進口。

從新中國成立到1995 年中國累計生產鋁1681萬噸, 累計進口鋁為528萬噸, 累計耗用外匯12.8 億美元, 進口量占生產量的32%。

為了緩解中國嚴重缺鋁的局面，2000年以前中央和地方政府都千方百計建設一批電解鋁廠以提高國內產能，減少進口。

中國能夠成為全球最大的電解鋁生產國，關鍵在于我們掌握了最先進的電解鋁生產技術。

掌握了技術我們才有可能根據自身的需求擴大電解鋁產能。

掌握了技術我們才有可能降低電解鋁的價格，使鋁材走進老百姓的日常生活。

中國電解鋁工業的技術演進路線

現代電解鋁工業的生產技術“冰晶石－氧化鋁熔鹽電解法”，是美國人霍爾（Hall）和法國人埃魯特（Herult）發明的，兩人同時在1886年申請了專利。

霍爾和埃魯特兩人分別作為創始人創辦了兩個鋁冶金公司，就是今天世界著名的兩大鋁業公司美國鋁業公司（Alcoa，前身為匹茲堡冶金公司）和法國鋁業公司（Pechiney，前身為法蘭西電力冶金公司(SEMF)）。

美鋁和法鋁一直引領了全球電解鋁生產技術的發展，直到21世紀中國追趕并超過了他們。

電解鋁生產技術從1886年發明至今，基本技術路線沒有發生改變，技術的主要演進方向是提高電解槽的電流容量，提高電流效率，降低生產過程中的污染狀況。

提高電解槽的電流容量，可以顯著增加單個電解槽的產量，降低投資總額。

改進電解槽的設計，可以顯著提升電流效率，降低生產每噸鋁的耗電量。

將自焙陽極電解槽改為預焙陽極電解槽，是控制污染的重要方法。

電解鋁工業從緊缺的、具有戰略地位的產業，淪落為高耗能、需要受到限制發展的產業，根本原因是中國掌握了電解鋁工業的生產技術，極大的提升了中國電解鋁的產量，并使電解鋁成為普通人也消費得起的產品。

中國電解鋁生產技術的發展，主要經歷這四個階段：

1、蘇聯援助的60-70kA自焙陽極電解槽技術；

2、1978年引進的日本輕金屬公司160 kA預焙陽極電解槽技術；

3、90年代自主開發的300 kA級預焙陽極電解槽技術；

4、2000年后自主開發的400-600 kA級預焙陽極電解槽技術。

在前面兩個階段，中國的電解鋁生產技術還處于學習和追趕階段。

300 kA級預焙陽極電解槽技術開發成功后，中國的電解鋁工業首次在技術上與美鋁、法鋁等國外先進企業并駕齊驅。

400-600 kA級預焙陽極電解槽技術的開發，則是中國電解鋁工業在技術上實現了超越。

中國電解鋁產量在2000年后的大爆發，前提就是中國在電解鋁生產技術上實現了突破，不會在技術上受制于人。

從此電解鋁工業的競爭從技術競爭轉向了成本競爭。

蘇聯援助的電解鋁技術

中國電解鋁工業的發展始于蘇聯援建156項工程中的撫順鋁廠。

撫順鋁廠也是建國初期唯一的電解鋁廠。

撫順鋁廠采用的電解鋁生產技術是60kA 側插自焙陽極電解槽，最大系列規模為25000 噸。

撫順鋁廠1954 ~1957 年投產了兩個系列。

受制于蘇聯這個老師自身當時的技術水平，蘇聯教給我們的電解鋁生產技術還是比較低的。

法國彼施涅公司在1952年就開發出了電流容量100 kA 上插自焙陽極電解槽技術，電流容量和環保水平都遠高于蘇聯的技術。

中國的技術人員很快就掌握了蘇聯教給我們的技術。

表現在兩個方面：

第一是用蘇聯技術建設新的電解鋁廠，即有能力復制蘇聯的技術。

這個復制能力是很重要的，是掌握技術的第一步，是掌握技術的重要表現之一。

20世紀60年代至70年代初中國鋁工業發展很快，從只有一個撫順鋁廠發展到蘭州、山東、連城、包頭、青銅峽等幾十家鋁廠，這些鋁廠基本都是以蘇聯援建的撫順鋁廠為模板，采用了基本相同的電解鋁生產技術。

