中国电解铝工业的技术追赶之路-从落后到登顶

中国电解铝工业的技术追赶之路

-从落后到登顶

2022年，中国的电解铝产量是4030万吨（IAI数据），占全球总产量的59.0%。

中国不仅是全球最大的电解铝生产国，中国也是全球电解铝生产技术水平最高的国家。

中国生产每吨电解铝的耗电量水平是全球最低的！

电解铝工业现在被认为是高耗能、高污染，应当受到限制发展的行业。

可是如果我们回到建国之初，改革开放之初，甚至是2000年，全国上下对电解铝工业的看法截然不同！

在很长一段时间内，电解铝被国家列为战略性物资——铝是制造战斗机的主要材料。

建国初期的电解铝厂和与电解铝厂配套的氧化铝厂都有自己的番号，比如抚顺铝厂也叫301厂，贵州铝厂是302厂。

从这种类似于军工企业的保密性质，足以看出当年电解铝的战略地位。

建国以后一直到上世纪八十年代，电解铝一直都属于短缺产品，长期依赖进口。

从新中国成立到1995 年中国累计生产铝1681万吨, 累计进口铝为528万吨, 累计耗用外汇12.8 亿美元, 进口量占生产量的32%。

为了缓解中国严重缺铝的局面，2000年以前中央和地方政府都千方百计建设一批电解铝厂以提高国内产能，减少进口。

中国能够成为全球最大的电解铝生产国，关键在于我们掌握了最先进的电解铝生产技术。

掌握了技术我们才有可能根据自身的需求扩大电解铝产能。

掌握了技术我们才有可能降低电解铝的价格，使铝材走进老百姓的日常生活。

中国电解铝工业的技术演进路线

现代电解铝工业的生产技术“冰晶石－氧化铝熔盐电解法”，是美国人霍尔（Hall）和法国人埃鲁特（Herult）发明的，两人同时在1886年申请了专利。

霍尔和埃鲁特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)）。

美铝和法铝一直引领了全球电解铝生产技术的发展，直到21世纪中国追赶并超过了他们。

电解铝生产技术从1886年发明至今，基本技术路线没有发生改变，技术的主要演进方向是提高电解槽的电流容量，提高电流效率，降低生产过程中的污染状况。

提高电解槽的电流容量，可以显著增加单个电解槽的产量，降低投资总额。

改进电解槽的设计，可以显著提升电流效率，降低生产每吨铝的耗电量。

将自焙阳极电解槽改为预焙阳极电解槽，是控制污染的重要方法。

电解铝工业从紧缺的、具有战略地位的产业，沦落为高耗能、需要受到限制发展的产业，根本原因是中国掌握了电解铝工业的生产技术，极大的提升了中国电解铝的产量，并使电解铝成为普通人也消费得起的产品。

中国电解铝生产技术的发展，主要经历这四个阶段：

1、苏联援助的60-70kA自焙阳极电解槽技术；

2、1978年引进的日本轻金属公司160 kA预焙阳极电解槽技术；

3、90年代自主开发的300 kA级预焙阳极电解槽技术；

4、2000年后自主开发的400-600 kA级预焙阳极电解槽技术。

在前面两个阶段，中国的电解铝生产技术还处于学习和追赶阶段。

300 kA级预焙阳极电解槽技术开发成功后，中国的电解铝工业首次在技术上与美铝、法铝等国外先进企业并驾齐驱。

400-600 kA级预焙阳极电解槽技术的开发，则是中国电解铝工业在技术上实现了超越。

中国电解铝产量在2000年后的大爆发，前提就是中国在电解铝生产技术上实现了突破，不会在技术上受制于人。

从此电解铝工业的竞争从技术竞争转向了成本竞争。

苏联援助的电解铝技术

 中国电解铝工业的发展始于苏联援建156项工程中的抚顺铝厂。

抚顺铝厂也是建国初期唯一的电解铝厂。

抚顺铝厂采用的电解铝生产技术是60kA 侧插自焙阳极电解槽，最大系列规模为25000 吨。

抚顺铝厂1954 ~1957 年投产了两个系列。

受制于苏联这个老师自身当时的技术水平，苏联教给我们的电解铝生产技术还是比较低的。

法国彼施涅公司在1952年就开发出了电流容量100 kA 上插自焙阳极电解槽技术，电流容量和环保水平都远高于苏联的技术。

中国的技术人员很快就掌握了苏联教给我们的技术。

表现在两个方面：

第一是用苏联技术建设新的电解铝厂，即有能力复制苏联的技术。

这个复制能力是很重要的，是掌握技术的第一步，是掌握技术的重要表现之一。

20世纪60年代至70年代初中国铝工业发展很快，从只有一个抚顺铝厂发展到兰州、山东、连城、包头、青铜峡等几十家铝厂，这些铝厂基本都是以苏联援建的抚顺铝厂为模板，采用了基本相同的电解铝生产技术。

