1、铝电解阳极效应控制技术浅探铝电解生产技术交流 詹 磊 n阳极效应产生机理分析n生产实践阳极效应发生因素n各因素诱发效应的理论分析n控制阳极效应的具体措施n结论引言 阳极效应对铝电解生产本身的影响，业内逐渐趋向一致，认为阳极效应对电解生产的危害是主要的，同时也是电解生产过程不稳定的体现。实质上，阳极效应的更大危害在于阳极效应发生过程中产生的全氟化碳（简称PFCs，主要是CF4 和C2F6）对环境的影响。研究表明，在铝电解生产过程中，PFCs主要产生于发生阳极效应的异常波动期间，在正常运作期间检测不到PFCs气体，另外，PFCs也会产生于电解槽启动时电压在短时间内上升加热电解槽及槽内原料的短暂时间
2、内。近二十年来，我国原铝工业的快速发展，产能、产量均居世界第一,减少PFCs排放将是铝行业面对节能减排的现实问题。一、阳极效应产生机理分析 到目前为止，对于阳极效应发生的机理及阳极效应发生时的反应，还是众说纷纭。有关效应发生机理的观点很多，但最受重视且能较好解释阳极效应现象的是湿润性改变学说和阳极过程改变学说。（一）湿润性改变学说 湿润性改变学说认为，氧化铝是一种能降低电解质在炭阳极上界面张力的表面活性物质。因此，在氧化铝含量较高时，电解质在炭阳极上的表面张力小，而能良好地湿润阳极。此时阳极上析出的气体被电解质排挤以小气泡形态逸出。当氧化铝含量降低至一定程度后，电解质在炭阳极上的界面张力增加，
3、此时电解质的湿润能力不足以排挤气泡离开阳极表面，而使气泡在阳极表面停留下来，逐渐连成一片并构成气体薄膜导致阳极效应。（二）阳极过程改变学说 阳极过程改变学说认为，阳极效应的发生是由于随电解过程的进行，电解质中含氧离子逐渐减少，达到一定程度后，则有氟析出。所析出氟与阳极炭相互作用生成碳的氟化物。炭的氟化物在分解时又析出细微的炭粒附在阳极表面上，而后导致电解质不能很好的湿润阳极而引起阳极效应。（三）对阳极效应发生机理的看法 对于各种阳极效应发生机理，理论界各有说法。但对于实际生产，本人认为可应用研究性较差。我们不仅想知道如何发生，应该更想知道为什么发生，我们具体如何控制，理论上如何能给一个可靠的支
4、撑？（四）发生阳极效应的临界电流密度 阳极效应产生机理研究目前都还处于学术假说的阶段，有许多合理的地方，同时也存在一定的缺陷，需要进一步的完善。为了研究方便，在实践工作中引入临界电流密度分析影响阳极效应发生的原因。临界电流密度是指在一定条件下电解槽上发生阳极效应时的阳极电流密度。若阳极电流密度达到或高于临界电流密度时，则发生阳极效应，反之则不发生阳极效应。据此，对阳极效应的发生原因可通过对临界电流密度的研究取得定量或定性的依据。临界电流密度是变化的，电解过程中的各种具体参数对临界电流密度产生不同的影响。临界电流密度的说明 临界电流密度与以下因素有关：氧化铝浓度对临界电流密度的影响。电解质中的氧
5、化铝浓度减小，临界电流密度也减小。温度对临界电流密度的影响。电解质温度提高后，电解质对阳极表面的湿润性改善，因此使得临界电流密度增大。电解质性质对临界电流密度也有一定影响。分子比大小和添加剂对临界电流密度的影响有影响，因为成分变化会影响黏度和表面张力电极材料对临界电流密度的影响。由于电极材料的性质将影响固-液和固-气相间界面张力，必然对气泡的生成、生长、脱离和在电解质中电极表面的湿润情况等产生影响，因而使临界电流密度发生变化。能改善湿润性质的电极材料有较高的临界电流密度。反应器及电极的结构对临界电流密度也存在一定的影响。二、生产实践阳极效应发生因素（一）氧化铝浓度偏低诱发的阳极效应 现代大型预
