鋁電解中陽極效應(yīng)的原因分析及控制措施探討

（中國鋁業(yè)連城分公司，甘肅 蘭州 730335）

1 陽極效應(yīng)的危害

（1）在工業(yè)電解槽上，陽極效應(yīng)發(fā)生時電壓上升（一般為30～50V），在高電壓和高電流密度下，電解質(zhì)和陽極都處于過熱狀態(tài)。大大增加了能源的浪費，W=UIT=30＊500＊0.05=750kwh/次。（ 按 照 目 前 普 遍500KA電解槽每個效應(yīng)持續(xù)3分鐘且平均電壓為30v計算）（0.3355＊500＊24＊0.92=3704kg，噸鋁單耗增加202 kwh電，成本增加81元）同時，破壞了正常電解槽的能量平衡和穩(wěn)定的爐膛。

（2）陽極效應(yīng)對相關(guān)指標的影響

表1

以上數(shù)據(jù)為某系列5月份效應(yīng)總數(shù)及工作電壓、噸鋁直流電單耗的對應(yīng)關(guān)系。

2 陽極效應(yīng)相關(guān)理論基礎(chǔ)

2.1 陽極效應(yīng)機理

在電解冰晶石-氧化鋁熔體的條件下，采用炭陽極時，只有當(dāng)電解質(zhì)中氧化鋁的濃度降低到某個限度（例如Al2O30.5%）時，才會產(chǎn)生陽極效應(yīng)，此時陽極的電流密度超過該條件下的臨界電流密度。為什么陽極電流密度會增大，主要是陽極的導(dǎo)電面積減小了，導(dǎo)電面積減小的原因歸結(jié)于電極和電解質(zhì)的界面性質(zhì)發(fā)生了變化。當(dāng)氧化鋁濃度降低時，電解質(zhì)同炭陽極之間的濕潤性變差，析出的氣體容易進入陽極和電解質(zhì)的界面上，隨著陽極氣泡的逐漸增多，由小氣泡聚合成較大氣泡，形成連續(xù)的氣體膜，由于氣體的絕緣性，阻礙了電流的通過。當(dāng)陽極的導(dǎo)電面積有相當(dāng)部分被氣膜覆蓋，其有效面積減少，使其電流密度增大，超過該條件下的臨界電流密度，于是陽極效應(yīng)發(fā)生。在陽極電流密度升高的同時，陽極電位也相應(yīng)增高，達到氟離子放電的電位，可先后生成絕緣的表面化合物CxFy（先后以氣體CF4，C2F6排放），它們的存在使陽極的界面性質(zhì)變差，使氣體能夠停留在界面上。

2.2 鋁電解陽極效應(yīng)的外觀特征

①在陽極周圍發(fā)生明亮的小火花，并帶有特別的響聲和吱吱聲；②陽極周圍的電解質(zhì)有如被氣體撥開似的，陽極與電解質(zhì)界面上的氣泡不再大量析出，電解質(zhì)沸騰停止；③排出的氣體除CO和CO2外，還有炭氟化合物氣體如CF4和C2F[1]。④在恒電壓供電情況下，陽極效應(yīng)發(fā)生時電解槽系列電流急劇降低。

3 發(fā)生陽極效應(yīng)的類型

3.1 換極作業(yè)過程中的陽極效應(yīng)

圖1 換極引發(fā)效應(yīng)圖

①氧化鋁濃度較低，吊開陽極，陽極電流密度必然增大，且很容易當(dāng)其大于此低氧化鋁對應(yīng)的低臨界電流密度，由此引發(fā)陽極效應(yīng)。②電解質(zhì)水平偏低，吊出陽極，電解質(zhì)回落后，增大陽極電流密度，（電流導(dǎo)電面積?。亩l(fā)陽極效應(yīng)。見現(xiàn)場圖1。

3.2 出鋁過程中的陽極效應(yīng)效應(yīng)（見圖2）

①與計算機聯(lián)系（按槽控機上的“出鋁”鍵）時機不當(dāng)，過早或過晚。此時鋁液回落，而陽極未同步下降，結(jié)果：電解質(zhì)回落，陽極電流密度增大，當(dāng)其大于臨界電流密度時，便引發(fā)陽極效應(yīng)。②因出鋁是過量加工，此時過料量不夠，造成陽極效應(yīng)。③因出鋁會帶走大量熱能，加之有冷料滑入，導(dǎo)致槽溫走低，對槽溫本就偏低的槽子此時極易發(fā)生陽極效應(yīng)。

圖2 出鋁引發(fā)效應(yīng)圖

3.3 減量期發(fā)生的陽極效應(yīng)

