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梁学民:现代铝电解技术的开拓者

科技创新与品牌2019/07/11 17:17:51

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铝道网】改革开放40年来,我国电解铝产量从每年不足40万吨,增长到2018年的3600多万吨,从依赖进口一跃成为世界第 一产铝大国,产能占世界57%。随着“一带一路”战略的实施,电解铝正以强劲的步伐走出国门,显示出强大的国际竞争力,背后真正的原因是什么?

是技术!

是谁铸就了这把利剑?是梁学民和他所代表的中国铝电解技术开拓者。

梁学民:现代铝电解技术的开拓者

梁学民,1962年9月生,首届国青年科技标兵,享受国务院政府特殊津贴专家,贵州省第九届人大常委会委员。先后担任全国轻金属冶金学术委员会副主任委员、中国有色金属工业协会专家委员会委员和铝业分会副理事长、国家863项目评审专家、国家科技奖励评审专家。

他在电解槽物理特性对铝电解电化学过程影响的机理研究、数值模拟方法及工程技术开发与装备研制等方面取得了一系列研究成果,成功应用于我国现代大容量、高效能铝电解槽的开发,实现了大型铝电解系列高效、连续和长周期稳定运行。获得国家技术发明二等奖一项,国家科技进步一等奖一项,二等奖两项,国家专利金奖一项。

作为新一代铝电解技术的代表人物、我国现代大型铝电解技术的主要创始人之一,梁学民是伴随着改革开放后我国铝电解技术发展而成长起来的,几乎参与了我国铝电解大型化发展的全过程。他主导设计的国家大型铝电解试验基地280kA特大型铝电解槽的开发,更是被称为我国铝电解技术发展的里程碑。

之后,350kA、400kA、500kA和600kA相继开发成功,中国铝电解技术走在世界前列……

而他的故事,更是充满了色彩。

崭露头角

攻坚铝电解槽物理场研究

霍尔-埃鲁特熔盐电解法诞生以来,一直是工业炼铝的主要方法,其电化学反应过程及电解质体系的研究已逐步成熟,但是对电解槽物理特性对电化学过程的影响的研究却没有实质性进步。随着铝电解槽大型化,其物理特性对电化学的影响越来越显著,成为世界铝电解技术发展的重大难题。

上世纪80年代初期,伴随改革开放的春风,从促进国民经济发展的战略出发,国家决定引进技术建设一批重大工程项目。1978年2月,经原国家计委批准,贵州铝厂引进日本轻金属公司成套技术和设备,建设了中国第 一个160kA中间下料预焙槽系列——贵州铝厂第二电解铝厂,1981年12月正式试车投产。然而生产线投产后出现许多问题:电解槽工况不好、问题频发、效率低、能耗高、早期破损严重。这个对铝行业具有标志性意义的项目出现重大问题,在全国引起了巨大反响。

梁学民:现代铝电解技术的开拓者

上世纪七十年代建设的电解铝生产线

以贵阳铝镁设研究院(以下简称“贵阳院”)武威、姚世焕等为代表的专家清醒地认识到:要真正建立我国现代铝电解技术体系必须从基础研究开始,研发我国自己的现代大型铝电解槽物理场数学模型和计算机仿真技术,才能使铝电解技术发展由“必然王国”走向“自由王国”。老院长程宗浩果断决定自筹经费3万元先期启动该项研究工作。

就这样,刚从北京钢铁学院热能工程专业毕业的梁学民与另外两位年轻同志被调入刚刚组建的“物理场”研究小组,分别参与电热、电磁和结构力学特性研究。梁学民主攻电热模型和仿真技术。

梁学民当时还没有意识到,他的人生从此便与中国铝电解发展紧紧联系在了一起。

仅仅半年多的时间,梁学民所在小组率先取得进展,开发出了铝电解槽电热解析模型和计算机程序。研究进展在设计院引起强烈反响,并受到行业领导重视。在贵阳院新任院长梅荣淳与总设计师江献镔积极努力下,时任青铜峡铝厂厂长康义从铝电解技术发展大局出发,借青铜峡引进工程之际,与日本三菱轻金属公司达成“物理场”技术访问交流协议。1984年9月,受有色总公司派遣,由梅炽、武威、梁学民等3人组成访问小组,前往日本新潟和横滨进行了为期40天的访问交流,进一步推动了“物理场”研究工作进展。这次学习也为梁学民的研究拓展到电磁场领域打下了基础。

梁学民:现代铝电解技术的开拓者

物理场访日小组(左起为:梁学民、梅炽、武威和翻译)