第二是对苏联技术进行改进。

1956 年抚顺铝厂进行第三期扩建，担任工艺设计负责人的姚世焕与设计人员经过详细计算与研究后，将整流器的利用系数提高5%，采用电解槽的阳极加宽、加长和小头不钉棒，使电解槽操作大为简化，电流上升到70 ~72kA，系列规模达到年产电解铝30000 吨。

此后这种槽型成为中国六七十年代建设5000 ~30000 吨铝厂的标准模式。

为了改进原有60 ~ 70kA 侧插自焙阳极电解槽污染严重、劳动强度大的问题，我国技术人员还开展了80kA 上插自焙阳极电解槽的研制与开发工作。

除此之外，我国电解铝工业的技术人员还进行了很多技术开发工作，在提高电解槽电流容量、减少污染等方面做了很多的探索，但是未能达到工业应用的阶段。

当然我们需要承认在第一阶段，虽然我国的技术人员对苏联电解铝生产技术进行了改进，但是技术进步的幅度并不大。

此时，国外电解铝企业的生产技术仍在快速进步，我国电解铝生产技术与国外先进水平的差距是被拉大了。

我们既要看到自己的进步，也要看到客观实际情况。

因此在改革开放后引进国外技术的过程中，电解铝工业也安排了一个引进项目。

这就是贵州铝厂引进日本轻金属公司技术建设8万吨电解铝项目。

贵州铝厂的8万吨电解铝项目，是“七八计划”中的有色金属工业两个项目之一，另一个重要项目是铜工业的江西德兴铜矿项目。

日轻160kA预焙阳极电解槽技术

改革开放前, 中国几乎所有铝厂一直沿用60 ~70kA 的侧插自焙槽，产量低、污染严重、电耗高、劳动强度大，且劳动环境恶劣，严重影响了中国铝工业的发展。

70年代末，以美铝、法铝等国际铝业公司已经开发成功160~180kA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。

在技术专家姚世焕等人的建议下，我国引进了日本轻金属公司的电解铝生产技术。

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。

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。

“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70年代先进水平。

其设计特点和主要指标参数：设计电流强度160kA，槽工作电压4.05V，电流效率87.5%，吨铝直流电耗13600度。

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%，吨铝直流电耗15000度以上相比，确是先进了很多。

对日轻技术的消化吸收

从国家战略的角度，贵州铝厂引进日轻技术并不仅仅是为了建设一个铝厂，而是为了改变和提升一个产业。

巴西等国家的工业化为什么会失败？如果花费巨资仅仅只建设一个工厂，那么形成的产能有限，投资回报有限。如果技术进步了，这笔投资还会贬值。

光靠引进技术是不够的，必须自己掌握技术。

如果自己不掌握生产技术，就无法对中国的电解铝工业进行改造，就无法用先进生产技术提高中国电解铝的产量。

因此我们必须掌握技术！

在国家的统一组织安排下，由贵阳铝镁设计院、沈阳铝镁设计院、贵州铝厂、郑州轻金属研究所、青海铝厂、白银铝厂等组织了若干个引进技术的消化吸收研究小组，中南矿冶学院、东北工学院等也开展了一系列的研究工作，全国掀起了一场旷日持久消化吸收引进技术的高潮。

电解铝生产技术的核心是电解槽设计。

电解槽设计的前提是掌握电解槽各种物理特性（电解槽热、电、磁、力特征），即物理场，行业俗称“三场”。

“三场”研究是基础，研究成果是建立物理场的数学模型并开发出仿真设计软件。

在八十年代，铝电解槽数学模型与计算机仿真技术的研究是铝电解技术研究的核心技术，世界各大铝业公司均以此为基础发展自己的大型预焙槽技术。

以武威、姚世焕、江献宾、宋垣温、干益人等为代表的部分老专家们清醒地认识到：要搞清和解决引进技术存在的问题，必须紧跟国际铝电解技术发展的趋势，从物理场基础研究开始，简单的消化吸收很难支撑我国电解铝技术的未来发展。也就是说必须系统地研究开发我国自己的现代大型铝电解槽的物理场数学模型和计算机仿真技术，才能为中国电解铝技术赶超国际先进水平夯实基础。

电热解析研究从1983年11月开始，在消化研究“日轻”有关铝电解槽阴极电热解析计算机仿真研究报告的基础上起步，半年多的时间便完全消化并重现了“日轻”的计算结果，并且很快开发成功阴、阳极电流场、温度场和热流场仿真模型和软件；

