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我国铝电解技术40年发展回顾(三)
2021-01-15 08:14:16   来源:中国有色金属报    点击:

 
责编·作者:梁学民
 
  物理场(“三场”)的研究
 
  什么是物理场?就是电解槽各种物理特性的数值计算和仿真技术研究的简称,行业俗称“三场”。圈里人都称我们从事这方面研究的人叫“搞‘三场’的”,这个标签一直被用了很多年。曾经有位同仁,有一天见到笔者,非常诧异地说:某某专家竟然不懂“三场”!言外之意,懂“三场”那是必需的。可见“三场”当时对行业的意义。
 
  上世纪70年代以来,随着电子计算机技术的发展,采用数值计算方法,建立数学模型进行计算机仿真模拟解决各种工程科学问题成为可能。不仅可以减少实验室和工业试验的成本,而且缩短工业试验的周期,大大降低试验风险,当时已成为各个领域进行科学研究、实验的重要手段。无论水利大坝还是卫星上天,计算机建模技术都发挥着重要的作用。
 
  开辟“三场”课题——武威高工的远见。上世纪80年代初,国际铝电解技术在这一时期正在发生着根本性的变化,铝电解槽数学模型与计算机仿真技术的研究成为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。法铝(Pechney)AP18(180kA)、美铝A-697(~190kA)等一批现代大型铝电解槽相继诞生,并投入工业化运行。
 
  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未来的发展。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,才能为我国电解铝技术赶超国际先进水平夯实基础。
 
  在那个时期,计算机对大多数人来说还是新事物,认为它对实际工作没有什么价值。笔者当年就经常听到围绕计算机到底有用没用这样的辩论,甚至一些老工程师也认为计算机比不过他手里的计算尺。即使在几年后的一次“三场”研讨会上,还有位老同志打趣地说:就在键盘上敲那么几下,“咕嘟咕嘟”出来一堆纸,那能有什么用?!可见当时武威等专家有这样的远见卓识是多么难得。
 
  “三场”研究项目启动。1983年9月,武威等向贵阳铝镁设计院申请成立“三场”研究小组,开展“三场”研究工作,得到了时任总工程师姚世焕的大力支持。时任贵阳院院长程宗浩,是位从解放战争中走过来的老同志,是位曾在试验中受伤失去左臂的老一辈科学家、老干部,以他特有的对科技前沿的嗅觉和雷厉风行的魄力,果断决策在申请政府立项的同时,由设计院自筹经费3万元先期启动该项目研究。作为那个时代在没有政府立项启动的科研项目是绝无仅有的。因此,以武威为组长的“三场”研究小组成立,由院领导亲自协调分别抽调电气自动化专业的贺志辉、机械设备专业的吴有威和刚刚从大学热能工程专业毕业的笔者组成研究小组,分别开展电磁特性、结构力学和电热场的研究工作。
 
  院校联合。电热场研究联合了中南大学(当时的中南矿冶学院),小组成员梅炽、汤洪清、时章明、孟伯庭等;电磁场研究由华中科技大学(当时的华中工学院)电力系陈世玉、孙敏等组成;结构力学研究由华中工学院力学系联合进行,由刘烈全、邱崇光、秦庆华等负责。按照当时计算机发展的水平,由于受内存容量限制,最初工作是在中南矿冶学院计算站和贵州省计委计算中心的小型计算机上完成的。
 
  从1983年11月开始,电热解析研究在消化研究“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项目组产生很大反响,让贵阳院领导备受鼓舞,也激发了全院上下对开展此项研究工作的热情。
 
  沈阳院裴尚奎高工、田廷辽,贵州铝厂武丽阳、潘阳生及郑州轻金属研究院(轻研院,当时的轻研所)宋垣温、干益人等也是国内最早的铝电解槽电热、电磁场研究者,为开启这一领域的研究作出了贡献。
 
