鋁電解中陽極效應的原因分析及控制措施探討

（中國鋁業連城分公司，甘肅 蘭州 730335）

1 陽極效應的危害

（1）在工業電解槽上，陽極效應發生時電壓上升（一般為30～50V），在高電壓和高電流密度下，電解質和陽極都處于過熱狀態。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電解槽每個效應持續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定的爐膛。

（2）陽極效應對相關指標的影響

表1

以上數據為某系列5月份效應總數及工作電壓、噸鋁直流電單耗的對應關系。

2 陽極效應相關理論基礎

2.1 陽極效應機理

在電解冰晶石-氧化鋁熔體的條件下，采用炭陽極時，只有當電解質中氧化鋁的濃度降低到某個限度（例如Al2O30.5%）時，才會產生陽極效應，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，主要是陽極的導電面積減小了，導電面積減小的原因歸結于電極和電解質的界面性質發生了變化。當氧化鋁濃度降低時，電解質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，形成連續的氣體膜，由于氣體的絕緣性，阻礙了電流的通過。當陽極的導電面積有相當部分被氣膜覆蓋，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，于是陽極效應發生。在陽極電流密度升高的同時，陽極電位也相應增高，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變差，使氣體能夠停留在界面上。

2.2 鋁電解陽極效應的外觀特征

①在陽極周圍發生明亮的小火花，并帶有特別的響聲和吱吱聲；②陽極周圍的電解質有如被氣體撥開似的，陽極與電解質界面上的氣泡不再大量析出，電解質沸騰停止；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，陽極效應發生時電解槽系列電流急劇降低。

3 發生陽極效應的類型

3.1 換極作業過程中的陽極效應

圖1 換極引發效應圖

①氧化鋁濃度較低，吊開陽極，陽極電流密度必然增大，且很容易當其大于此低氧化鋁對應的低臨界電流密度，由此引發陽極效應。②電解質水平偏低，吊出陽極，電解質回落后，增大陽極電流密度，（電流導電面積小）從而引發陽極效應。見現場圖1。

3.2 出鋁過程中的陽極效應效應（見圖2）

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

圖2 出鋁引發效應圖

3.3 減量期發生的陽極效應

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，于是引發陽極效應。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，結果電解質中氧化鋁濃度不斷降低，引發陽極效應。

3.4 增量期發生陽極效應 （見圖3）

①下料口過硬、過小，發生堵卡現象：即氧化鋁未下到電解質中，盡管程序發出“增量”指令，槽控機也不斷“增量”加工，電解質內氧化鋁濃度仍然很低，于是產生了陽極效應。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”發生陽極效應。③電解質“不干凈”（槽內炭渣多、“臟料”多）：氧化鋁浮在炭渣上，未全部進入到電解質內（電解槽一般會進入“增量期”），使電解質與炭陽極界面張力過大，氣泡不易排出，產生陽極效應。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”，仍可能發生陽極效應。⑤基礎NB設定偏大：當進行了“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NB，如此時基礎NB設定偏大太多，之后的“過量加工”很可能是“積重難返”，來不及“補救”，于是在產生了多個AEPB（效應預報加工）后仍發生了陽極效應，盡管此時處于“過量加工期”。參數設定不合理：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，未達防范效應的目的，也就說：“量不夠，質難變”。

圖3 NB設定大引發增量期效應圖

4 降低陽極效應次數的措施

4.1 加強自控系統的預報

現代鋁電解槽的自動控制中已經有陽極效應預報程序，它是根據氧化鋁濃度和電解槽電阻的關系曲線進行控制的。與此同時，同點式下料技術配合，可以做到陽極效應的預報，并控制每天的效應次數為最低。由于氧化鋁濃度同槽電阻的關系曲線中，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 規范現場操作

現場操作過程中，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正常，避免因設備等問題造成電解槽氧化鋁濃度偏低，引發突發效應。特別是加強夜班巡視力度（設備穩定性）。

下表為某廠房2018年5月三個班次效應統計結果。

表2

4.3 合理保持參數設定

現場工程技術人員，勤看監控曲線，并在掌握現場情況的前提下，及時準確的修改下料間隔等參數，減少因參數設定不合理引發效應。

4.4 加強供電管理

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

5 結論

①通過對陽極效應類型的分析總結，從根本上來降低陽極效應發生的機會。②通過合理的預防措施可以很好的降低陽極效應系數，直至實現零效應生產。