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什么是電解鋁？
說到“電解鋁”，可能今天知道的人不少；但什么是電解鋁？恐怕普通的消費者了解的不多，能說清楚的人更少。
鋁是一種金屬。由于鋁的質量輕、導電性好、加工性能優越，并具有特殊的抗氧化性，廣泛應用于電力、交通、建筑、包裝、國防以及航空航天和人民生活等各個領域，從建筑家居到高鐵、飛機，從食品、汽車到消費電子產品，有人統計鋁的應用大約涉及112個產業。這里我們所說的鋁也叫原鋁，也就是純鋁。由于鋁的原始生產一直是以熔鹽電解法生產為主，因此，通常稱之為“電解鋁”。
電解鋁——年輕的金屬。人類最早發現和掌握冶煉銅的工藝，大約在3000～4000年以前；而人類煉鐵的歷史也有3000多年，早在漢朝時期我國煉鐵技術就得到了很大的發展。然而，人類煉鋁技術的誕生才僅僅130多年。著名冶金科學家、鋼鐵冶金專家殷瑞鈺院士說：“因為銅的熔點比鐵低，因此人們首先學會了煉銅，而后才學會煉鐵；煉鐵需要打開分子鍵，而采用還原法煉鋁的溫度更高，則需要采用電解法打開離子鍵，因此人類直到有了直流電之后才掌握了煉鋁技術。”
1886年，美國一個叫霍爾(Charles M.Hall)的年輕人發明了一種冶煉鋁的工藝，稱之為“氟化物熔鹽中氧化鋁的電解”。但是當他到美國專利局提出專利申請的時候，才得知一個叫埃魯特（Paul L.T.Héroult）的法國人已經向美國專利局提出了申請，同樣是為了得到鋁把大致相同的元素組合在一起，跟霍爾的發明幾乎一模一樣。同時，埃魯特幾個月前已經在歐洲申請了專利。自此，兩人進入了一場曠日持久的專利之爭，據說這場官司持續了15年。
霍爾和埃魯特專利申請之爭經過漫長的交涉，美國專利局最終裁定霍爾勝訴，因為埃魯特沒有提交所需的“原始報告”。這一裁決的結果，使霍爾和埃魯特成為分別在美洲和歐洲同時擁有同一項專利的發明人，后人稱之為“霍爾-埃魯特鋁電解工藝”。然而，霍爾和埃魯特之間的緣分遠不止于此，在霍爾和埃魯特的技術支持下，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)）?；魻柡桶ｔ斕刈⒍ㄊ菫殇X而生的，他們于同一年出生（1863年），同一年去世（1914年），同一年（1886年）申報了同一項專利。即使在當時以財富暴漲和大量積累為標志的時代，霍爾的故事還是成為了美國傳奇，他贏得了美國專利有史以來最大的財富?；魻?914年去世時持有的美鋁股份，價值近3000萬美元。
新中國的驕子。我國電解鋁發展較晚，第一個電解鋁廠（撫順鋁廠）于1954年建成投產。直到上世紀80年代以前，電解鋁作為一個工業行業或者一種產品，其生產工藝及產業特點還很少為社會公眾所了解。隨著電解鋁技術的發展和電解鋁生產規模的擴大，加之電解鋁“電老虎”的名聲在外，特別是2005年以來無論是國家出臺的“鋼鐵、水泥、電解鋁、汽車、房地產”五大行業，還是“鋼鐵、水泥、電解鋁”三大行業的宏觀調控政策，以及“兩高一資”的限制類產業，電解鋁都榜上有名，社會公眾從此也逐漸熟知和認識了電解鋁。應該說，無論是“三大行業”還是“五大行業”的提法，都是對電解鋁行業實實在在的“抬舉”，因為，僅憑當年電解鋁全國幾百萬噸的產能，不足千億元的總產值，幾百億元的總資產，怎么說跟大行業也沾不上邊。與其他幾個行業相比：2005年全國粗鋼產量3.5億噸，水泥產量10.7億噸，而電解鋁只有區區779萬噸，至于跟汽車房地產相比，就更不是一個數量級了。無論如何，電解鋁雖小，名氣很大。但同時“高耗能、高污染”也成了電解鋁揮之不去的標簽。