第二是對蘇聯技術進行改進。

1956 年撫順鋁廠進行第三期擴建，擔任工藝設計負責人的姚世煥與設計人員經過詳細計算與研究后，將整流器的利用系數提高5%，采用電解槽的陽極加寬、加長和小頭不釘棒，使電解槽操作大為簡化，電流上升到70 ~72kA，系列規模達到年產電解鋁30000 噸。

此后這種槽型成為中國六七十年代建設5000 ~30000 噸鋁廠的標準模式。

為了改進原有60 ~ 70kA 側插自焙陽極電解槽污染嚴重、勞動強度大的問題，我國技術人員還開展了80kA 上插自焙陽極電解槽的研制與開發工作。

除此之外，我國電解鋁工業的技術人員還進行了很多技術開發工作，在提高電解槽電流容量、減少污染等方面做了很多的探索，但是未能達到工業應用的階段。

當然我們需要承認在第一階段，雖然我國的技術人員對蘇聯電解鋁生產技術進行了改進，但是技術進步的幅度并不大。

此時，國外電解鋁企業的生產技術仍在快速進步，我國電解鋁生產技術與國外先進水平的差距是被拉大了。

我們既要看到自己的進步，也要看到客觀實際情況。

因此在改革開放后引進國外技術的過程中，電解鋁工業也安排了一個引進項目。

這就是貴州鋁廠引進日本輕金屬公司技術建設8萬噸電解鋁項目。

貴州鋁廠的8萬噸電解鋁項目，是“七八計劃”中的有色金屬工業兩個項目之一，另一個重要項目是銅工業的江西德興銅礦項目。

日輕160kA預焙陽極電解槽技術

改革開放前, 中國幾乎所有鋁廠一直沿用60 ~70kA 的側插自焙槽，產量低、污染嚴重、電耗高、勞動強度大，且勞動環境惡劣，嚴重影響了中國鋁工業的發展。

70年代末，以美鋁、法鋁等國際鋁業公司已經開發成功160~180kA以上的大型預焙槽技術，鋁電解技術開始出現以大型化、預焙化為主導的發展趨勢。

在技術專家姚世煥等人的建議下，我國引進了日本輕金屬公司的電解鋁生產技術。

1978年2月21日，原國家計委批準了貴州鋁廠8萬噸鋁電解工程。

以日本輕金屬公司當時最新試驗的4臺電解槽為原型，成套引進技術和設備，在貴州鋁廠建設中國第一個低電耗和密閉性好的160kA中間下料預焙槽系列——貴州鋁廠第二電解鋁廠，由貴陽鋁鎂設計研究院（貴陽院）負責配合引進工程的設計，中國第七冶金建設公司承擔建設安裝任務。

系列共安裝電解槽208臺，年產能8萬噸，包含配套的碳素預焙陽極制造和陽極組裝系統。1981年12月18日，這個當時國內單系列產能最大裝備最先進的鋁電解工程正式試車投產。

“日輕”160kA電解系列的引進和建設，是當時我國第一個大型預焙槽系列，在國際上屬于70年代先進水平。

其設計特點和主要指標參數：設計電流強度160kA，槽工作電壓4.05V，電流效率87.5%，噸鋁直流電耗13600度。

這個指標今天看來并不是很先進，但與當時國內自焙槽電流效率84～86%，噸鋁直流電耗15000度以上相比，確是先進了很多。

對日輕技術的消化吸收

從國家戰略的角度，貴州鋁廠引進日輕技術并不僅僅是為了建設一個鋁廠，而是為了改變和提升一個產業。

巴西等國家的工業化為什么會失?。咳绻ㄙM巨資僅僅只建設一個工廠，那么形成的產能有限，投資回報有限。如果技術進步了，這筆投資還會貶值。

光靠引進技術是不夠的，必須自己掌握技術。

如果自己不掌握生產技術，就無法對中國的電解鋁工業進行改造，就無法用先進生產技術提高中國電解鋁的產量。

因此我們必須掌握技術！

在國家的統一組織安排下，由貴陽鋁鎂設計院、沈陽鋁鎂設計院、貴州鋁廠、鄭州輕金屬研究所、青海鋁廠、白銀鋁廠等組織了若干個引進技術的消化吸收研究小組，中南礦冶學院、東北工學院等也開展了一系列的研究工作，全國掀起了一場曠日持久消化吸收引進技術的高潮。

