280kA试验槽攻关——方案初定

1988年，我国电解铝工业还处在鲜为人知的年代，但一场必定要载入史册的技术变革正悄悄向我们走来。这一年，我国大型铝电解试验基地攻关项目正式启动，此后三十多年的事实证明，这个项目的启动，改写了中国电解铝工业发展的历史。
老一辈的报国之心。关于这个项目的来历，或许今天知道的人已经不多。但它之所以发生，背后有着深厚的背景和许许多多老一辈铝业人的不懈努力和追求，也是历史的必然。我们也不得不从老一代铝工业专家们说起。1984年，一批老一辈铝工业专家包括程宗浩、杨万志等在为国家辛勤奋斗几十年后，将离开工作岗位。而我国铝工业正处在一个新老交替和历史上百年不遇的换档期，他们怀着对铝工业的深厚感情和为我国铝工业科技发展作贡献的历史责任感，深知我国铝电解技术的开发创新须臾不可松懈，需要抓住机遇奋起直追，赶超世界先进水平。在他们的积极建议下，1984年7月，“中国有色金属工业铝冶炼技术开发中心”在郑州成立，贵阳院老院长程宗浩任中心主任。“中心”成立之初，就从贵阳院、沈阳院、北京有色冶金设计研究总院和郑州轻金属研究所（简称“轻研所”）抽调了一批专家，办公地点就设在位于郑州上街区的轻研所。1988年10月，由于一些原因，技术开发中心被撤销，合并至郑州轻研所，郑州轻金属研究所也由此改名为郑州轻金属研究院（简称“轻研院”），原来从贵阳院、沈阳院一部分人员回原单位，另有一部分留了下来，还创办了郑州轻研院设计部，来自贵阳院的电解专家郭振图高工担任设计部主任，这便是轻研院和其设计部的由来。
“中心”撤了，但老专家们为铝工业科技创新作贡献的初衷不改。1986年，法国Pechiney位于圣·让·D·莫里因工厂的G系列120台AP28（后发展为AP30）特大型槽开始工业化生产，成为世界瞩目的焦点；同一时间，美国Alcoa在澳大利亚Poltland铝厂的Aloca-817也投入运行，运行电流均达到275～300kA，国际铝电解技术大型化发展的步伐进一步加快。
攻关项目启动。1987年9月，在贵铝180kA试验槽技术方案顺利通过专家评审的背景下，老专家们高瞻远瞩，从赶超国际先进水平的战略角度出发积极建议：由轻研院牵头，联合贵阳院、沈阳院在河南省内建立“国家大型铝电解试验基地”，开发试验我国自己的280kA以上特大型铝电解槽，直接瞄准国际最先进技术。之所以由轻研院牵头实施，也包含了为研究院发展实体产业的另一层意义，之前轻研院的氧化铝中试厂建设取得了很好的效果。项目得到了中国有色金属工业总公司科技局领导的大力支持，并在1988年初得到国家计委批示立项，列为国家计委、有色总公司“七五”“八五”重大攻关项目，项目初期总投资预算2800万元，后为了维持工厂运行、增加生产设施，调整为5300万元（实际投资更高）。作为当时的科技开发项目投资规模之大、参与人数之多、规格之高、开发周期之长，可以说是空前绝后，当时就被称之为“铝电解科技的奥林匹克”。
作者在1995年陪同程宗浩老院长前往广西平果铝参加全国第三届轻金属冶金学术会议路途中，老院长一路上畅谈他对铝工业科技开发工作的宏伟设想，希望有一天真正建立中国在世界上有影响力的铝工业技术开发中心。作为一个已经离休10余年的老领导，对铝工业科技发展所倾注的关切和情怀，作为晚辈的作者感慨万千，他的谆谆教诲至今铭记。没有老一辈开疆拓土的雄才伟略和呕心沥血的奉献精神，就不会有我国铝工业今天的辉煌。
联合攻关——群英荟萃。1988年7月，骄阳似火，280kA铝电解试验项目工作正式启动。郑州轻研院派出了强大阵容：第一任项目指挥长由轻研院副院长刘全朴教授担任，卢光裕、黄志高等任副指挥长，干益人任总工程师，郭超然、赵无畏等专家任副总工程师。按照有色总公司科技局组织安排，项目参加单位的设计分工为：贵阳院负责电解车间及4台电解槽设计、净化系统和氧化铝输送等，总设计师为土建专家、技术处处长于家谋、电解设计负责人是武威高工和作者，同时负责物理场仿真设计；工艺及槽结构设计还有高振玉、易小兵、刘光声、王愚等；沈阳院负责整流所设计，总设计师霍庆发、电气负责人李明贤，工艺负责人王汝良、张万福等，郑州轻研院设计部负责其他配套部份的设计（包括总平面、铸造车间、阳极组装等），设计负责人是郭振图高工。他们为前期的项目决策、方案设计、项目建设作出了重大贡献。