  总公司支持。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。为了更加深入开展“三场”的研究,贵阳院向当时刚刚从冶金部分离组建的原中国有色金属工业总公司(以下简称“有色总公司或总公司”)提出立项申请,1984年获得批复,作为“六五”重点攻关项目,获得国拨经费30万元。沈阳院、轻研院同期也成立了专题研究小组,并分别与有色总公司签订了研究合同任务书,开展研究工作。
 
  梅炽带队——对外交流。日本三菱轻金属研究所当年在国际铝电解技术领域有一定的优势和影响,拥有池内睛彦等世界知名铝电解专家,其位于直江津的铝厂106kA上插自焙槽曾经创造过12600kWh/tAl的世界最低能耗纪录。为了加快中国铝工业的发展步伐,推动国内生产能力占主导地位的自焙槽铝厂的技术革新,国家决定以低廉的价格引进该生产线。时任青铜峡铝厂厂长康义,一位有战略眼光的企业家(后长期担任中国有色金属工业协会会长)负责该项目的引进谈判工作。据康义回忆,谈判工作进行得异常艰苦,在日本的整个项目谈判持续了半年多。在贵阳院新任院长梅荣淳的高度重视和副总工程师江献镔积极努力下,借助青铜峡铝厂引进日本三菱公司电解铝生产线的机会,贵阳院提出运用自行开发的物理场仿真技术对三菱106kA电解槽进行仿真设计,并与日方进行技术交流与合作的要求。从铝工业技术发展大局出发,康义对这次交流合作非常重视,并将其纳入与三菱公司的合作谈判内容,最终成功地达成了双方对该专项技术交流的协议。
 
  1984年9月,受中国有色金属工业总公司派遣,由梅炽教授(后担任原中南工业大学副校长)、武威和笔者等3人组成访问小组,被选派前往日本新泻和横滨与三菱轻金属研究所专家进行了为期40天的学习交流。三菱公司由池内晴彦、池田祯介、有田阳二等铝电解专家,系统向中方介绍了三菱公司在物理场仿真领域,尤其是三菱公司在二维电热、电磁场模型研究和磁流体力学研究方面取得的处于国际先进水平的研究成果;同时双方交流了106kA槽的仿真结果和设计方案。交流过程中,中方完成的物理场仿真结果和设计方案深得日方专家高度评价,对中方在该领域的研究进展感到惊叹。
 
  通过这次学习交流,分享了三菱公司在该领域的研究成果和经验,拓展了研究小组视野,更进一步使研究小组认识到此项工作的意义和价值,也了解到了我们跟国际水平之间存在的差距,这对后来的研究工作起到了很大推动作用,成为该项研究的新起点。
 
  各小组研究全面推进。之后物理场的研究工作取得了快速进展,不到两年的时间内,在阴、阳极整体准三维耦合电热模型研究、电磁场和铁磁物质影响研究、磁流体特性模拟、槽结构应力场仿真等方面取得了重要的成果。笔者所在小组的梅炽教授、研究生汤洪清等对电热场的仿真工作作出了突出的成绩;陈世玉教授、孙敏副教授和贺志辉为电磁场的研究作出了重要贡献;而刘烈全教授、邱崇光副教授和吴有威为电解槽结构力学模型的研究立下汗马功劳。研究成果形成了铝电解槽“三场”研究论文专集(部分论文发表于《华中工学院学报》(专刊)1987.2)。
 
  1985年初,项目组包括各承担单位向中国有色总公司科技局就下一步的研究进展和研究计划进行了汇报。这次会议,一方面高度肯定了项目研究组的工作成绩,另一方面提出要加快对研究成果的试验验证,为开展我国现代铝电解槽的技术开发做准备。
 
  为引进技术做手术——151#、152#试验。或许业内没有几个人听说过这项试验,但这个鲜为人知的工作却是中国铝电解技术在自我认知上的一个重要转折点。开发物理场数学模型和仿真软件,目的是要指导铝电解槽开发工作。为了验证数学模型可靠性,在工业电解槽上进行验证是必须的过程。但要对日本的电解槽做手术,那可是件大事儿!
 