电磁场研究从1984年上半年开始工作，下半年便取得了重要的进展，建立和重现了日方的电磁场的仿真计算结果；

结构力学的研究工作也相继进入实质性阶段。

研究工作的进展在整个技术消化吸收小组产生很大反响，让我们的技术人员备受鼓舞，也激发了大家对开展此项研究工作的热情。

随着研究工作的深入，项目组对“三场”研究的核心技术问题有了清晰的认识。

要建立精确可靠的物理场数学模型和计算机软件，必须在合理选择可靠的物理模型基础上，通过数值方法建立可靠的数学模型。而决定仿真技术可靠性的最关键的因素，取决于可靠的边界条件，这是一项长期而又重要的工作。

 “三场”的研究继续作为“六五”重点攻关项目，贵阳院、沈阳院、轻研院都成立了专题研究小组，开展研究工作。

中国的技术人员经过努力，终于掌握了引进的“日轻”技术。

中国的技术人员利用自己开发的模型和软件，能够重现“日轻”的计算结果。

我们不仅做到了知其然，也做到了知其所以然。

在此基础上，依靠自己的技术能力在全国独立建设“日轻”技术的电解铝厂不成问题。

继续开发先进的电解槽，也不再是问题。

中国最终掌握电解铝的底层生产技术，就是来自于这些一点一滴的努力。

仅有理论结果还不够，我们还需要验证自己的研究成果。

在此研究基础上，贵州铝厂对引进的“日轻”160kA电解槽进行了技术改造，这就是151、152号电解槽改造试验。

经有色总公司组织专家鉴定，改造后电解槽的技术指标为：电流效率91.52%，电流效率提高了4%，吨铝直流电耗13112度，下降约500度。试验结果十分成功。

151、152号槽试验的成功，打破了人们对日本技术的神秘感，也大大增加了国内技术人员的信心。

186kA试验槽——独立设计的铝电解槽

贵阳院联合贵州铝厂向国家经委、有色总公司申请在贵州铝厂建设试验工厂，开发4台180kA级铝电解试验槽（实际电流186kA）。

1987年2月获得批准，项目被国家经委和有色总公司列为“七五”重点攻关项目。

项目于1990年下半年建成，并具备了启动运行的条件。

经过多方努力，四台试验槽在1991年9月顺利启动投产。

经过一年半的运行，取得了电流效率93.5%，吨铝直流电耗13450度的运行指标。

1993年3月通过国家科技成果鉴定。

这是我国依靠自己的研究成果，自主开发成功的第一代现代大型预焙阳极铝电解槽，达到了当时的国际先进水平。

从1986年项目启动到1993年试验槽鉴定验收7年间，设计方案和现场试验反反复复。试验组的同志克服重重困难，经历了无数次的调整和完善，解决了一系列的技术难题。

180kA级铝电解试验槽的技术等级与日轻技术属于同一等级，但是我国自主开发的、拥有完全技术知识产权第一代大型预焙阳极电解槽。

作为我国第一个自主开发的大型预焙槽技术，所遇到的技术问题和选择是多方面的，在当时的条件下，具有很大的挑战性。

我国的技术人员最终克服了种种挑战，圆满完成了开发工作。

这项工作的成功标志着我们掌握电解铝生产技术的水平又上升了一个台阶。

开发这项技术我国技术人员耗时7年！

300kA等级自培阳极电解槽技术技术的开发

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。

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，我国电解铝工业的专家们高瞻远瞩，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。

项目在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。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”。

1988年7月， 280kA铝电解试验项目工作正式启动。

经过三年多的研究、试验和仿真计算，攻关项目组终于完成了280kA试验槽的全部设计方案，试验转入实质性的实施阶段。

1991年1月，主要技术方案获得专家一致通过。

1992年中期，试验项目280kA槽建设基本完成。

1995年元月，4台280kA电解槽相继启动运行。

在经过一年多的试验和三个月的性能测试后，试验组完成全部的试验任务，取得了令人满意的试验结果，280kA电解槽获得了巨大成功。

“280kA特大型铝电解槽工业试验”是国家计委“七五”、“八五”重点攻关项目，该项目由中国有色金属工业总公司组织实施，郑州轻研院、贵阳院和沈阳院共同承担了该项目的开发设计、施工建设及工业试验任务。

从1988年开始筹建大型铝试验基地，经过8年的攻关，成功地开发了4台280kA特大型铝电解试验槽。经过一年半的运行，考核测试结果：试验槽取得了电流效率93.44%，直流吨铝电耗13114度。

1996年11月通过了有色总公司组织的国家科技成果鉴定。

280kA试验槽的开发成功，标志着我国大型铝电解槽技术已进入世界领先行列，其高效、低耗、运行可靠、投资省等优点，所完成的各项试验，成为我国更大容量电解槽的基础和模板。