厂址选择最初有两个方案：一个是开封，一个是焦作市下辖的沁阳市。由于开封的电力条件不能满足要求，最后落实在沁阳市，距离刚刚扩建完成又有富余电力负荷的沁阳电厂不到一公里的校尉营村——太行山脚下一个名不见经传的小村庄。距离轻研院所在地郑州上街区150公里，坐班车要走4、5个小时。在建设规划上，为了使试验基地具备一定的生产规模，投产后能够独立运营，轻研院领导在试验槽建设的同时，原考虑建设一个1万吨规模的60kA自焙槽系列（当时小电解铝厂的起步规模），以能够使试验厂投产后产生一定的经济效益，维持基地运转。
专家组阵容强大。为了确保攻关万无一失，总公司组织成立了一个由行业内权威专家组成的“常设专家组”，专家组成员由韦涵光、邱竹贤、程宗浩、杨瑞祥、姚世焕、徐树田、张大有等七人组成，老院长程宗浩任专家组长，轻研院老专家张大有任副组长。经过可行性研究、初步设计、施工图设计，每往前一步，都要经过专家组进行方案讨论和论证。
上世纪80年代中后期，法国Pechiney开发的280kA(AP28-30)和美铝300kA(Alcoa817)刚刚实现工业化生产，而我国280kA铝电解试验槽的设计，是在贵阳院“三场”研究成果得到初步验证，对160kA电解槽技术改造、186kA试验槽仅完成设计工作的基础上进行的。但当时186kA试验项目尚未启动，直接跨越到当时国际上最大容量级的280kA电解槽，设计和试验的风险可想而知。有色总公司安排国外考察，只要是考察团，到人家的铝厂也只能在几十米开外远远地看上一眼，当然技术考察是一律不接待的，大型槽技术秘密在当时是严格封锁的。作为国际各大铝业公司刚刚开发成功的最新技术，严格的技术保密也是可以理解的。在作者和大多数专家的心里，AP28、Alcoa-817就像神一样的存在，所有的资料就只有论文和几张照片，物理场——更是看不见摸不着，告诉你结果和指标，你也不知道怎么做。
在这种情况下，项目建设单位和设计单位包括专家组全体参试人员，尽管都安排组成了最强的团队，但面临的压力仍是巨大的。电解槽设计和试验方案的确定过程中，多次召开专家论证会，广泛调研，听取多方面的意见。作者在每次专家评审会其间，都能够听到前辈专家们说的最多的一句话，是一句近似安慰的鼓励：大胆设计，不用怕，总能出铝吧？一方面这么大的槽子，大家心里没底，不敢有太大的奢望，也做好了最不利的准备；另一方面，也期待着成功的一天。当时那种责任感、使命感和压力陡然剧增。
总体方案。经过项目组艰苦努力，在全面研究并充分结合国内现有试验基础，最终向专家组提出的设计方案如下：
① 设计电流强度280kA，安装4台试验槽；选择4台槽基本是工业化试验的惯例。按照磁场的特点，一般端部槽很难获得理想效果，中间槽至少2台以作为试验对比样本，这也是最少的配置了。
② 最初考虑两个方案，采用郑州铝厂65kA小预焙槽阳极，36组阳极阳极（双极组）的方案被否决；最后采用了贵铝的改进阳极尺寸1450×660×540，阳极组数40组，阳极电流密度0.7314A/cm2；受到原有阳极尺寸的限制，只有少许的改变；阳极电流密度也有增加。
③ 阴极炭块尺寸515×450×3150，阴极组数28组；阴极的尺寸当时可以选择的只有贵州铝厂的模式。
④ 母线配置设计为全大面五点进电；理论研究的成果，特大型槽获得最佳磁流体力动力学效果的配置形式，即电解槽横向排列和大面多点进电。
⑤ 阳极提升机构涡轮蜗杆式，采用8点提升；最初的设计，稳妥可靠。
⑥ 采用中间下料方式，六点下料，下料器容量1.8kg，采用筒式（机械式）下料器；符合国际最新工艺技术发展。
⑦ 计算机控制系统采用氧化铝浓度自适应控制系统；已经在前期的研究中获得一定基础。
⑧ 加工面为：大面375，小面450，阳极中缝200；参考了186kA槽，也是国际发展趋势。
⑨ 试验厂房采用两层楼式结构，操作平台为+2.8m，厂房跨度为24m；基于车间散热需要，这种厂房结构形式为大型槽普遍采用，也与引进项目一样。
⑩ 氧化铝输送采用了超浓相输送；当时可选择的是浓相和超浓相技术，但浓相技术国内尚未掌握。
多功能机组驾驶室采用高位操作，与186kA试验槽一样，采用了大连起重机厂高位操作的多功能操作机组。
从以上方案，内行专家们都可以看出，280kA电解槽的所有技术选择，都具备了现代大型铝电解槽的基本特征，即使今天来评价依然是先进的。