500kA鋁電解槽陽極效應(yīng)“趨零化”控制技術(shù)探討

成正斌

【摘 要】在工業(yè)生產(chǎn)中，鋁電解槽的陽極效應(yīng)與工藝技術(shù)、生產(chǎn)流程等存在一定關(guān)聯(lián)，通過降低鋁電解槽陽極效應(yīng)的方式，能夠提升生產(chǎn)組織效果，實現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)，促進企業(yè)經(jīng)濟效益的提高。本文以某企業(yè)500kA鋁電解槽為例，就其陽極效應(yīng)“趨零化”控制技術(shù)進行了分析和討論，希望能夠為工藝技術(shù)的改進提供一些參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】500kA；鋁電解槽；陽極效應(yīng)；“趨零化”；控制技術(shù)

當(dāng)電解槽出現(xiàn)陽極效應(yīng)時，槽電壓與電解溫度會有所提升，導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)幾乎停止，鋁液局部因為氧化反應(yīng)而出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，不僅電流效率相對較低，電能以及氟化鹽等的消耗增加，爐幫也會因為熔化反應(yīng)而變得更加薄弱，繼而影響電解槽的使用壽命，還可能引發(fā)一系列的不良影響。基于此，電解鋁企業(yè)必須重視對于電解槽陽極效應(yīng)的控制。

一、概況

某電解鋁企業(yè)采用的是SY500電解槽，該電解槽在設(shè)計環(huán)節(jié)充分考慮了周邊槽、列槽以及槽殼的屏蔽作用，以大面六點進電非對稱的方式進行母線配置和布局，可以對傳統(tǒng)電解槽中存在的磁流體不穩(wěn)定的問題進行解決，在減低鋁液流速的同時，也能夠減少電解槽鋁液-電解質(zhì)界面的變形情況。運用相對成熟的三維電熱場耦合計算模型，能夠?qū)﹄娊獠蹆?nèi)襯等溫線分布及熱平衡問題進行解決，確保電解槽在生產(chǎn)過程中能夠保持相對規(guī)整的爐幫形狀以及合理安全的爐幫厚度。該電解槽中使用的陰極炭塊寬度達(dá)到了740mm，能夠與陽極炭塊的正投影實現(xiàn)彼此重合，考慮到電解槽采用了超長陰極結(jié)構(gòu)，將陰極鋼棒與炭塊組合在一起，能夠有效減少水平電流，在保證電解槽運行穩(wěn)定性的同時，也可以將陽極效應(yīng)系數(shù)控制在0.05次/（槽.日）

二、控制技術(shù)

從實現(xiàn)電解槽陽極效應(yīng)“趨零化”的角度，需要對生產(chǎn)中的技術(shù)條件進行優(yōu)化?；隈詈掀ヅ涞钠胶鈨?yōu)化原則，針對陽極效應(yīng)系數(shù)的主要影響因素，如電解溫度、初晶溫度、氧化鋁濃度、過熱度等進行耦合匹配，能夠?qū)㈥枠O效應(yīng)系數(shù)降低到0.02次/（槽.日），陽極效應(yīng)的持續(xù)時間也可以縮短到小于90s[1]。

（一）明確技術(shù)范圍

通過降低氧化鋁濃度的方式，能夠顯著提升電流效率，不過若氧化鋁濃度過低，則可能導(dǎo)致陽極效應(yīng)的增大，因此，結(jié)合相關(guān)實踐，應(yīng)該將氧化鋁濃度控制在1.5%-2.5%之間。生產(chǎn)環(huán)節(jié)，原來氧化鋁中含有諸如CaO、MgO等金屬氧化物，在不考慮剔除鋰、鎂、鉀鹽等的影響下，將分子比控制在2.7-2.9，折合過剩AlF3為1%-4%。因為鋰鹽等含量在福集中，出境溫度應(yīng)該控制在925℃，將其波動范圍控制在±10℃，選擇過熱度較小的電解質(zhì)成分，控制過熱度溫度為5-15℃。

（二）耦合匹配控制

一是控制原則。陽極反應(yīng)發(fā)生的主要影響因素是氧化鋁濃度，因此，如果將氧化鋁濃度作為耦合匹配控制的核心，需要堅持的基本原則就是應(yīng)該盡量減少氧化鋁沉淀，保持較高電流效率，將氧化鋁濃度控制在適當(dāng)范圍內(nèi)；二是低濃度控制。想要在提高電流效率的同時對陽極效應(yīng)發(fā)生的幾率進行控制，必須將氧化鋁濃度控制在一定范圍內(nèi)，因為相同氧化鋁濃度下，溫度的上升會導(dǎo)致臨界電流密度增大，因此當(dāng)氧化鋁濃度相對較低（1.5%-2%）時，應(yīng)該適當(dāng)提高電解溫度（935-945℃）。不過，若一直保持較高的電解溫度以及過熱度，則會對電流效率以及槽結(jié)合產(chǎn)生不良影響，這種情況下，應(yīng)該以較高的電解溫度耦合匹配較低的過熱度；三是高濃度控制。當(dāng)氧化鋁濃度偏高（2%-2.5%），需要適當(dāng)降低電解溫度（925-935℃），以較低的初晶溫度和較高的過熱度來實現(xiàn)耦合匹配。