6、焙阳极电解槽采用计算机对氧化铝浓度进行控制,正常情况下,氧化铝浓度能被较为精确的控制在1.52.5%以内。但是一些现场因素导致控制不能达到预期目的，电解质中氧化铝不能及时补充而导致阳极效应。这些因素主要有：料箱缺料 下料口堵塞或下料器故障 NB间隔设置不合理 浓度过/欠变化率设置不合理。（二）温度偏低诱发的阳极效应 在电解生产过程中，由于电解槽温度偏低也会导致阳极效应发生。在电解槽温度偏低的状态下，电解槽电压的变化也会表现出异常，进而导致槽控过程失控。在这种失控条件下，现场将会出现恶性循环的情况，温度低造成控制失控，氧化铝下料量异常增大，而氧化铝添加量的增加促进了电解槽温的进一步下降，使失控状
7、态进一步恶化。这种情况下阳极效应也处于失控状态，且很容易造成大量的炉底沉淀。（三）电解槽运行状况异常诱发的阳极效应 电解槽运行状况异常也会导致阳极效应的失控。诸如电解槽炉膛畸形、阳极换极定位异常、阳极电流分布异常、磁流体不稳定等因素都会增加电解槽阳极效应发生的几率。（四）供电系统、压缩空气系统异常诱发的阳极效应 阳极效应还会由于供电系统异常而出现失控。如直流停电、电流强度非计划长时间下降以及电流长时间异常波动的情况出现时，电解系列的阳极效应一般会有短期的大幅度增加。另外系列或单槽停风，由于打壳下料机构不能正常工作，也会导致阳极效应失控。（五）其它因素诱发的阳极效应 不是所有的阳极效应发生都能明
8、确的找出对应原因来。有些阳极效应发生还可能与其它一些没能明确的因素相关。电解技术条件的综合效果因素、阳极的因素、电解质杂质因素等，也可能会导致阳极效应的发生。三、各因素诱发效应的理论分析（一）氧化铝浓度偏低诱发效应的理论分析 研究表明，随着氧化铝含量的增加，临界电流密度加大。因此，阳极效应将可预期的在氧化铝浓度小于0.5%的条件下到来。在实际生产中，由于其它因素的影响，阳极效应有可能在较高的氧化铝含量之下发生。但可说明，在同样的条件下，随氧化铝浓度的降低，阳极效应的发生机率会增加。冰晶石-氧化铝熔液中临界电流密度（D临界）随氧化铝含量的变化趋势1-席施金，2-别略耶夫等，3-皮翁梯里等，4-托
9、恩斯塔（二）温度偏低诱发的阳极效应理论分析 随着温度的降低，临界电流密度降低。在其它条件同等的条件下，电解温度低，容易诱发阳极效应。同氧化铝浓度影响阳极效应的情况相似，电解温度对阳极效应的诱发也是其中原因之一。实际生产中也可以发现，有些电解槽长期处于较低温度，但阳极效应仍然是受控的，这只是表明其它生产条件的不同抵消了低温影响的结果。（三）其它因素诱发效应的理论分析 根据影响临界电流密度的其它因素，诱发阳极效应还有很多因素。在实际生产中，电解质的分子比、载氟氧化铝的物理化学性质、阳极质量、阳极开槽与否等也会对阳极的产生存在一定的影响。（四）槽况异常诱发效应的理论分析 导致阳极效应发生的各种原因中
10、，各因素的影响使临界电流密度发生变化是诱发阳极效应的一方面，而阳极电流密度的变化也是诱发阳极效应不可忽视另一方面。在电解槽运行状况异常时，阳极电流分布将发生重要变化，在临界电流密度没有发生改变的情况下，出现个别阳极电流密度超过临界电流密度发生阳极效应，并进而诱发全槽阳极效应。我在电解生产过程中观察到的两个现象应该可以这一论断的重要支撑。阳极效应发生时个别阳极没有效应特征 正常生产中个别阳极有阳极效应发生 阳极效应发生时个别阳极没有效应特征 在进行电解槽阳极电流全槽连续监控分析的时候偶然发现，在阳极效应发生时，不是所有的阳极都会表现出阳极效应特征，个别阳极的电流会出现短时间异常升高的情况。这意味
11、着在阳极效应发生过程中，槽电压升高，而这些阳极的导电性质并没有发生大的变化，电阻还是非效应状态的水平，似乎没有发生阳极效应。这些阳极一般是新换阳极或非效应状态下导通电流偏小的阳极。阳极效应发生时阳极电流的变化情况 正常生产中个别阳极有阳极效应发生 在对电解烟气进行PFCs测试时发现，某电解系列在没有阳极效应的情况下也存在PFCs成份。而该系列与其它电解系列的不同之处除了大之外，主要还是稳定性较差。这可能表明，在运行不稳定的电解槽内，个别阳极可能处于类似阳极效应的状态，从而使电解烟气中出现了PFCs。四、控制阳极效应的具体措施 根据对诱发阳极效应的原因的分析及阳极效应发生时表现出的特殊现象，减少