此后,贵阳院向原中国有色金属工业总公司(以下简称有色总公司)提出立项申请。1984年7月批准立项,作为“六五”重点攻关项目,“物理场”研究项目获得国拨经费30万元。

电热场模拟仿真有两个重要目标:一是对电解槽热特性的综合描述;二是对电解槽不同部位和区域散热的精 确仿真。电流通过产生热,要对电热场特性从理论上作出精 确预测(仿真),*合理的是采用三维模型。但当时的计算机发展水平无法满足计算工作需要,研究小组提出“大面+小面”,再结合阳极三维模型“耦合”,建立了一个准三维的整体电热解析模型。从梅炽老师那里学习了基本的电热解析数值计算理论之后,梁学民从建模到编程,从阴极、阳极以及耦合模型,到电流场、温度场、热流分布等,完成了大部分工作。并通过大量的试验测试,建立了一整套边界条件经验模型和数据库,这是历史首次,是一项重要的基础。

紧接着,电磁场、磁流体和结构力学特性研究也取得了进展。

1986年1月,有色总公司召开由全国各研究、设计院所参加的研究进展总结汇报会,在总结取得的25项工作进展中,贵阳院完成了22项。

1987年6月,贵阳院联合贵州铝厂“采用‘物理场’技术对‘日轻’引进160kA电解槽改造试验”。经有色总公司鉴定:电流效率91.52%,比日本技术提高4%,吨铝直流电耗下降约500kWh。

试验的成功,打破了日本技术的神秘感,也大大增强了我国技术人员的信心。

1987年11月,“铝电解槽热、电、磁、力数学模型与计算机程序研究”通过科技成果鉴定:研究成果超过了日本技术,达到国际先进水平。

该项研究获得1992年国家科技进步二等奖,这也是迄今为止国内在该领域唯 一一项国家奖。

梁学民:现代铝电解技术的开拓者

获得国家工程设计金奖,被誉为“有色宝钢”的平果铝一期工程

勇担重任

开发180kA、280kA大型铝电解槽

推动电解铝大型化“中国模式”

物理场研究成果是铝电解技术发展的一个重要标志,也是一个转折,从此我国铝电解技术真正走上了自主创新之路。

1987年,贵阳院和贵州铝厂承担“七五”重大攻关项目“180kA级大型铝电解槽开发试验”,这是当时国际上*具代表性的现代大型槽技术。

1988年,法铝、美铝刚刚开发成功的280-300kA级的特大型铝电解槽。根据国际技术发展形势,瞄准*高水平,我国紧接着启动了“280kA特大型铝电解槽工业试验”。

“280kA特大型铝电解槽工业试验”是“七五”、“八五”重大攻关项目,初期预算5300万,项目历时八年,有色总公司钮因键局长全程协调指挥,参与技术人员达数百人。投资规模之大、参与人数之多、规格之高、开发周期之长空前绝后,被称之为“铝电解科技的奥林匹克”。

梁学民同时参加了这两个电解槽的开发。起初他负责180kA槽电热场的模拟仿真和槽结构内衬的设计;到280kA槽攻关时,院领导决定让26岁的梁学民作为设计负责人,全面负责试验槽的物理场模拟(包括电磁场)仿真和电解槽设计。

电磁场研究是大型电解槽成败的关键所在。在前期试验中,铁磁性物质的影响从理论上还没有攻克,要真刀真枪指导工业电解槽设计开发,对梁学民来说挑战很大。

没有先例、没有经验可循,国外技术封锁,但越是这样,越激发了梁学民的斗志。

他研究发现,电磁特性的优化关键在于磁场,要实现磁场模拟的精 确度,进而才能优化选择母线系统的配置、结构。通过对铁磁性物质对磁感应强度影响规律研究和实测分析,他发现了“内磁场加强、外磁场削弱、复合磁场弱化”的影响规律,提出了“综合屏蔽因子”的办法,将电解厂房内铁磁物质进行空间类型分割,测定出三类不同的“综合屏蔽因子”,并开发了Lmag程序,通过空间变换算法实现了这一目标,为母线系统的优化配置提供了依据,从而成功破解电磁特性影响的第 一大难题。

然而,第二大难题又摆在了面前。要真正实现电磁场模拟仿真效果,重要的是要能够设计出满足电磁场优化标准的母线系统,即通过选择母线截面满足电流分布要求。并且,母线系统的截面优化选择严重影响母线系统的投资费用(占电解槽投资35%-40%)。传统的母线计算方法只提供了单一母线断面选择的概念,这对于现代铝电解槽多达200个母线电阻组成的复杂母线网络系统而言,在没有工程经验和成熟算法的情况下,简直无从下手。

这再一次激发了梁学民的研究激情。

凭借扎实的数学和电工学基础,他创造性地提出“当量优化法”母线优化模型,成功建立了各个母线段之间的优化约束条件,据此开发了“大型铝电解槽母线断面优化和计算程序(Lbus)”。又一难题宣告破解!

