責編·作者：梁學民
500~600kA超大型化
——引領世界
一系列難題的攻克，推動了我國電解鋁工業規模化發展的進程。從2008年起，電解鋁產能規模發展迅猛。400kA電解槽迅速開始了大規模推廣，與此同時，500kA、600kA超大型電解槽的開發也提上了日程。
國際鋁工業——在探索中前進。法國Pichiney公司早在1989年到1999年用了10年時間，將其位于法國圣·讓·莫里因試驗基地(LRF)的三臺試驗槽電流由400kA提升到500kA（AP50），然而時至今日，該技術仍然沒有實現工業化應用。
500kA——中鋁開先河。2011年9月，由沈陽鋁鎂院設計的世界首條500kA鋁電解生產線在中鋁連城分公司落戶投產。冬日的連鋁，寒風料峭，電解一廠500kA電解槽旁，幾名電解工人正在換極作業，火紅的陽極塊被多功能天車從槽子中夾出來，首批500kA電解槽經過現場人員艱苦努力正式投入運行。為確保啟動工作順利進行，在二區電解槽啟動中，認真總結500kA電解系列一區啟動經驗，不間斷焙燒啟動方案：充分應用不停電停開槽技術，大大縮減短路口拆卸時間；優化生產組織，嚴格工藝制度，加強技術培訓，制定應急預案并組織演練；嚴格控制啟動所需原材物料的消耗，降低啟動成本，為保證系列安全平穩運行創造了條件，比首批(一區)過程更加順利。
到2011年10月12日，500kA二區92臺電解槽全部順利啟動完成，開槽188臺，完成65%。三區按計劃于11月中旬通電啟動，至年底前完成全系列288臺電解槽啟動工作。盡管過程復雜而又曲折，但最終取得一次性工業化成功，從而開啟了電解槽500kA時代，為向600kA邁進奠定了基礎。
快速工業化。2011年，中大冶金設計院在新疆設計了520kA電解系列，共安裝320臺電解槽，年產能45萬噸，前80臺于2012年8月順利啟動。在此期間，經過持續地設計優化，后240臺電解槽得到進一步完善，成為當時世界上單系列產能最大的電解系列。其主要應用了如下技術：優化母線配置，此補償效果進一步改善，并且單槽鋁母線用量降低了3.2噸；改進完善了陰極多鋼棒技術，由每塊陰極炭塊4個陰極棒改為3個，進一步改進了陰極結構防滲漏設計；優化了上部橫母線和加料點布置；過道大母線設計充分考慮了安全操作的結構布置。投產后，電解槽運行穩定，尤其是改進后的240臺槽。
再現拐點。從400kA到500kA，隨著容量的增大，盡管在設計理論和物理場仿真的方法上沒有本質變化，但經濟和技術上的矛盾在這個階段逐步顯現，體現在兩個方面：
1. 在母線系統設計上，為了補償電磁場，電解槽上游側陰極出來的大部分電流（大約80%以上）須從端部繞過，增加了母線的長度和截面積，也增加了投資和母線的電壓消耗，而且大量的補償母線配置在電解槽之間需占用較大的空間，導致槽間距也必須增大，導致投資和運行費用有所增加；另一種可以選擇的方案是，適當減少電解槽周圍母線的補償量，采用專門設置的小機組用于補償（專用補償母線），被稱之為“外補償”。相對來講，外補償的方式簡單、投資費用也略低一些。但無論采用哪一種補償方式，對于400kA而言，母線的單位投資和運行費用仍然是增加的。
2. 電解槽的結構設計上，除了要適當改變長寬比、增加電解槽陽極長度，因而增加了上部的總重量以外，電解槽在長度方向的跨度更大，上部結構也需要進一步加強。有兩種做法：一種是增加大梁的高度，加大大梁結構件斷面積，以滿足電解槽上部結構的強度和剛度需要，當然將實腹板梁改為管桁架梁可以大幅節省投資(如中孚400kA，后用于魏橋600kA)；再有一種就是在實腹板梁基礎上在中間部位增加一個支撐柱（連城500kA，后用于連城600kA以上槽）。
一方面，500kA以上超大型電解槽迅速受到行業青睞，眾多企業迅速采用，如甘肅東興、東方希望、神火集團等，新疆其亞更是直接將其一系列240臺改進型的設計直接應用于建設第二系列。但另一方面，大型預焙槽發展出現了第二個拐點，無論500kA電解槽有多么優秀，除了技術難度不斷增加以外，其優越性卻越來越無法體現：一是設計上母線、結構材料的增加不僅失去了自身的投資優勢，還會抵消規模化帶來的公共設施所節省的投資；二是生產技術指標停滯不前，從目前的運行情況看，電流效率低于93%、直流電耗12600kWh/tAl的先進指標即使500kA槽也很難超越。
