此文由鄭州輕冶科技股份有限公司梁學民先生發表于《輕金屬》期刊2020年第1期。
摘要：本文介紹了Alcoa鋁冶煉技術的發明，自焙槽和預焙槽技術的發展，重點指出使用惰性陽極在不生產二氧化碳和更少的全氟碳的情況下將氧化鋁冶煉成鋁的新方法，以及對世界鋁行業的影響。
梁學民先生是鋁冶煉領域的頂級專家，本科畢業于北京科技大學冶金系，博士畢業于中南大學有色冶金專業，先后擔任貴陽鋁鎂設計研究院總設計師，河南中孚實業股份有限公司總工程師和總經理，湖南中大冶金設計有限公司院長，鄭州輕冶科技股份有限公司董事長，2020年受聘鄭州大學特聘教授。
梁學民先生曾承擔過多個工程的總設計師，完成多項國家級科研成果。梁學民先生主持完成的“鋁電解槽物理場數學模型研究”（俗稱“三場”研究）項目，獲得國家科技進步二等獎；主持完成的“貴鋁180kA級鋁電解槽開發試驗”項目，獲得國家科技進步二等獎；完成的“我國280kA特大型鋁電解槽工業試驗”項目獲得國家科技進步一等獎。2008年7月29日，主持完成的《國家重大產業技術開發專項》“300kA級鋁電解槽綜合節能技術開發項目”成功通過鑒定驗收，其中專項課題之一“大型鋁電解系列不停電（全電流）停開槽技術及成套裝置開發”項目，于2006年成功突破，解決了長期困擾電解鋁生產的世界性難題，達到國際領先水平，該項目獲得中國有色金屬工業科學技術獎一等獎，入選“2006中國重大技術與工程進展”。2007年，牽頭成功組建了“高效節能鋁電解技術創新戰略聯盟”。
（以上資料來源于鄭州大學官網，百度百科。）
說回“美國鋁業公司(Alcoa)鋁電解技術的發展”一文。
2018年5月10日，美國鋁業(Alcoa)和力拓（Rio Tinto）宣布成立合資公司——聯合蘋果公司和魁北克省及加拿大政府聯合成立了Elysis，投資1.45億美元，開發一種新的方法，在不產生二氧化碳和更少的全氟碳(二氧化碳和全氟碳都是溫室氣體)的情況下，將氧化鋁熔煉成鋁，這項新技術將使用惰性陽極。這則新聞震動了整個世界鋁冶煉行業，這一技術的前景如何?它將給電解鋁行業帶來怎樣的改變?世界鋁業巨頭和科技巨頭的聯手意味著什么?回顧一下Alcoa鋁冶煉歷史，或許有助于理解這一事件的未來走向。
美國鋁業公司(Alcoa)是美國最大的鋁業公司，也是世界上最著名的鋁業公司之一[1]。上世紀90年代，美國有三大鋁業公司：美國鋁業公司(Alcoa)、凱撒鋁業(Kaser)公司、雷諾金屬公司(Lenox)等。2001年美國鋁業公司合并了雷諾金屬公司，因此Alcoa目前是美國最大的鋁業公司。截至2017年12月31日，美國鋁業公司電解鋁廠的總產能為230萬噸。
1. Alcoa鋁冶煉技術的由來[2]
霍爾(Charles M. Hall)是電解法煉鋁工藝的發明人。在1886年7月的專利申請中，霍爾將他的發明描述為“鋁熔鹽中氧化鋁溶液的電解”。他的這一概念的獨創性在于幾個關鍵要素的結合。氧化鋁是鋁和氧的最便宜的純化合物，氟化物溶劑和冰晶石的選擇是至關重要的。溶劑與氧化鋁反應形成的穩定溶液作為電解液，使反應過程得以連續運行：通過電解，鋁被分離出來沉淀在坩堝底部，同時釋放氧氣。由于電解槽中可以連續添加氧化鋁，所以冰晶石不會分解?；魻栐诖髮W的時候已經開始了一個試驗過程，將他引向了正確的方向?；魻栐趭W伯林的化學導師弗蘭克·范寧·杰特曾在德國學習過，他能夠指導霍爾在歐洲和美國從事鋁方面的工作。在一個小型的實驗室工作研制出了原始的設備，之后霍爾在攻讀自己的研究生研究項目時偶然發現了他的這一發明。
之后霍爾創立了匹茲堡冶金公司(Alcoa的前身)。在公司成立初期，美國化學工業一直持續到第一次世界大戰后，都是由小型的、分散和專業化的公司組成。但霍爾是比其他人更有耐心、更有財力，而且是具有廣闊視野的推動者。他最初的發明使他成了美國傳奇人物，為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。