这一成果通过了科技成果鉴定:采用的“铝液-铝液”物理模型先进合理,首创的“当量优化法”数学模型和方法达到了国际先进水平。

连破两大难题,280kA试验槽“五点进电”母线系统开发得以顺利进行。这项技术1990年直接应用于广西平果铝一期工程165kA电解槽的优化,仅母线铝用量就比日本引进技术节省20%,减少投资1500多万元。

1990年1月,有色总公司召开280kA试验槽设计方案论证会,来自全国的30余位知名专家作为专家组成员,听取了梁学民作为主要汇报人之一作的汇报。他完成的电热、电磁特性仿真模拟研究,槽结构、内衬和五点进电母线系统的试验设计方案,以充分的理论依据、独创的优化方法、可靠的试验结果,得到与会专家高度评价,获一致通过。

邱竹贤院士说:“多年来我们在铝电解电化学领域研究进展很大,但在物理特性对电化学过程的影响研究方面几乎是空白,这是工业电解槽的核心,贵阳院在这方面的研究开发走在了前边,能够设计出这样的大槽子我感到很欣慰!”

那一年,梁学民28岁。

铝业泰斗的话多年来一直激励着梁学民在这一领域执着探索……

1990年初,正在实施的180kA电解槽,采用梁学民的*新电磁场及母线优化研究成果重新进行优化设计,试验取得良好效果。

1993年9月,“180kA大型电解槽开发试验”通过有色总公司科技成果鉴定:是我国首次自主开发成功的现代大型铝电解槽成套技术,达到国际先进水平。1996年,该项目获国家科技进步二等奖。

梁学民:现代铝电解技术的开拓者

180kA大型铝电解槽试验车间

1996年11月,“280kA特大型铝电解槽工业试验”顺利通过国家鉴定。此时该项目已历时8年。它的开发成功,标志着我国大型铝电解槽技术达到国际领先水平,与美国、法国等成为世界上拥有280kA以上特大型铝电解槽技术的极少数国家之一,被称为中国铝电解技术发展的里程碑。

8年中,作为电解槽主要设计负责人,梁学民压力很大,经常梦见电解槽建成了,启动了……

8年中,总公司召开多次方案论证会,每一次,都能够听到前辈们近似安慰的鼓励:“小梁儿,大胆设计,不用怕,总能出铝吧!”

前辈们的支持鼓励成为他心中*坚实的底气和依靠,责任感和使命感也让他在这压力下不惧前行,终偿所愿。

1998年,这一项目获得国家科技进步一等奖。

在众多参加单位上百名参与攻关的科技人员中,梁学民在获奖成果中排名第五。作为一个年轻人,作为280kA电解槽的设计负责人和核心技术研发者,这是他一生的荣耀。

1998年9月,贵阳院与广西平果铝联合申请“320kA大型铝电解槽工业化示范”项目。2000年6月,试验项目启动,当第 一批10台电解槽启动后出现严重的不稳定现象,槽电压被迫保持在4.3V以上,这意味着未来试验槽不可能取得好的运行指标。

在这种情况下,保证项目继续运行还是暂停项目查明原因?试验组乃至贵阳院、平果铝领导层对项目的信心产生了动摇。

当时梁学民因腰椎粉碎性骨折生病住院。得知这一消息,他不顾身体虚弱跟院长立下军令状:“给我一个星期,一定找到原因,提出解决方案!”

为了确保问题解决,项目同时组 织考察组前往美铝、法铝考察。

国内,梁学民带领着弟子们昼夜奋战。到第七天,按照他的三个思路全部模拟考察之后仍没有发现问题。怎么办?第八天,梁学民要求大家调整心态,仔仔细细把全过程重复一遍,终于,问题找到了!

他发现,试验车间两栋厂房之间距离只有21m,造成电解槽母线设计时磁场补偿不足;同时由于320kA电解槽采用44块阳极方案,导致电磁特性先天不足。

原因搞清了,改造方案当天提交给院技术委员会讨论,获一致通过。

这时国外考察团也有了回音:类似情况国外也遇到过,曾导致大型槽开发中断,然而即使有成功案例外方也不提供技术细节。

项目总负责人殷恩生果断拍板:按梁学民的改造思路,咱们自己干!