280kA试验槽的开发为我国铝电解生产的规模化提供了成套先进技术，被誉为我国铝电解技术发展的里程碑！也成为中国电解铝工业高速发展的转折点和强大引擎！并且孕育了此后又一个20年电解铝一波又一波发展浪潮！

280kA铝电解试验项目用时8年。

280kA铝电解技术开发成功后，我国在电解铝工业技术上基本追上了世界最先进水平。

这标志着我们不仅掌握了电解铝工业的生产技术，而且与国外先进水平不再存在技术代差。

280kA铝电解技术的开发成功，是2000年后中国电解铝工业爆发的基础。

280kA试验厂的设计方案，完全比照了和吸收了国际最新先进技术基本理念和研究成果。然而，真正的难题是在没有先例的情况下，能不能真正掌握特大型槽的仿真设计技术，即设计出先进的280kA槽并获得真正优良的效果。事实上，欧美国家大型化技术发展也并非一帆风顺。

当年曾让我们神一样膜拜的美铝280kA槽（Alcoa-817）仅仅在澳大利亚波特兰铝厂建立两个系列，后由于电磁场设计原因不能稳定运行，因而至今没有在任何地方再使用。后来，这让我国的技术人员难以置信。

当然，打破国外技术、国外企业的神话是非常有意义的。

280kA铝电解技术开发成功后，中国电解铝工业的技术发展仍在持续！

1998年9月，平果铝320kA超大型铝电解槽技术示范项目开始实施，项目由平果铝业公司和贵阳院联合承担。

从2000年4月到8月，分别对其中8台试验槽和30台槽进行试验考核，取得的主要技术指标为：电流强度322.456kA，电流效率95.04%（30台平均94.43%），吨铝直流电耗13191k度，整体达到国际先进水平。

鉴定会上，专家组长刘业翔院士说：“320kA特大型铝电解槽技术的成功开发和应用，标志着我国铝电解槽技术已具备完整的科学体系，使我国铝电解技术跃上了一个新台阶”。国家有色金属工业局副局长康义教授百感交集地说：“320kA电解槽是现代铝电解发展的方向，它的开发成功，为我国铝电解工业迎战新世纪抢得先机，振奋人心，大涨中国人志气！”

320kA铝电解槽技术的开发和建设仅用时1年。

360kA铝电解槽技术的开发和建设也仅仅用了2年。

为什么新技术的开发时间越来越短？因为我们掌握了技术，中国的电解铝工业进入了技术自由王国的阶段。

往后中国400~600kA超大型铝电解槽技术的开发同样十分顺利，并且领先于国外电解铝企业。

但是400~600kA超大型铝电解槽技术的优势相比300kA等级的电解槽技术优势并不明显，在电解铝工业的应用并不广泛。

中国电解铝生产技术的追赶与超越

美铝第一代大型电解槽P155的投产时间是1963年，这比中国引进日轻技术建设的贵铝第二电解铝厂领先了近20年。

美铝这一代电解技术的完善用了将近20年左右的时间。

美铝275kA电解槽技术的投产时间是Alcoa-817电解槽1986年投产，比中国280kA铝电解技术试验成功的时间早了10年左右。

中国在电解铝生产技术上与国外先进水平的差距在2000年前基本就被抹平了。

不仅如此，320kA铝电解槽技术和360kA铝电解槽技术在中国获得了广泛的应用，而美铝的Alcoa-817电解槽由于技术不完善，投产数量很少。

2000年后中国电解铝产量的爆发，技术已经做好了充分的准备。

2000年至今，全球其它国家的电解铝产量仅有少量的增长。

中国的电解铝产量从2000年的299万吨增加到2022年的4021万吨，全球电解铝产量的增量几乎都来自于中国。

国际电解铝的价格不升反跌，这与铜价截然不同。

中国电解铝工业技术的突破，推动了国内民营电解铝企业的发展。

魏桥铝业是全球最大的电解铝企业，而魏桥进入电解铝企业的时间是2000年之后。

魏桥铝业使用最大的电解铝生产技术就是320kA电解槽技术。

工业化的核心在于掌握技术。

掌握了技术才能根据自己的需要扩大产能。

掌握了技术才能开发新技术，不致于出现“引进即落后”的情况。

引进技术是缩短追赶时间的有效方法，但前提还是要掌握技术。

我们普通人会享受到掌握技术的好处——更便宜的产品，更充分的供应量。

企业也会享受到掌握技术的好处——新的商业机会。

参考资料：

1、梁学民，《我国铝电解技术40年发展回顾》。

2、《银龙腾飞——贵州铝厂三十年回顾》。

3、《铝业巨擘今远去 留得精魂满乾坤——纪念中国电解铝行业泰斗、贵阳铝镁设计研究院原总工程师姚世焕教授》