在“霍爾－埃魯特”熔鹽電解法煉鋁技術誕生早期，電解槽的陽極采用的是預焙陽極，后來由于自焙陽極鋁電解槽技術在成本上的優勢，從上世紀20年代逐漸取代了預焙槽。
1924年Alcoa在其所屬的Baden鋁廠進行了第一臺自焙槽的試驗，開始由于能耗較高，并且鋁產品中的雜質含量高而終止了試驗。1927年在田納西州的瑪利亞維爾的田納西鋁廠建設了第一個自焙槽系列，電解槽被設計成圓形的，陽極的直徑2.21m，陰極坩堝直徑2.9m，電流強度為30kA，由于這種電解槽的指標相對來說不如預焙槽的指標，在運行一段時間后便停產了，之后一段時間Alcoa的自焙槽技術應用一直沒有什么進展。后來由于加拿大鋁業公司在其Arvida鋁廠試驗成功兩臺側插槽(HSS)，1936年Alcoa才從加拿大引進了第一批側插槽。直到1939年，在田納西鋁廠建設了一個40kA自焙槽系列。
到20世紀40年代，美國聯邦政府開展了一項計劃，要在未來三年之內把電解鋁產能擴大兩倍，以滿足軍方的需求。在1941到1945年間，美國國家國防公司(DPC)花了1.8億美元投入到9個鋁廠，其中部分鋁廠屬于美國鋁業公司(Alcoa)。在當時，美國自焙槽和預焙槽產能基本相當。1946年，美國政府將其擁有的自焙槽鋁廠出租，后又出售給了雷諾公司(Reynolds)的Longview和Listerhill鋁廠，以及凱撒鋁業公司(Kaiser)所屬的Tacoma鋁廠。最終，合并后的四個自焙槽鋁廠共有14個系列1927臺電解槽。這一時期，美國電解鋁產能達218,000 t/a。當時美國各鋁廠自焙槽的技術指標見表1。
最初自焙槽的運行電流為40kA，到50年代加大了陽極，將電流強度提高到50kA。到60年代，雷諾公司(Reynolds)的Longview鋁廠將電流提高到70kA。每個生產系列的平均生產能力為1.5萬噸/年，平均電流效率84.9%，直流電耗18，500kWh/t－Al。雷諾公司(Reynolds)的Listerhill鋁廠的自焙槽系列運行了43年，而Longview鋁廠自焙槽運行了長達約60年，凱撒鋁業公司(Kaiser)的Tacoma鋁廠運行了53年。
20世紀50年代，美國二戰期間建立的這種鋁工業非常規快速發展模式，在朝鮮戰爭爆發時又得以重現，美國政府鼓勵原有的公司增建鋁電解設施以滿足當時軍事用途的需求。大多數電解鋁廠選擇了自焙槽技術進行建設，因為它被認為比預焙槽技術能夠獲得更低的成本和更高的金屬純度，另外由于自焙槽減少了預焙槽需要陽極焙燒爐和陽極組裝設施投資，與預焙槽相比具有更大的優勢。當然，當時還沒有注意到自焙槽對環境影響的問題。
在這個過程中，所有新建的這些鋁廠均采用了增大電解槽電流的做法，就是將側插自焙槽和上插自焙槽的陽極加長和增加陽極棒數量，使電流強度達到了70至153kA，甚至電流超過150kA，成為有史以來最大的側插自焙槽，而且還采用了橫向配置。這種150kA級的側插自焙槽安裝在雷諾公司的Arkadelphia和Corpus Chridti鋁廠，其陽極長度達到10m。150kA橫向配置的側插自焙糟。當時，大多數新建的鋁廠均位于美國廉價的水力發電地區，如田納西河流域管理局(TVA)和博納維爾電力管理局(BPA)區域內。美鋁的Point Comfort，雷諾的Corpus Christi和凱撒的Chalmette鋁廠使用的是天然氣發電，這些鋁廠一直運行至1982年和1985年由于天然氣成本上升而關閉。
從1951到1959年，增加的116萬噸原鋁來自美國6個新建的自焙槽鋁廠，其中有雷諾公司的Corpus Christi、Arkadelphia和Massena三個鋁廠，美鋁的Martin Marietta Dales、Anaconda Columbia Falls以及Point Comfort鋁廠。另外，還在雷諾已有的兩個廠(Longview和Listerhill)增加了新系列，9個鋁廠總產能：115.97萬噸。詳見表2。