贵阳院技术小组由主管院长带队直接前往试验工地,听取梁学民讲解改造施工安排,当即施工。为了确保施工人员安全,同时委派医疗救护小组现场待命。

第二天,梁学民现场指导;

第三天,梁学民在返程火车上接到来自试验现场的电话:“垂直磁场*高值测量降至20高斯以下,电压不到4V,电解槽稳定了,效果非常理想!改造成功了!”

事后,《中国有色金属报》以“破解大型铝电解非对称磁场补偿难题”为标题加以报道。试验所采用的“非对称补偿技术”获国家专利,这也是贵阳院在该领域的第 一项专利。

在总结会上,梁学民与老师姚世焕共同提出大型铝电解槽开发的重要原则:一是电磁特性模拟仍是决定铝电解效果的核心技术,应予以重视;二是从电磁场先天特性、熔体流动特性与氧化铝溶解扩散,乃至电解槽力学结构等多方面优化的角度,提出了“阳极模数”的概念。

基于这一概念,此后贵阳院大规模推广并技术出口国外的320kA及其他400kA以上电解槽阳极组数重新遵循了“阳极模数”,逐步形成了电解铝大型化发展的“中国模式”。

连获三项国家奖,设计院、政府和社会也给予了梁学民高度肯定:1992年他当选首届全国青年科技标兵,1996年获得国务院政府特殊津贴,1997年获贵州省及有色总公司跨世纪人才培养对象,1998年入选贵州省省管专家。同年,36岁的梁学民当选贵州省第九届人大代表、省人大常委会委员。

梁学民:现代铝电解技术的开拓者

国家大型铝电解基地试验车间

偏向虎山行

投身一线,破解世界难题

荣誉加身,梁学民并未忘记使命。刘业翔老师的话言犹在耳:“我们的电流效率还不到94%,物理特性对铝电解电化学反应的影响,这一领域的研究还远远没有结束。”

铝电解属于典型的流程工业,生产过程的连续性尤为重要。但是,停电进行电解槽维修作业是有史以来不可更改的铁律。对于一个由300台以上电解槽组成的大型铝电解系列,如果一台槽的停或者开都必须全系列停电,一年要停电100到200次。

每次30-40分钟的停电不仅减少产铝量,而且各种技术条件遭到破坏,严重改变电解槽的物理特性,使槽况恶化,仅一个系列每年损失达到数千万元;同时温室气体排放大幅度增加。尤其严重的是频繁的大负荷短时停/开冲击,对铝厂供电设备乃至电网的安全造成了严重威胁。

这是一项长期困扰电解铝生产的世界性难题,是物理特性改变严重影响电解过程的第三大难题,必然成为制约电解铝大型化的瓶颈。

1995年元月,280kA试验槽投产在即,在进行短路送电过程中,由于试验槽数少,系列电压还不足2伏,试验人员尝试进行不停电操作母线短路口,结果发生了爆炸事故。

爆炸的一幕深深地印在了梁学民心里。能不能破解?他想要试一试。

他记住了爆炸时的相关数据,频繁走访电力专家,给电力设备厂家发函,没有人回应……

1997年初一次出差,他巧遇国家带电作业专家委员会委员、湖北超高压局总工程师李国兴教授。李教授告诉他:“这个问题我有办法!”梁学民兴奋异常,当即央求老专家跟他合作,在火车上草签了合作协议。

他拿着合作协议向院里提交立项申请,但是经过专家论证被否决。此后几年里,他连续五次申请均没有通过论证。

深思熟虑后,梁学民决定离开设计院到一线去,自己去破解这一难题。

2002年12月,怀着对培养了自己20年的设计院的深厚感情和浓浓不舍,他来到位于河南的中孚实业担任总工程师。

董事长张洪恩对他说:“你想怎么干就怎么干,企业完全支持。”

2004年,“大型铝电解系列不停电停/开槽技术和装备研制”列入国家重大产业技术开发专项。

因为这是世界难题,项目一开始就与德国某知名有载开关制造商联合研制。经过一年多合作攻关形成了整套技术方案,就在签订商务合同过程中,外方犹豫了,外方董事会否决了该项目,梁学民再次陷入困境。

这时候,他想起了当年火车上认识的李国兴教授。此时已退休在美国生活的李教授专程回国,推荐了华中科技大学电力学院副院长何俊佳博士。他们为梁学民打开了电力领域的技术大门,使他了解了电力科学领域在有载操作方面的许多应用成果,也使梁学民逐渐理清了开发思路。

类似于三峡大坝截流,梁学民构思了“先分流、后短路、再断流(槽电流)”的原理,通过“电流转移”实现“能量转移”。但是需要进行试验,测定各项分流参数。找遍全国也没有能够满足试验条件的试验台,怎么办?