建國以后乃至改革開放初期，我國電解鋁一直都屬于短缺產品，更是被列為戰略性物資，長期依賴進口。我國早期的電解鋁廠和與電解鋁配套的氧化鋁廠都有自己的番號，比如撫順鋁廠命名為301廠，貴州鋁廠命名為302廠。從這種類似于軍工企業的保密性質，足以看出當年其所處的戰略地位。1983年4月中國色金屬工業總公司成立之初，首先就向國家提出并確定了“優先發展鋁”的方針，從中也可以看出國家對“鋁”的迫切需求和對鋁產業的重視。
茁壯成長——始料未及。改革開放40年來，特別是從上世紀末開始，我國電解鋁工業得到快速發展。2003年以后，伴隨著國家宏觀調控政策的出臺，電解鋁產業不但沒有得到遏制，更是呈暴發式增長。1998年我國電解鋁產能只有256萬噸/年，產量243萬噸/年。一個并不為人所知的“大”行業，從此不斷刷新著歷史紀錄：發電企業、煤炭企業開始投資電解鋁，紡織行業、養殖行業也紛紛趕來投資分享電解鋁的盛宴，其中有民企、也有國企，還有大型央企。涉鋁的民營企業中有的曾位列中國首富，不少成為某省首富，位列富豪榜的更是大有人在。人們不明白，電解鋁究竟有怎樣的魔力，能不斷吸引眾多的企業跨行投資，掀起一輪接一輪的投資熱潮？從1998年到2018年的20年間，我國電解鋁產能和產量已分別突破4397萬噸和3648萬噸，鋁產量增長了近20倍，占世界總產量的56.7%，連續17年居世界第一位。
在我國有色金屬的家族中，鋁的快速增長使“銅鋁鉛鋅……”的排名改寫為“鋁銅鉛鋅……”，電解鋁成功“逆襲”成為有色行業的老大，成為第二大金屬材料。今天，已經沒有人質疑電解鋁“大行業”的頭銜了。
隨著電解鋁產業的不斷發展，加之上、下游與其配套的礦山、氧化鋁、鋁加工、碳素以及發電等相關聯產業，其規模和體量已經到了相當大的程度，電解鋁名副其實已經成為我國重要的基礎原材料產業，對我國國民經濟建設的影響更加不容忽視，其健康、穩定和可持續發展也同樣需要引起我們的高度重視。
那么，新世紀以來，在國家三令五申，各種政令的嚴格限制之下，導致電解鋁如此瘋狂發展的真相究竟是什么呢？
電解鋁是高耗能產業?這一點毋容置疑，目前每生產一噸電解鋁大約耗電能13000kWh～14000kWh，加上主要原材料及生產過程耗能每生產一噸電解鋁要消耗6～8噸標準煤。然而截止到目前，電解法仍然是全世界工業生產原鋁的唯一方法。美國鋁業公司等國際巨頭從上世紀60年代開始探索電解法煉鋁的替代技術，至今未獲得成功。
電解鋁之所以能夠快速發展，有這樣幾個原因：一是因為電解鋁是整個鋁產業鏈條上的一個耗能環節，在鋁產品的后續應用加工過程中，則更多體現的是高科技和精細化加工的產業特點，不但具有其它材料不可替代的作用，而且在很多領域更顯示出其顯著的節能效果（如電力、航空航天、交通運輸等）。二是由于鋁極易氧化形成堅固的保護膜使其在使用過程中不再被侵蝕這一自然特性，使應用過程中鋁產品的氧化損失極少，且極易回收?；厥章士蛇_到95%以上，因而鋁可以循環往復地回收應用，因此有“儲能產品”和“能源銀行”的美譽。鋁的再生和回收使其在今后的循環使用中的能耗大大降低。三是我國生產鋁的技術裝備水平世界一流，其能耗達到或已經低于多數發達國家生產鋁所消耗的電能，也就是說在國內鋁企業生產鋁的能耗甚至低于美國的鋁廠。