如果說，實現預焙槽從160kA到180kA以上的跨越歸功于磁流體動力學影響等技術理論研究上的突破，那么解決500kA以上超大型電解槽的經濟性問題同樣需要技術上的第二次突破。
600kA——世界電解鋁新標桿。進入新世紀以來，國際鋁冶煉巨頭并沒有停止其在超大型電解槽領域研究開發的步伐。2010年，LRF歸屬國際礦業巨頭力拓（RTA）所有以后，開始開發其突破性的APXe技術，并在2010年12月，開始啟動AP60（600kA槽型）冶煉廠的建設和開發。力拓批準了世界上第一次大規模部署AP60電解槽的計劃，首先建設的是38臺AP60(工業驗證AP60技術所必需的數量)，作為其位于加拿大魁北克的Jonquiere冶煉廠現代化的一部分。原計劃第二階段即工業化系列示范線，根據建設場地條件將設計由272臺電解槽組成。
AP60的開發模式復制了其開發AP18和AP30的成功模式。2013年完成調試和啟動，2014年9月完成全部性能測試：電流效率95.9%，工業試驗計算指標也僅僅達到噸鋁直流電耗13090kWh/tA的水平，從這一指標的結果看，尚未達到其AP30槽取得工業系列運行的12900kWh/tAl的水平，與我國400kA級電解槽的差距明顯。這一結果和AP50遲遲沒有工業化應用，以及其AP60第二階段工業化計劃至今未實施不無關聯，也與作者前述的“第二拐點說”相吻合。然而，我國600kA超大型電解槽的開發和應用卻繼續高歌猛進，異軍突起。
SY600——中鋁再發力。沈陽院與中鋁連城鋁廠再度合作，承擔“十一五”國家“863”計劃重點項目、中鋁集團重大科技專項，“600kA超大容量鋁電解槽技術研發”。試驗過程中，原設計方案中，計劃采用“底部出電”模式（一種使陰極與陽極結構導電特性形成對稱式分布的設計，可以最大限度降低鋁液層電流），由于認為底部出電在結構上存在一定的風險，向科技部提出取消該計劃，留與今后繼續探索。科技部“863”項目專家組為此召開專門會議研究，調整了試驗驗收目標能耗指標（由12000kWh/tAl調整為12200kWh/tAl）。
2012年8月，12臺試驗槽全部順利啟動。電解槽采用56組單陽極，電流密度0.796A/cm2，陽極與陰極呈正對應，七點下料、大梁中間支撐結構、分段集氣雙煙管排氣系統、三段提升機構；采用內補償+外補償方案簡化了槽周圍母線設計，以減少槽間距增加；在控制垂直磁場均值≤5.0高斯，熔體流速減低40%（接近于400kA槽）。試驗結果，12臺槽噸鋁直流電耗平均為12136kWh，電流效率平均為 92.77%。
2014年4月21日，中國有色金屬工業協會組織科技成果鑒定，張國成院士擔任專家組組長，作者和牛慶仁教授級高工任副組長，鑒定意見認為：技術成果達到國際領先水平。
NEUI600——東大院與魏橋的合作。2013年的一天，東大院院長呂定雄推開了魏橋集團董事局主席張士平的門，一番陳述打動了這位千億元企業的掌門人，下定決心要為鋁工業科技進步作出貢獻，經過論證和設計建設，全球第一條（186臺）600kA電解鋁生產線正式啟動建設。
NEUI600采用“數值模擬+經驗”的模式：開發了磁流體穩定性“雙補償”技術和母線裝置，電解槽母線用量與傳統的“單補償”技術相比降低12%；首創的多階分體式管桁架梁結構技術提高了NEUI600kA級鋁電解槽超大跨度上部鋼結構的安全性和穩定性，降低了電解車間軌頂標高約1米，降低了電解車間土建投資約5%；研發的高位分區集氣結構和相向流煙氣干法凈化技術等成套環境總量控制技術，系列實現了99.6%的集氣效率和99.7%的凈化效率。經過半年多的運行測試：槽平均電壓3.95V；電流效率94.6%；直流電耗12443kWh/tAl；陽極效應系數0.01次/槽·日。
2015年6月5日，中國有色金屬工業協會召開“魏橋鋁電NEUI600kA級鋁電解槽技術開發與產業化應用科技成果”評價會。會長陳全訓參加了評審會，副會長賈明星教授擔任專家組組長，邱定蕃院士、李劼教授擔任副組長。專家評價認為：項目整體技術達到了國際領先水平。
此后，沈陽院在山東信發建立的新的系列，將電流強度提高到了660kA……
站在世界之巔。盡管業內對500kA以上的槽子成熟性和先進性時有爭論，但毫無疑問，中國電解鋁技術已經站在了世界之巔。開創了美鋁和法鋁基業的霍爾和埃魯特恐怕無法想到，他們發明的這種神奇的鋁冶煉方法，今天能在中國大地真正開花結果，發揚光大，并造福世界！