電解鋁生產技術的核心是電解槽設計。

電解槽設計的前提是掌握電解槽各種物理特性（電解槽熱、電、磁、力特征），即物理場，行業俗稱“三場”。

“三場”研究是基礎，研究成果是建立物理場的數學模型并開發出仿真設計軟件。

在八十年代，鋁電解槽數學模型與計算機仿真技術的研究是鋁電解技術研究的核心技術，世界各大鋁業公司均以此為基礎發展自己的大型預焙槽技術。

以武威、姚世煥、江獻賓、宋垣溫、干益人等為代表的部分老專家們清醒地認識到：要搞清和解決引進技術存在的問題，必須緊跟國際鋁電解技術發展的趨勢，從物理場基礎研究開始，簡單的消化吸收很難支撐我國電解鋁技術的未來發展。也就是說必須系統地研究開發我國自己的現代大型鋁電解槽的物理場數學模型和計算機仿真技術，才能為中國電解鋁技術趕超國際先進水平夯實基礎。

電熱解析研究從1983年11月開始，在消化研究“日輕”有關鋁電解槽陰極電熱解析計算機仿真研究報告的基礎上起步，半年多的時間便完全消化并重現了“日輕”的計算結果，并且很快開發成功陰、陽極電流場、溫度場和熱流場仿真模型和軟件；

電磁場研究從1984年上半年開始工作，下半年便取得了重要的進展，建立和重現了日方的電磁場的仿真計算結果；

結構力學的研究工作也相繼進入實質性階段。

研究工作的進展在整個技術消化吸收小組產生很大反響，讓我們的技術人員備受鼓舞，也激發了大家對開展此項研究工作的熱情。

隨著研究工作的深入，項目組對“三場”研究的核心技術問題有了清晰的認識。

要建立精確可靠的物理場數學模型和計算機軟件，必須在合理選擇可靠的物理模型基礎上，通過數值方法建立可靠的數學模型。而決定仿真技術可靠性的最關鍵的因素，取決于可靠的邊界條件，這是一項長期而又重要的工作。

“三場”的研究繼續作為“六五”重點攻關項目，貴陽院、沈陽院、輕研院都成立了專題研究小組，開展研究工作。

中國的技術人員經過努力，終于掌握了引進的“日輕”技術。

中國的技術人員利用自己開發的模型和軟件，能夠重現“日輕”的計算結果。

我們不僅做到了知其然，也做到了知其所以然。

在此基礎上，依靠自己的技術能力在全國獨立建設“日輕”技術的電解鋁廠不成問題。

繼續開發先進的電解槽，也不再是問題。

中國最終掌握電解鋁的底層生產技術，就是來自于這些一點一滴的努力。

僅有理論結果還不夠，我們還需要驗證自己的研究成果。

在此研究基礎上，貴州鋁廠對引進的“日輕”160kA電解槽進行了技術改造，這就是151、152號電解槽改造試驗。

經有色總公司組織專家鑒定，改造后電解槽的技術指標為：電流效率91.52%，電流效率提高了4%，噸鋁直流電耗13112度，下降約500度。試驗結果十分成功。

151、152號槽試驗的成功，打破了人們對日本技術的神秘感，也大大增加了國內技術人員的信心。

186kA試驗槽——獨立設計的鋁電解槽

貴陽院聯合貴州鋁廠向國家經委、有色總公司申請在貴州鋁廠建設試驗工廠，開發4臺180kA級鋁電解試驗槽（實際電流186kA）。

1987年2月獲得批準，項目被國家經委和有色總公司列為“七五”重點攻關項目。

項目于1990年下半年建成，并具備了啟動運行的條件。

經過多方努力，四臺試驗槽在1991年9月順利啟動投產。

經過一年半的運行，取得了電流效率93.5%，噸鋁直流電耗13450度的運行指標。

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，自主開發成功的第一代現代大型預焙陽極鋁電解槽，達到了當時的國際先進水平。