盡管電解鋁耗能已占全國總用電量的7.9%以上，但與我國目前已擁有上億輛的家用汽車的耗能相比，整個電解鋁工業的耗能甚至還不足其幾十分之一。
電解鋁是高污染行業？準確地講這種說法并不確切，也有失公允。電解鋁生產過程中所排放的主要污染物氟化物同時就是電解鋁生產所需要的原材料，而以煙氣形式排放出來的氟化物與電解鋁生產的另一種主要原料氧化鋁有著天然的親和力，它們在反應器中相遇后瞬間即可發生吸附反應，反應的效率達到99%以上。以此原理開發的“干法凈化”系統被全世界的鋁廠廣泛采用。排除管理因素，電解鋁污染問題早在上世紀80年代初，就已經不是技術上的問題了。更重要的是，現代電解鋁廠的生產系統設計中早已把煙氣的處理系統和原料的供給系統融為一個整體，全年365天全天候連續運轉，須臾不可中斷。
對于電解槽大修產生的少量固體污染物，一直都有嚴格的環保處理措施。近年來，國家對電解鋁的環保治理提出了更為嚴格的標準和要求。一方面增加了電解鋁煙氣中SO2等排放的限制；另一方面，2016年新的《環保法》將電解過程排放的固體廢棄物大部分列為危險污染物。經過長期的技術積累和近幾年的研發應用，相應的處理技術已經開始走向工業化，特別是電解鋁煙氣脫硫技術和電解鋁大修廢渣的處理與綜合利用技術已逐漸成熟，并應用于工業生產。目前，電解鋁固廢資源化技術的研究開發也已經取得積極進展。
作為從事電解鋁的設計、研究、管理30多年的行業科技工作者，筆者親歷了整個電解鋁技術創新和產業發展的過程，深知影響電解鋁產業的蓬勃發展甚至“投資過熱”或者“產能過剩”，絕不僅僅因為電解鋁屬于“兩高一資”、勞動密集或是“高投入、高產出”的行業。盡管也有不少人認為電解鋁存在這樣或那樣的問題，但深度分析發現其背后有著極其深遠的產業背景和深層次的經濟技術原因，才有了今天電解鋁工業的蓬勃發展。
探索真相——電解鋁到底有多牛?改革開放以來，我國經濟處于歷史上千年不遇的發展時期，給原鋁的生產提供了廣闊的發展空間。然而，許多人不了解的是，我國電解鋁行業幾代科技人員的辛勤耕耘和不懈探索結出的累累碩果和驚人的科技成就，才是我國電解鋁產業雄居世界領先地位背后真正的內在原因。特別是在電解鋁大型化技術領域，從無到有、從消化吸收到自主創新、從理論領域到試驗開發，再到大規模的應用推廣，鋁電解設計與生產技術日臻完善，形成了自己的設計和技術體系。如今，全球范圍內，有電解鋁增長的地區，就有中國的身影，電解鋁工業已經成為我國在全世界制造業乃至工業領域中少有的優勢產業之一，在“一帶一路”倡儀引領下，昂首走向世界。
我國鋁電解科技創新的四十年，是幾代科技工作者共同創造奇跡的40年。回頭看40年的歷程，一幅幅波瀾壯闊的科技創新畫卷歷歷在目，昔日前輩們振聾發聵的攻關號令和破解難題時的諄諄教誨依然回蕩在腦海中……
“日輕”技術的引進
說起電解鋁廠，行業內的老同志這么形容：走進電解車間不到10米遠，就看不到人了；電解工從電解車間出來，就像煤礦工人，整個臉上就能看見一雙眼睛，工作環境惡劣，無法想象的，這也是電解鋁生產現場最早留給人們的印象。上世紀70年代以前，我國電解鋁廠基本上以前蘇聯引進的自焙陽極電解槽技術為主，單系列規模一般不超過1萬噸/年。年產超過3萬噸的鋁廠都是國家骨干企業。