12、阳极效应主要可从提高临界电流密度和降低相对阳极电流密度两大方面进行考虑。（一）有效保证槽内氧化铝的补充 p 氧化铝供配料优化p 计算机氧化铝控制策略优化p 如有可能尽量以砂状氧化铝替代中间状氧化铝（二）合理配置工艺技术条件 电解工艺技术条件的合理配置是控制阳极效应的重要内容。平稳有序的工艺运行状况对降低阳极效应系数非常必要。技术条件的合理配置主要有：规整的炉膛内形。合理的能量耗散分布。稳定的技术条件保持。（三）规范电解操作 电解操作实际操作质量对阳极效应的发生也有重要的影响，尤其是换极工作质量影响最大。提高换极工作质量，主要在于阳极定位准确、物料异常落入少、炭渣及结壳块打捞干净、换极时间短等。
13、通过对电解操作质量的规范，减少对电解槽的干扰，保证电解槽生产稳定，降低诱发阳极效应的机率，对控制阳极效应很有作用。（四）加强电解槽焙烧启动管理 电解槽的焙烧启动是电解生产的起点，是孕育良好生产状况的重要环节。规范合理有序的生产操作对形成良好的电解槽炉膛、合理的散热分布至关重要。在此过程中要确保电解槽中有足够的电解质数量，防止电解质萎缩、保证生产平稳；要克服急躁情绪、盲目调整，避免出现炉膛畸形、电解槽炉底“凉”等异常情况。只有电解槽顺利正常启动，后期有效控制阳极效应才有保障。（五）改善阳极状况 阳极状况也是控制阳极效应一个环节。阳极状况分为阳极物化质量和阳极表面状态两方面。阳极物化质量对阳极掉渣
14、、阳极消耗异常等有直接影响，进而成为阳极效应发生的诱因之一。因此在生产中要尽量使用高质量阳极。阳极表面状态主要是阳极表面的形状，改变阳极气体的溢出性质，目前主要的措施有梯形阳极、开槽阳极、开孔阳极等，采用这些措施的主要目的是减少气泡挠动，降低二次反应而提高电流效率或减小无效极距实现降低电解槽工作电压达到低电耗生产的目的，实践表明这些措施对控制阳极效应也有贡献。（六）加强供电、供风管理 对铝电解生产而言，良好的供电包括持续供电和平稳供电两方面的内容。在生产管理中加强供电质量的管理对降低阳极效应系数也很有意义。目前广泛应用的不停电启停电解槽技术就是其中成功的范例。压缩空气对电解生产的影响不亚于电的
15、影响。尤其是其对正常下料的影响直接会导致阳极效应的发生。（七）关注电解槽设计 关注电解槽磁流体稳定性设计 阳极电流分布均匀性与电解后期生产管理是否正常有着密切关系。但是电解槽的磁流体稳定性设计也是影响阳极电流分布的重要方面，并且由于磁液化不稳定产生的阳极电流分布异常很难通过后期的生产调整进行调整。因此，为有效降低阳极效应系数，在电解槽设计时，应使阳极电流分布尽可能均匀。关注电解槽热场设计 合理的热场设计对生产过程中保持规整的电解槽炉膛也非常重要。而规整的电解槽炉膛有利于阳极效应的降低。优秀的热场设计要合理的选择各种边界条件，在此基础上对各种材料进行匹配，同时结合电解槽外环境（或适当改变电解槽外环境），使实际运行状况尽可能接近所需状态。五、结论n 研究铝电解阳极效应控制技术，降低阳极效应系数，直至实现零效应生产将有着重要意义。n 关于阳极效应的理论研究还不充分，但对影响发生阳极效应的临界电流密度相关因素的研究可作为控制阳极效应理论依据。n 实践经验表明，减少阳极效应主要可从提高临界电流密度和降低相对阳极电流密度两大方面考虑，主要是从有效保证槽内氧化铝的补充、合理配置工艺技术条件、规范电解操作、加强电解槽焙烧启动管理、改善阳极状况、加强供电管理、关注电解槽设计等方面开展工作。n 通过采取工作，零效应生产将成为可能。