從1986年項目啟動到1993年試驗槽鑒定驗收7年間，設計方案和現場試驗反反復復。試驗組的同志克服重重困難，經歷了無數次的調整和完善，解決了一系列的技術難題。

180kA級鋁電解試驗槽的技術等級與日輕技術屬于同一等級，但是我國自主開發的、擁有完全技術知識產權第一代大型預焙陽極電解槽。

作為我國第一個自主開發的大型預焙槽技術，所遇到的技術問題和選擇是多方面的，在當時的條件下，具有很大的挑戰性。

我國的技術人員最終克服了種種挑戰，圓滿完成了開發工作。

這項工作的成功標志著我們掌握電解鋁生產技術的水平又上升了一個臺階。

開發這項技術我國技術人員耗時7年！

300kA等級自培陽極電解槽技術技術的開發

1986年，法國Pechiney位于圣·讓·D·莫里因工廠的G系列120臺AP28（后發展為AP30）特大型槽開始工業化生產，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，國際鋁電解技術大型化發展的步伐進一步加快。

1987年9月，在貴鋁180kA試驗槽技術方案順利通過專家評審的背景下，我國電解鋁工業的專家們高瞻遠矚，從趕超國際先進水平的戰略角度出發積極建議：由輕研院牽頭，聯合貴陽院、沈陽院在河南省內建立“國家大型鋁電解試驗基地”，開發試驗我國自己的280kA以上特大型鋁電解槽，直接瞄準國際最先進技術。

項目在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”重大攻關項目。作為當時的科技開發項目投資規模之大、參與人數之多、規格之高、開發周期之長，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”。

1988年7月， 280kA鋁電解試驗項目工作正式啟動。

經過三年多的研究、試驗和仿真計算，攻關項目組終于完成了280kA試驗槽的全部設計方案，試驗轉入實質性的實施階段。

1991年1月，主要技術方案獲得專家一致通過。

1992年中期，試驗項目280kA槽建設基本完成。

1995年元月，4臺280kA電解槽相繼啟動運行。

在經過一年多的試驗和三個月的性能測試后，試驗組完成全部的試驗任務，取得了令人滿意的試驗結果，280kA電解槽獲得了巨大成功。

“280kA特大型鋁電解槽工業試驗”是國家計委“七五”、“八五”重點攻關項目，該項目由中國有色金屬工業總公司組織實施，鄭州輕研院、貴陽院和沈陽院共同承擔了該項目的開發設計、施工建設及工業試驗任務。

從1988年開始籌建大型鋁試驗基地，經過8年的攻關，成功地開發了4臺280kA特大型鋁電解試驗槽。經過一年半的運行，考核測試結果：試驗槽取得了電流效率93.44%，直流噸鋁電耗13114度。

1996年11月通過了有色總公司組織的國家科技成果鑒定。

280kA試驗槽的開發成功，標志著我國大型鋁電解槽技術已進入世界領先行列，其高效、低耗、運行可靠、投資省等優點，所完成的各項試驗，成為我國更大容量電解槽的基礎和模板。

280kA試驗槽的開發為我國鋁電解生產的規?；峁┝顺商紫冗M技術，被譽為我國鋁電解技術發展的里程碑！也成為中國電解鋁工業高速發展的轉折點和強大引擎！并且孕育了此后又一個20年電解鋁一波又一波發展浪潮！

280kA鋁電解試驗項目用時8年。

280kA鋁電解技術開發成功后，我國在電解鋁工業技術上基本追上了世界最先進水平。

這標志著我們不僅掌握了電解鋁工業的生產技術，而且與國外先進水平不再存在技術代差。

280kA鋁電解技術的開發成功，是2000年后中國電解鋁工業爆發的基礎。

280kA試驗廠的設計方案，完全比照了和吸收了國際最新先進技術基本理念和研究成果。然而，真正的難題是在沒有先例的情況下，能不能真正掌握特大型槽的仿真設計技術，即設計出先進的280kA槽并獲得真正優良的效果。事實上，歐美國家大型化技術發展也并非一帆風順。