上世紀80年代初期，伴隨改革開放的春風，國民經濟各條戰線迎來了一個劃時代的變化，我國工業各領域更如陽春三月，百花爭艷。從促進國民經濟發展的戰略出發，國家決定從發達國家引進技術建設一批重大工程建設項目。最為典型的就是上海寶鋼一期工程的建設，從1977年醞釀到1978年12月十一屆三中全會結束后的第一天舉行開工典禮。黨中央國務院決定建設現代化鋼鐵聯合企業——寶鋼，從日本新日鐵公司引進全套設備，建成了我國第一個具有80年代世界水平的現代化鋼鐵企業。這也是歷史上第一個由全國人大表決的大型工程建設項目。大概很多人都清楚，寶鋼的建設為我國后來鋼鐵工業的快速發展并達到世界先進水平奠定了基礎。
為什么選擇“日輕”技術？與鋼鐵工業一樣，在鋁業前輩包括程宗浩、姚世煥等在內的老一輩專家積極建議和原冶金部領導的努力和支持下，改革開放的第一年，一批大型鋁廠建設被列入國家計劃，但是采用什么電解槽技術成為決策者面對的難題。上世紀70年代末，美鋁、法鋁等國際鋁業公司已經開發成功160kA~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。按照姚世煥等前輩的回憶，根據當時的電解鋁技術發展，專家組將世界上先進的電解槽型分為三種模式并進行了比較：
第一種是北美型電解槽。當時美國鋁業公司（Alcoa）是世界上最大的跨國鋁業公司，美國鋁業公司(Alcoa)和加拿大鋁業公司（Alcan）在加拿大、巴西等鋁廠使用的是150kA～220kA大型預焙陽極電解槽(簡稱“預焙槽”)，該槽型的優點是中間加氧化鋁，密閉性好，98%以上的有害煙氣經過回收處理后達到環保要求。但這種槽型走的是高效率、高槽電壓路線，噸鋁電耗也相對較高，適用于北美水電豐富和電價便宜的地區。
第二種是歐洲型電解槽。是法國鋁業公司（Pechiney）等為代表針對高電價地區而研發的一種低電耗的槽型。由于其180kA預焙槽技術（AP18）尚處于試驗階段（僅有四臺試驗槽剛剛投入運行，盡管1977年中期已開始準備籌建F系列），而且作為法鋁剛剛開發的最先進的180kA技術，轉讓的可能性不大。Pechiney向中方推薦了當時已經成熟應用的最大電流只有135kA的預焙槽，采用邊部添加氧化鋁，有30%的有害氣體無組織排放，這種槽型嚴重污染環境，在有些地區不得不采取天窗洗滌進行處理，費用昂貴，很明顯這種技術不符合我國國情。
第三種槽型是日本型電解槽。20世紀60～70年代，日本鋁工業迅速發展，日本各家公司引進了美國、法國和瑞士的各種槽型，經過消化與改進后，由三家公司綜合了美國的環保性好和法國的能耗低的優點，開發了一種低電耗和密閉性好的預焙槽，容量達到160kA～170kA，這種槽型經過改進非常適合我國使用。以日本輕金屬公司為首的日本幾家鋁業公司從1976年就開始向我國積極推薦其自主研發的大型預焙槽技術。而且由于在當時中日友好的大環境下，采用日本技術可以獲得日本政府長期貸款的支持。
此后，原冶金部派出了以黨組成員王哲為團長、程宗浩為秘書長的代表團，考察了日本6大鋁業公司13個鋁廠中的10個電解鋁廠、碳素廠和鋁加工廠。最終，根據考察建議決定采用日本輕金屬株式會社160kA大型中間加料、密閉型預焙槽技術。