  1985年6月,在有色总公司的支持下,贵阳院联合贵州铝厂在贵铝引进的160kA系列中选择2台试验槽,利用我国自己的“三场”研究成果对引进的电解槽进行改造试验,这就是所谓“151#、152#槽试验”。试验负责人是武威,电磁场计算是贺志辉完成的,电热场仿真和内衬结构设计由笔者负责。参加试验的有贵州铝厂的武邵美、冷正旭、王有来等。具体试验内容为:
 
  ①针对电解槽早期破损原因,自主开发的电热解析模拟软件对电解槽模拟,重新设计了槽内衬结构,在两台槽上进行了内衬的改造试验;②对下料机构及工艺制度等进行了改进,缩短了加料间隔;③采用自主开发的电磁场计算软件,对152#电解槽进行了“四点进电”母线配置改造试验,在大面中间增加两根立柱母线,电流各为15000A。即进电比为:6.5:1.5:1.5:6.5。
 
  这次试验进行了一年半时间,尽管受到槽结构和许多先天条件限制,母线配置方案只作了小比例中间进电的尝试,加工面也没有改进的可能。但仍取得了很大的成功,试验的效果非常明显:试验槽内炉帮形状好转,伸腿明显缩短,尤其是152#槽磁场效果得到了很大的改善,证明了四点进电(特别是大面的进电,尽管电流不大)是可取的方向。
 
  经有色总公司组织专家鉴定,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13112kWh/tA,下降约500kWh。同时试验结果还发现,虽然只有对152#槽做了四点进电的母线改造,151#槽的磁场也有一定的改善,表明位于大面的两个立柱母线对相邻电解槽的磁场产生了积极的影响。
 
  151#、152#槽试验的成功,打破了人们对日本技术的神秘感,也大大增加了项目组人员和领导们的信心。
 
  1986年1月,有色总公司科技局在北京召开了由全国各研究、设计院所参加的“三场”研究进展总结座谈会,会议对我国在铝电解“三场”研究领域的科技成果进行了全面的总结,取得的25项工作进展,其中贵阳院的成果占了绝大多数。这次总结也让有色总公司领导们对中国开发大型铝电解槽有了初步全面的认识,成为后续制定大型槽开发计划的重要决策依据。
 
  设计理论成形——“三场”研究通过鉴定。1986年11月,“铝电解槽热、电、磁、力数学模型与计算机仿真程序研究”通过了有色总公司组织的科技成果鉴定,专家认为:
 
  ①项目开发的铝电解槽电热解析数学模型和计算机程序,采用了阳极三维模型与阴极“二+三维”切片模型,建立了准三维的铝电解槽电热解析整体耦合数学模型,能够精确模拟铝电解槽内的电流、电压分布,槽内等温线分布与热流分布图;②在采用“比奥-沙伐”定律积分方程对电解槽内磁场分布进行模拟的基础上,采用“磁偶极子法”和“屏蔽因子法”,着重研究了铁磁物质对铝电解槽内磁场的影响,并采用有限元模型等建立了槽内熔体中的电流场进行精确模拟的数学模型和方法;③采用k-ε双方程模型,开发建立了在电磁力作用下的槽内熔体流动和界面隆起仿真计算模型和程序;④建立了槽壳有限元分析模型,并通过对电解槽变形的长期监测,对电解槽受力特点和各种载荷进行了一系列的研究,为电解槽结构优化提供了有效的设计工具。
 
  结论:此项研究形成了我国大型电解槽设计理论体系,超过了日本水平,达到了国际先进水平。别看现在日本电解铝水平落后了,在当时评价超过日本水平,其意义非同一般。
 
  1992年,研究成果获得了国家科学技术进步二等奖。这是我国在仿真设计软件领域的首次,也是唯一获得国家奖励的科技成果。
 
  武威高工,梅炽、陈世玉和刘烈全教授,都是笔者的老师,也是我国这一领域的领路人和先驱,是他们奠定了我国在这一领域的研究基础。
 
 
 

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