當年曾讓我們神一樣膜拜的美鋁280kA槽（Alcoa-817）僅僅在澳大利亞波特蘭鋁廠建立兩個系列，后由于電磁場設計原因不能穩定運行，因而至今沒有在任何地方再使用。后來，這讓我國的技術人員難以置信。

當然，打破國外技術、國外企業的神話是非常有意義的。

280kA鋁電解技術開發成功后，中國電解鋁工業的技術發展仍在持續！

1998年9月，平果鋁320kA超大型鋁電解槽技術示范項目開始實施，項目由平果鋁業公司和貴陽院聯合承擔。

從2000年4月到8月，分別對其中8臺試驗槽和30臺槽進行試驗考核，取得的主要技術指標為：電流強度322.456kA，電流效率95.04%（30臺平均94.43%），噸鋁直流電耗13191k度，整體達到國際先進水平。

鑒定會上，專家組長劉業翔院士說：“320kA特大型鋁電解槽技術的成功開發和應用，標志著我國鋁電解槽技術已具備完整的科學體系，使我國鋁電解技術躍上了一個新臺階”。國家有色金屬工業局副局長康義教授百感交集地說：“320kA電解槽是現代鋁電解發展的方向，它的開發成功，為我國鋁電解工業迎戰新世紀搶得先機，振奮人心，大漲中國人志氣！”

320kA鋁電解槽技術的開發和建設僅用時1年。

360kA鋁電解槽技術的開發和建設也僅僅用了2年。

為什么新技術的開發時間越來越短？因為我們掌握了技術，中國的電解鋁工業進入了技術自由王國的階段。

往后中國400~600kA超大型鋁電解槽技術的開發同樣十分順利，并且領先于國外電解鋁企業。

但是400~600kA超大型鋁電解槽技術的優勢相比300kA等級的電解槽技術優勢并不明顯，在電解鋁工業的應用并不廣泛。

中國電解鋁生產技術的追趕與超越

美鋁第一代大型電解槽P155的投產時間是1963年，這比中國引進日輕技術建設的貴鋁第二電解鋁廠領先了近20年。

美鋁這一代電解技術的完善用了將近20年左右的時間。

美鋁275kA電解槽技術的投產時間是Alcoa-817電解槽1986年投產，比中國280kA鋁電解技術試驗成功的時間早了10年左右。

中國在電解鋁生產技術上與國外先進水平的差距在2000年前基本就被抹平了。

不僅如此，320kA鋁電解槽技術和360kA鋁電解槽技術在中國獲得了廣泛的應用，而美鋁的Alcoa-817電解槽由于技術不完善，投產數量很少。

2000年后中國電解鋁產量的爆發，技術已經做好了充分的準備。

2000年至今，全球其它國家的電解鋁產量僅有少量的增長。

中國的電解鋁產量從2000年的299萬噸增加到2022年的4021萬噸，全球電解鋁產量的增量幾乎都來自于中國。

國際電解鋁的價格不升反跌，這與銅價截然不同。

中國電解鋁工業技術的突破，推動了國內民營電解鋁企業的發展。

魏橋鋁業是全球最大的電解鋁企業，而魏橋進入電解鋁企業的時間是2000年之后。

魏橋鋁業使用最大的電解鋁生產技術就是320kA電解槽技術。

工業化的核心在于掌握技術。

掌握了技術才能根據自己的需要擴大產能。

掌握了技術才能開發新技術，不致于出現“引進即落后”的情況。

引進技術是縮短追趕時間的有效方法，但前提還是要掌握技術。

我們普通人會享受到掌握技術的好處——更便宜的產品，更充分的供應量。

企業也會享受到掌握技術的好處——新的商業機會。

參考資料：

1、梁學民，《我國鋁電解技術40年發展回顧》。

2、《銀龍騰飛——貴州鋁廠三十年回顧》。

3、《鋁業巨擘今遠去 留得精魂滿乾坤——紀念中國電解鋁行業泰斗、貴陽鋁鎂設計研究院原總工程師姚世煥教授》

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