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（簡稱貴鋁二電解或貴鋁前8萬噸工程），1979年1月7日，貴州鋁廠與日本輕金屬公司簽訂8萬噸/年鋁電解工廠建設引進合同。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，在貴州鋁廠建設了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。
如何評價“日輕”技術？“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，在國際上屬于上世紀70年代先進水平。為了讓大家看得清楚，將其設計特點和主要指標參數描述如下：
① 設計電流強度160kA，槽工作電壓4.05V，電流效率87.5%，直流電耗13600kWh/tAl，陽極效應次數1次/槽日；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%，直流電耗15000kWh/tAl以上相比，確是先進了很多。
② 母線配置設計為兩端進電，槽底有中間往端部引出的補償母線；兩端進電的設計模式當時不是最先進的，但考慮了磁場的影響，進行了合理的槽底補償。
③ 采用中間下料方式，兩點下料，下料器容量15kg， 加料20分鐘一次，每小時下料量90kg，采用風動下料器（溜槽控制），每臺槽端頭設有一臺專用風機；控制系統采用效應控制方式來控制氧化鋁濃度；下料器結構和下料量的設計，是日方技術的最大短板，也是造成電解槽沉淀多，槽況波動大等許多問題的主要原因。
④ 陽極尺寸1400×660×540，陽極組數24，陽極電流密度0.72A/cm2；陽極的選擇證明是合理的，我國后來的發展基本是在這個基礎上改進的；
⑤ 陽極提升機構采用四點提升，為渦輪蝸桿式機構，運行穩定可靠。
⑥ 加工面為：大面525，小面595，陽極中縫250。這也是其設計落后的表現之一，是由于受到歐洲技術邊部加工（加料）的影響，加工面較大。
⑦ 電解車間安裝160kA電解槽208臺，配置在四棟廠房內，共分8個區，每區26臺槽。廠房采用兩層樓式結構，操作平臺為+2.4m，全鋼結構廠房。廠房跨度為20.5m， 兩棟廠房之間間距為25m；電解槽間距6.575m，這是由電解槽操作需求和母線配置設計決定的；陽極托盤有專用車輛運輸至電解槽短頭擺放；5t出鋁臺包由天車調運到電解槽短頭完成出鋁操作；這種設計方案有其合理性。
⑧ 采用了日本富士公司可控硅整流和干法凈化煙氣處理技術。整流所和煙氣凈化系統分別配置在電解車間的兩個端頭，跟我們今天的配置形式不一樣。這樣配置的好處是電解槽排與排之間的距離可以小一些，每兩棟廠房（兩排槽）對應一套凈化系統。由于廠房長度比較短，煙氣管道的距離也短。這種平面配置方案在當時有一定合理性，在貴鋁第三電解和青海鋁廠的設計中復制了這種模式。隨著系列規模的增大，我們后來的設計方案都是采用了將凈化系統布置在電解廠房之間的模式。
⑨ 氧化鋁物料的輸送，采用了兩種形式，來自氧化鋁廠的新鮮氧化鋁送入8000t料倉（鋼結構圓形料倉），經過氣力輸送（溜槽）和斗式提升機送入400t日耗倉；85%的新鮮氧化鋁加入凈化系統中吸附煙氣中的氟化物，從凈化回收回來的載氟氧化鋁通過溜槽和提升機送入300t載氟倉供電解槽加料，自動控制的電動小車定時將載氟氧化鋁送至每臺電解槽設置的容量為5t槽壁料箱內，供每臺電解槽使用；另外15%的新鮮氧化鋁通過天車加料加入電解槽，作為陽極保溫覆蓋料。