（三）工藝條件優(yōu)化

1.初晶溫度控制

一是需要對金屬氧化物含量進行控制。電解質(zhì)中金屬氧化物的含量會對初晶溫度產(chǎn)生影響，因此，企業(yè)應(yīng)該定期對不同廠商提供的氧化鋁原材料中的金屬氧化物含量進行檢測，做好管控工作，確保原料的合理使用，以此來完成對于電解質(zhì)中LiF、KF等富集量的控制；二是應(yīng)該做好分子比調(diào)節(jié)。企業(yè)需要對電解質(zhì)中金屬氧化物含量進行定期分析，做好初晶溫度的測量或者計算，例如，可以利用X衍射儀，對每一臺電解槽電解質(zhì)中的金屬氧化物含量進行分析，配合專業(yè)計算軟件，實現(xiàn)對電解質(zhì)試樣初晶溫度的自動分析計算。在這個過程中，不能僅僅考慮正常調(diào)節(jié)氧化鋁濃度的影響，還應(yīng)該重視分子比調(diào)節(jié)，結(jié)合相應(yīng)的分析計算結(jié)果，通過調(diào)整分子比（過剩AlF3%）的方式，完成初晶溫度調(diào)節(jié)[2]。

2.溫度控制

一是保溫措施。相關(guān)研究表明，500kA電解槽陰極區(qū)域的平均散熱為0.786V，陽極區(qū)域平均散熱為0.968V，在保溫處理中，一方面需要保持恰當(dāng)?shù)年枠O保溫料，若電解溫度呈現(xiàn)降低趨勢，陽極保溫聊偏少，則應(yīng)該適當(dāng)增加其厚度，不過最大不能超過陽極鋼爪橫梁的下沿（≤175mm）。另一方面需要保持陰極溫度，若電解溫度降低，角部伸腿較長，則可以利用硅酸鋁纖維氈，或者保溫磚等材料，提高角部溫度；二是鋁水平控制。若電解溫度降低且角部伸腿較長，大面伸腿同樣較長，則應(yīng)該適當(dāng)降低鋁液水平高度，減少鋁液散熱量。若點擊溫度上上，角部伸腿與大面伸腿熔化，鋁液水平較低，則需適當(dāng)提高鋁液水平高度，增加鋁液散熱量；三是電流強度控制。電解槽設(shè)計電流強度為500kA，能夠滿足熱平衡平均熱收入條件，如果做好相關(guān)措施后，發(fā)現(xiàn)電解溫度持續(xù)偏低且保持下降態(tài)勢，則應(yīng)該適當(dāng)提高電流強度，保持熱平衡。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，陽極電流最大密度可以達(dá)到1A/cm2，相比較而言，該企業(yè)的0.815A/cm2，存在22.7%左右的提升空間，如果需要對熱平衡進行改善，提升電流效率，則在優(yōu)質(zhì)陽極的配合下，可以直接將陽極電流密度提升到可以滿足現(xiàn)實需求的程度。通過提升陽極電流密度的方式，能夠?qū)崞胶馑璧哪芰窟M行補充和改善，促進生產(chǎn)效率的提高。伴隨著環(huán)境溫度的升高，電解槽熱平衡狀態(tài)會發(fā)生變化，當(dāng)常規(guī)措施無法滿足熱平衡調(diào)節(jié)需求時，會引發(fā)全系列電解槽偏熱的情況，導(dǎo)致電解溫度偏高，此時應(yīng)該降低電流強度，對熱平衡進行改善，將電解溫度控制在合理范圍內(nèi)。

三、效益分析

在引入“趨零化”控制技術(shù)前，電解槽陽極效應(yīng)的系數(shù)為0.08次/（槽.日），持續(xù)時間平均為300s/次，受控率75%；引入“趨零化”控制技術(shù)后，陽極效應(yīng)系數(shù)逐月降低，僅一年左右的時間，就達(dá)到0.047次/（槽.日），已經(jīng)降低到了設(shè)計值以內(nèi)，之后依然呈現(xiàn)出穩(wěn)步下降的趨勢，目前已經(jīng)能夠保持在0.018次/（槽.日）的水平。同時，陽極效應(yīng)持續(xù)時間從原本的300s/次降低到了90s/次，受控率達(dá)到90%以上。對比企業(yè)效益，每年能夠為企業(yè)增加675萬元的經(jīng)濟收益[3]。

四、結(jié)語

總而言之，在電解鋁生產(chǎn)中，通過對工藝技術(shù)條件的耦合匹配優(yōu)化平衡控制，能夠自動熄滅陽極效應(yīng)，降低陽極效應(yīng)系數(shù)和持續(xù)時間，在提高生產(chǎn)效率的同時，也能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗，提升企業(yè)技術(shù)水平，從而為電解鋁企業(yè)的穩(wěn)定健康發(fā)展提供重要的技術(shù)支撐。

【參考文獻】

[1]成庚.鋁電解陽極效應(yīng)“趨零化”耦合控制技術(shù)研究與應(yīng)用[J].世界有色金屬，2014，（12）：37-40.

[2]張寶光，王洪波.400kA鋁電解槽降低陽極效應(yīng)系數(shù)生產(chǎn)實踐[J].中國有色金屬，2015，（S1）：388-90.

[3]陳偉，張寧.關(guān)于降低預(yù)焙鋁電解槽陽極效應(yīng)的探討[J].世界有色金屬，2017，（18）：35.