綜合20世紀50～60年代美國自焙槽鋁廠(39個電解系列總計5252臺自焙槽)，總產能約為150萬噸/年。到20世紀60～70年代，美國自焙槽技術達到了頂峰，主要指標見表3，概要內容如下：主流自焙槽電流是100kA，兩個側插自焙槽鋁廠的運行電流從143kA到153kA，單系列平均年產能為41000t/a，平均直流電耗較高，17,000kWh/t－Al，平均電流效率為90.2%。
雷諾公司Massena鋁廠連續生產了54年，但現在已經處于關閉狀態。60年代以后盡管速度有所減慢，但原鋁冶煉廠產能仍在繼續擴大。Anaconda公司在哥倫比亞瀑布地區和Martin Marietta公司在Goldendale新增加了兩個自焙槽鋁廠，凱撒公司也在Chalmette和Tacoma鋁廠增加了新系列。
由于自焙槽的缺點逐漸顯現，而預焙槽的不斷發展，自焙槽逐步被淘汰。從1940年到2013年，南北美的鋁廠大量關閉，關閉產能約達300萬噸/年。
美洲原有108個自焙槽系列，2014年尚存的有22(或24)個系列，已經宣布要關閉的有12個系列，剩下來的12個自焙槽系列，有11個在巴西，而巴西的11個系列中有9個是屬于CBA的。由于原鋁需求的增加，1940～1970年期間，北美和南美的自焙槽鋁廠投資得到了快速增長。到70年代，北美和南美就有23個鋁廠采用自焙槽，產能已超過300萬噸。其中，最大的鋁廠是巴西的CBA(Cia. Brasilierade Aluminio)，在2007年該廠還新建了一個新的自焙槽系列(上插陽極棒自焙槽)，產能達到47萬噸。加拿大的鋁廠也逐漸將電解槽更換為具有生產更高效和環境更清潔的現代化預焙槽技術，在2015年左右關閉了全部自焙槽系列。自焙槽由于受到陽極本身的限制，而且采用縱向配置使母線設計的受到限制，致使電磁場補償困難，限制了繼續增加電流的可能性。預焙槽采用了橫向配置，電流可達200kA或更高，電流效率優于自焙槽。因此，自焙槽面臨著效率低和成本高的困境，而且這種電解槽自動化水平低，最大的挑戰是環保問題和工人的健康問題。
上世紀70年代健康研究報告清楚地表明，自焙槽散發的焦油(瀝青揮發份)與各種癌癥的發病率密切相關，這也是迫使企業用預焙槽替代自焙槽的原因。由于這樣的結果，導致目前美洲自焙槽產能大幅度削減，到2013年尚存5座自焙槽鋁廠在生產，產能不足100萬噸/年。至此，包括Alcoa在內美國的自焙槽即將全部退出歷史舞臺。
自焙槽在鋁電解技術發展過程中曾經發揮了重要的作用，Alcoa與美國其他鋁業公司雷諾、凱撒公司采用自焙槽技術一度滿足了美國乃至世界經濟對鋁的需求。
參考文獻
[1] Richard Hanners, AL-book[M]. Chaper 64, By copyrighted June 15, 2017.
[2] MARGARETB. W. GRAHAM and BETTYE H. PRUITT, R＆D for Industry – A century of technical innovation at Alcoa. Cambridge University Press, 1990.
[3] 姚世煥．鋁電解自焙槽在美洲的興衰和在俄羅斯的崛起[C]．鋁電解技術文集，2018: 127～147．
[4] MIKE BARBER and A. T. TABER EAUX. Evolution of Soderberg Aluminium Cell Technology in Noth and South America[J]. J0M, 2014(2): 223～234.
（未完待續。。。）
來源：Aluminum