⑩ 車間內配備了8臺法國ECL生產的多功能操作機組，完成電解槽出鋁、換極和抬母線等主要作業。
今天的大型槽技術已經有了很大的改變，主體的核心技術已經今非昔比，但在很多工程化細節方面，內行還是能夠看到當年“日輕”技術的痕跡。
始料不及——投產暴露問題。“日輕”技術出問題了！很多人至今記憶猶新。事物的發展往往出乎人們的預料，由于技術本身和施工質量、操作水平、管理因素等各方面的原因，在投產初期長達三四年的時間里，引進的“日輕”電解槽生產運行出現了各種各樣問題：槽溫高、爐幫形成不好、伸腿過長、槽底沉淀多，各種問題頻發，效率低，能耗高。尤其突出的是電解槽早期破損嚴重，大部分槽壽命不足1000天（設計槽壽命1500天）。
作為國家引進的重大工程，出現了重大問題也必然引起了很大的反應，甚至引起國家領導人的重視。作為全國最大的鋁廠，行業標桿，更是貴州企業中的名牌，國家領導人來貴州必到貴鋁考察，今天你知道貴州有茅臺酒，不知道上世紀80年代貴鋁比茅臺關注度更高。因此，對于工程投產后的出現的問題，各方面壓力都很大。從貴陽院調任的首任廠長韓沛川被免職，有關設計、施工及建設方都非常緊張。那么這些問題究竟是什么原因造成的呢？
一方面，當然是積極與日方交涉，認為對方工藝技術不成熟（據老同志介紹，“日輕”賣給中國的技術確實是最新的，但也只有4臺工業試驗槽），從履行合同的法律角度要求對方承擔責任。日方也感覺很委屈，雖然很積極配合，但對中方對其技術的懷疑還是不予認可，認為是中方的施工質量、生產管理出了問題。事實上，在項目建設和投產過程中的確也發生過因為對工程監管不嚴，導致雙方人員發生沖突的事情：一名中方人員不按章作業，引起日方人員不滿，動手打了中方人員，因為這件事還引發了外交糾紛，這些都成了人家的“證據”。還有一些各種沖突被當時很多人當作奇聞軼事傳播。改革開放初期的這些事兒，今天的人們很難想象。也于是，雙方展開了長時間拉鋸式的研究、分析、查證、談判……。另一方面，基于當時的國內環境，這些問題引起了行業領導和專家們的重視，也激發了全國高校、各大設計、研究院所研究探討的熱情，也取得了許多的研究成果結論，然而各種觀點和看法也不盡相同，今天看來當然也未必都正確?；叵肫饋?，由于受到十年“文革”的影響，國內當時的技術基礎相對薄弱，這種探討和研究本身就是非常有意義的。
影響深遠。事實上，貴鋁第二電解系列的引進，受到了鋁行業上下和全社會的高度關注。從上世紀80年代初到90年代相當長的一段時間內，它都代表了中國電解鋁工業的最高水平，也是國內眾多電解鋁企業學習和效仿的模板。盡管存在著這樣那樣的問題，但廣大的鋁工業科技工作者還是對其保持著一種謙虛和實事求是的態度，從中學習和了解了大量的現代鋁電解新技術理念和技術成果。
采用日本引進技術建設貴鋁第二電解系列這一重大決策，使得我國電解鋁工業與改革開放的步伐保持了同步快速發展，揭開了我國現代大型鋁電解技術發展的序幕，對我國電解鋁工業此后40年的發展產生了極其深遠的影響，今天看來，這個決策是十分英明的。在我們為電解鋁今天的發展而驕傲自豪的同時，應當感謝老一輩鋁工業科學家們高瞻遠矚，為電解鋁工業作出的這一了不起的歷史性貢獻。（未完待續）
（作者簡介：梁學民，鄭州大學特聘教授，鋁冶金學科帶頭人，中國有色金屬學會常務理事。）