①電壓擺時，一方面實施欠料加工（減量期），另一方面上抬陽極。如果電壓擺時間過長，欠料時間過長，上抬陽極過多，則一方面電解質(zhì)中氧化鋁濃度降低，使臨界電流密度降低；另一方面，上抬陽極后，實際電流密度增大。此時，陽極電流密度很容易大于臨界電流密度，于是引發(fā)陽極效應(yīng)。②誤操作，工作中誤按“扎邊”等會減量加工的大操作，致使不該減量時減量了，結(jié)果電解質(zhì)中氧化鋁濃度不斷降低，引發(fā)陽極效應(yīng)。

3.4 增量期發(fā)生陽極效應(yīng) （見圖3）

①下料口過硬、過小，發(fā)生堵卡現(xiàn)象：即氧化鋁未下到電解質(zhì)中，盡管程序發(fā)出“增量”指令，槽控機也不斷“增量”加工，電解質(zhì)內(nèi)氧化鋁濃度仍然很低，于是產(chǎn)生了陽極效應(yīng)。②下料器性能不良，且下料量長期偏小，盡管大部分時段都在“增量”加工，仍可能在“增量期”發(fā)生陽極效應(yīng)。③電解質(zhì)“不干凈”（槽內(nèi)炭渣多、“臟料”多）：氧化鋁浮在炭渣上，未全部進入到電解質(zhì)內(nèi)（電解槽一般會進入“增量期”），使電解質(zhì)與炭陽極界面張力過大，氣泡不易排出，產(chǎn)生陽極效應(yīng)。④停電（或降負荷）時間過長，槽溫下降較嚴重，僅管此時可能處于“增量加工期”，仍可能發(fā)生陽極效應(yīng)。⑤基礎(chǔ)NB設(shè)定偏大：當(dāng)進行了“換極”、“抬母線”等大操作后，控制程序在進行重新“尋跡”時需采用基礎(chǔ)NB，如此時基礎(chǔ)NB設(shè)定偏大太多，之后的“過量加工”很可能是“積重難返”，來不及“補救”，于是在產(chǎn)生了多個AEPB（效應(yīng)預(yù)報加工）后仍發(fā)生了陽極效應(yīng)，盡管此時處于“過量加工期”。參數(shù)設(shè)定不合理：在進行“抬母線”、“出鋁”等需“過量加工”的操作時，由于過量比例不合理，未達防范效應(yīng)的目的，也就說：“量不夠，質(zhì)難變”。

圖3 NB設(shè)定大引發(fā)增量期效應(yīng)圖

4 降低陽極效應(yīng)次數(shù)的措施

4.1 加強自控系統(tǒng)的預(yù)報

現(xiàn)代鋁電解槽的自動控制中已經(jīng)有陽極效應(yīng)預(yù)報程序，它是根據(jù)氧化鋁濃度和電解槽電阻的關(guān)系曲線進行控制的。與此同時，同點式下料技術(shù)配合，可以做到陽極效應(yīng)的預(yù)報，并控制每天的效應(yīng)次數(shù)為最低。由于氧化鋁濃度同槽電阻的關(guān)系曲線中，槽電阻除氧化鋁濃度因素外，還受其它因素的影響，因此該曲線不能精確反映出電解槽中氧化鋁濃度的真實變化。因此還需作進一步改進。

4.2 規(guī)范現(xiàn)場操作

現(xiàn)場操作過程中，提高換極精度，減少異常物料落入電解槽，加強炭渣和殼面塊打撈，減少換極操作時間，做好電解槽保溫。同時加強巡視力度，隨時保證打殼下料系統(tǒng)正常，避免因設(shè)備等問題造成電解槽氧化鋁濃度偏低，引發(fā)突發(fā)效應(yīng)。特別是加強夜班巡視力度（設(shè)備穩(wěn)定性）。

下表為某廠房2018年5月三個班次效應(yīng)統(tǒng)計結(jié)果。

表2

4.3 合理保持參數(shù)設(shè)定

現(xiàn)場工程技術(shù)人員，勤看監(jiān)控曲線，并在掌握現(xiàn)場情況的前提下，及時準確的修改下料間隔等參數(shù)，減少因參數(shù)設(shè)定不合理引發(fā)效應(yīng)。

4.4 加強供電管理

對于鋁電解生產(chǎn)而言，穩(wěn)定良好的供電在生產(chǎn)中可以很好的降低突發(fā)陽極效應(yīng)次數(shù)。目前廣泛應(yīng)用的不停電停開槽技術(shù)就是其中很成功的范例，另外還有穩(wěn)定的系列電流，也能保證電解槽整體電流穩(wěn)定[2]。

5 結(jié)論

①通過對陽極效應(yīng)類型的分析總結(jié)，從根本上來降低陽極效應(yīng)發(fā)生的機會。②通過合理的預(yù)防措施可以很好的降低陽極效應(yīng)系數(shù)，直至實現(xiàn)零效應(yīng)生產(chǎn)。