500kA鋁電解槽陽極效應“趨零化”控制技術探討

成正斌

【摘 要】在工業生產中，鋁電解槽的陽極效應與工藝技術、生產流程等存在一定關聯，通過降低鋁電解槽陽極效應的方式，能夠提升生產組織效果，實現節能減排目標，促進企業經濟效益的提高。本文以某企業500kA鋁電解槽為例，就其陽極效應“趨零化”控制技術進行了分析和討論，希望能夠為工藝技術的改進提供一些參考和借鑒。

【關鍵詞】500kA；鋁電解槽；陽極效應；“趨零化”；控制技術

當電解槽出現陽極效應時，槽電壓與電解溫度會有所提升，導致電化學反應幾乎停止，鋁液局部因為氧化反應而出現燃燒現象，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而變得更加薄弱，繼而影響電解槽的使用壽命，還可能引發一系列的不良影響?；诖耍娊怃X企業必須重視對于電解槽陽極效應的控制。

一、概況

某電解鋁企業采用的是SY500電解槽，該電解槽在設計環節充分考慮了周邊槽、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，可以對傳統電解槽中存在的磁流體不穩定的問題進行解決，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，能夠對電解槽內襯等溫線分布及熱平衡問題進行解決，確保電解槽在生產過程中能夠保持相對規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到了740mm，能夠與陽極炭塊的正投影實現彼此重合，考慮到電解槽采用了超長陰極結構，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定性的同時，也可以將陽極效應系數控制在0.05次/（槽.日）

二、控制技術

從實現電解槽陽極效應“趨零化”的角度，需要對生產中的技術條件進行優化?；隈詈掀ヅ涞钠胶鈨灮瓌t，針對陽極效應系數的主要影響因素，如電解溫度、初晶溫度、氧化鋁濃度、過熱度等進行耦合匹配，能夠將陽極效應系數降低到0.02次/（槽.日），陽極效應的持續時間也可以縮短到小于90s[1]。

（一）明確技術范圍

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，則可能導致陽極效應的增大，因此，結合相關實踐，應該將氧化鋁濃度控制在1.5%-2.5%之間。生產環節，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。陽極反應發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范圍內；二是低濃度控制。想要在提高電流效率的同時對陽極效應發生的幾率進行控制，必須將氧化鋁濃度控制在一定范圍內，因為相同氧化鋁濃度下，溫度的上升會導致臨界電流密度增大，因此當氧化鋁濃度相對較低（1.5%-2%）時，應該適當提高電解溫度（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合產生不良影響，這種情況下，應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。當氧化鋁濃度偏高（2%-2.5%），需要適當降低電解溫度（925-935℃），以較低的初晶溫度和較高的過熱度來實現耦合匹配。

（三）工藝條件優化

1.初晶溫度控制

一是需要對金屬氧化物含量進行控制。電解質中金屬氧化物的含量會對初晶溫度產生影響，因此，企業應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中LiF、KF等富集量的控制；二是應該做好分子比調節。企業需要對電解質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中的金屬氧化物含量進行分析，配合專業計算軟件，實現對電解質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節氧化鋁濃度的影響，還應該重視分子比調節，結合相應的分析計算結果，通過調整分子比（過剩AlF3%）的方式，完成初晶溫度調節[2]。

2.溫度控制

一是保溫措施。相關研究表明，500kA電解槽陰極區域的平均散熱為0.786V，陽極區域平均散熱為0.968V，在保溫處理中，一方面需要保持恰當的陽極保溫料，若電解溫度呈現降低趨勢，陽極保溫聊偏少，則應該適當增加其厚度，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，則應該適當降低鋁液水平高度，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，如果做好相關措施后，發現電解溫度持續偏低且保持下降態勢，則應該適當提高電流強度，保持熱平衡。在現有技術條件下，陽極電流最大密度可以達到1A/cm2，相比較而言，該企業的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，則在優質陽極的配合下，可以直接將陽極電流密度提升到可以滿足現實需求的程度。通過提升陽極電流密度的方式，能夠對熱平衡所需的能量進行補充和改善，促進生產效率的提高。伴隨著環境溫度的升高，電解槽熱平衡狀態會發生變化，當常規措施無法滿足熱平衡調節需求時，會引發全系列電解槽偏熱的情況，導致電解溫度偏高，此時應該降低電流強度，對熱平衡進行改善，將電解溫度控制在合理范圍內。

三、效益分析

在引入“趨零化”控制技術前，電解槽陽極效應的系數為0.08次/（槽.日），持續時間平均為300s/次，受控率75%；引入“趨零化”控制技術后，陽極效應系數逐月降低，僅一年左右的時間，就達到0.047次/（槽.日），已經降低到了設計值以內，之后依然呈現出穩步下降的趨勢，目前已經能夠保持在0.018次/（槽.日）的水平。同時，陽極效應持續時間從原本的300s/次降低到了90s/次，受控率達到90%以上。對比企業效益，每年能夠為企業增加675萬元的經濟收益[3]。

四、結語

總而言之，在電解鋁生產中，通過對工藝技術條件的耦合匹配優化平衡控制，能夠自動熄滅陽極效應，降低陽極效應系數和持續時間，在提高生產效率的同時，也能夠實現節能降耗，提升企業技術水平，從而為電解鋁企業的穩定健康發展提供重要的技術支撐。

【參考文獻】

[1]成庚.鋁電解陽極效應“趨零化”耦合控制技術研究與應用[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系數生產實踐[J].中國有色金屬，2015，（S1）：388-90.

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