他独创了一种可变电阻分流测试方法,设计了一组分流片(电阻随温度变化),首先在70kA电解槽上试验,再到320kA电解槽。终于获得了各项试验数据,并发现开槽时的能量释放大于停槽。

有了试验基础,梁学民看到了希望。经过120多台320kA槽的连续全电流启动开槽试验,彻底摸清了所有参数变化规律,其原理和可靠性也得到了充分证明。终于,“大型铝电解槽全电流不停电停/开槽技术和成套装置”研制成功。

历经11年不懈努力,这一世界难题被彻底攻克。

作为铝电解专家,时任中国有色金属工业协会会长康义得知这个消息,激动地说:“我干了一辈子电解铝,终于有人把这个问题解决了,我要亲自主持鉴定会!”

2006年11月,“大型铝电解槽全电流不停电停/开槽技术和成套装置(赛尔开关)”通过了中国有色金属工业协会和河南省科技厅联合组 织的科技成果鉴定,鉴定认为:其原理和方法为世界首创,成套技术和装备达到国际领先水平。

该成果入选“2006中国有色金属工业十大新闻”“2006年中国十大工程进展”,荣获“中国专利金奖”。2012年获国家技术发明二等奖。

梁学民:现代铝电解技术的开拓者

2012年获得国家技术发明奖

整装再出发

把电解铝节能减排进行到底

三大难题的破解,使中国铝电解技术发展进入了前所未有的新阶段,中国电解铝工业沿着大型化的方向一路高歌。

20世纪末,280kA以上大型铝电解槽技术得到了快速推广应用,2001年我国由原铝净进口国转变为出口国,产能产量跃居世界第 一。2002年,320kA特大型槽成套技术成功走出国门,出口印度、哈萨克斯坦等国。

2009到2015年,梁学民连续主持“十一五”“十二五”科技支撑计划,开发“低温低电压铝电解新技术”,并主持开发世界第 一条400kA大型铝电解系列生产线。

电解槽大型化步伐进一步加快,500、600kA特大型、超大型铝电解槽相继问世,并直接应用于工业化生产,中国电解铝工业迎来前所未有的时代。

铝电解技术发展至今,传统的熔盐电解法工业生产技术已经近乎完美。惰性阳极电解槽炼铝技术、可湿润性阴极的导流槽技术作为人们期待的颠覆性技术,一直为铝行业所关注。

然而,梁学民在思考——在物理特性对电化学反应的影响机理和优化方法上是否已经尽善尽美?

电磁特性三大难题的解决,使进一步通过改善电磁稳定性来降低能耗、提高电流效率已经没有潜力可挖。然而,电解铝生产的总能量利用率只有50%左右。

梁学民:现代铝电解技术的开拓者

梁学民在讲解他的“底部出电”试验原理

前辈的话再次回响耳畔,“物理特性中的电热特性有没有实现*优化?”学热能工程出身的他思路再次回到起点——电热特性与能量平衡。

他知道,能量平衡仿真技术与现实过程分离是现有的铝电解技术的*大短板。他研究发现,过热度(电解温度与电解质熔点的差值)反映了能量平衡的状态,熔体与槽侧壁的换热与过热度成正比,与理想的过热度(8-12℃以下)目标相比,实际生产过程中过热度的波动有时会超过10-20℃,这意味着侧部换热量会以超过50%的比例变化,这种变化对炉帮形成乃至电化学反应的影响是巨大的,这也是目前电解铝实际生产效率仍不理想的根本原因,由此造成的电能效率影响可达到2%以上。他认为,这是电解槽物理特性优化的*后一个难题。

结合30多年从事电解铝研究工作,他把有史以来电解铝节能技术归纳为“输入端节能”。那么,输出端呢?散发在大气中的另外50%的能量去了哪里?他提出了“输出端节能”的概念。他说:对于电解铝工业来说,这是一个全新的领域。

2008年,他便开始研究“输出端节能”技术,并申请了相关专利。从2013年组建团队,至今已完成了大部分基础研究工作,具备了集成开发和工业示范的条件。

多年来,梁学民养成一个习惯,每一次他都要把自己的想法和工作情况给老师刘业翔院士详细汇报,听取他的指导。当他把自己关于“能量流”优化的研究开发计划汇报后,年近九旬的老师语重心长:“学民啊,这个技术我看可行,你这么多年孜孜不倦做了这么多事情,我很欣慰,为你感到骄傲,你要相信自己,希望你坚持下去。”

梁学民说,他只为电解铝而生,他要把电解铝的科技创新、节能减排进行到底——

梁学民:现代铝电解技术的开拓者

梁学民(前排右五)与郑州轻冶团队

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